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 (Quality proteinmaize,QPM)QPM兼具高营养和硬质胚乳的特性 , 但种质资源匮乏 , 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 ,z2 γ15 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 ,z2 δ10 和 z2γ50 在进化过程中受到了自然选择 ,z2 γ 27 和 z2γ 16 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 ,z2 δ以0,z2 δ18 和 z2y50 受到 DNA甲基化的调控 , 而 z2β 15,z2 γ16 和 z2γ27 则与 DNA甲基化关系不大 , 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、转录终止位点 (Transcription terminal site,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-free quantification,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 (Weighted correlation network analysis,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 。