矮牵牛SBP-box基因家族的全基因鉴定及特征描述

作者：Qin Zhou1, Sisi Zhang1,2, Feng Chen1, Baojun Liu1, Lan Wu1, Fei Li1, Jiaqi Zhang1, Manzhu Bao1 and Guofeng Liu1*

摘要

背景：SBP-box（Squamosa启动子结合蛋白）基因编码植物特异性转录家族，其在植物的生长发育中起到重要的作用，包括叶的形成，茎和花序的分枝，果实的发育和成熟等生理过程。SBP-box 基因家族已在许多植物中得到鉴定和识别，但在矮牵牛这种重要的观赏属植物中还没有得到很好的研究。

发现：在转录组数据的支持下，我们分别从涉及到的 P.axillaris N 和 P.inflata S6 的参考基因组中鉴定了 21 个 P.axillaris 和 P.inflata 的推测 SPL 基因，为了进一步证实所有的 21 基因克隆自杂交 P 系 W115（米切尔二倍体）。类似于拟南芥和番茄，系统发育分析根据高度保守的 SBP 结构域将 PhSPLs 分成 8 组。而且，在同一个子群中，矮牵牛 SPL 基因具有相似的外显子-内含子结构，预测蛋白也具有非常相似的保守基序列。在21个 PhSPL 基因中，有 14 个被预测为 PhmiR156/157 的潜在靶基因，miR156/157 应答元件（MREs）除了VI族基因的 3rsquo;- UTR 区域，还位于Ⅳ，V，VII和VIII组基因的编码区，。SPL 基因也在另外两种野生矮牵牛中鉴定出来，P. integrifolia 和 P. exserta，基于它们的转录组数据库来研究 PhSPLs 的起源。对来自野生物种的 PhSPLs 及其同源物的编码序列的系统发育分析和多重比对，表明 PhSPLs 主要来源于腋生假单胞菌。qRT – PCR 分析显示了不同的时空表达矮牵牛和许多矮牵牛的 PhSPL 基因主要在腋芽和花序中表达qRT-PCR 分析显示矮牵牛中 PhSPL 基因的差异时空表达模式，并且许多主要在腋芽和花序中表达。此外，拟南芥中PhSPL9a 和 PhSPL9b 的过度表达表明这些基因在促进营养到生殖阶段的转变中起保守作用。

结论：矮牵牛基因组包含至少21个 SPL 基因，大多数基因在不同的组织中表达。PhSPL 基因可能在植物生长和发育中发挥保守和多样的作用，包括开花调节，叶的开始，腋芽和花序的发育。这项工作对研究矮牵牛 SBP-box 基因家族的 SPL 基因功能和进化，奠定了重要基础。

关键词：矮牵牛，SPL基因，转录因子，表达模式，miR156/miR157，开花

1. 背景

转录因子（TFs）在机体调节机制中是不可或缺的，其通过精确和协调的基因表达来激活或抑制转录内源性和环境信号，在许多重要的发育过程和防御反应的基因网络调控中起重要作用。基于DNA序列结构域和其它保守区域，转录因子通常被分为不同家族^[1]。SQUAMOSA 启动子结合蛋白( SBP )-box基因编码一个植物特异性 TFs 家族，该家族包含 76 个高度保守 DNA 结合结构域，称为 SBP 结构域^[2,3]，该结构域可以形成两个串联的锌指( Cys-Cys-Cys和Cys-Cys-Cys-His )，并且在C末端具有与第二锌指^[4.5]部分重叠的核定位信号(NLS)。SBP 结构域既参与核导入，也与具有 GTAC 核心基序和基因特异性侧翼区的一致DNA序列结合^[6,7]。

AmSBP1 和 AmSBP2 是在植物中发现的第一个 SBP 结构域蛋白，这些基因是通过体外方法从金鱼草中分离得到的，并以它们与花分生组织同一性启动子的结合能力而命名的基因^[2]。从那时起，SBP-box 基因已经在不同植物中被发现，包括单细胞绿藻、苔藓、裸子植物和被子植物^[8]。最近，人们通过全基因组鉴定和分析，报道了一些物种整个基因家族，如拟南芥^[9,10]，水稻^[3]、番茄^[11]、葡萄^[12]、苹果^[13]、蓖麻豆^[14]、杨^[15]、柑橘^[16]、棉花^[17]、胡椒^[18]、烟草^[19]、油菜^[20]、大豆^[21]、毛竹^[22]。在拟南芥中，共有16个 SBP - LIKE ( SPL ) 基因，根据其氨基酸序列，可以分成8个分支。它们保守的SBP结构域分别为: AtSPL1/12/14/16，AtSPL2/10 / 11、AtSPL3/4/5、AtSPL6、AtSPL7、AtSPL8、AtSPL9/15^[3,8]。其中，10个基因来自5个分支( AtSPL2/10/11、AtSPL3/4/5、AtSPL6、AtSPL9/15 和 AtSPL13 )且被miR156 ^[3,23]作为进化的目标。植物中高度保守miRNA的主要功能是调节营养发育和调控从幼年阶段到成年阶段的转变(营养阶段变化) ^[24.25]。

