ERF2转录因子在桂花苯丙烷代谢途径中的功能分析

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桂花(Osmanthus fragrans Lour.)隶属于木犀科木犀属,因其独特的香味深受人们喜欢,被视为中国的传统十大名花。苯丙烷代谢途径是植物的3条主要次生代谢途径之一,苯丙烷代谢产生的代谢产物包括黄酮、黄酮醇、花青素、木质素等,这些代谢产物在植物防御生物和非生物胁迫、花色素沉着、花粉育性等方面发挥重要作用。AP2/ERF是植物最大的转录因子家族之一,目前在许多植物中已经证实AP2/ERF转录因子参与苯丙烷代谢调控途径,如:青蒿、丹参、桃子、梨等。而关于AP2/ERF转录因子参与桂花苯丙烷代谢调控的研究还尚未见报道。本论文利用烟草转化实验、EMSA等分子生物学技术研究桂花OfERF2转录因子在苯丙烷代谢途径中的转录调控机制,为桂花品种的改良和育种提供理论依据。具体研究结果如下:1.ChIP-seq技术检测桂花花瓣中OfERF2转录因子的靶基因ChIP-seq分析结果表明,OfERF2转录因子在桂花基因组不同基因的转录起始位点(TSS)区域有6376个结合位点。在所有的结合位点中,我们发现大多数序列中均含有GCC核心序列。KEGG富集分析发现,富集最多的3个代谢途径是Spliceosome,Biosynthesis of amino acids和Ribosome,分别是62,62和60个基因。次生代谢途径中的萜类代谢途径有17个基因,类胡萝卜素代谢途径有1个基因,苯丙烷代谢途径有16个基因,类黄酮代谢途径有5个基因,说明OfERF2转录因子广泛参与了植物的次生代谢的调控。Peak峰分析发现,桂花OfHCT、OfC4H基因启动子区域的峰值均高于对照,说明这些基因的启动子区域可能是OfERF2转录因子的结合位点。2.桂花OfERF2转基因烟草的培育和叶片的代谢组分析构建植物35S::ERF2超表达载体,利用农杆菌介导的叶盘转化法将OfERF2基因转入烟草中。OfERF2转基因烟草叶片的LC-MS分析发现,超表达的OfERF2基因的烟草叶片和对照相比,多种黄酮醇的含量均出现显著上调,说明OfERF2基因可以促进烟草叶片中黄酮醇的积累,调控了类黄酮代谢途径。3.桂花不同时期果皮中OfERF2基因的表达量和黄酮醇含量的相关性分析对桂花果皮(绿色、浅紫色、紫色)积累的黄酮醇差异表达分析,发现随着果皮颜色加深积累的黄酮醇物质越多与OfERF2转录因子在果皮的荧光定量结果一致,因此果皮颜色的加深可能受OfERF2转录因子的调控。4.OfERF2转基因烟草叶片中苯丙烷代谢途径中相关基因的表达量分析荧光定量分析结果表明,OfERF2转基因烟草叶片中HCT、C4H、4CL、CHS、CHI、FLS基因表达量都显著上调。OfERF2转录因子可能是调控了这些基因的表达,从而促进了黄酮醇的生物合成。5.OfERF2转录因子通过结合类黄酮合成途径相关基因的启动子上调控基因的表达烟草转化实验结果表明,同时转化C4Hpro::GUS、HCTpro::GUS、C4Hpro::GUS或者4CLpro::GUS载体的OfERF2转基因烟草叶片中,经培养和染色之后,叶片的颜色变蓝,较对照颜色更深。荧光定量分析结果表明,GUS基因表达量在OfERF2转基因烟草叶片中较对照均出现显著上调。EMSA实验结果显示,OfERF2转录因子可以分别与OfC4H、OfHCT、OfFLS、Of4CL基因启动子上的顺式元件结合,说明OfERF2转录因子可以结合到这些基因的启动子上调控基因的表达。
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