小麦非生物胁迫转录因子TabZIP15的功能研究

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bZIP蛋白是真核生物中普遍存在的一类转录因子,不仅参与调控了多种生物学过程,并且在植物对胁迫的反应中扮演着重要的角色,然而,目前在小麦中对非生物胁迫诱导的bZIP转录因子的功能研究仍不深入。本研究首先基于实验室前期对TabZIP15转基因拟南芥的功能验证的结果,将TabZIP15基因在小麦中过表达,对基因分别进行序列分析、亚细胞定位、表达分析和功能验证,以此解析TabZIP15在小麦中抵御非生物胁迫的调控机制。其次基于转录组测序结果分析了小麦bZIP家族转录因子在盐胁迫下的表达谱,以期为后续深入研究bZIP转录因子家族基因在小麦盐胁迫应答中的功能提供候选基因。
  序列分析表明,TabZIP15的全长cDNA为1255bp,开放阅读框为756bp,编码251个氨基酸,其蛋白质预测分子量为27.178kD,等电点为8.38,预测其蛋白质结构包含4个α-螺旋。同源进化分析表明,TabZIP15和一个来自粗山羊草(Aegilops tauschii)的序列相似性最高。亚细胞定位结果表明,TabZIP15是一个定位于细胞核的蛋白。qRT-PCR分析表明,在低温、ABA(脱落酸)、PEG(聚乙二醇)和盐处理后均能够诱导TabZIP15表达,且TabZIP15在不同组织中的表达量不同。为了验证TabZIP15在小麦干旱和盐胁迫中的功能,将该基因在科农199(KN199)中过表达。在苗期进行耐盐鉴定表型观察发现盐处理组4个TabZIP15转基因株系和野生型KN199的地上部生长均受到了不同程度的抑制;主要生理指标测定表明,盐胁迫会严重降低小麦幼苗的株高和地上部鲜重,而TabZIP15转基因小麦相较野生型KN199,在盐胁迫处理后能维持较高的株高、地上部鲜重、根长和根鲜重。苗期反复干旱实验结果表明,第1次干旱处理后,绝大部分材料能够存活,TabZIP15转基因小麦的平均存活率高达92.08%;第2次干旱处理后,TabZIP15转基因小麦的平均存活率下降至35.61%;第3次干旱处理后,TabZIP15转基因小麦的平均存活率仅为3.46%,且TabZIP15转基因小麦的存活率明显高于对照KN199,这说明TabZIP15转录因子可以提高小麦在苗期的抗旱性。qRT-PCR分析表明,9个抗逆相关基因在TabZIP15转基因株系中的表达量都显著高于对照KN199。这些结果表明过表达TabZIP15基因通过激活抗逆相关基因的表达,提高了转基因小麦抵御非生物胁迫的能力。
  为了研究小麦bZIP家族转录因子基因是否参与盐胁迫响应的调控过程,获得更多与盐胁迫相关的bZIP转录因子,以KN199为实验材料,利用转录组测序分析了小麦bZIP家族转录因子基因在盐胁迫条件下的差异表达情况。转录组测序数据质量分析表明,样品测序质量良好;RNA-Seq样品聚类分析结果表明,每个处理的生物学重复之间的相关系数都在0.97以上;PCA结果表明,在处理不同时间点样品间的差异非常显著;染色体分布统计结果表明,根据中国春(Chinese Spring, CS)参考基因组筛选到的156个小麦bZIP家族转录因子中,有14个bZIP基因位于5B染色体上;差异表达基因(DEG)分析结果表明:在盐处理后1h,鉴定出14544个DEGs,包括49个bZIP转录因子基因;在处理后6h,鉴定出25546个DEGs,包括59个bZIP转录因子基因,并且在两组样品之间有35个共同DEGsbZIP转录因子基因,其中有25个基因上调表达,10个基因下调表达;对小麦响应盐胁迫bZIP转录因子基因进行聚类分析表明,其结果与基因表达差异分析的结果一致。研究发现不论是总的DEGs还是差异表达的bZIP转录因子基因的数目,均随着处理时间的延长而增加,表明这些基因在参与调控小麦盐胁迫反应的过程中可能发挥着重要的作用,深入研究这些基因有利于解析小麦抗盐调控机制。
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