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表观遗传视角下的非生物逆境(一)

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表观遗传视角下的非生物逆境(一)

发布日期:2019-03-04 作者: 点击:

在植物生长过程中会受到各种各样的非生物胁迫或生物胁迫,其中非生物胁迫包括盐碱胁迫、干旱胁迫、冷胁迫、热胁迫等等因素。为了适应在各种不同胁迫条件下的生存环境,植物进化出了响应不同胁迫信号刺激的调控途径。当植物受到这些胁迫条件胁迫后,将会激活植物体内响应该胁迫的调控途径,使植物能够抵抗该胁迫,从而生存下去。因此,研究植物的耐非生物胁迫可以帮助科学家们了解植物是如何抵御外界环境胁迫及通过哪些关键途径来进行调节。今天简单分享一篇关于玉米中转录因子ZmbZIP4调控ABA合成以及植物根系发育的从而提高抗逆能力的研究文章ZmbZIP4 Contributes to Stress Resistance in Maize by Regulating ABA Synthesis and Root Development,该文章发表于PLANT PHYSIOLOGY。



bZIP是植物中参与调节应激反应和激素信号转导的一个大型转录因子家族。根据它们的保守区域,在拟南芥中已鉴定75个bZIP基因,在水稻中89个bZIP基因。诸多研究显示,该转录因子在应激反应、激素信号等生命过程中发挥了重要作用,可提高植物对非生物胁迫的适应能力。作者通过渗透胁迫下的玉米自交系Q319根系差异表达基因的cDNA文库鉴定到了Bzip家族转录因子的两个cDNA基因,根据玉米数据库 MaizeGDB 命名为ZmbZIP4,并对其进化树以及结果进行了分析(图1AB),并对其在玉米的不同组织表达情况进行了统计(图1 C)。随后作者探究了不同胁迫以及激素处理下该基因表达情况(图1 D),发现ZmbZIP4的转录水平由高盐度、聚乙二醇(PEG)、氧化应激(过氧化氢[H2O2]诱导)、ABA处理、吲哚-3-乙酸(IAA)和热处理快速而强烈地诱导,但仅受冷、GA和茉莉酸的轻微影响。因此作者判断ZmbZIP4是一个响应逆境胁迫的转录因子。


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图1 ZmbZIP4进化树以及表达模式探究



随后作者构建了ZmbZIP4过表达材料,并通过Maize Genetics Cooperation Stock Center 获得两个zmbzip4 突变体。并对过表达以及突变体材料进行了分子以及WB层面验证,证明已成功构建了过表达材料。作者对过表达以及突变体材料植物根发育情况进行了分析,发现与野生型相比,ZmbZIP4过表达系具有发达的根系,突变体则相反(图2 A)作者对根系中根数、根长、侧根原基进行了统计比较,发现过表达ZmbZIP4提高了跟长以及侧根的数目(图2 )。因此ZmbZIP4促进了根系的发育。


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图2 过表达ZmbZIP4材料、野生型、突变体根系发育情况



作者随后探究了在逆境胁迫下,ZmbZIP4过表达材料、野生型、突变体的不同表现,作者分别从盐胁迫下萌发情况、植物表型、ABA含量以及干旱模拟条件下植株表现对不同材料的抗逆能力进行了研究,过表达材料无论从萌发率。植株表型以及ABA含量皆优于野生型和突变体(图3),表明过表达ZmbZIP4提高了植物的抗逆能力。

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图3 逆境下ZmbZIP4过表达材料、野生型、突变体抗逆表现及ABA含量



对转录因子而言,寻找下游靶基因及结合位点对其功能的探究具有重要意义。作者利用ChIP-seq对ZmbZIP4转录因子下游靶基因进行了研究。作者构建了 ZmbZIP4-GFP 融合材料,利用GFP标签抗体进行免疫沉淀。作者对获得的ChIP-seq数据进行分析,对其peak在基因组的分布以及TSS上下游peak的丰度进行统计(图4 A、B)。根据MEME-ChIP分析,发现 ZmbZIP4转录因子motif为ACGTCG(图4 C),属于ABREs家族,并对该Motif进行了EMSA验证(图4 D)。对目的基因RD21、RD20则进行了单独分析和验证(图4E、F)。对ZmbZIP4下游靶基因进行了GO注释以及GO富集分析(图4H)。

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图4 ZmbZIP4转录因子ChIP-seq结果分析



作者对下游靶基因分析发现ZmbZIP4主要参与了根基发育、分生物胁迫、以及ABA的合成,作者并对其中的一些基因进行了ChIP-qPCR以及酵母单杂验证(图5)。并对整体ZmbZIP4在生物体内调控模式进行了分析(图6),非生物诱导ABA积累,随后通过PYR/PYL/RCAR受体, PP2C 蛋白, SnRK2 fiazu, AREB/ABF家族转录因子等对其进行响应。ZmbZIP4属于AREB/ABF转录因子,其一方面调控了ABA的合成,另外对根系发育以及一些应激相关基因的调控提高玉米抗逆性。

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图5 ChIP-qPCR和酵母单杂对下游靶基因验证


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图6 ZmbZIP4调控模式



总的来说,作者利用已有的bZIP家族的研究,挖掘出玉米中相关基因ZmbZIP4,并在不同组织以及胁迫处理下该基因的表达情况进行了探究。并通过构建过表达以及突变体材料对该基因在根系发育以及逆境胁迫响应进行了描述。对后通过ChIP-seq实验对ZmbZIP4转录因子下游靶基因进行了探究以及分析,对其调控的根基发育、分生物胁迫、以及ABA的合成等关键基因进行了ChIP-qPCR以及酵母单杂的验证,对其整体调控模式进行阐述。该实验方法与思路在探究转录因子在植物对逆境胁迫的响应方面具有较好参考意义。



本文网址:http://www.igenebook.com/news/433.html

关键词:基因表达,表观组学,转录因子

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