基于多维组学数据挖掘研究拟南芥AtSPX1基因的新功能以及OsSPX1对苗期水稻抗氧化性的影响

发布时间：2017-05-20 12:05

  本文关键词：基于多维组学数据挖掘研究拟南芥AtSPX1基因的新功能以及OsSPX1对苗期水稻抗氧化性的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：SPX (SYG1/PH081/XPR1)结构域是位于蛋白质N端含有180个氨基酸残基的结构域,植物中很多含有SPX结构域的蛋白都参与了磷相关的信号转导和调控。目前对于AtSPX1基因功能的研究多集中于磷相关的信号调控方面,AtSPX1基因受磷诱导表达,其蛋白以磷依赖的方式抑制AtPHR1的活性,参与磷稳态调节。水稻中与AtSPX1基因序列相似性最高的同源基因是OsSPX1,其蛋白协同OsSPX2通过与OsPHR2的互作来抑制磷饥饿反应。SPX1/PHR1模型将磷感受和磷信号连接起来。生物信息学的迅速发展,尤其是对高通量组学数据的挖掘,使我们可以预测基因的新功能并进行实验验证。 本研究的第一部分工作为基于多维组学数据挖掘研究拟南芥AtSPX1基因的新功能。研究中验证了AtSPX1基因参与磷信号转导的功能,通过对公共数据库中蛋白组学数据的挖掘,构建了AtSPX1的蛋白互作网络。通过对AtSPX1互作蛋白TGA1的功能分析,预测其可能参与SA介导的系统性免疫抗性途径。在SA处理实验中,atspx1突变体表现出对SA不敏感的表型,这验证了AtSPX1基因确实参与了SA介导的免疫防御途径。通过对另一互作蛋白IAAll的功能挖掘分析,预测该基因可能会参与生长素相关的侧根发育过程。将atspx1突变体置于低磷和添加生长素类似物的培养基中生长,发现外源生长素类似物诱导拟南芥侧根发育,并且atspx1突变体表现得不如WT敏感,低磷条件下atspx1的侧根数目多于WT,但是生长素类似物诱导侧根发育的表型不太明显,证明AtSPX1基因是以磷依赖的方式参与了生长素相关的侧根发育过程。另外,借助基因表达谱芯片在转录组学水平上研究了突变体中由于AtSPX1基因功能缺失所导致的基因表达变化。通过对atspx1中差异表达基因的GO功能注释分析,发现大量显著性富集词条与生物胁迫和系统性免疫抗性等植物防卫反应有关。进一步对这些基因所参与的代谢途径进行分析,发现有大量基因参与了生物胁迫代谢通路中,如WRKY转录因子、PR蛋白、信号转导分子、细胞壁蛋白和次级代谢物等。并且还通过qRT-PCR实验验证了上述结果。 研究中还发现AtSPX1基因的表达随昼夜变化而呈现出节律性波动,而且地上组织中的磷含量也出现节律性波动的现象。为了研究该基因功能的正常发挥是否依赖于特定的节律调控,按时间序列取WT和atspx1材料,利用RNA-seq技术对其转录组进行分析发现,AtSPX1基因在白天表达较高,在晚上表达较低,并且该基因在特定时间点表达水平的维持对于其功能的正常发挥是必需的。atspx1突变体中AtSPX1基因的表达维持在低水平,引起了大量植物免疫相关基因的表达变化,影响了其系统性免疫诱导的敏感性。为了更深入了解AtSXP1基因功能的机制,通过ChIP-seq技术从表观遗传组学的角度进行了探究,发现很多基因的H3K27ac修饰水平随时间而变化。atspx1突变体与WT相比H3H27ac修饰有差异的基因,很多都与SA相关的免疫信号途径有关。 本研究在蛋白组学、转录组学和表观遗传组学多个维度上,都预测出AtSPX1基因参与SA相关的免疫防御反应和生长素相关的侧根发育,并进行了实验验证。研究还发现,AtSPX1基因功能的正常实现需要受到昼夜节律的合理调控,正确的节律性调控对于其参与的免疫防御反应和磷稳态维持是必不可少的。 本研究的另一部分工作是水稻OsSPX1基因对抗氧化性的影响。实验室前期工作发现将OsSPX1基因转入拟南芥和烟草可以提高植株耐冷性。在冷处理条件下,OsSPX1-antisense转基因株系表现出敏感表型,对转基因材料在冷处理条件下的基因表达谱芯片的分析发现,OsSPX1-antisense转基因株系中GSTs等与氧化代谢相关的基因的表达明显有别于WT和OsSPX1-sense转基因株系,推测OsSPX1-antisense转基因株系可能在氧化代谢方面有缺陷。