COLLINEARITY PREDICTION OF THE AP2/ERF GENE FUNCTION ACROSS WHEAT (Triticum aestivum L.) AND RICE (Oryza sativa L.) GENOMES

摘要

植物在其生长发育过程中会遭遇各种逆境如虫害、病害、温度及水分胁迫等。植物自身在细胞、分子乃至系统水平上形成了一种融合的信号网络，通过改变生化和生理过程以应对这些环境的挑战。所有这些都是在转录水平上通过一系列基因的共表达得以实现。转录因子以同步的方式通过激活或抑制许多编码基因的表达调控应对多重逆境响应，而这些转录因子正是作为靶标应用于植物生物技术领域。乙烯响应因子（ERF）家族作为这类转录因子，在植物生长以及应对环境变化中其重要作用。因此，阐明其作用对于提高作物产量，并使作物适合各种环境条件显得非常重要。小麦是六倍体性质的作物，其基因组测序工作仍处于初始阶段。虽然水稻基因组比小麦小40倍，但比较遗传作图发现，两者在基因水平上有很大程度的同源性，利用这一特性有助于预测小麦基因组中新基因的功能，并可为改善作物产量提供参考。为此，本研究首先在水稻基因组中初步鉴定出170个AP2/ERF家族成员。它们总共被分成11类，包括4个大类(AP2, ERF, DREB和RAV)、10个亚类以及两个独立成员。基因结构分析显示，拥有两个结构域的AP2蛋白的第六位苏氨酸保守(Thr-6)；相比之下，拥有一个结构域的ERF蛋白在第六位氨基酸保守的是精氨酸(Arg-6)。另外，在AP2的两个结构域都发现有组氨酸(His)，但在 ERF的结构域中并未发现组氨酸的存在。模体分析显示，在AP2/ERF结构域之外，进化树中各分支都有不同于其它分支保守的模体；这些特异的保守模体可能调节潜在的基因功能。基因表达数据分析结果显示，AP2/ERF家族基因在水稻各组织中均有表达。在营养器官中，这些基因在根中的表达最高，其次是叶和茎。在生殖器官中，胚和外稃的基因表达水平很高。从染色体上的定位看，基因重复和随机复制可能促进了水稻基因组进化中新基因的出现。小麦-水稻种间基因组比对发现，小麦至少有116个 AP2/ERF家族基因，其中有36个水稻基因座位，这揭示了两个基因组间具有共线性关系。在水稻中，微共线性分析揭示了26个复制片段。位变异构重复的系统发生分析估计在水稻基因组中存在3个 AP2、8个CRT/DRE和11ERF个保守的小麦基因。染色体定位显示8、9号染色体具有更多的CRT/DRE直系同源基因，而2、4号具有更多的ERF基因。在3号染色体上发现了数量众多的AP2家族基因。只有在7号染色体上发现了 AP2双结构域亚家族基因。拟南芥和水稻两个远源基因组比对发现了11个同源/直系同源基因。AP2/ERF家族基因在拟南芥1号染色体上具有大量的旁系同源基因，其次是5号染色体。在拟南芥中，ERF家族基因在1、3、5号染色体上存在；而 DRE亚家族基因分别在2、5号染色体上发现。RAV和AP2的直系同源基因分别在1、3号染色体上得以确认。易位、删除和倍性水平以及随之而来的基因分歧使基因组间的共线性更加复杂。此外通过染色体图谱比对基因功能进行了预测。在水稻1号和6号染色体上，有一个保守的小麦同源基因（PTTa00075.1），其开放阅读框长765 bp,编码一含有254个氨基酸残基组成的蛋白质，这个预测的基因被命名为 TaDREB2。在它的结构域上具有保守的缬氨酸-14和谷氨酰-19。N端具有保守的SVAETIK和RKAPAKG序列，并且以 ABA依赖的方式转录。我们从中国春小麦中扩增克隆了这个基因，分析表明它可被脱水和盐胁处理诱导。在茎、叶和旗叶中 TaDREB2表达量最高，在根和幼叶中表达次之，在衰老的叶片中表达很少。 TaDREB2基因过表达载体转化烟草，所获的转基因烟草培养在含有甘露醇的培养基中培养时，表现出TaDREB2依赖型表型，其发芽率和发芽速率均高于对照，根长也显著长于对照。脱水处理六小时后，野生型已经失去了67％的水分，而转基因株系则保留了56%以上的水份，表明转基因株系增加了对脱水胁迫的耐受性。逆境下转基因植株鲜重的积累取决于TaDREB2基因的表达。野生型植株干旱胁迫三至五天后叶片开始卷曲、枯萎，而转基因株系这一变化得以延迟。盐胁迫处理下转基因植株表现为深绿色而野生型表现出黄色且生长发育迟缓。与野生型相比，转基因植株在干旱和盐胁迫下，作为渗透调节剂的脯氨酸的含量和作为活性氧清除剂的过氧化物酶活性显着增加。本文的研究结果表明，采用BLAST搜索方法对基因组测序尚处于初始阶段的植物而言，鉴定直系同源基因的难度很大。总之，基于基因组作图比较和基于序列比对的水稻-小麦基因组宏/微共线性关系都有助于对小麦基因功能的预测，同时也为其它禾谷类作物基因组分析和作物品质改良提供了一个强有力的平台。本研究所获得的分析数据对预测AP2/ERF基因家族在作物响应逆境过程所起的确切作用以及作物改良提供了有用的信息。

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List of abbreviations

1.0 Introduction and Review of Literature

1.1 Transcription factors

1.2 Transcription factor in eukaryotes

1.3 Boasts of plant transcription factors

1.4 AP2/EREBP transcription factor

1.5 DREB transcription factor

1.6 Abiotic factors

1.7 Plant mechanism to encounter abiotic stresses

1.8 Crop improvement through different approaches

1.9 Objective of the canvas

1.10 Experimental measures to achieve the objective

2.0 Materials and Methods

2.1 Bioinformatics approaches

2.2 Molecular approaches

2.3 Physiological approaches

2.4 Biochemical approaches

2.5 Statistical Analysis

3.0 Results

3.1Genome wide survey of AP2/ERF family genes in rice

3.2Comparative mapping between monocot and dicot

3.3Wheat-Rice:Syntenic view to predict the wheat gene function

3.4Molecular evaluation

3.5Response to abiotic assay

3.6 Biochemical analysis

4.0 Discussion

5.0 Conclusions

6.0 Future perspective

致谢

参考文献

Publications