苹果HMGR基因家族生物信息学分析及HMGR1L基因功能分析

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萜类化合物是植物中一类主要的次生代谢物,它们在植物的生长发育及植物防御过程中起重要作用。目前,许多有关植物萜类代谢调控的研究是建立在对代谢途径中关键酶的充分了解基础上的,HMGR作为甲羟戊酸途径上游调控萜类合成的重要限速酶,在植物中以基因家族的形式存在,对其系统全面的分析十分必要。苹果作为我国一类重要的经济作物,对苹果基因组内HMGR基因的系统分析尚未有报道。苹果基因组于2010年测序成功,本研究以此为基础在苹果基因组内对HMGR基因家族进行了全面的生物信息学分析,并通过RT-PCR技术检测了苹果HMGR基因的表达模式,此外,通过构建HMGR1L表达载体转化本生烟,对HMGR1L基因的功能进行了初步探究。本研究主要结果如下:(1)采用Blastp与结构域筛选结合的方法在苹果基因组中鉴定得到了8个HMGR编码基因,依次命名为:HMGR1、HMGR2、HMGR3、HMGR1L、HMGR5、HMGR6、HMGR7、HMGR8。与其它物种相比,苹果HMGR基因家族较大,分析表明苹果HMGR蛋白二级结构以α-螺旋、无规卷曲为主,三级结构呈“V”字型。(2)染色体定位分析表明,苹果HMGR基因不均匀的分布在苹果的5条染色体上。其中,HMGR3和HMGR6位于2号染色体,HMGR8位于8号染色体,HMGR2位于9号染色体,HMGR1L和HMGR5位于10号染色体,HMGR7位于16号染色体。(3)进化分析表明,苹果HMGR蛋白序列聚为3组,其中HMGR1、HMGR1L、HMGR5、HMGR7聚为第一组,HMGR2、HMGR6聚为第二组,HMGR3、HMGR8聚为第三组。基因结构分析表明,苹果HMGR基因由2-6个外显子构成,其中HMGR1、HMGR1L、HMGR5这3个基因的基因结构相似度较高。保守结构域分析表明,苹果HMGR蛋白催化结构域拥有4个保守基序,其中,EMPVGYVQIP及TTEGCLVA是两个HMG-Co A结合基序,DAMGMNM及GTVGGGT是两个NADP(H)结合基序,GTVGGGT这个NADP(H)结合基序在进化中的保守性低于另外3个。(4)基因复制现象分析表明,苹果基因组内有两对重复基因,其中,HMGR1/HMGR1L基因对由片段复制产生,HMGR1L/HMGR5重复基因对经过串联复制产生,这些结果说明片段复制事件及串联重复事件是苹果HMGR基因在基因组内扩增的主要方式。(5)组织表达模式分析表明,除HMGR6外的7个苹果HMGR基因,在果实中的表达量均相对较高,这暗示着苹果HMGR基因可能在苹果果实发育中发挥着重要作用。此外,同源基因对HMGR1/HMGR1L具有相似的组织表达模式,表明它们在苹果中可能参与了相同的生长发育调控。(6)启动子分析表明,苹果HMGR基因的启动子包含多种响应干旱、低温、高温、伤害的顺式作用元件。胁迫响应模式分析表明,苹果HMGR基因受伤害、低温胁迫诱导表达。(7)构建了p BI121+Ht+HMGR1L真核表达载体,稳定转化本生烟,分别在基因组水平及转录组水平上对转基因植株进行鉴定,结果表明成功获得了过表达HMGR1L的转基因植株。(8)HMGR1L基因在转基因烟草根中的表达量明显高于其它部位,过表达HMGR1L基因促进了烟草根系发育,促进了MVA途径及MEP途径中产物合成,如叶绿素、类胡萝卜素、油菜素内酯、脱落酸及挥发性成分。(9)4℃处理后,较野生型相比,转基因株系的细胞膜受伤害程度、活性氧含量较低,SOD、APX抗氧化酶活性较高,且能够保持较高的光合速率,这表明HMGR1L过表达提高了烟草防御低温的能力。
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