杨树转录因子PtERF004耐盐胁迫功能分析

来源 :山西农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZWCSS
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杨树(Populus)生长快、适应性强,是我国重要的造林和绿化树种,但在干旱、半干旱、盐碱、荒漠化等脆弱生态区,杨树的生长发育受到了明显的限制。ERF蛋白是植物所特有的并可直接参与植物生长发育及生物与非生物胁迫应答过程的一类转录因子。在前期研究的基础上,本研究以84K杨(P.abla×P.glandulosa)为研究材料,对7个抗逆胁迫相关的杨树ERF基因进行系统生物信息学及表达模式分析,选取序列最短,分子量最小,编码氨基酸最少,热稳定性最强,在根中相对表达量最显著的PtERF004基因进行过表达和抑制表达载体构建及杨树遗传转化,并对其耐盐胁迫功能及与其互作基因的生物学功能进行分析。研究结果如下:(1)对7个PtERFs基因进行系统的生物信息学分析。开放阅读框分析显示7个PtERF基因(PtERF001-PtERF007)的序列长度在400~1500之间,开放阅读框个数为4~12个,均含有最长的开放阅读框ORF1,PtERF004序列最短,编码氨基酸最少;基本理化性质分析显示7个PtERs基因均为热稳定性强的亲水性的可溶性蛋白,不属于跨膜蛋白,且均无信号肽,结构元件均为α-螺旋和无规则卷曲;同源分析表明7个PtERFs基因在拟南芥中的同源基因共有5个;系统进化分析表明,7个PtERFs基因属于ERF-a、ERF-b、ERF-c 3个亚家族,且包含AP2、YRG和RAYD保守域;染色体定位显示7个PtERFs基因分别定位于19条染色体中的第3、2、11、6、18、4、5条染色体上;共线性分析显示PtERF002、PtERF004、PtERF006与全基因组重复事件相关;启动子结构分析表明7个PtERFs启动子区域具有ABRE、LTR、MBS等多种与胁迫相关的顺式调控元件;GO注释分析表明7个PtERFs具有DNA结合和转录调控因子活性,可能参与了植物的胁迫响应过程。(2)通过RT-qPCR分析7个PtERF基因在50m MNa Cl胁迫下的表达模式,结果显示,同一亚家族基因在盐胁迫下表现出相似的表达变化,例如,ERF-c亚家族的PtERF001和PtERF004在根中的表达量变化相似,均在48h时最高,但大多数基因表现出特定的表达模式。通过RNA-Seq对7个基因的表达模式进行了验证,根据表达水平将7个PtERF基因分为2个亚组,其中PtERF003、PtERF004、PtERF005属于一个亚组,其他4个属于另一个亚组;基因表达相关性分析表明PtERF004与PtERF005相关,PtERF002、PtERF003和PtERF007的相关性较强。(3)为进一步揭示ERF转录因子在杨树应答盐胁迫过程中的功能,本研究选取了PtERF004进行过表达和抑制表达载体构建及杨树遗传转化,并对其耐盐功能进行了分析。共获得PtERF004过表达转基因杨树株系(OX)19个和抑制表达转基因杨树株系(RNAi)9个。在正常条件下,与非转基因杨树(WT)相比,OX和RNAi的生根率均变低、株高均变矮,且OX的生根率和株高均小于RNAi;OX的总鲜重和根鲜重均大于WT,而RNAi与WT的差异不显著;OX的根直径、根表面积、根体积、叶面积、叶长、叶宽、气孔宽度均大于WT,而RNAi与WT的类似;OX和RNAi的地上部鲜重、叶片数、主根长、根尖数、叶片长宽比、气孔长与WT的差异不显著;OX的POD活性、SOD活性和MDA含量均与WT相似,但明显低于RNAi;OX、RNAi和WT的CAT活性、叶片相对含水量和叶片电导率均没有显著差异。在盐胁迫条件下,OX的根鲜重、根直径、根表面积、根体积、叶片长宽比大于WT,RNAi与WT差异不显著,其他生长指标均小于WT。OX的POD活性和MDA含量均高于WT和RNAi,而CAT活性则相反。OX和RNAi的叶片相对含水量和叶片电导率没有显著差异。以上结果表明,杨树转录因子PtERF004对盐胁迫较为敏感,且其过量表达可以促进侧根的生长。(4)为鉴定与PtERF004互作的靶基因并分析其耐盐功能,通过RNA-Seq分析了WT和OX的叶片中基因表达水平。结果显示,在盐胁迫(NT+100)处理后,与对照(NT+0)比较,共检测到1175个差异表达基因(DEGs);在OX vs NT+0中发现288个DEGs,相同的DEGs有129个,且均在OX植株中下调表达;WGCNA分析共鉴定出15个DEGs,其中13个与PtERF004直接共表达;DEGs中共有转录因子7个,其中4个WRKY转录因子(WRKY24、WRKY33、WRKY40、WRKY41),1个b ZIP(b ZIP14)、1个GRAS、1个NAC(NAC045),且均在OX抑制表达;启动子结构分析发现NAC045含有1个可与PtERF004结合的DRE元件;酵母单杂交验证表明PtERF004可以与含有DRE元件的NAC045的Promoter1(翻译起始位点上游的-525bp到-197bp)结合;RT-qPCR分析表明NAC045在RNAi中高诱导表达。综上,PtERF004可能通过促进侧根系的生长,提高了杨树对盐胁迫的敏感性。本研究为PtERF004基因的进一步应用及系统揭示ERF转录因子的功能提供理论依据。
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