苹果TLP基因家族的鉴定分析和MdTLP7在非生物胁迫应答中的功能研究

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TLP(Tubby-like protein)蛋白包含一个保守的tubby结构域,动物TLP基因的突变会导致一些与动物特征相关的疾病,比如肥胖、视力和听力退化等。植物中也存在编码TLP的同源基因,与动物TLP相比,植物TLP研究较少,有些TLP成员受非生物胁迫诱导,表达上调。本研究利用生物信息学方法在苹果基因组中鉴定了苹果TLP基因家族,并对家族成员的序列特征、启动子区域以及胁迫响应等进行了分析;对其中一个成员——MdTLP7,探究了在拟南芥中超表达后其对植物抗逆性的作用,为TLP基因家族响应胁迫功能研究奠定了基础。主要研究结果如下:(1)在苹果基因组中鉴定出9个TLP编码基因。采用本地BLAST和隐马尔可夫统计模型两种方法在苹果全基因组中查找可能的TLP编码序列,再经Interpro和SMART数据库两层筛选,最终在苹果基因组中鉴定出9个TLP编码基因,命名为MdTLP1-9,MdTLPs基因分布在苹果基因组的6条染色体上。结合其他植物TLP成员进行进化分析,结果表明TLP可以分成3组(A、B和C组),其中A组成员最多,包含4个亚组。有7个MdTLPs成员分布在A组的3个亚组,而MdTLP8和Md TLP9属于B组。MdTLPs基因结构分析表明,组内成员的外显子和内含子组成特征差别小,而组间成员的差异大。(2)MdTLPs家族蛋白结构域及基序特征分析。MdTLPs除了靠近羧基端的tubby结构域外,分布在A组的6个MdTLPs成员含有一个额外的F-box结构域,所以这6个MdTLPs又是具有tubby结构域的F-box蛋白,F-box蛋白大家族被报道参与植物的多种生理活动。进一步分析tubby结构域,发现3种保守基序(Motif),其中Motif 1和Motif 2属于TLP蛋白的特征序列,而Motif 3首次在植物TLP成员中被鉴定。同源建模显示,MdTLPs的tubby结构域在空间结构上与动物TLP类似,羧基端形成的1段疏水α-螺旋被12片β-折叠所围绕组成的β桶状结构,有4个MdTLPs成员具有典型完整的β桶和α-螺旋,有的成员缺少α-螺旋,还有的既缺少α-螺旋β桶也不十分完整。(3)MdTLPs家族基因表达特征分析。启动子分析表明,所有MdTLPs的启动子区域都存在一些非胁迫响应元件和转录因子结合元件,包括ABRE、DRE、LTRE、MYB和MYC等。为了进一步探究MdTLPs与胁迫应答的关系,利用qRT-PCR技术,检测了不同胁迫和外源ABA处理对MdTLPs表达的影响。大部分成员在不同胁迫下,在根和叶中的表达都有不同程度上调。PEG处理时,叶片中有的成员上调高达35倍,根中的上调倍数有的也高达30倍左右;冷处理下,几乎所有MdTLPs家族成员在根和叶中的表达都发生上调;不同MdTLP基因对H2O2和ABA处理的应答在根和叶中不同,MdTLP1-5在叶中显著上调,而根中除MdTLP4外,其他4个成员并没有显著上调,另外3个成员(MdTLP6、MdTLP8和MdTLP9)表达显著上调。组织表达模式表明,各MdTLP基因在多个组织中都有表达,大部分成员在营养组织根、茎、叶中表达水平较高,在生殖组织花中相对较低。(4)超表达MdTLP7增强了拟南芥对非生物胁迫的耐受性。利用转基因技术,在拟南芥中分别超表达MdTLP7全长(OE-FL)和tubby结构域(OE-Tub),筛选得到纯合植株。在高盐和干旱处理下对比OE-FL、OE-Tub和野生型(WT)幼苗的生长状况,发现OE-FL和OE-Tub植株的生存率明显高于WT,说明与WT相比,OE-FL和OE-Tub植株的抗渗透胁迫明显增强;冷胁迫下,虽然WT,OE-FL和OE-Tub植株都能存活,但OE-FL和OE-Tub植株生长状况要明显好于WT。说明MdTLP7基因不管是全长还是tubby结构域都能够提高植物的抗渗透胁迫能力和冷胁迫能力,并且总体看来有F-box结构域的MdTLP7其作用更明显一些。(5)碱性氨基酸位点(K190XR192)对MdTLP7的抗逆功能具有重要作用。一段保守氨基酸位点(KXR)直接影响动物TLP的功能,MdTLP7的对应位点为K190XR192,利用构建的MdTLP7原核表达质粒,单突或双突这两个碱性氨基酸编码序列,然后转入大肠杆菌。结果显示,在盐胁迫下,与空质粒相比,野生型MdTLP7明显增强了大肠杆菌的抗性,而突变体降低了MdTLP7的抗逆功能,尤其突变体MdTLP7K190E,MdTLP7R192A和MdTLP7K190E R192E显著降低了MdTLP7的抗逆功能,说明了K190XR192这两个氨基酸对于MdTLP7的抗逆功能具有重要作用。
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