ClR2R3-MYB复制基因在西瓜低温胁迫响应中的表达分析

发布时间：2020-04-16 01:06

【摘要】：西瓜(Citrullus lanatus)作为重要的园艺作物,在世界各地广泛栽培。但低温胁迫严重影响了喜温植物西瓜的反季节栽培,严重降低了西瓜的经济价值。因此,研究西瓜耐低温机制及调控网络具有重要的意义。多项研究表明,R2R3-MYB基因在多种植物响应低温胁迫过程中有重要的调控作用。在进化方面,复制基因在家族基因成员扩大和功能多样性中起着重要的作用,在基因网络调控中扮演重要的角色。但R2R3-MYB复制基因是否具有调控西瓜低温耐受性的作用,其调控网络如何,目前尚不清楚。因此,本研究通过对西瓜97103幼苗进行低温胁迫处理、观察测定植株表型变化、生理响应、并对不同时间点进行转录组测序,鉴定西瓜R2R3-MYB转录因子家族及其复制基因,筛选低温胁迫下差异表达复制基因并进行共表达分析,预测复制基因结合的下游互作顺式元件并构建调控网络。主要研究结果如下:1.观察西瓜幼苗低温胁迫0 h与6 h,12 h,24 h,36 h及48 h幼苗表型变化,对丙二醛及过氧化物酶测定,发现随着低温处理时间的推迟,虽然植株有一定的恢复适应能力,但长期的低温处理依旧会导致西瓜幼苗受到严重的低温伤害。2.西瓜低温转录组数据分析发现,0 h与6 h,12 h,24 h,36 h及48 h共同的差异表达基因有584个,0 h与36 h之间的差异基因数量最多,与48 h之间的差异基因数量最少。西瓜全基因组在低温胁迫时间序列处理下有10种不同的表达模式,其中有4种表达模式基因数量较多。差异基因GO富集在生物调控、生命代谢过程、细胞过程和对刺激的反应等功能,KEGG分析发现低温胁迫差异基因主要富集在代谢及次生代谢的生物合成等途径中,同时还发现差异基因参与激素信号传导及昼夜节律等过程。3.全基因组共鉴定出西瓜R2R3-MYB转录因子家族共有89个成员,包含48对R2R3-MYB复制基因。其中27对(56.25%)为片段复制基因对,19对(39.58%)为转座复制基因对,1对近端复制基因对和1对串联复制基因对。所有西瓜R2R3-MYB复制基因对的Ka/Ks值均小于1,表明其在进化过程中均受到纯化选择。4.根据转录组数据及qRT-PCR验证发现仅有一对复制基因Cla005982-Cla005982(ClR2R3-MYB50和ClR2R3-MYB58)在低温处理中两个基因均为差异表达基因。通过共表达分析发现,目的基因ClR2R3-MYB50和ClR2R3-MYB58其表达模式相似,均在低温胁迫后48 h有较高的表达量,ClR2R3-MYB58的共表达值较ClR2R3-MYB50高。GO富集分析及KEGG通路表明,同模块中与2个基因相关性高的基因具有酶活性调控等功能,富集在代谢途径和次生代谢产物的生物合成等途径中。5.筛选共表达网络中与ClR2R3-MYB50、ClR2R3-MYB58相关性较高的基因启动子区域含有MBS元件的相关基因,构建ClR2R3-MYB50和ClR2R3-MYB58在低温下的调控网络。下游预测分析与ClR2R3-MYB50和ClR2R3-MYB58结合的基因,发现Cla004399等基因可能参与膜脂不饱和程度的调控,在CBF等途径中发挥作用。认为ClR2R3-MYB50和ClR2R3-MYB58复制基因进化后在低温胁迫下保留功能,发挥相似的调控作用。
【图文】：

复制基因

（Zhu et al2014），突变在不同的调控区域可能导致表达水平的变化，在不同的编码区域可能获得新的功能（LongandThornton2001）。人们提出了许多进化模型来阐明基因复制后的状态机制，如图 1-1 所示，包括短期和长期的保留或失去功能（Qiao etal 2018）。其中，三种功能模型来描述保留的复制基因的功能，包括基因剂量效应、亚功能化和新功能化（Flagel and Wendel 2009）。基因剂量是通过改变复制后基因拷贝数而影响功能的机制之一，近年来的研究强调增加基因剂量可能有利于复制（Panchyet al2016）。亚功能化模型描述了在中性突变过程中，每个复制的基因保留了其原始的祖先功能（Freeling et al2015）。例如，拟南芥中，发现复制基因 ICARUS2和 ICARUS1 通过遗传相互作用和分子进化，使拟南芥更加适应生长环境温度（Belenet al2019）。在冷应激反应中，马尾松（SolanumCommersonii）的 MYB 复制基因对ScAN2 和 ScAN1 之间存在亚功能化（D'Amelia et al 2017）。新功能化模型是指一个复制的基因保持了祖先原有的功能，而另一个基因获得了新的功能（Duarte et al2006）。在花椰菜中 PFGLO1 和 PFDEF 两个复制基因的 B 类 MADS-box 元件中发现产生了新功能的现象（Zhang et al2015）。然而，在西瓜 R2R3-MYB 转录因子家族基因中，其复制的命运、复制后表达功能等仍然是未知的。

西瓜幼苗,低温胁迫,处理表,叶片

华中农业大学2019届硕士研究生学位（毕业）论文3.结果分析3.1西瓜幼苗低温胁迫表型及冷害指数测定长势一致的 97103 西瓜幼苗经过 10℃/5℃低温胁迫处理之后，分别在 6 h，12h，24 h，36 h，48 h 观察表型变化，如下图 3-1 所示。低温胁迫 6 h 之后，西瓜幼苗叶片明显出现失水萎蔫状态，叶片皱缩。处理 12 h 后，，西瓜幼苗叶片进一步萎蔫，失水状态较 6 h 叶片更为严重，真叶全部皱缩严重。处理 24 h 后，西瓜幼苗叶片基本恢复，叶片展开，但植物状态较 0 h 较差，叶片较软。低温处理 36 h 及 72h 后，西瓜幼苗再次出现萎蔫，叶片皱缩，叶片干裂皱缩，边缘叶全部卷缩，叶片脆而弱，程度较 6 h 及 12 h 更为严重。整个低温胁迫过程表现出一个萎蔫-恢复-萎蔫的过程。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S651

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