茶树可变剪切体特征及其参与儿茶素生物合成的功能解析

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可变剪切(Alternative splicing,AS)是生物体在基因转录后对m RNA进行调控的重要方式之一,具有重要的生物学功能。儿茶素是茶树中主要的次生代谢物,也是决定茶叶风味的主要成分。有关茶树儿茶素的合成和调控的分子机制已有大量报道,但可变剪切是否参与以及如何参与其生物合成的分子机制尚不清楚。因此,本文利用茶树不同器官、不同季节和叶位转录组数据,结合加权共表达网络(WGCNA)分析方法,对茶树生长发育过程中可变剪切的动态特征进行综合分析,进一步基于相关性分析筛选与儿茶素合成密切相关的可变剪切,并对其参与调控儿茶素合成的机制进行了解析,以期揭示茶树可变剪切特征及其在儿茶素合成中的作用机理,为深入理解茶树儿茶素合成机理及其调控新技术的研发提供新视角。主要研究结果如下:1.茶树基因可变剪切特征及其与儿茶素物质合成相关性分析利用Illumina RNA-Seq对茶树不同组织器官(芽、幼叶、成熟叶、茎、根、花、果实)以及不同月份(四月、六月、八月、九月、十月)和同一新梢的不同叶位(芽、第一叶至第四叶)叶片的样品进行转录组测序,以茶树基因组为参考,发现有28,295个基因发生了AS事件,并总共产生了105,845个AS转录本。其中最丰富(约20%)的AS形式是内含子保留;基因产生的AS具有器官特异性,而在不同月份和叶位样品中并未发现这种特征。进一步分析发现,儿茶素生物合成相关基因中,有很多发生了大量的AS事件,如4CL、DFR和ANR等基因均产生了超过三个不同的AS转录本,且一些基因的AS转录本表达模式与儿茶素的积累呈正相关,如PAL的AS转录本与EGCG积累显著正相关(r~2=0.71),而其全长转录本则与之相反(r~2=-0.57)。2.JA参与儿茶素生物合成的确定及其关键基因(JAZ3和LOX)可变剪切鉴定与特征分析以不同季节茶树叶片中AS基因表达模式、儿茶素和植物激素的积累模式为基础,利用WGCNA构建共表达网络,发现茉莉酸(JA)和儿茶素的积累模式呈显著正相关关系(r~2=0.85),并从中鉴定到Jasmonate ZIM-domain(Cs JAZ3)和脂氧合酶(LOXs)两个核心基因的表达量与儿茶素含量密切相关,其中,Cs JAZ3可转录成一个全长转录本(Cs JAZ3-1)和两个可变剪切体(Cs JAZ3-2和-3),且它们的表达模式均与儿茶素含量负相关;亚细胞定位分析表明,除Cs JAZ3-1蛋白定位于细胞核中,Cs JAZ3-2和-3蛋白均定位于细胞质和细胞核中。通过对LOXs基因家族进行分析,共鉴定到十一个LOX成员,其中LOX3、9和11与C、GC、ECG和EGCG的含量呈显著正相关;基于原核表达的体外酶活试验表明,LOX3和9蛋白催化α-亚麻酸分别生成13S-氢过氧化亚麻酸(13S-HPOT)和9S-氢过氧化亚麻酸(9S-HPOT),LOX2则能催化生成这两种产物;亚细胞定位分析表明LOX2定位于叶绿体,而LOX9定位于细胞质;上述的LOX成员中,有六个LOXs成员发生了AS事件。3.JAZ3可变剪切介导JA调控儿茶素生物合成的分子机制利用寡聚核苷酸反义抑制试验发现,茶树叶片中Cs JAZ3的表达被抑制后,其儿茶素的含量显著低于对照;通过酵母双杂交、Bi FC和SPR分析表明,Cs JAZ3-1和-2分别与Cs MYC2互作,进而降低儿茶素生物合成途径中关键基因(Cs DFR、Cs ANR、Cs LAR)的转录水平,然而,当二者共表达时,Cs JAZ3-2作为Cs JAZ3-1的可变增强子,增强了Cs JAZ3-1对Cs MYC2的抑制效应,进而降低多个儿茶素生物合成基因表达量;进一步分析发现,Cs JAZ3-3蛋白对JA不敏感,但是作为抑制因子,其在JA存在下能够与Cs JAZ3-1或-2形成同源二聚体,进而提高其与MYC2形成的复合物的稳定性,从而抑制Cs MYC2对儿茶素生物合成通路下游关键基因的转录活性。
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