基于烟草全基因组重注释的碱性亮氨酸拉链鉴定与功能分析

来源 :山东农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Vincent_Jiang
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普通烟草(Nicotiana tobacum)作为世界广泛种植的经济作物之一,其生长条件对水分、温度等环境因素要求较高。烟草基因组序列的发布为在基因组水平上鉴定烟草的抗逆基因、选育优良品种提供了重要资料。碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP)基因是一种普遍存在于动植物中的转录因子,广泛参与碳水化合物的合成、维管束的生长、花器官的发育、生物激素的代谢及非生物胁迫的应答等过程。烟草K326作为普通烟草的模式物种,它的基因组测序完成为bZIP转录因子在烟草中的研究奠定了数据基础,本研究基于K326基因组序列,对基因组重新完整注释。在重注释的基础上利用比较基因组学的方法鉴定K326基因组中bZIP转录因子的家族成员,通过系统发育分析、保守功能域分析、基因结构分析及蛋白互作网络分析来预测烟草bZIP基因的功能与进化历程。利用烟草K326不同组织部位,不同胁迫下的转录组数据,结合荧光定量等实验方法,挖掘烟草相关的优异抗逆基因,分析其在非生物胁迫下的表达状态,为烟草的分子育种提供理论依据。主要研究结果如下:(1)基于从头预测的方式对烟草K326基因组进行重注释,注释共得到64,587个注释基因。注释结果含有大量的重复序列,重复序列的覆盖度达到70%以上,注释结果完整性评估显示,新注释的基因版本共有2,959个蛋白序列,注释完整度达到97%。(2)利用比较基因组学,以拟南芥bZIP转录因子为参考序列,在烟草K326中共筛选到140个基因家族成员。所有的bZIP基因均含有bZIP蛋白功能域,氨基酸长度由118-1,235个氨基酸,外显子分布个数为1-17个,呈现不均等状态。系统发育分析表明,K326的bZIP基因分为10个亚家族。其中A、D亚家族成员数较多,B、C、F和H亚家族成员数目相对较少,从系统进化的层面解析了bZIP基因不同成员间的亲缘关系。(3)同一亚家族成员的保守域及基因结构分布具有高度相似性。保守域分析显示,烟草bZIP基因共存在20个不同的Motif。Motif 1普遍存在于大多数蛋白序列中。在基因结构分析中,bZIP转录因子不同亚家族之间内含子分布差异较大,但同一亚家族内外显子与内含子的分布呈现高度保守,其中F亚家族所有成员仅含有一个内含子,推测可能是由于在烟草进化过程中某些序列片段发生了部分丢失。(4)根据拟南芥的蛋白功能库预测烟草bZIP的蛋白功能时,共到42个网络节点,且各个节点间存在大量的蛋白互作关系,这些蛋白与脱落酸代谢通路的形成、隐花色素的形成及种子的生长发育密切相关。(5)bZIP转录因子表达谱分析表明,共有28个NtbZIPs基因在烟草的不同组织部位展现出不同的表达模式,bZIP基因可能与烟草中营养物质的合成,抗氧化性、病原菌防御及叶片生长的数目等功能相关。bZIP转录因子对多种非生物胁迫产生应答反应,有21个bZIP基因在NaCl、PEG、NaHCO3至少1种胁迫处理中显著表达,11个基因在2种或3种胁迫下均发生显著变化,表明烟草中bZIP转录因子对多种环境胁迫做出应答,参与多种非生物胁迫的调控。
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