玉米醇溶蛋白基因的分子進(jìn)化及其轉(zhuǎn)錄因子Opaque2的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)理.docx

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1、玉米醇溶蛋白基因的分子進(jìn)化及其轉(zhuǎn)錄因子Opaque2的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)理玉米是世界上最主要的糧食作物之一,其馴化已經(jīng)持續(xù)了9000年。醇溶蛋白是玉米種子中最主要的貯藏蛋白,但由于賴氨酸和色氨酸等必需氨基酸的缺乏,限制了玉米的營養(yǎng)品質(zhì)。玉米的Opaque2(02)基因突變能夠降低醇溶蛋白含量,增加賴氨酸水平,但也會(huì)引起胚乳粉質(zhì),出苗力弱,感蟲,感病等不利表型。經(jīng)過育種家的不斷改良和選育,最終獲得了含有o2修飾因子(mo2)的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米(Qualityproteinmaize,QPM)。QPM兼具高營養(yǎng)和硬質(zhì)胚乳的特性,但種質(zhì)

2、資源匱乏,育種難度大。因此,闡明02和mo2基因在種子發(fā)育過程中的調(diào)控機(jī)理具有重要意義。對(duì)60個(gè)栽培玉米和野生種的6個(gè)z2醇溶蛋白基因的多態(tài)性和單倍型進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)6個(gè)z2基因的單倍型均呈現(xiàn)不均勻分布,而野生種具有更為豐富的遺傳多樣性,并且在6個(gè)基因中z2δ18的多態(tài)性最高,z2γ15最低,說明其在種子進(jìn)化過程中具有不同的作用。序列的插入缺失(indel)不僅能引起串聯(lián)重復(fù)多態(tài)性,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致移碼突變,而使其可作為缺失突變體。另外,中性進(jìn)化檢驗(yàn)、系統(tǒng)發(fā)育和群體結(jié)構(gòu)分析表明,z2δ10和z2γ50在進(jìn)化過程中受到了自然選擇,z2

3、γ27和z2γ16也具有自然選擇的印記,而z2δ18和z2β315則傾向于中性進(jìn)化。這些結(jié)果表明,在玉米馴化過程中,玉米富硫醇溶蛋白亞群的遺傳多樣性和進(jìn)化與環(huán)境變化相適應(yīng)。玉米醇溶蛋白基因?qū)儆谂呷樘禺愋员磉_(dá)基因,為進(jìn)一步了解玉米醇溶蛋白基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制,對(duì)z2的DNA甲基化進(jìn)行分析。結(jié)果表明,z2基因啟動(dòng)子及基因本體區(qū)域的高DNA甲基化可抑制基因的表達(dá),而基因本體區(qū)域的中等程度的DNA甲基化卻有利于基因的表達(dá)。另外,z2δ以0,z2δ18和z2y50受到DNA甲基化的調(diào)控,而z2β15,z2γ16和z2γ27則與DNA甲基化

4、關(guān)系不大,可能受其他基因或轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,表明z2基因的表達(dá)具有不同的調(diào)控機(jī)制。胚乳特異性轉(zhuǎn)錄因子02對(duì)玉米籽粒的發(fā)育至關(guān)重要。醇溶蛋白基因在授粉后5-10天開始轉(zhuǎn)錄,15天左右達(dá)到峰值。除z2γ16外,醇溶蛋白基因在野生型中的表達(dá)比o2突變體中高,同時(shí)在o2突變體中非醇溶蛋白合成量上升,表明存在一套平衡互補(bǔ)機(jī)制,使籽?？偟鞍琢勘３址€(wěn)定狀態(tài)。為更全面地獲取02的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),利用基因組預(yù)測(cè)、ChIP-Seq以及RNA-Seq數(shù)據(jù)對(duì)02的調(diào)控基因進(jìn)行鑒定。共發(fā)現(xiàn)274個(gè)受02直接調(diào)控的基因,除了啟動(dòng)子區(qū)域,在基因的外顯子、內(nèi)含子

5、、轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)(Transcriptionterminalsite,TTS)以及基因間區(qū)也發(fā)現(xiàn)了O2的結(jié)合痕跡。O2的靶標(biāo)基因包括轉(zhuǎn)錄因子及激酶相關(guān)基因,不僅可以進(jìn)一步調(diào)控下游基因的表達(dá),也能參與多種脅迫響應(yīng)。另外,O2除了激活基因的表達(dá),對(duì)一些基因也具有抑制效應(yīng)。利用非標(biāo)蛋白定量技術(shù)(Label-freequantification,LFQ)對(duì)玉米野生型、o2突變體以及QPM的差異表達(dá)蛋白進(jìn)行了鑒定,其中在QPM中鑒定到恢復(fù)表達(dá)的蛋白66個(gè),可能對(duì)硬質(zhì)籽粒的形成具有重要影響。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析(Weightedcorre

6、lationnetworkanalysis,WGCNA)和功能研究顯示,棕色和藍(lán)色模塊所涵蓋的蛋白主要涉及能量和蛋白代謝,以及蛋白修飾,與醇溶蛋白含量,籽粒硬度,病蟲害抗性以及發(fā)芽力等表型存在顯著關(guān)聯(lián)。蛋白修飾分析結(jié)果表明,貯藏蛋白的乙?；土姿峄赡軐?duì)種子的發(fā)育和萌發(fā)具有調(diào)控作用。轉(zhuǎn)錄組和蛋白組聯(lián)合分析進(jìn)一步表明,野生型能夠正常表達(dá)的抗性相關(guān)基因在o2突變體中出現(xiàn)了差異表達(dá),但植物體在響應(yīng)外界脅迫過程中往往需要多種抗性蛋白的協(xié)同作用,導(dǎo)致o2突變體表現(xiàn)為易感病蟲害。盡管o2突變導(dǎo)致大量脅迫響應(yīng)基因以及核糖體相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平

7、的差異表達(dá),但大部分轉(zhuǎn)錄本并沒有引起蛋白水平的變化,表明轉(zhuǎn)錄后調(diào)控發(fā)揮了重要作用。本研究揭示了栽培玉米馴化過程中的環(huán)境適應(yīng)性情況,通過多組學(xué)方法構(gòu)建了O2的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),揭示了O2轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)理,豐富了復(fù)雜的QTL基因的研究?jī)?nèi)容,挖掘了一些可能與mo2相關(guān)的關(guān)鍵基因,為我國玉米高產(chǎn)育種目標(biāo)提供理論基礎(chǔ),并為加快高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)玉米分子育種進(jìn)程提供重要的基因資源信息。