【摘 要】
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小麦(Triticum aestivum L.)作为第三大粮食作物,在应对人口增长、保障粮食安全中发挥重要作用。近年来随着干旱等自然灾害的频繁发生,提高小麦的抗旱性,培育抗旱节水小麦新品种迫在眉睫。组蛋白甲基化作为表观遗传调控的重要方式,在植物非生物胁迫中发挥重要作用。本研究基于小麦最新参考基因组数据,在全基因组范围内筛选组蛋白甲基化及去甲基化酶家族成员,对其理化性质、蛋白结构、系统进化、基因结构
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小麦(Triticum aestivum L.)作为第三大粮食作物,在应对人口增长、保障粮食安全中发挥重要作用。近年来随着干旱等自然灾害的频繁发生,提高小麦的抗旱性,培育抗旱节水小麦新品种迫在眉睫。组蛋白甲基化作为表观遗传调控的重要方式,在植物非生物胁迫中发挥重要作用。本研究基于小麦最新参考基因组数据,在全基因组范围内筛选组蛋白甲基化及去甲基化酶家族成员,对其理化性质、蛋白结构、系统进化、基因结构和保守基序进行系统分析,并对组蛋白甲基化及去甲基化酶编码基因进行表达分析,以期挖掘与干旱胁迫相关的组蛋白甲基化、去甲基化酶编码基因。主要研究结果如下:(1)通过公开数据库和比较基因组学策略筛选小麦组蛋白甲基化酶(Ta HMT)家族175个基因,其中Ta HMT21、Ta HMT24、Ta HMT31、Ta HMT42、Ta HMT49、Ta HMT105、Ta HMT143、Ta HMT157共8个基因受干旱胁迫诱导表达。经Prot Scale和Cell-PLoc网站预测,8个基因的编码蛋白都为亲水蛋白,亚细胞定位在细胞核中。启动子顺式作用元件分析发现,Ta HMT家族基因都含有干旱胁迫响应元件。荧光定量PCR(q RT-PCR)分析结果显示:8个Ta HMT基因均受干旱胁迫诱导,随着胁迫时间的延长,其表达量呈先上升后下降的趋势。其中Ta HMT21、Ta HMT24和Ta HMT42在不同发育时期、不同组织材料中与抗旱父本的表达水平相近,与母本表达水平存在显著差异,符合杂交种及父本抗旱,母本敏感的表型,推测Ta HMT21、Ta HMT24、Ta HMT42可能参与杂交种的抗旱性。(2)在小麦全基因组水平上筛选到49个组蛋白去甲基化酶基因(Ta HDML),亚细胞定位预测结果显示Ta HDML编码基因中有25个定位于细胞核,24个定位于叶绿体中。根据基因的结构特点和进化关系,将Ta HDML分为Ta JMJ和Ta LSD两个家族,KDM5/JARID、KDM4/JHDM3、KDM3/JHDM2、Jmj C-only和LSD五个亚家族。多序列比对分析发现Ta HDML蛋白序列与水稻的亲缘关系更近,共线性分析发现Ta HDML基因存在同源染色体间的片段重复,且基因受纯化选择压力,功能保守。顺式作用元件分析表明,Ta HDML基因中都含有激素、光和胁迫响应相关顺式作用元件。GO注释分析表明,Ta HDML基因参与刺激响应、细胞组成和分化。组织特异性表达结果表明,Ta HDML基因在根中的表达量较高,在叶中表达量最低;Ta JMJ5、Ta JMJ9、Ta JMJ15在籽粒中特异性表达;Ta JMJ14在穗中特异性表达。荧光定量PCR分析表明,Ta HDML基因家族成员受到干旱胁迫的诱导表达。Ta JMJ2、Ta JMJ3、Ta JMJ10、Ta JMJ11、Ta JMJ12、Ta JMJ30、Ta JMJ32、Ta JMJ34、Ta JMJ35和Ta JMJ37基因表达模式与抗旱父本表达水平相近,与母本表达水平差异显著;其中仅Ta JMJ34在不同发育时期、不同组织材料中与抗旱父本的表达水平相近,与母本具有显著差异,且低于母本,推测该基因参与杂交种的抗旱。综上所述,本研究初步筛选到4个干旱胁迫相关基因,为组蛋白甲基化及去甲基化酶在二系杂交小麦抗旱性中的功能研究提供重要的抗逆基因资源。
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