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Scientific Reports|中国农业科学院作物研究所讲述通过酵母文库筛选小麦抗逆基因

Scientific Reports|中国农业科学院作物研究所讲述通过酵母文库筛选小麦抗逆基因

中国农业科学院作物研究所的王景一、毛新国等在Scientific Reports上发表了一篇题为“Identification of wheat stress- responding genes and TaPR-1-1 function by screening a cDNA yeast library prepared following abiotic stress”的研究文献,该文献讲述了通过酵母文库筛选小麦抗逆基因的体系。

文章来源

背景:

非生物胁迫严重影响农作物的生长和产量。发现和利用耐胁迫的功能基因对作物改良至关重要。在这项研究中,从由耐旱和耐热的小麦品种Hanxuan 10构建的cDNA酵母文库中筛选了响应非生物胁迫(如冷冻,盐和渗透胁迫)的基因。筛选出存活的克隆后,我们分离出7,249个,4,3134,469个原始序列,分别对应于每种处理后的4,6952,6412,771个基因。维恩图显示了377个重叠基因。GO分析表明,这些基因主要参与代谢和应激信号通路。KEGG途径富集分析表明,分离的基因主要属于与能量和代谢有关的途径。重叠基因选择发病机理相关(PR)蛋白家族中的TaPR-1-1进行详细表征。尽管以前的研究表明PR基因在病原体侵袭过程中起作用,但我们的结果表明TaPR-1-1的表达还受到冰冻,盐度和渗透胁迫的诱导。酵母和拟南芥中的过表达表明TaPR-1-1赋予了对这些胁迫的耐受性。我们得出的结论是,筛选非生物胁迫后的cDNA酵母文库是鉴定胁迫耐受性基因的有效方法。


结果:

筛选了约一千万个酵母克隆,大多数克隆已死亡或显示异常生长,少于10%的克隆保持正常生长。Venn图表明在冷冻处理、盐度处理和渗透处理三个cDNA文库中有377个重叠基因。结果表明许多基因对压力处理产生了反应。

序列长度分布和维恩图

1.序列长度分布和维恩图

 

从三个处理库中分离出的基因的生物过程主要涉及代谢过程,细胞过程,单一生物过程以及对刺激的反应。主要与能量和代谢有关的途径已被证明对压力耐受具有作用。此外,泛素介导的蛋白水解和蛋白酶体途径也得到了丰富,表明蛋白质降解是对压力的常见反应。

GO和KEGG分析对三种应激反应有响应的所有基因

2.GOKEGG分析对三种应激反应有响应的所有基因

 

选择了三个重叠的基因TaPR-1-1TaMYC2TaHSP70,以验证从cDNA酵母文库中筛选基因的准确性。结果表明,TaPR-1-1TaMYC2TaHSP70具有抗逆性,从酵母筛选中鉴定与逆境有关的基因是有效的。

TaPR-1-1 / TaMYC2 / TaHSP70在酵母中的过表达增强了多种非生物胁迫耐受性.

3. TaPR-1-1 / TaMYC2 / TaHSP70在酵母中的过表达增强了多种非生物胁迫耐受性.

 

选择TaPR-1-1进行进一步研究, TaPR-1的三维结构类似于LeP14a。系统树分析表明,PR-1蛋白家族成员可分为单子叶植物和双子叶植物组,而TaPR-1-1属于单子叶植物组。

蛋白的蛋白结构和系统树

4.TaPR-1-1和同源PR蛋白的蛋白结构和系统树

 

许多研究表明PR1基因对病原体的攻击有反应。在不同胁迫条件下,进行PCR鉴定TaPR-1-1基因在小麦幼苗中的表达模式。结果表明TaPR-1-1对非生物胁迫有反应。

在不同胁迫处理下的小麦幼苗表达模式

5.TaPR-1-1在不同胁迫处理下的小麦幼苗表达模式

 

TaPR-1-1基因克隆到带有35S启动子的表达载体pCAMBIA1300中,获得了20多个转基因拟南芥品系。选择了具有不同TaPR-1-1表达水平的两个转基因株系OE1OE4来表达结果。在冷冻条件下,TaPR-1-1-OE拟南芥具有比对照更稳定的细胞膜,表明TaPR-1-1赋予了冷冻耐受性。

在拟南芥中的过表达增强了抗冻性

6.TaPR-1-1在拟南芥中的过表达增强了抗冻性

 

进一步研究了TaPR-1-1-OE拟南芥中可能的耐盐性。经过NaCl处理的转基因植物的根明显长于对照。叶绿素含量是耐盐性的重要指标。当暴露于高盐度下时,叶绿素含量显着高于对照。因此,TaPR-1-1-OE拟南芥具有比对照植物更强的耐盐性。

在拟南芥中的过表达赋予耐盐性

7. TaPR-1-1在拟南芥中的过表达赋予耐盐性

 

为了研究TaPR-1-1在渗透胁迫下的功能,将TaPR-1-1-OE和对照拟南芥种植在MS培养基和补充了山梨糖醇模拟渗透胁迫的MS培养基上。结果表明TaPR-1-1-OE拟南芥具有比对照更好的渗透耐受性。

在拟南芥中的过表达增强了渗透耐受性

8.TaPR-1-1在拟南芥中的过表达增强了渗透耐受性

 

结论:

在这项研究中,我们筛选了小麦cDNA酵母文库,并鉴定了冷冻相关基因,盐度胁迫相关基因和渗透胁迫相关基因。通过在拟南芥和酵母中过表达在所有三种胁迫处理中检测到的重叠基因TaPR-1-1的研究,证实了该基因在胁迫耐受性中的功能。这项研究提供了对筛选压力响应功能基因的探讨,这些基因可能有助于分析和改善农作物的非生物胁迫耐受性。

 

参考文献:

Landi, S., Hausman, J. F., Guerriero, G. & Esposito, S. Poaceae vs. abiotic stress: focus on drought and salt stress, recent insights and perspectives. Front Plant Sci 8, 1214–1222 (2017).

Li, Q. et al. Wheat F-box protein gene TaFBA1 is involved in plant tolerance to heat stress. Front Plant Sci 9, 521–535 (2018).

Cui, X. Y. et al. Wheat CBL-interacting protein kinase 23 positively regulates drought stress and ABA responses. BMC Plant Biol 18,93 (2018).

 

文献链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-018-37859-y

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