【摘要】：根系是植物的重要器官,對作物抗倒伏、水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運(yùn)輸均非常重要,因而對作物生產(chǎn)非常重要。油菜是我國第一大油料作物,其根系為直根系,但是主根較短、入土較淺,根系通常不發(fā)達(dá)。GRAS和ARF轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的兩類轉(zhuǎn)錄因子基因家族,均對植物根系發(fā)育具有重要的調(diào)控作用。例如,擬南芥GRAS基因家族成員SCR和SHR參與調(diào)控根內(nèi)皮層細(xì)胞的不對稱分裂,ARF基因家族成員AtARF8參與調(diào)節(jié)根的生長。因此,篩選油菜基因組中調(diào)控根系發(fā)育的GRAS和ARF轉(zhuǎn)錄因子基因,對后續(xù)深入解析候選基因調(diào)控油菜根系發(fā)育的分子機(jī)制,提高油菜的營養(yǎng)高效利用、增加產(chǎn)量等均有重要意義。本研究首先利用生物信息學(xué)的方法在全基因組水平鑒定了油菜基因組中的GRAS和ARF基因家族成員,對候選基因的序列特征、系統(tǒng)進(jìn)化、亞家族劃分、復(fù)制機(jī)制、蛋白互作等進(jìn)行了系統(tǒng)分析;并結(jié)合油菜RNA-Seq數(shù)據(jù)和qRT-PCR技術(shù),篩選了其中參與油菜根系發(fā)育的候選基因。本研究的結(jié)果為今后深入研究候選GRAS和ARF基因調(diào)控油菜根系發(fā)育的分子機(jī)制及其對油菜養(yǎng)分吸收等的作用奠定了基礎(chǔ)。本研究的主要研究結(jié)果如下:1.甘藍(lán)型油菜GRAS基因家族的全基因組分析及調(diào)控根系發(fā)育相關(guān)基因的鑒定在甘藍(lán)型油菜基因組中共鑒定了90個的GRAS基因(BnGRASs);系統(tǒng)發(fā)育分析將其劃分為13個亞家族。除了A_n亞基因組中的4個基因和C_n亞基因組中的13個基因的染色體物理位置尚不清楚外,其余BnGRASs基因不均勻分布在19條染色體上。序列特征分析顯示,60%的BnGRASs基因沒有內(nèi)含子插入,并且在他們的N末端發(fā)現(xiàn)了24個保守的氨基酸基序;GRAS保守結(jié)構(gòu)域位于的BnGRAS蛋白的C末端,相較于其它轉(zhuǎn)錄因子基因家族,該結(jié)構(gòu)域在整個家族中的保守性較低,但在各個亞家族中則高度保守。共性性分析結(jié)果表明,白菜(Brassica rapa)和甘藍(lán)(Brassica oleracea)之間的異源加倍是導(dǎo)致油菜基因組(異源四倍體)中BnGRASs基因大量擴(kuò)增的主要原因,并且油菜中傾向于保留來源于白菜的GRAS基因�；プ鞯鞍最A(yù)測分析共鑒定到了889對互作蛋白,他們主要是涉及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子。RNA-Seq分析結(jié)果表明,大多數(shù)BnGRASs在油菜不同階段的不同組織和器官中廣泛表達(dá),其中有25個BnGRASs基因在根中優(yōu)勢或特異表達(dá)。激素誘導(dǎo)RNA-Seq數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,部分BnGRASs基因在根中的表達(dá)譜可能受激素的誘導(dǎo)上調(diào)或下調(diào)表達(dá)。qRT-PCR分析證明,來自于SCR和LISCL亞家族的3個BnGRASs可能在油菜根系抗逆反應(yīng)中起重要作用。對26個藻類、苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物的代表物種中的GRAS基因家族進(jìn)行綜合比較分析表明,該基因家族可能起源于陸地植物起源早期,該基因家族在陸生植物界可以劃分為19個亞家族,其中14個亞家族起源較早、起源于苔蘚植物之前。miRNA預(yù)測結(jié)果顯示,陸地植物HAM亞家族含有一個高度保守的miRNA 171靶序列,表明這類miRNA可能對該類GRAS基因的功能具有重要且保守的調(diào)控作用。2.甘藍(lán)型油菜ARF基因家族的全基因組分析及調(diào)控根系發(fā)育相關(guān)基因的鑒定在甘藍(lán)型油菜基因組中共鑒定到了67個ARF基因(BnARFs),并將他們劃分為4個亞家族(I-IV)。除C02染色體之外,61個BnARFs基因分布在18條染色體上,其余6個基因的染色體物理位置目前尚不清楚。序列特征分析顯示,油菜ARF蛋白(BnARFs)的全長序列均很保守,尤其在亞家族之間高度保守。所有ARF成員都包含N末端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DBD)和中間區(qū)域(MR),大多數(shù)成員包含C末端二聚化結(jié)構(gòu)域(PBI);其中21個BnARFs成員的MR區(qū)域富含谷氨酰胺,可能是一種激活子。內(nèi)含子插入模式在每個亞家族或進(jìn)化分支中較保守,尤其在DBD和PBI結(jié)構(gòu)域中高度保守。miRNA預(yù)測分析結(jié)果顯示,亞家族III和IV中的幾個成員可能含有miRNA167/160的靶位點(diǎn)。在BnARFs基因的啟動子序列中鑒定了許多參與植物激素、光信號反應(yīng)、生物/非生物脅迫的順式調(diào)控元件,暗示該類基因可能響應(yīng)這些生物學(xué)過程�；プ鞯鞍最A(yù)測分析顯示,大多數(shù)BnARFs蛋白可能與生長素/吲哚-3-乙酸(Aux/IAA)相關(guān)蛋白相互作用,而且不同亞家族的成員通常共享許多互作蛋白。白菜和甘藍(lán)之間的異源加倍(WGD)和染色體片段復(fù)制是油菜基因組中ARF基因擴(kuò)增的主要驅(qū)動力,并且WGD事件后偏向于保留來源于白菜的基因。RNA-Seq數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,BnARFs基因在油菜不同發(fā)育階段的營養(yǎng)器官和生殖器官中具有廣泛的表達(dá)譜,其中有30個基因在根中優(yōu)勢或高表達(dá)�；虻谋磉_(dá)模式在A_n和C_n亞基因組之間沒有明顯差異;大多數(shù)復(fù)制基因具有相似的表達(dá)模式,表明他們的功能冗余。激素誘導(dǎo)RNA-Seq數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,BnARFs基因?qū)ν庠碔AA和6-BA處理較敏感,尤其是亞家族III的成員。qRT-PCR實(shí)驗(yàn)證明,12個候選BnARFs基因在外源IAA和6-BA處理下明顯上調(diào)或下調(diào)表達(dá),表明他們可能參與油菜根系發(fā)育和激素應(yīng)答過程。
【圖文】：

