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小麦组蛋白乙酰转移酶基因家族的全基因组鉴定

发布时间:2021-07-27 11:26:23      点击数:

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  研究背景  

组蛋白乙酰化是真核生物和原核生物中普遍存在且可逆的翻译后修饰,由组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 和组蛋白脱乙酰酶 (HDAC) 共同调节。HAT活性对于真核细胞染色质结构的修饰很重要,影响基因转录,从而在植物发育中发挥着关键的调控作用。目前已在拟南芥、水稻、大麦、葡萄、番茄、荔枝和玉米中进行了HAT基因的大量研究,但尚未在小麦 ( Triticum aestivum ) 中进行类似鉴定和分析。因此本研究鉴定并表征了小麦HAT基因家族成员,全面分析其系统发育关系、结构、染色体位置、表达模式、对温度胁迫以及对病毒接种的反应,从而提供了TaHAT 在对病毒感染反应中具有特殊作用的基因,用于植物免疫的未来研究。

 

  研究结果  

1.小麦HAT 蛋白鉴定和系统发育分析

作者首先通过拟南芥和水稻的HAT 蛋白质序列进行 BLASTP 搜索,将小麦的31个HAT划分为四个不同的类别:HAC、HAG、HAF 和 HAM,后又根据它们的保守结构域和拟南芥中HAT的分类,31个 TaHAT 分为六类:HAC、HAG1、HAG2、HAG3、HAF和HAM。每个类别都有不同的保守域。TaHAT 的蛋白特性与来自其他植物HAT的蛋白特性相似(图1 )。

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为了分析来自不同物种HAT 之间的系统发育关系,使用 12 个拟南芥(二倍体)、8 个水稻(四倍体)和 31 个 小麦(六倍体)HAT 蛋白序列构建系统发育树,来自三个物种的 HAT 蛋白被分为六个进化枝:TaHAT 蛋白与来自其他物种的 HAT蛋白具有高度同源性,1个 AtHAT、1个 OsHAT 和3个 TaHAT 被分为 HAG1、HAG2 和 HAG3 组。HAC 是最大的群体,包括 5 个 AtHAT、3 个 OsHAT 和 13 个 TaHAT(图2)。

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2. HAT 蛋白的预测结构分析

为可视化各种蛋白结构,从三个物种的每个分类中随机选择一个蛋白,通过 SWISS-MODEL 进行同源建模。HAC、HAG2 和 HAG3 蛋白在不同物种中具有相似的结构。HAM、HAF和HAG1的蛋白结构在物种之间虽有所不同,但保守蛋白质结构是完整的,只是折叠方向略有不同(图 3)。总的来说,来自同一分类的不同物种蛋白质模型非常相似,而同一物种不同分类的蛋白质模型则不同。

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3. 小麦HAT基因结构和保守基序
通过分析TaHAT的基因结构,发现基因内含子数量从2到14不等,具有高度相似基因结构的TaHAT聚集在系统发育树的六个主要分支中,大多数TaHAT内含子和外显子数量相似(图 4)。为了表征小麦 HAT 基因家族的基序,利用MEME网站预测31 种TaHAT蛋白氨基酸序列,共预测了20个保守基序。同一类别的蛋白包含相似的基序,表明这些蛋白质可能具有相似的功能。HAC组的基序数量最多,每个蛋白质中可能有 10 个基序,并且它们在大多数序列中以相同的顺序排列(基序 6、 10、 2、 1、9 和 5)(图5)。

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4.TaHAT的染色体定位和共线性分析

图6中,3个TaHAT基因分布在染色体 2A、2B、2D、7A、7B 和 7D 上,2个TaHAT基因分布在6B和6D染色体上,而在3B、4A、4B、4D染色体上未发现TaHAT基因。基于同线性分析和基因重复研究,31 个TaHAT可以被分为12个基因(5个HAC,2个HAF,2个HAG1,1个HAM,1个HAG2和1个HAG3 ),其中包括8个3拷贝基因、3个2拷贝基因和1个单拷贝基因。

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5. 小麦三叶期中TaHAT的表达谱
为了研究TaHAT基因的表达模式,挑选6个TaHAT基因,通过qRT-PCR检测基因在小麦顶叶、中叶、底叶、茎和根中的表达水平。除了HAG1,其他基因在根中都表现出高表达水平。所有基因在茎中均表现出中等表达水平。有趣的是,底部叶和顶部叶的基因表达水平高于中间叶的基因表达水平。这些结果表明,TaHAT s的表达模式因组织而异,并且与植物发育有关(图7)。

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6. TaHAT基因启动子区顺式作用元件的预测与分析

在TaHAT基因启动子区域中共预测了1643个顺式作用元件,这些元件与环境应激、激素反应、光反应、发育、启动子、增强子元件和位点结合元件等相关(图 8)。激素反应元件最为丰富,包括生长素(IAA)、赤霉素(GA)、水杨酸(SA)、脱落酸(ABA)和茉莉酸甲酯(MeJA)。由于植物生长和发育受到各种环境胁迫的影响,因此研究与环境压力相关的顺式作用元素很重要,本研究中与环境胁迫相关的元素有88个,其中低温响应元素25个,防御和应激响应元素10个,厌氧诱导必需元素53个。

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7. TaHAT s在不同胁迫下的表达模式

研究表明,HAT基因的表达水平受植物激素、低温、干旱和盐分胁迫的影响。本研究测试了非生物胁迫(低温)和生物胁迫(病毒接种)对TaHAT基因表达的影响。通过 qRT-PCR 检测 10-14天龄小麦中 6 个TaHAT基因的表达模式。小麦在不同温度下发育时TaHAT基因的相对表达水平不同。大多数TaHAT基因在低温处理 7 至 10 天后表现出低表达。其中,TaHAC、TaHAF和TaHAG1在 8°C 下的表达水平明显低于其他温度。随着处理时间增加,TaHAC、TaHAM和TaHAG3的表达没有显著差异。然而,TaHAF、TaHAG1和TaHAG2的表达水平在 8 °C 时仍低于 20 °C(图 9)。此外,在接种大麦条纹花叶病毒 (BSMV)、中国小麦花叶病毒 (CWMV) 或小麦黄花叶病毒 (WYMV) 的小麦中,TaHAT表达水平在感染 16天后上调,从 7 天到 16天大多数TaHAT的表达水平呈增加趋势(图 10)。

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  研究结论  

本研究共鉴定出31 个 TaHAT并将其分为六类,均具有保守的基因结构和基序。通过系统发育分析对拟南芥、水稻和小麦HAT 基因之间的功能相似性进行预测。 TaHAT由顺式作用元件调节,qRT-PCR结果表明TaHAT在多种组织中差异表达。TaHAT表达响应温度变化,并且在被大麦条纹花叶病毒(BSMV)、中国小麦花叶病毒(CWMV)和小麦黄花叶病毒(WYMV)感染后均显著上调。这些结果表明,TaHATs可能参与小麦的生长发育,并在响应极端温度和病毒感染等胁迫方面发挥重要作用,这也为小麦发育过程中TaHAT 的未来功能研究以及探索小麦的HAT 与温度,病毒感染之间的关系奠定了基础。

原文链接:https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-020-07348-6