玉米醇溶蛋白基因的分子进化及其转录因子Opaque2的转录与转录后调控机理

摘要

玉米是世界上最主要的粮食作物之一，其驯化已经持续了9000年。醇溶蛋白是玉米种子中最主要的贮藏蛋白，但由于赖氨酸和色氨酸等必需氨基酸的缺乏，限制了玉米的营养品质。玉米的Opaque2(O2)基因突变能够降低醇溶蛋白含量，增加赖氨酸水平，但也会引起胚乳粉质，出苗力弱，感虫，感病等不利表型。经过育种家的不断改良和选育，最终获得了含有o2修饰因子（mo2）的优质蛋白玉米（Quality protein maize，QPM）。QPM兼具高营养和硬质胚乳的特性，但种质资源匮乏，育种难度大。因此，阐明O2和mo2基因在种子发育过程中的调控机理具有重要意义。 对60个栽培玉米和野生种的6个z2醇溶蛋白基因的多态性和单倍型进行检测。发现6个z2基因的单倍型均呈现不均匀分布，而野生种具有更为丰富的遗传多样性，并且在6个基因中z2δ18的多态性最高，z2γ15最低，说明其在种子进化过程中具有不同的作用。序列的插入缺失(indel)不仅能引起串联重复多态性，同时也会导致移码突变，而使其可作为缺失突变体。另外，中性进化检验、系统发育和群体结构分析表明，z2δ10和z2γ50在进化过程中受到了自然选择，z2γ27和z2γ16也具有自然选择的印记，而z2δ18和z2β15则倾向于中性进化。这些结果表明，在玉米驯化过程中，玉米富硫醇溶蛋白亚群的遗传多样性和进化与环境变化相适应。 玉米醇溶蛋白基因属于胚乳特异性表达基因，为进一步了解玉米醇溶蛋白基因的表达调控机制，对z2的DNA甲基化进行分析。结果表明，z2基因启动子及基因本体区域的高DNA甲基化可抑制基因的表达，而基因本体区域的中等程度的DNA甲基化却有利于基因的表达。另外，z2δ10，z2δ18和z2γ50受到DNA甲基化的调控，而z2β15，z2γ16和z2γ27则与DNA甲基化关系不大，可能受其他基因或转录因子的转录调控，表明z2基因的表达具有不同的调控机制。 胚乳特异性转录因子O2对玉米籽粒的发育至关重要。醇溶蛋白基因在授粉后5-10天开始转录，15天左右达到峰值。除z2γ16外，醇溶蛋白基因在野生型中的表达比o2突变体中高，同时在o2突变体中非醇溶蛋白合成量上升，表明存在一套平衡互补机制，使籽粒总蛋白量保持稳定状态。为更全面地获取O2的调控网络，利用基因组预测、ChIP-Seq以及RNA-Seq数据对O2的调控基因进行鉴定。共发现274个受O2直接调控的基因，除了启动子区域，在基因的外显子、内含子、转录终止位点（Transcription terminalsite，TTS)以及基因间区也发现了O2的结合痕迹。O2的靶标基因包括转录因子及激酶相关基因，不仅可以进一步调控下游基因的表达，也能参与多种胁迫响应。另外，O2除了激活基因的表达，对一些基因也具有抑制效应。 利用非标蛋白定量技术(Label-free quantification，LFQ)对玉米野生型、o2突变体以及QPM的差异表达蛋白进行了鉴定，其中在QPM中鉴定到恢复表达的蛋白66个，可能对硬质籽粒的形成具有重要影响。加权基因共表达网络分析(Weighted correlationnetwork analysis，WGCNA)和功能研究显示，棕色和蓝色模块所涵盖的蛋白主要涉及能量和蛋白代谢，以及蛋白修饰，与醇溶蛋白含量，籽粒硬度，病虫害抗性以及发芽力等表型存在显著关联。蛋白修饰分析结果表明，贮藏蛋白的乙酰化和磷酸化可能对种子的发育和萌发具有调控作用。转录组和蛋白组联合分析进一步表明，野生型能够正常表达的抗性相关基因在o2突变体中出现了差异表达，但植物体在响应外界胁迫过程中往往需要多种抗性蛋白的协同作用，导致o2突变体表现为易感病虫害。尽管o2突变导致大量胁迫响应基因以及核糖体相关基因在转录水平的差异表达，但大部分转录本并没有引起蛋白水平的变化，表明转录后调控发挥了重要作用。 本研究揭示了栽培玉米驯化过程中的环境适应性情况，通过多组学方法构建了O2的调控网络，揭示了O2转录因子的转录和转录后调控机理，丰富了复杂的QTL基因的研究内容，挖掘了一些可能与mo2相关的关键基因，为我国玉米高产育种目标提供理论基础，并为加快高产、优质玉米分子育种进程提供重要的基因资源信息。

