基于转录组的棉花苗期干旱相关基因挖掘与功能验证

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棉花是全球重要的经济作物,然而干旱气候和水资源短缺限制了其产量和品质的提升。目前,对棉花抗旱的分子机制研究还不够明确,因此有必要深入研究棉花干旱响应的分子机理,进而寻找与棉花抗旱相关的关键基因。通过转录组测序,可以从整体水平上分析干旱胁迫下棉花基因表达和代谢通路的变化,并有助于解析棉花的抗旱响应通路和挖掘棉花潜在抗旱基因。为此,本研究以陆地棉为试验材料,基于干旱转录组数据分析了棉花在干旱胁迫下的分子响应机制,并对干旱响应基因GhA10G1563和GhSca004734G04进行了功能验证。主要结果如下:1.通过陆地棉干旱转录组数据分析共获得4293个差异表达基因(DEGs),并对 DEGs 进行了 GO(gene ontology)与 KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)分析。KEGG pathway分析发现DEGs在脯氨酸和精氨酸、类胡萝卜素生物合成等通路有富集。对GO富集分析分子功能中分子结合和转录因子活性两个通路分析发现大量转录因子基因在干旱条件下发生差异表达,并通过试验证明GhA10G1563和GhSca004734G04可以受到非生物胁迫和激素ABA诱导。2.GhA10G1563的cDNA全长879 bp,共编码292个氨基酸,其蛋白相对分子量为33.288 KDa,等电点为6.037;GhSca004734G04的cDNA全长1080bp,共编码359个氨基酸,其蛋白相对分子量为41.313KDa,等电点为6.184。亚细胞定位和酵母试验结果显示GhMYB108和GhMYB102均定位于细胞核中,且具有转录活性。VIGS、ABA和氟啶酮喷施试验证明GhMYB108和GhMYB102可以正调控棉花耐旱性,且可以响应ABA信号。3.GhMYB102基因沉默植株的根系转录组数据分析共筛选到16080个差异基因,GO与KEGG分析发现,在干旱胁迫下,TRV2:00与TRV2::GhMYB102相比具有丰富的TFs和植物激素相关差异表达基因。双荧光素酶活性(LUC)与酵母单杂交(Y1H)试验发现GhMYB102可以直接结合到GhNCED1和GhZAT10启动子中的W-box区域,同时基因沉默植株中的ABA含量减少。综上,我们认为GhMYB102通过直接激活GhNCED1和GhZAT10的表达来通过参与ABA合成或调控干旱基因的表达来提高耐旱性。综上所述,本实验得出以下结论:通过干旱转录组数据分析可以获得与干旱响应相关的关键基因,GhMYB108和GhMYB102两个基因可以正调控棉花抗旱性,且受ABA诱导。GhMYB102基因沉默植株的转录组数据分析明确了其下游调控机制,并通过LUC和Y1H试验证明GhMYB102可以直接激活GhNCED1和GhZAT10启动子结合域来参与ABA合成或调控干旱基因的表达来提高耐旱性。
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