矮牵牛涝胁迫相关ERF转录因子功能分析

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乙烯响应因子(Ethylene Response Factor,ERF)是植物中特殊存在的一类属于AP2/ERF(APETALA2/Ethylene Responsive Factor)家族中的转录因子,调控多种生物学功能,在植物响应生物与非生物胁迫过程中起到重要作用。本研究以PhERF2过表达株系(I)、PhERF2-RNAi株系(4B)及其野生型(WT)为实验材料,对其进行涝渍胁迫处理,取0h、3h的根系进行转录组测序技术(RNA-Seq)研究,分析转录组数据并开展生物信息学分析,对矮牵牛进行综合耐涝性评价,进一步对涝渍胁迫相关ERF转录因子的功能进行分析与探讨。主要研究结果如下:(1)通过矮牵牛生理指标的单因素方差分析及主成分分析综合评价耐涝性,利用主成分分析、单因素方差分析及生理生化涝害指数综合分析共同建立矮牵牛耐涝性综合评价鉴定,结果表明,在PhERF2过表达株系C、D、I、PhERF2-RNAi株系1A、1B、4B与野生型WT中,耐涝性由高到低为:C>WT>D>1A>I>4B>1B。初步鉴定出C耐涝性最高,4B耐涝性较差,1B对涝渍胁迫的耐受力最差,WT具有较强的涝渍胁迫适应能力。(2)利用RNA-Seq分析PhERF2过表达株系I、PhERF2-RNAi株系4B及其野生型对涝渍胁迫的响应,筛选出特有差异基因,并对这些基因进行KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)富集分析,结果显示,两个比较组中的DEGs(Differential expressed genes)均在植物激素信号转导、碳水化合物代谢及氨基酸代谢通路中显著富集。使用ASprofile软件对转录组测序数据进行可变剪切与转录突变谱系分析。荧光定量分析结果显示,PhERF2转录因子可能通过对植物激素信号转导代谢通路中的基因ERF1/2、Sn RK2、ABF及乙烯生物合成途径中的关键基因ACO1、ACS3的调控,以此适应涝渍胁迫,提升植株抗涝能力。(3)利用生物信息学方法分析转录组测序中的差异表达基因数据,包括保守基序及蛋白理化性质、构建系统进化树、进行蛋白高级结构建模、磷酸化修饰位点预测和亚细胞定位分析。结果显示,共筛选出35个涝渍胁迫相关ERF转录因子,均属于AP2亚族,通过与拟南芥及水稻相关基因进行系统进化分析,发现矮牵牛与拟南芥同源性较高。生物信息学分析表明,矮牵牛涝渍胁迫相关ERF转录因子富含酸性氨基酸,热稳定性较高且具较强的亲水性,无规则卷曲为蛋白二级结构的核心组成部分,蛋白质三级结构差异不明显,含有3个保守基序,大多数NAC(NAM,ATAF1/2,CUC2)蛋白定位于细胞核,均含有潜在的丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、和酪氨酸(Tyr)磷酸化位点。本研究对矮牵牛涝渍胁迫相关ERF转录因子进行了基因筛选与功能分析,为进一步挖掘矮牵牛涝渍响应的关键基因及耐涝矮牵牛种质开发、分子育种提供了一定的理论支撑,为后续探究涝渍胁迫相关ERF基因功能提供一定基础。
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