SPL 基因控制着植物发育和生理的许多方面，包括营养期变化、开花时间、叶片开始、嫩枝和花序分枝、果实发育和成熟、花器官发育和生育力、花粉囊发育、三体发育、根发育和应激反应^[8,9,26-28]。最近的研究提供了拟南芥中针对 miR156 的 SPL 基因功能的详细描述: AtSPL2/9/10/11/13/15 有助于幼年期到成熟期的相变(营养相变)和营养到生殖的相变(生殖相变或开花)，AtSPL9/13/15比 SP2 / 10 / 11 /9 更重要。据报道，ATSP 3 / 4 / 5 通过直接激活叶型( LFY )、多产型( FUL )和无花瓣型 1 ( AP1 )^[29]来冗余性地促进开花，它们可能与FLOWERING LOCUS T (FT)-FD 基因组协同作用，在长日( LD )条件下诱导^[30]开花，而最近的一项研究表明，AtSPL3/4/5 在营养期变化或开花中没有发挥其主要作用，而是促进了花分生组织形态的转变^{[ 9 ]};AtSPL6 没有参与植物形态发生^[9]，但是它可以积极调节一部分防御基因，并在应激性的免疫^[31]中发挥作用。在miR156非靶向 SPL 基因中，AtSPL7 是铜( Cu )稳态的主要调节因子，并也在镉( Cd )反应中起主要作用^{[ 32，33 ]}。AtSPL8是GA信号传导中的一种组织依赖性调节剂，与多个靶向SPL 基因相一致，调节花药早期发育和雌蕊分化模式以及萼片上毛状体的形成、雄蕊丝伸长和根生长^{[ 34–37 ]}，AtSPL14 基因可能起到延迟相位转变^{[ 38 ]}的作用。

对其他物种的研究表明 SPL 基因在进化过程中具有广泛的新功能。例如，玉米TEOSTITE GLOMARCHECTECTERTETURE 1 ( tga1 ) 基因的AtSPL13 同源基因控制着^[39]葡萄糖的发育。水稻TGA1直交系GW8/ OsSPL16基因控制着^{[ 40，41 ]}粒度、形状和品质。玉米 LIGULELESS1 ( LG1 ) 基因(进化上与AtSPL8 最接近)及其在水稻中的直交体( OsLG1 )控制着舌叶和外耳叶^[42、43]的形成。最近，他们还发现其分别控制着雄穗和圆锥花序的分枝角度^[44–46]。番茄无色不成熟(Cnr)基因座编码AtSPL3 直向同源基因，且对果实成熟至关重要^[47]。

矮牵牛(Petunia hybrida)是一种非常受欢迎的重要观赏植物，是茄科中重要的经济植物，长期以来一直被用作^[48]遗传模式系统。矮牵牛也是一个很好的基因功能比较研究模型，因为它有许多优势，包括其在菊科植物中的进化位置，易于培养和繁殖，高效的遗传和转化。然而，我们对矮牵牛 SBP_box 基因家族的进化和功能的了解都非常有限。只有最近的一项研究在功能上鉴定了两个矮牵牛 SPL 基因PhSBP1 和 PhSBP2，它们在生殖转变和叶片起始率^[49]方面有重叠但不同的功能。最近，两种野生矮牵牛属植物P.axillaris N 和 P.inflata S6 ^[50]的近交衍生物的全基因组测序已经完成，这为研究重要基因 TFs 的Zhou等人提供了一个很好的机会。P.hybrida 被认为起源于两种生物物种的杂交，一种是直立习性和白花的杂交单胞菌(P.axillaris)，另一种是外倾茎和紫色花的杂交单胞菌(P.intergrifolia)。P.inflata 以前被认为是 P.integrifolia 的同义词，后来被认为是 P.integrifolia 的亚种(P.integrifolia Subs p.inflata)，但是最近的一项研究则认为，直萼裂片作为有用的诊断性状^[51]与 P.integrifolia 不同。这里，我们报道了矮牵牛SBP-box 基因家族的全基因组和转录组分析，包括腋生、胀生、整叶、杂交和外露，这是该属的一个独特物种，具有红色花冠和明显的外露雄蕊和柱头。基于基因组和转录组扫描，21个SBP-box 基因在 P. axillaris 和 P.inflata 中被鉴定到，并从 P.hybrida W115株中克隆这些基因。系统分析了基因结构、系统发育、基序组成、miRNA靶位点以及在不同组织中的表达模式。此外，在转基因拟南芥植物中，两个代表性基因PhSPL9a 和PhSPL9b 的功能也得到了鉴定。这里提供的数据为理解 SPL 基因在矮牵牛发育或其他生物过程中的作用提供了良好的基础。

1. 结果

矮牵牛SPL基因的鉴定

拟南芥、番茄和烟草的 SPL 基因被用来搜索腋生假单胞菌和胀生假单胞菌^[50，52]的基因组和转录组数据集，这两个物种中鉴定了21个推测的SPL 基因，分别命名为PaSPLs 和PiSPLs (附加文件1和2 )。为了验证矮牵牛 SPL 基因的全长开放阅读框(ORF)序列和预测外显子-内含子的结构，通过RT-PCR从杂交P系W115中克隆了 PhSPL 基因的编码序列。结果显示， 21个 SPL 基因都成功从W115中分离出来，并通过测序得到证实。我们根据它们在拟南芥中最接近的同源基因命名了这些基因(表1 )。

表1 矮牵牛W115系SPL基因的命名法(米切尔二倍体)

矮牵牛、番茄和拟南芥SPL蛋白的系统发育分析

为了弄清PhSPL 的进化关系，MEGA 6.0中的最大似然算法使用了21个高度保守的矮牵牛SPL蛋白( PhSPLs )、16个拟南芥SPL蛋白( AtSPLs )和15个番茄SPL蛋白( SlySBPs )的SBP结构域( 76aa，图1 )构建了一个无根进化树，结果表明21个矮牵牛SPL蛋白

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 18 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[278827]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word