玉米NAC转录因子及其潜在靶基因糖基转移酶47的家族进化分析与功能初探

摘要

干旱等非生物胁迫会严重影响植物的生长和发育，植物通过对胁迫信号的感知和传递等过程对胁迫信号进行应答。胁迫信号应答涉及植物的各个方面，包括转录调控、蛋白翻译、表观修饰等过程。NAC 转录因子家族在植物应答非生物胁迫和细胞壁合成过程中发挥着重要的作用。糖基转移酶家族47（GT47）基因编码β-半乳糖基转移酶和β-葡萄糖醛酸转移酶，能合成果胶，木葡聚糖和木聚糖，在植物细胞壁的生物合成中发挥着作用。本研究采用系统进化分析的方法，从低等植物到高等植物（藻类、苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物）分别对NAC家族和GT47家族进行分子进化和功能研究，取得以下研究结果： 1. 我们在50个植物中（苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物）共鉴定出5779个NAC基因，NAC基因的数目从20个（江南卷柏）到275个（苹果），在藻类（Chlamydomonas reinhardtii）中没有鉴定出 NAC 基因。不同物种之间 NAC 基因数目差异的主要原因是全基因组复制和/或串联复制。 2.通过系统进化分析，这些NAC基因可分成12个亚家族，命名为clades I-XII，这些clades进一步被分成四个类别：其中6个clades中的NAC基因都来自陆生植物（从苔藓到被子植物），1个clade中的NAC基因来自于蕨类植物，1个clade中的NAC基因来自于裸子植物和被子植物，另外4个clades中的NAC基因都属于被子植物。同时，这些clades中的基因在单子叶植物和双子叶植物之间的扩增存在差异，而且，不同的亚家族含有保守的氨基酸位点和多变的motif结构。进一步我们鉴定出5个应答干旱胁迫的候选NAC基因进化枝。 3. 基因组共线性网络分析表明，NAC 家族涉及复杂的共线性网络，这个共线性网络包含3728个基因和34001个连接。网络聚类分析显示该网络可分成95个子网络，某些子网络在被子植物中存在保守性，说明某些 NAC 亚家族可能具有保守的功能；另外还有一些单子叶植物或双子叶植物特有的子网络，说明某些 NAC 亚家族在单子叶和双子叶植物之间的进化模式存在差异。 4. 玉米NAC基因的转录表达谱和核糖体结合图谱分析表明，干旱胁迫对NAC基因的转录和翻译水平的表达造成不同的影响，进而影响基因的翻译效率。通过分析干旱胁迫下玉米的三个组织和四个发育时期的转录组数据，我们鉴定出50个NAC差异表达基因，利用实时荧光定量PCR技术鉴定出20个NAC基因应答干旱胁迫；此外，NAC基因在玉米种子发育过程中也发挥作用。 5. 玉米NAC基因的转录调控网络分析表明，NAC转录因子的靶基因富集在18个生物学过程中，包括盐胁迫和热胁迫应答的生物学过程、细胞壁的主要成分木质素的代谢过程等，其中与玉米细胞壁合成有关的GT47基因家族的相关研究甚少。 6. 我们从15个代表植物中（藻类、苔藓、蕨类、裸子植物、被子植物）鉴定出352个GT47基因，系统进化分析表明，GT47基因家族可能起源于蓝藻。进一步对玉米GT47家族进行分析，发现它包含47个GT47基因，可以分成5个亚家族（clade I-V）；基因结构分析表明，5个亚家族具有不同的外显子-内含子结构特征，其中两个亚家族主要由内含子贫乏基因组成；基因复制分析表明玉米GT47家族的扩张机制主要是串联复制和大片段复制。并且几乎所有的复制基因都是内含子贫乏的基因。 7. 玉米 GT47 基因的转录表达谱和核糖体结合图谱分析表明，几个内含子贫乏的GT47基因可能参与玉米干旱胁迫应答和种子发育过程，利用实时荧光定量PCR技术鉴定出3个GT47基因应答干旱胁迫。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1引言

1.2 植物与干旱胁迫

1.3 NAC转录因子

1.3.1 NAC基因应答环境胁迫

1.3.2 NAC家族调节植物的生长发育

1.3.3 NAC家族的系统进化分析

1.4糖基转移酶超家族（GT）

1.4.1 糖基转移酶在植物中的研究

1.4.2 玉米中GT47家族的研究

1.5 本研究的目的和意义

第二章 植物NAC 基因家族的分子进化分析

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 鉴定51个物种中的NAC基因家族

2.2.2 NAC蛋白的多序列比对和系统进化分析

2.2.3 NAC蛋白质的氨基酸基序分析

2.2.4 NAC家族的共线性网络分析

2.2.5 NAC家族的基因表达谱分析

2.2.7玉米幼苗胁迫处理和NAC基因的定量PCR验证

2.3 结果与分析

2.3.1植物NAC基因的鉴定

2.3.2植物NAC基因的系统进化分析

2.3.3 植物NAC家族的氨基酸基序分析

2.3.4 NAC家族中胁迫应答基因的预测分析

2.3.5 植物NAC 家族的共线性网络分析

2.3.6 玉米NAC基因在干旱胁迫下的表达谱分析

2.3.7 玉米NAC基因在种子发育过程中的表达谱分析

2.3.8 玉米NAC基因的定量PCR验证

2.3.9 NAC家族的转录调控网络分析

2.4 讨论

第三章 植物糖基转移酶家族47（GT47）的分子进化分析

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1 鉴定15种植物中的GT47家族基因

3.2.2 GT47蛋白的理化特征和亚细胞定位分析

3.2.3 多序列比对和系统进化分析

3.2.4 玉米中GT47基因的结构、染色体定位和基因复制分析

3.2.5 GT47基因的表达谱分析

3.2.6 GT47基因的顺式作用元件和转录调控网络分析

3.3 结果与分析

3.3.1 植物GT47基因的鉴定和理化性质分析

3.3.2 GT47家族的系统进化和玉米GT47基因结构的进化分析

3.3.3 玉米GT47家族的染色体定位和基因复制分析

3.3.4干旱胁迫下玉米GT47基因的表达谱分析

3.3.5种子发育过程中玉米GT47基因的表达谱分析

3.4 讨论

第四章 总结

参考文献

附录

致谢

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