甲基紫精(MV)处理实验中OsSPX1-antisense转基因株系对MV敏感的表型验证了上述猜测。在正常生长条件下,OsSPX1-antisense转基因株系体内的过氧化物酶活性明显高于野生型,这可能是为了代偿性弥补OsSPX1-antisense转基因株系在ROS清除方面较弱的缺陷。外源添加GSH可提高OsSPX1-antisense转基因株系对冷胁迫和氧化胁迫的抗性,说明OsSPX1-antisense转基因株系确实是由于对ROS清除能力较弱从而表现出对冷胁迫和氧化胁迫的高度敏感。该研究可以为在农业生产上如何科学地处理施肥和施药之间的关系提供理论支持。 综上所述,我们运用了多维组学方法,包括蛋白组学、转录组学和表观遗传组学,结合互作网络和GO注释分析,研究拟南芥和水稻中SPX1可能的新功能。通过实验验证,我们成功鉴定出AtSPXl可能参与SA介导的信号转导通路和生长素调控的侧根发育中。我们也发现AtSPXl基因可能依赖于昼夜节律。另外,我们也发现在水稻中下调OsSPX1的下调表达引起苗期水稻对氧化胁迫的高度敏感。在本研究中所展示的系统生物学的研究为基因功能的数据挖掘提供了思路上的借鉴。
【关键词】：AtSPX1 SA 植物免疫 IAA 根的发育 OsSPX1 氧化胁迫
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q943.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 图片目录10-11
• 表格目录11-12
• 缩略词表12-13
• 第1章 文献综述13-27
• 1.1 SPX结构域研究进展13-17
• 1.2 高通量测序技术在转录组学和表观遗传组学研究的应用17-20
• 1.3 SA和SAR信号途径20-26
• 1.4 本研究的目的和意义26-27
• 第2章 基于多维组学数据挖掘研究拟南芥ATSPX1基因的新功能27-85
• 2.1 引言27-28
• 2.2 材料与方法28-38
• 2.2.1 实验材料28
• 2.2.2 实验试剂及耗材28-29
• 2.2.3 实验仪器29-30
• 2.2.4 实验方法30-37
• 2.2.5 数据分析方法37-38
• 2.3 结果与分析38-81
• 2.3.1 AtSPX1蛋白的相互作用网络38-42
• 2.3.2 AtSPX1基因参与磷信号转导42-44
• 2.3.3 AtSPX1基因影响拟南芥的侧根发育44-48
• 2.3.4 AtSPX1基因的表达谱分析48-57
• 2.3.5 AtSPX1基因参与拟南芥的免疫防御57-59
• 2.3.6 AtSPX1基因受昼夜节律调控59-61
• 2.3.7 AtSPX1基因受昼夜节律调控的转录组学分析61-71
• 2.3.8 AtSPX1基因昼夜节律的表观遗传学分析71-81
• 2.4 小结与讨论81-85
• 2.4.1 AtSPX1基因参与拟南芥的免疫防御并影响拟南芥的侧根发育82
• 2.4.2 AtSPX1基因功能的正常实现有赖于受到适时的昼夜节律调控82-85
• 第3章 水稻OSSPX1基因对抗氧化性的影响85-93
• 3.1 引言85
• 3.2 材料与方法85-86
• 3.2.1 实验材料85-86
• 3.2.2 实验方法86
• 3.3 结果与分析86-91
• 3.3.1 下调表达OsSPX1影响水稻对冷的抗性87-89
• 3.3.2 下调表达OsSPX1提高水稻对氧化胁迫的敏感程度89-91
• 3.4 小结与讨论91-93
• 第4章 结论与展望93-95
• 参考文献95-101
• 附录101-127
• 附录1. TGA1互作蛋白的GO注释101-105
• 附录2. IAA11互作蛋白的GO注释105-108
• 附录3. Atspx1与WT相比的差异表达探针组108-114
• 附录4. Atspx1与WT相比的RNA-seq共同差异表达基因114-126
• 附录5. 水稻冷处理芯片差异表达探针组的GO注释分析126-127
• 致谢127-129
• 作者简历129

