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面包小麦中烟酰胺合成酶基因家族的鉴定与分子特征

期刊:Plant Biotechnology JournalDOI:10.1111/pbi.12577

本研究由Julien Bonneau、Ute Baumann、Jesse Beasley、Yuan Li和Alexander A. T. Johnson等研究人员共同完成,分别来自墨尔本大学(The University of Melbourne)和阿德莱德大学(The University of Adelaide)的澳大利亚植物功能基因组学中心(Australian Centre for Plant Functional Genomics)。该研究于2016年发表在《Plant Biotechnology Journal》期刊上,题为《Identification and molecular characterization of the nicotianamine synthase gene family in bread wheat》。

学术背景

本研究的主要科学领域是植物分子生物学,特别是小麦(Triticum aestivum)中铁(Fe)营养的遗传机制。Nicotianamine(NA,烟酰胺胺)是一种非蛋白质氨基酸,在植物中参与金属的吸收、运输和稳态调节。NA还是禾本科植物中mugineic acid family phytosiderophores(MAs,麦根酸家族植物铁载体)的生物合成前体。Nicotianamine synthase(NAS,烟酰胺胺合成酶)基因编码的酶能够催化S-腺苷甲硫氨酸(SAM)合成NA。NAS基因在大多数植物中受铁状态的差异调控,植物基因组中NAS基因的数量从1到9个不等。本研究旨在鉴定六倍体面包小麦中的NAS基因家族,并对其进行分子特征分析,以扩展对禾本科植物NAS基因家族的认识,特别是小麦中铁营养的遗传基础。

研究流程

本研究包括多个步骤,详细流程如下:

  1. NAS基因的鉴定与命名
    研究团队使用大麦(Hordeum vulgare)的NAS基因序列作为查询,在国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)的基因组数据库中进行BLAST搜索,鉴定出21个小麦NAS基因(TaNAS基因)。这些基因根据其染色体位置和亚基因组(A、B、D)进行命名,并使用FGENESH软件预测其编码序列和蛋白质序列。

  2. 基因序列分析与系统发育分析
    对鉴定出的TaNAS基因进行系统发育分析,将其分为两个进化枝(clade I和clade II)。Clade I包含17个基因,进一步分为三个亚组;Clade II包含3个基因。系统发育分析使用PHYML软件,基于Kimura 2-参数模型,Bootstrap值为1000。

  3. 基因表达分析
    使用定量逆转录PCR(qRT-PCR)技术分析TaNAS基因在不同组织(如根、叶、花药、籽粒等)和发育阶段(如发芽、幼苗生长、生殖发育)的表达模式。研究还分析了铁缺乏条件下TaNAS基因在根和叶组织中的表达变化。

  4. 蛋白质序列分析
    对TaNAS蛋白进行序列比对,鉴定其保守区域和功能基序(如YxxΦ和LL基序)。使用TargetP软件预测蛋白质的亚细胞定位信号肽,发现部分TaNAS蛋白具有线粒体、叶绿体或分泌途径的信号肽。

主要结果

  1. NAS基因的鉴定与分类
    研究共鉴定出21个TaNAS基因,分布在多个染色体组(2、3、4、5、6)和亚基因组(A、B、D)上。系统发育分析表明,TaNAS基因分为两个进化枝,Clade I基因与水稻、玉米和大麦的Clade I NAS基因高度同源,而Clade II基因与大麦的Nashor2基因同源。

  2. 基因表达模式
    大多数TaNAS基因在发芽、幼苗生长和生殖发育阶段均有表达。Clade I基因主要在根组织中表达,并在铁缺乏条件下显著上调。Clade II基因主要在叶组织中表达,其表达水平在铁缺乏条件下较低。

  3. 蛋白质功能分析
    TaNAS蛋白的长度在287到385个氨基酸之间,部分蛋白具有异常长的N端或C端区域。研究发现,部分TaNAS蛋白具有线粒体、叶绿体或分泌途径的信号肽,表明这些蛋白可能在不同的亚细胞位置发挥功能。

结论与意义

本研究首次系统鉴定了小麦中的NAS基因家族,揭示了其在铁营养调控中的重要作用。研究结果表明,TaNAS基因在小麦的不同发育阶段和铁营养状态下的表达模式具有显著差异,特别是在铁缺乏条件下,Clade I基因在根组织中的表达显著上调,这有助于小麦通过NA和MAs的合成提高铁的吸收和转运效率。此外,研究还发现部分TaNAS蛋白具有特定的亚细胞定位信号肽,这为进一步研究NA在不同细胞器中的功能提供了线索。

研究亮点

  1. 基因家族的全面鉴定
    本研究鉴定了小麦中的21个NAS基因,是迄今为止在植物中鉴定出的最大的NAS基因家族。
  2. 系统发育与表达模式的深入分析
    通过系统发育分析和qRT-PCR技术,揭示了TaNAS基因的进化关系和表达模式。
  3. 蛋白质功能的新发现
    研究发现部分TaNAS蛋白具有线粒体、叶绿体或分泌途径的信号肽,为NA的亚细胞功能研究提供了新方向。

应用价值

本研究为小麦育种提供了重要的遗传资源。通过调控特定TaNAS基因的表达,可以培育出适应不同铁营养条件的小麦品种,从而提高小麦在铁缺乏或铁过剩环境中的生长和产量。此外,研究还为提高小麦籽粒中铁的生物可利用性提供了理论依据,有助于开发更具营养价值的小麦品种。

其他有价值的内容

研究团队还开发了针对不同TaNAS基因的亚基因组特异性PCR引物,并验证了其在基因表达分析中的有效性。这些引物和实验方法为后续研究提供了重要的技术工具。

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