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1、玉米醇溶蛋白基因的分子進化及其轉錄因子Opaque2的轉錄與轉錄后調控機理玉米是世界上最主要的糧食作物之一,其馴化已經持續(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。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,但也會引起胚乳粉質,出苗力弱,感蟲,感病等不利表型。經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)質蛋白玉米(Qualityproteinmaize,QPM)。QPM兼具高營養(yǎng)和硬質胚乳的特性,但種質
2、資源匱乏,育種難度大。因此,闡明02和mo2基因在種子發(fā)育過程中的調控機理具有重要意義。對60個栽培玉米和野生種的6個z2醇溶蛋白基因的多態(tài)性和單倍型進行檢測。發(fā)現6個z2基因的單倍型均呈現不均勻分布,而野生種具有更為豐富的遺傳多樣性,并且在6個基因中z2δ18的多態(tài)性最高,z2γ15最低,說明其在種子進化過程中具有不同的作用。序列的插入缺失(indel)不僅能引起串聯重復多態(tài)性,同時也會導致移碼突變,而使其可作為缺失突變體。另外,中性進化檢驗、系統(tǒng)發(fā)育和群體結構分析表明,z2δ10和z2γ50在進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則傾向于中性進化。這些結果表明,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化與環(huán)境變化相適應。玉米醇溶蛋白基因屬于胚乳特異性表達基因,為進一步了解玉米醇溶蛋白基因的表達調控機制,對z2的DNA甲基化進行分析。結果表明,z2基因啟動子及基因本體區(qū)域的高DNA甲基化可抑制基因的表達,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。另外,z2δ以0,z2δ18和z2y50受到DNA甲基化的調控,而z2β15,z2γ16和z2γ27則與DNA甲基化
4、關系不大,可能受其他基因或轉錄因子的轉錄調控,表明z2基因的表達具有不同的調控機制。胚乳特異性轉錄因子02對玉米籽粒的發(fā)育至關重要。醇溶蛋白基因在授粉后5-10天開始轉錄,15天左右達到峰值。除z2γ16外,醇溶蛋白基因在野生型中的表達比o2突變體中高,同時在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機制,使籽?？偟鞍琢勘３址€(wěn)定狀態(tài)。為更全面地獲取02的調控網絡,利用基因組預測、ChIP-Seq以及RNA-Seq數據對02的調控基因進行鑒定。共發(fā)現274個受02直接調控的基因,除了啟動子區(qū)域,在基因的外顯子、內含子
5、、轉錄終止位點(Transcriptionterminalsite,TTS)以及基因間區(qū)也發(fā)現了O2的結合痕跡。O2的靶標基因包括轉錄因子及激酶相關基因,不僅可以進一步調控下游基因的表達,也能參與多種脅迫響應。另外,O2除了激活基因的表達,對一些基因也具有抑制效應。利用非標蛋白定量技術(Label-freequantification,LFQ)對玉米野生型、o2突變體以及QPM的差異表達蛋白進行了鑒定,其中在QPM中鑒定到恢復表達的蛋白66個,可能對硬質籽粒的形成具有重要影響。加權基因共表達網絡分析(Weightedcorre
6、lationnetworkanalysis,WGCNA)和功能研究顯示,棕色和藍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聯。蛋白修飾分析結果表明,貯藏蛋白的乙?；土姿峄赡軐ΨN子的發(fā)育和萌發(fā)具有調控作用。轉錄組和蛋白組聯合分析進一步表明,野生型能夠正常表達的抗性相關基因在o2突變體中出現了差異表達,但植物體在響應外界脅迫過程中往往需要多種抗性蛋白的協(xié)同作用,導致o2突變體表現為易感病蟲害。盡管o2突變導致大量脅迫響應基因以及核糖體相關基因在轉錄水平
7、的差異表達,但大部分轉錄本并沒有引起蛋白水平的變化,表明轉錄后調控發(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)境適應性情況,通過多組學方法構建了O2的調控網絡,揭示了O2轉錄因子的轉錄和轉錄后調控機理,豐富了復雜的QTL基因的研究內容,挖掘了一些可能與mo2相關的關鍵基因,為我國玉米高產育種目標提供理論基礎,并為加快高產、優(yōu)質玉米分子育種進程提供重要的基因資源信息。
