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酸枣全基因组复制在调节木质部导管分化和耐旱性作用机制方面的研究

更新时间:2023-03-31   点击次数:640次

全基因组复制对生物体的影响是多方面的。全基因组加倍后,基因剂量效应、修饰的互作调控、快速遗传和表观遗传的修饰和变化,都会对基因组产生强烈影响,进而影响基因表达,最终导致形态、生理和适应性等性状方面的差异。在同源多倍化后,转录因子的靶基因数量、功能和表达又是如何协调以平衡这种剂量差异的呢?研究多倍体转录因子的靶基因及其表达模式,不仅可以揭示同源多倍体变异的进化模式,还可以为相应的分子调控网络提供新的思路。


2022年2月,北京林业大学生物科学与技术学院林木育种国家工程实验室的研究成果,发表在Frontiers in Plant Science期刊上(影响因子6.627),文章题目为“Genome-Wide Identification of Direct Targets of ZjVND7 Reveals the Putative Roles of Whole-Genome Duplication in Sour Jujube in Regulating Xylem Vessel Differentiation and Drought Tolerance"。该研究使用DNA亲和纯化测序(DAP-seq)技术分别鉴定了二倍体酸枣和同源四倍体酸枣中ZjVND7的结合基序和靶基因。揭示了ZjVND7在调节木质部导管分化和耐旱性中的潜在分子机制,为培育耐旱性植物提供了新的思路。

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同源四倍体酸枣比二倍体酸枣表现出更好的耐旱性。然而,二倍体和同源四倍体之间水分运输系统的差异及其机制仍不清楚。

本研究发现同源四倍体酸枣中木质部导管和薄壁细胞的数量增加,是二倍体酸枣的近两倍,这可能与木质部导管分化相关调节的NAC家族转录因子ZjVND7的表达差异密切相关。

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图1. 二倍体和同源四倍体酸枣的木质部差异及ZjVND7的表达水平和系统发育D-二倍体;T-同源四倍体)

采用DAP-seq技术对干旱胁迫下二倍体和同源四倍体酸枣中ZjVND7的靶基因进行了全基因组研究,鉴定了二倍体和同源四倍体酸枣之间结合基序的差异。ZjVND7的结合基序分为五种类型,且在二倍体和同源四倍体中的结合基序是不同的。然而,二倍体和同源四倍体酸枣中的结合基序都有一个连续的核心序列,CTTNAAG,该序列经Tamura等人(2019)报道是保守的。

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图2. 二倍体和同源四倍体酸枣中ZjVND7结合峰的全基因组分布和结合基序。

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图3. 二倍体和同源四倍体酸枣中ZjVND7的结合基序。

在二倍体和同源四倍体中分别筛选到236和321个ZjVND7的靶基因,并对这些靶基因进行功能富集分析。与二倍体相比,同源四倍体中更多的ZjVND7靶基因可能参与干旱条件下细胞生长和胁迫信号相关的途径,包括:木质部发育、次生壁合成、细胞死亡、细胞分裂和 DNA内复制。

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图4. ZjVND7靶基因的差异表达水平及其富集信号途径。

随后,鉴定了与细胞分裂和DNA复制相关,且为ZjVND7靶基因的ZjSMR1SMR1在增殖细胞和分化细胞中发挥着不同的作用。ZjVND7ZjSMR1均在细胞核中表达。酵母单杂交实验进一步证明了ZjSMR1是ZjVND7的靶基因。在干旱胁迫下,ZjSMR1在两种倍性类型的酸枣中均表达下降,且在同源四倍体中下降更显著,这与ZjVND7的表达趋势一致。这些结果表明,ZjSMR1是ZjVND7的直接靶基因,且ZjVND7对ZjSMR1的正向调控可能在同源四倍体的干旱胁迫响应中发挥重要作用。此外,对二倍体进行ABA处理后测定ZjSMR1ZjVND7的表达水平,发现ZjSMR1ZjVND7均对ABA处理有反应。

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图5. 多倍体中ZjVND7调节酸枣木质部导管分化和耐旱性的调控机制假说。

该研究提出一种可能的调控机制:靶向ZjSMR1的ZjVND7可能调节从薄壁细胞到木质部导管的转分化。这一结果可能支持了木质部薄壁细胞分裂和细胞分化之间的平衡作用,从而通过木质部薄壁组织的分裂和扩大来促进导管分化。因此,与二倍体相比,同源四倍体中形成了更多的薄壁细胞,和更多的导管细胞分化以介导水分运输。此外,ZjVND7可能通过调节ZjSMR1的表达,延长细胞周期并调节内复制以响应干旱胁迫和ABA,这在多倍体中的作用可能更强。