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李亚男;冯霞;陈大清;;ARF、Aux/IAA和生长素受体对基因表达的调控[J];安徽农学通报;2008年07期

2 江海洋;魏巍;刘艳;朱苏文;程备久;;高粱生长素反应因子(ARF)基因的全基因组分析与进化研究[J];安徽农业大学学报;2010年03期

3 冯霞;李亚男;陈大清;;生长素基因家族及其启动子、反应因子的研究进展[J];长江大学学报(自然科学版)农学卷;2008年01期

4 董秀春;樊金会;于学宁;束怀瑞;;一个属于Aux/IAA基因家族的毛白杨PtIAA1的克隆和序列分析(英文)[J];分子植物育种;2007年04期

5 李彦杰;杨俊年;刘仁华;;果树MicroRNA检测技术研究进展[J];中国南方果树;2013年05期

6 李姗姗;王明力;吴映梅;;外源信号分子在果疏保鲜中的应用[J];贵州农业科学;2013年08期

7 陆雯;潘璐琪;王雪艳;;水杨酸及茉莉酸介导植物抗病性的研究进展[J];贵州农业科学;2013年10期

8 刘芳;王家艳;周蕴薇;;球根植物休眠调控的分子机制研究进展[J];草业学报;2013年06期

9 付强;邹颉;赵杰宏;王轶;任学良;;植物氧化还原蛋白质组学的研究进展[J];贵州农业科学;2013年12期

10 倪祥银;齐泽民;廖姝;段辉国;;外源水杨酸对NaCl胁迫下大豆种子萌发和幼苗生长生理的影响[J];西北植物学报;2014年01期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 应珊;水稻OsSPX家族基因OsSPX1和OsSPX3在磷信号传导途径中的功能研究[D];浙江大学;2010年

2 阴祖军;胁迫诱导棉花microRNA的差异表达分析[D];山东农业大学;2011年

3 刘玉博;细胞分裂素和生长素调控拟南芥体细胞胚根端分生组织建立的分子基础[D];山东农业大学;2011年

4 何鹏;低磷胁迫下橡胶树的生理应答及SSH文库构建与分析[D];海南大学;2011年

5 李朝霞;磷匮乏影响玉米根系发育机制的研究[D];山东大学;2011年

6 丁广大;甘蓝型油菜磷高效分子整合图谱的构建及磷高效QTL的定位与分析[D];华中农业大学;2011年

7 唐忠辉;小麦温敏雄性不育系BS366不育机理探讨[D];华中农业大学;2011年

8 乔孟;拟南芥miRNAs及转录因子MYB96对离体苗再生的调控作用研究[D];山东大学;2011年

9 任春梅;拟南芥Cullin1点突变影响茉莉素信号传导的研究[D];湖南农业大学;2004年

10 王佳伟;受microRNA160调控的生长素响应分子ARF10和16控制植物根冠发育[D];中国科学院研究生院（上海生命科学研究院）;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王飞燕;番茄SlARF6基因的分离、表达特征分析及遗传转化[D];浙江大学;2011年

2 朱宇斌;拟南芥中一个SAUR基因的功能研究[D];浙江大学;2010年

3 左鲜红;钙对番茄花柄脱落过程中生长素反应基因的调控作用[D];沈阳农业大学;2010年

4 汪延良;胞质Ca~（2+）参与调节拟南芥下胚轴向光弯曲机制分析[D];河南大学;2011年

5 王俊刚;拟南芥AGL6和AGL13基因的功能分析[D];山东农业大学;2011年

6 陶红剑;一个水稻粒重QTL GW6的精细定位和基因聚合育种研究[D];中国农业科学院;2011年

7 刘柏林;马铃薯块茎休眠与发芽抑制差减cDNA文库构建及相关功能基因克隆[D];甘肃农业大学;2011年

8 王垒;黄瓜单性结实相关基因的分离、表达及SSR标记分析[D];南京农业大学;2011年

9 张丽丽;三个棉花生长素信号转导途径相关基因的克隆与鉴定[D];南京农业大学;2010年

10 韩晓勇;陆地棉Aux/IAA家族九个基因的克隆和表达分析[D];南京农业大学;2010年

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本文编号：381550