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全基因組復(fù)制對生物體的影響是多方面的。全基因組加倍后,基因劑量效應(yīng)、修飾的互作調(diào)控、快速遺傳和表觀遺傳的修飾和變化,都會對基因組產(chǎn)生強烈影響,進而影響基因表達,最終導(dǎo)致形態(tài)、生理和適應(yīng)性等性狀方面的差異。在同源多倍化后,轉(zhuǎn)錄因子的靶基因數(shù)量、功能和表達又是如何協(xié)調(diào)以平衡這種劑量差異的呢?研究多倍體轉(zhuǎn)錄因子的靶基因及其表達模式,不僅可以揭示同源多倍體變異的進化模式,還可以為相應(yīng)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供新的思路。
2022年2月,北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林木育種國家工程實驗室的研究成果,發(fā)表在Frontiers in Plant Science期刊上(影響因子6.627),文章題目為“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”。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術(shù)分別鑒定了二倍體酸棗和同源四倍體酸棗中ZjVND7的結(jié)合基序和靶基因。揭示了ZjVND7在調(diào)節(jié)木質(zhì)部導(dǎo)管分化和耐旱性中的潛在分子機制,為培育耐旱性植物提供了新的思路。
同源四倍體酸棗比二倍體酸棗表現(xiàn)出更好的耐旱性。然而,二倍體和同源四倍體之間水分運輸系統(tǒng)的差異及其機制仍不清楚。
本研究發(fā)現(xiàn)同源四倍體酸棗中木質(zhì)部導(dǎo)管和薄壁細胞的數(shù)量增加,是二倍體酸棗的近兩倍,這可能與木質(zhì)部導(dǎo)管分化相關(guān)調(diào)節(jié)的NAC家族轉(zhuǎn)錄因子ZjVND7的表達差異密切相關(guān)。
采用DAP-seq技術(shù)對干旱脅迫下二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7的靶基因進行了全基因組研究,鑒定了二倍體和同源四倍體酸棗之間結(jié)合基序的差異。ZjVND7的結(jié)合基序分為五種類型,且在二倍體和同源四倍體中的結(jié)合基序是不同的。然而,二倍體和同源四倍體酸棗中的結(jié)合基序都有一個連續(xù)的核心序列,CTTNAAG,該序列經(jīng)Tamura等人(2019)報道是保守的。
圖2. 二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7結(jié)合峰的全基因組分布和結(jié)合基序。
在二倍體和同源四倍體中分別篩選到236和321個ZjVND7的靶基因,并對這些靶基因進行功能富集分析。與二倍體相比,同源四倍體中更多的ZjVND7靶基因可能參與干旱條件下細胞生長和脅迫信號相關(guān)的途徑,包括:木質(zhì)部發(fā)育、次生壁合成、細胞死亡、細胞分裂和 DNA內(nèi)復(fù)制。
隨后,鑒定了與細胞分裂和DNA復(fù)制相關(guān),且為ZjVND7靶基因的ZjSMR1。SMR1在增殖細胞和分化細胞中發(fā)揮著不同的作用。ZjVND7和ZjSMR1均在細胞核中表達。酵母單雜交實驗進一步證明了ZjSMR1是ZjVND7的靶基因。在干旱脅迫下,ZjSMR1在兩種倍性類型的酸棗中均表達下降,且在同源四倍體中下降更顯著,這與ZjVND7的表達趨勢一致。這些結(jié)果表明,ZjSMR1是ZjVND7的直接靶基因,且ZjVND7對ZjSMR1的正向調(diào)控可能在同源四倍體的干旱脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。此外,對二倍體進行ABA處理后測定ZjSMR1和ZjVND7的表達水平,發(fā)現(xiàn)ZjSMR1和ZjVND7均對ABA處理有反應(yīng)。
該研究提出一種可能的調(diào)控機制:靶向ZjSMR1的ZjVND7可能調(diào)節(jié)從薄壁細胞到木質(zhì)部導(dǎo)管的轉(zhuǎn)分化。這一結(jié)果可能支持了木質(zhì)部薄壁細胞分裂和細胞分化之間的平衡作用,從而通過木質(zhì)部薄壁組織的分裂和擴大來促進導(dǎo)管分化。因此,與二倍體相比,同源四倍體中形成了更多的薄壁細胞,和更多的導(dǎo)管細胞分化以介導(dǎo)水分運輸。此外,ZjVND7可能通過調(diào)節(jié)ZjSMR1的表達,延長細胞周期并調(diào)節(jié)內(nèi)復(fù)制以響應(yīng)干旱脅迫和ABA,這在多倍體中的作用可能更強。
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