圖 1-1 GRAS 轉(zhuǎn)錄因子在不同植物物種中的演變[92]Fig. 1-1 Evolution of GRAS TFs among different plant species多物種 GRAS 基因家族進(jìn)化分析表明，GRAS 蛋白在真菌和低等植物沒有被發(fā)現(xiàn)，而出現(xiàn)在早期陸地植物苔蘚中(小立碗蘚，Physcomitrella patens)(圖 1-1)。并且 GRAS 蛋白可能隨著低等植物向高等植物的分化而擴(kuò)大，這些 GRAS 蛋白與高等植物進(jìn)化密切相關(guān)[92]。Cenci A 和 Rouard M 使用同源分組分析了被子植物中GRAS 基因家族的進(jìn)化[95]，結(jié)果表明在無油樟(Amborella trichopoda)進(jìn)化分裂之前的被子植物譜系中存在至少 29 個 GRAS 祖先基因，在一些分類群體中缺少一個或多個 GRAS 祖先基因，并且在有限 GRAS 基因數(shù)量的正交基因組中可檢測到真雙子葉植物祖先的基因組三倍化事件。1.3 ARF 基因家族的研究進(jìn)展1.3.1 ARF 基因家族的定義及結(jié)構(gòu)生長素響應(yīng)因子(ARF)是一類生長素應(yīng)答因子，通過選擇靶基因并賦予生長素特異性響應(yīng)。他們與生長素調(diào)節(jié)基因啟動子中的生長素應(yīng)答 DNA 元件(AuxRE)結(jié)合，并根據(jù)蛋白質(zhì)中間的特定結(jié)構(gòu)域激活或抑制這些基因的轉(zhuǎn)錄。ARF 蛋白通常

圖 1-2 擬南芥中 ARF 蛋白的生長素感知和信號傳導(dǎo)的模型[133]Fig. 1-2 Model of auxin sensing and signal transduction of ARF protein in Arabidopsis thaliana1.3.3 ARF 基因家族的起源與進(jìn)化由于可獲得的植物基因組數(shù)據(jù)的增加，在許多物種中 ARF 基因家族在全基因組水平上得到系統(tǒng)鑒定。例如，在擬南芥中鑒定出了 23 個基因(AtARFs)[126]；在番茄中鑒定出了 22 個基因[138]；在苜蓿中鑒定出了 24 個基因[139]；在白菜中鑒定出了31 個基因[140]；在玉米中鑒定出了 31 個基因[141]；在水稻中鑒定到了 25 個基因[142]。并且分別從序列特征、miRNA 調(diào)控和基因表達(dá)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。這些研究為 ARF基因的進(jìn)化和功能分析提供了有價值的基礎(chǔ)信息。Cédric Finet 等[143]人對陸地代表植物的 ARF 基因進(jìn)行了進(jìn)化分析，，其中包括水生植物、苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物。結(jié)果表明，在最近的水生近緣植物幾種輪藻中沒有檢測到 ARF 結(jié)構(gòu)域，但在苔蘚植物中被檢測到，可見 ARF 基因可能起源于陸地植物早期。另外現(xiàn)存陸地植物的祖先中至少有一個 ARF 激活子和一個 ARF 抑制子基因。復(fù)制事件分析發(fā)現(xiàn)，在 ARF 基因家族中發(fā)現(xiàn)的復(fù)制模式與
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：Q943.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 張玉瑩;不同氮效率油菜NRT基因的表達(dá)差異研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2013年

本文編號：2656391