羊草干旱基因资源挖掘和LcbHLH92基因功能研究

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水分是限制植物地理分布的关键环境因素,羊草(Leymus chinensis)是一种分布在欧亚大陆草原区的重要牧草,并且是小麦和大麦的近缘种。羊草对多种不利的环境因素(如低温、盐碱和干旱)有很好的适应性,在土壤湿度不足6%时依然存活;然而,对羊草耐干旱的分子机理知之甚少。本研究利用RNA-seq技术对三种生理状态下(对照、干旱和复水)的羊草叶片所构建的文库进行了测序和分析。结果表明,7320个基因对干旱胁迫响应显著,其中有2671个基因在干旱和复水后呈现相反的表达趋势,发现680个羊草特异的水分响应基因。GO注释分析显示胁迫相关基因被干旱广泛地激活,并且低温胁迫相关基因被干旱胁迫大量上调。差异表达基因的信号通路分析显示ABA、JA、乙烯、油菜素内酯和CBF通路基因协同参与了羊草的干旱胁迫响应。此外,研究还发现288个转录因子参与羊草的干旱胁迫响应,其中主要包括WRKY、NAC、AP2/ERF、bHLH、bZIP和MYB家族的转录因子。该研究对理解羊草的耐旱机制提供了有价值的新信息,所发掘的干旱胁迫响应基因为作物遗传改良提供了候选基因资源。  植物bHLH转录因子参与多个生物学过程,如非生物胁迫调控、花粉发育和次生代谢,到目前为止,许多bHLHs的功能尚不清楚。前人的研究发现AtbHLH92基因参与盐胁迫和渗透胁迫响应,而其在类黄酮代谢调控方面的研究未见报道。我们从羊草中克隆了一个新的LcbHLH92转录因子基因,该基因有两个转录本,分别为LcbHLH92a和LcbHLH92b,与LcbHLH92a蛋白相比,102-233位氨基酸的删除并未影响LcbHLH92b蛋白HLH结构的形成。LcbHLH92a和LcbHLH92b蛋白均定位于细胞核并且具有转录活性,但是LcbHLH92b的活性强于LcbHLH92a。生物学功能分析显示转化LcbHLH92a(或LcbHLH92b)的拟南芥种子种皮呈淡黄色,并且发芽速度较野生型快。生理指标测定显示转基因株系种子的单宁含量显著低于野生型。qPCR结果证明LcbHLH92a和LcbHLH92b提高了JAZs和LBDs基因的转录水平,抑制了DFR、LDOX和TT8基因的表达量。EMSA和CHIP-qPCR试验显示LcbHLH92a和LcbHLH92b可结合到JAZs、LBDs和AtEXP16的启动子区。综上所述,LcbHLH92是一个新的调控基因,具有调控类黄酮代谢和促进种子萌发的作用。该研究加深了对类黄酮代谢调控的理解,并且相关基因可用于作物品质和植物颜色的遗传改良。
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