基于‘黄花2号’水仙转录组的小鳞茎萌发相关基因研究

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‘黄花2号’水仙2012年4月通过福建省农作物品种委员会认定,是一个花色特异的水仙新品种。‘黄花2号’水仙正在大面积推广,急需大量种球。扦插繁殖简便易行、成本较低、繁殖系数高,是多花水仙无性繁殖的一项新技术。本研究以‘黄花2号’水仙扦插繁殖开始(0d)、小鳞茎萌发(30d)和小鳞茎发育(50d)三个时期的鳞茎为材料,进行不同时期的转录组比较分析,小鳞茎萌发和发育主要与淀粉和蔗糖代谢、细胞分裂素代谢等主要代谢途径相关;筛选鉴定出生长素响应因子家族(auxin response factor,ARF),并利用了一些生物信息学的方法对NtARF家族进行生物信息学分析,利用qRT-PCR主要NtARF基因进行了扦插繁殖不同时期的表达模式分析;在细胞分裂素途径中筛选并克隆出关键酶基因5-核糖单磷酸水解酶(Lonely Guy,LOG)基因,利用qRT-PCR对扦插繁殖的不同时期和不同组织器官进行表达分析,旨在探索出多花水仙扦插繁殖的分子内在机理,并为进一步创新多花水仙的繁殖新技术,提高多花水仙的的繁殖率以及新繁殖技术的研发奠定基础。本研究主要结果如下:1.对‘黄花2号’水仙扦插繁殖0d、30d和50d 3个时期的样品的测序原始数据进行统计,分别得到了80281762、77582098和68426350条Clean reads,其中Q20和Q30值均在90%以上,对数据组装共得到167583条Unigene,其中123798条Unigene在Nr、Nt、Pfam、KOG、Swiss-prot、KEGG和GO 7个数据库得到注释。通过扦插繁殖0d和30d两个比较组分析中,发现上调基因有681个,下调基因820个、在扦插繁殖0d和50d比较组组中发现上调的基因1231个,下调基因1942个、在扦插繁殖30d和50d的比较组中上调基因有436个,下调的基因412个。差异表达基因富集在淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号传导以及玉米素生物合成等主要代谢途径中。2.基于转录组数据,通过Nr、Nt、Swiss-Prot和Pfam 4个数据库、NCBI网站和在线软件SMART的注释筛选,利用ExPASy-ProtParam tool、SOPMA、Prot Comp、MEME、MAGA和Heml软件进行氨基酸理化性质、蛋白二级结构、亚细胞定位、保守基序、系统进化树和小鳞茎萌发不同时期的表达模式分析。共筛选得到21个NtARF家族基因,生物信息学分析12个全长基因蛋白长度在193-1096aa之间,预测的分子量为20.46-122.2kD,等电点为5.19-7.97,全部为不稳定的亲水蛋白,亚细胞定位预测均位于细胞核中。通过21个NtARF基因进化树分析表明,NtARF蛋白分为3个大组,GlassⅢ进一步被分为3个亚组,基序分支表明相近的ARF转录因子具有相同或相近的基序。NtARF8、NtARF13、NtARF15、NtARF17和NtARF21都展现较高的表达模式,可能是通过正向调节生长素的含量来促进小鳞茎的萌发。3.从细胞分裂素途径中筛选出关键酶基因LOG,并成功克隆出2个LOG基因,分别命名为NtLOG2和NtLOG5,GenBank登录号为MK170457和MK189487,其中NtLOG2开放阅读框(ORF)为654bp,编码217个氨基酸,分子式为C1068H1708N300O317S9;NtLOG5开放阅读框(ORF)为648bp,编码215个氨基酸,分子式为C1055H1693N293O314S9。NtLOG2和NtLOG5均属于不稳定的亲水蛋白。跨膜预测分析表明2个蛋白均不存在跨膜结构。通过qRT-PCR对‘黄花2号’水仙扦插繁殖不同时期和不同组织器官的表达分析得出,2个NtLOG基因都在0d、30d、50d表现了较高的表达水平,在水仙不同组织器官的表达分析中,NtLOG2在花苞期的花瓣里表达最高,其次在花柄中,而NtLOG5在花柄里表达最高,其次是根里,然后在花苞期的花瓣中。
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