玉米醇溶蛋白基因的分子进化及其转录因子Opaque2的转录与转录后调控机理.docx

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1、玉米醇溶蛋白基因的分子进化及其转录因子Opaque2的转录与转录后调控机理玉米是世界上最主要的粮食作物之一,其驯化已经持续了9000年。醇溶蛋白是玉米种子中最主要的贮藏蛋白,但由于赖氨酸和色氨酸等必需氨基酸的缺乏,限制了玉米的营养品质。玉米的Opaque2(02)基因突变能够降低醇溶蛋白含量,增加赖氨酸水平,但也会引起胚乳粉质,出苗力弱,感虫,感病等不利表型。经过育种家的不断改良和选育,最终获得了含有o2修饰因子(mo2)的优质蛋白玉米(Qualityproteinmaize,QPM)。QPM兼具高营养和硬质胚乳的特性,但种质

2、资源匮乏,育种难度大。因此,阐明02和mo2基因在种子发育过程中的调控机理具有重要意义。对60个栽培玉米和野生种的6个z2醇溶蛋白基因的多态性和单倍型进行检测。发现6个z2基因的单倍型均呈现不均匀分布,而野生种具有更为丰富的遗传多样性,并且在6个基因中z2δ18的多态性最高,z2γ15最低,说明其在种子进化过程中具有不同的作用。序列的插入缺失(indel)不仅能引起串联重复多态性,同时也会导致移码突变,而使其可作为缺失突变体。另外,中性进化检验、系统发育和群体结构分析表明,z2δ10和z2γ50在进化过程中受到了自然选择,z2

3、γ27和z2γ16也具有自然选择的印记,而z2δ18和z2β315则倾向于中性进化。这些结果表明,在玉米驯化过程中,玉米富硫醇溶蛋白亚群的遗传多样性和进化与环境变化相适应。玉米醇溶蛋白基因属于胚乳特异性表达基因,为进一步了解玉米醇溶蛋白基因的表达调控机制,对z2的DNA甲基化进行分析。结果表明,z2基因启动子及基因本体区域的高DNA甲基化可抑制基因的表达,而基因本体区域的中等程度的DNA甲基化却有利于基因的表达。另外,z2δ以0,z2δ18和z2y50受到DNA甲基化的调控,而z2β15,z2γ16和z2γ27则与DNA甲基化

4、关系不大,可能受其他基因或转录因子的转录调控,表明z2基因的表达具有不同的调控机制。胚乳特异性转录因子02对玉米籽粒的发育至关重要。醇溶蛋白基因在授粉后5-10天开始转录,15天左右达到峰值。除z2γ16外,醇溶蛋白基因在野生型中的表达比o2突变体中高,同时在o2突变体中非醇溶蛋白合成量上升,表明存在一套平衡互补机制,使籽粒总蛋白量保持稳定状态。为更全面地获取02的调控网络,利用基因组预测、ChIP-Seq以及RNA-Seq数据对02的调控基因进行鉴定。共发现274个受02直接调控的基因,除了启动子区域,在基因的外显子、内含子

5、、转录终止位点(Transcriptionterminalsite,TTS)以及基因间区也发现了O2的结合痕迹。O2的靶标基因包括转录因子及激酶相关基因,不仅可以进一步调控下游基因的表达,也能参与多种胁迫响应。另外,O2除了激活基因的表达,对一些基因也具有抑制效应。利用非标蛋白定量技术(Label-freequantification,LFQ)对玉米野生型、o2突变体以及QPM的差异表达蛋白进行了鉴定,其中在QPM中鉴定到恢复表达的蛋白66个,可能对硬质籽粒的形成具有重要影响。加权基因共表达网络分析(Weightedcorre

6、lationnetworkanalysis,WGCNA)和功能研究显示,棕色和蓝色模块所涵盖的蛋白主要涉及能量和蛋白代谢,以及蛋白修饰,与醇溶蛋白含量,籽粒硬度,病虫害抗性以及发芽力等表型存在显著关联。蛋白修饰分析结果表明,贮藏蛋白的乙酰化和磷酸化可能对种子的发育和萌发具有调控作用。转录组和蛋白组联合分析进一步表明,野生型能够正常表达的抗性相关基因在o2突变体中出现了差异表达,但植物体在响应外界胁迫过程中往往需要多种抗性蛋白的协同作用,导致o2突变体表现为易感病虫害。尽管o2突变导致大量胁迫响应基因以及核糖体相关基因在转录水平

7、的差异表达,但大部分转录本并没有引起蛋白水平的变化,表明转录后调控发挥了重要作用。本研究揭示了栽培玉米驯化过程中的环境适应性情况,通过多组学方法构建了O2的调控网络,揭示了O2转录因子的转录和转录后调控机理,丰富了复杂的QTL基因的研究内容,挖掘了一些可能与mo2相关的关键基因,为我国玉米高产育种目标提供理论基础,并为加快高产、优质玉米分子育种进程提供重要的基因资源信息。