目录

声明

致谢

摘要

略缩语表

1．1玉米的驯化

1．1．1玉米的分类和起源

1．1．2玉米驯化中的受选基因

1．2玉米种子的结构和蛋白组成

1．3玉米醇溶蛋白基因的表达调控

1．3．1转录因子对基因的调控及检测

1．3．2转录因子对玉米醇溶蛋白基因的表达调控

1．4本课题研究的目的、意义及主要内容

1．4．1研究目的和意义

1．4．2本研究的主要内容

第二章玉米低和单拷贝醇溶蛋白基因的进化和遗传多态性

2．1引言

2．2材料和方法

2．2．1植物材料

2．2．2基因克隆和测序

2．2．3序列分析

2．2．4遗传多态性分析和中性进化检验

2．2．5系统发育分析

2．3结果与分析

2．3．1玉米自交系及其野生种力基因中的插入缺失事件

2．3．2z2基因的单倍型多样性

2．3．3z2基因的核苷酸多态性和保守性

2．3．4中性进化检验

2．3．5系统发育和群体结构分析

2．4讨论

2．4．1z2基因在驯化中的选择效应

2．4．2z2基因的驯化史和群体结构

2．4．3z2基因的表达调控

2．5小结

第三章玉米低和单拷贝醇溶蛋白基因的DNA甲基化研究

3．1引言

3．2材料和方法

3．2．1实验材料

3．2．2实验方法

3．3结果与分析

3．3．1玉米δ-醇溶蛋白基因的DNA甲基化

3．3．2玉米γ-醇溶蛋白基因的DNA甲基化

3．3．3玉米β-醇溶蛋白基因的DNA甲基化

3．4讨论

3．5小结

第四章玉米Opaque2转录因子调控基因的全基因组分析

4．1前言

4．2材料与方法

4．2．1数据来源

4．2．2 O2转录因子结合基因的预测方法和流程

4．2．4 GO和KEGG分析

4．2．5组织表达分析

4．2．6转录因子分析及靶基因预测

4．2．7基因相互作用网络图的绘制

4．3结果与分析

4．3．1启动子中含特定模体序列基因的鉴定与分析

4．3．2启动子中含特定模体序列基因的GO分析

4．3．3利用ChIP-Seq对O2转录因子结合基因的鉴定

4．3．4O2结合基因的GO分析

4．3．5 O2结合基因的KEGG通路分析

4．3．6玉米野生型及其o2突变体中的差异表达基因

4．3．7 O2的调控基因

4．3．8差异基因的组织表达分析

4．3．9 O2调控网络构建

4．4讨论

4．4．1O2不同区域结合基因的功能分类

4．4．2 O2的调控基因及其调控效应

4．4．3o2突变后的胁迫响应

4．4．4玉米发育相关基因

4．5小结

第五章玉米野生型、opaque2突变体以及优质蛋白玉米的蛋白质组学分析

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1材料

5．2．2玉米贮藏蛋白和总蛋白的提取

5．2．3玉米总蛋白的酶解，除盐，质谱检测及差异表达蛋白的筛选

5．2．4 Western blot

5．3结果与分析

5．3．1玉米野生型及其o2突变体种子贮藏蛋白的积累及修饰

5．3．2玉米种子的蛋白质组学分析

5．3．3权重基因共表达网络分析

5．3．4转录组与蛋白组的联合分析

5．4讨论

5．4．1玉米种子贮藏蛋白的乙酰化和磷酸化修饰

5．4．2 O2的转录和转录后调控

5．5小结

第六章总结与展望

参考文献

附录