番茄小热激蛋白SlHsp20基因家族的全基因组鉴定及表达分析

摘要

小热激蛋白20(small heat shock protein20，sHsp20)在植物响应包括高温在内的多种环境胁迫以及在植物生长发育的过程中具有非常重要的作用。作为一种重要的分子伴侣，小热激蛋白sHsp20普遍存在于所有生物体内。在植物中，小热激蛋白是含量最丰富、分布最为广泛的热激蛋白。植物小热激蛋白具有保守的α-晶体蛋白(alpha-crystallin domain，ACD)结构域和可变的两端序列区域，参与细胞生命活动的多个重要进程，能够响应高温、干旱、病原菌等生物、非生物胁迫。尽管目前已有大量研究旨在揭示植物小热激蛋白的起源进化、表达调控等方面，但番茄作为一种重要的蔬菜作物，人们对其小热激蛋白20家族仍缺乏相对全面的了解。本文以模式植物番茄（Solanum lycopersicum Mill.）为研究对象，运用生物信息学方法研究了番茄SlHsp20基因的结构、染色体定位、系统发育关系及其在不同组织和发育阶段、不同胁迫和激素处理下的表达模式等。结果如下:
　　1.鉴定分析了番茄SlHsp20基因家族成员。运用生物信息学方法鉴定得到42个候选SlHsp20基因，序列分析显示绝大多数SlHsp20基因没有内含子或有一个长度较短的内含子。染色体定位表明SlHsp20基因不均匀分布在番茄12条染色体上，染色体臂内或臂间的基因重复事件显著促进了SlHsp0基因家族的扩展。
　　2.初步探究了番茄SlHsp20基因家族的进化模式。由番茄和其他物种（拟南芥、水稻、大豆、大麦和普通小麦等）sHsp20基因构成的系统发育树显示，这些sHsp20基因可分为17个亚族（CⅠ-CⅫ，ER，MⅠ，MⅡ，P，Px），而番茄SlHsp20基因被分到其中的13个亚族，同一亚族包含不同物种Hsp20成员，表明在单双子叶植物分化之前这些基因可能已有共同祖先形成了不同亚族。进化分析发现小热激蛋白不同基因亚族可能经历了不同的进化过程，基因重复、序列趋异以及基因转换是这些基因家族演化过程中的重要进化动力。
　　3.栽培番茄/野生番茄SlHsp20基因差异表达分析。基于RNA-Seq数据的表达分析表明，在42个SlHsp20基因中，分别有73.8％和81.0％的基因在栽培番茄、野生番茄的至少一个组织或阶段表达;有4个基因（SlHsp17.7A、SlHsp17.6B、SlHsp17.6C和SlHsp24.5）在栽培番茄/野生番茄所有组织中（叶、根、花、花芽、果、子叶、下胚轴）组成型表达，表明这些基因可能在番茄细胞正常生长条件下发挥着特殊的管家基因作用。两个SlHsp20基因（SlHsp25.7B和SlHsp17.6A）在栽培番茄的根、叶、花中均不表达，而在野生番茄中为高表达，呈现出差异表达水平，意味着在驯化过程中基因的功能特化存在着种间差异。
　　4.栽培番茄SlHsp20基因组织特异性表达分析。研究发现19个SlHsp20基因在生殖器官（花、果）中呈现优先表达，而营养器官（根、叶）中仅有4个优先表达基因，约1/3SlHsp20基因（14个）在转色后十天果实中优先表达，暗示着这些基因可能在果实发育后期较为活跃。不同组织中的基因表达呈现出亚族特异性，其中CⅠ、CⅦ和CⅨ亚族在所有组织（根、叶、花、果）中表达，CⅡ、CⅢ、MⅠ和Px亚族仅在生殖器官表达，而CⅤ亚族成员仅在营养器官表达。番茄果实成熟期间的表达分析显示，20个SlHsp20基因在至少一个果实成熟期表达，7个亚族（共15个基因）在三个果实发育阶段（绿熟期、转色期、转色后十天）均表达。
　　5.番茄SlHsp20基因在不同胁迫条件和激素处理下的表达分析。为了进一步探究参与调节果实成熟SlHsp20基因是否受到环境胁迫的诱导，采用qRT-PCR分析了这些SlHsp20基因在非生物胁迫和多种激素胁迫下的表达模式。结果表明，所有在果实中表达的基因（20个）均受高温诱导，并且大部分(85％)呈上调表达，且耐热植株对高温的响应比热敏感植株更强烈;仅仅1个和4个基因在高盐、干旱胁迫下呈上调表达，超过一半基因呈下调表达。大多数(95％)受果实成熟调控的SlHsp20基因也受ABA、MeJA、GA3和NAA等激素调控，而主要表现为下调表达。
　　本论文对番茄SlHsp20基因家族的组成、基因结构、表达模式以及起源进化等方面进行了研究，这些结果对未来阐述SlHsp20基因家族的功能特征和进化关系具有重要价值，也将为深入研究小热激蛋白及实际应用提供有利参考。

目录

论文说明

摘要

第一章 前言

1．1 植物中sHsp20s的数量及分布

1．2 植物sHsp20s的结构及生物学功能

1．2．1 sHsp20s的结构

1．2．2 植物sHsp20s的生物学功能

1．3 植物sHsp20s基因的表达调控

1．3．1 植物sHsp20s在非生物和生物胁迫下的表达特点

1．3．2 植物sHsp20s在正常生长发育期的表达情况

1．4 植物sHsps的进化起源

1．5 本论文的研究目的和意义

第二章 番茄小热激蛋白SlHsp20基因家族的全基因组鉴定

2．1 材料与方法

2．1．1 番茄SlHsp20基因的检索与鉴定

2．1．2 序列分析与结构特征

2．1．3 系统进化分析

2．1．4 染色体定位与基因重复

2．1．5 组织特异性表达分析

2．2 结果与分析

2．2．1 番茄SlHsp20家族成员的鉴定

2．2．2 SlHsp20基因的结构组成

2．2．3 SlHsp20基因家族的系统发育分析

2．2．4 染色体定位和基因重复

2．2．5 栽培番茄和野生番茄SlHsp20基因差异表达分析

2．3 讨论

2．3．2 SlHsp20基因结构组成

2．3．3 SlHsp20基因家族进化

2．3．4 不同组织中SlHsp20基因的表达模式

2．4 小结

第三章 番茄小热激蛋白SlHsp20基因家族的表达分析

3．1 材料与方法

3．1．1 RNA-Seq数据分析

3．1．2 植物材料和处理

3．1．3 植物RNA提取及cDNA合成

3．1．4 实时荧光定量PCR分析

3．2 结果与分析

3．2．1 番茄SlHsp20基因的亚族特异性表达分析

3．2．2 番茄SlHsp20基因在不同组织中的表达

3．2．3 番茄果实成熟期间SlHsp20基因的优先和特异性表达

3．2．4 番茄果实成熟期间SlHsp20基因的表达受各种胁迫调控

3．2．5 番茄果实成熟期间SlHsp20基因的表达受激素调控

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 全文总结

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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