谷子PHR家族基因的生物信息学及表达模式分析

磷饥饿响应(Phosphate starvation response,PHR)蛋白是磷调控网络中一个重要的转录因子,在调控磷的有效利用方面起着重要作用。为了挖掘能够响应低磷诱导的谷子PHR基因,研究通过生物信息学手段从谷子基因组中鉴定了PHR家族基因,分析了不同物种PHR家族基因之间的进化关系,进一步分析了谷子PHR家族成员的基因结构及其在低磷条件下的基因表达模式。结果显示,从谷子基因组中共鉴定到16个SiPHR基因,不均匀地分布在谷子的7条染色体上,CDS长度为783~1422 bp,编码260~473个氨基酸,等电点范围为5.08~9.49,均属亲水性蛋白。系统进化结果显示,SiPHR可划分为5个亚组,分别对应1~3个水稻、玉米、高粱同源蛋白,均含有Myb_DNA-binding和Myb_CC_LHEQLE保守结构域。SiPHR家族基因包含6~7个外显子,鉴定出9种顺式作用元件,且均存在光响应元件。基因组织表达模式分析显示,SiPHR1、SiPHR3、SiPHR4、SiPHR6和SiPHR16具有明显的组织表达特异性。在低磷胁迫下呈多种表达模式,其中,SiPHR3、SiPHR10表达量在低磷胁迫3 d后显著高于胁迫前水平。研究结果可为谷子SiPHR基因的耐低磷调控网络研究提供一定的理论参考。

谷子酸性磷酸酶ACP家族基因鉴定与SiACP1耐低磷单倍型分析

细胞内酸性磷酸酶(ACP)是一种将液泡内的磷酸酯水解为无机磷的酶,普遍存在于植物组织中,在调控植物磷营养方面起着重要作用。谷子具有耐贫瘠特性,蕴藏着重要的耐低磷优异位点。挖掘谷子SiACP基因的关键变异位点和单倍型,促进分子标记辅助培育新品种,是解决土壤有效磷缺乏的主要遗传育种途径之一。通过同源序列比对的方式共获得了13个谷子以及其他3种禾本科作物的ACP家族基因,并对其进行生物信息学分析,结果发现,ACP家族基因在禾本科作物的数量和分布具有一定的规律性,均具有高度保守的磷酸酶结构域和基序。通过家族进化树分析发现,单子叶植物ACP基因与双子叶植物ACP基因在进化过程中出现明显的分支。转录组数据的表达模式结果显示,C4植物谷子的SiACP1基因表达模式具有明显的组织表达特异性,而SiACP2和SiACP3基因在整个生长发育阶段的不同组织表达量均较高。通过候选基因关联分析和单倍型分析发现,位于SiACP1启动子的SNP与耐低磷相关性状显著关联,并初步鉴定到一个与谷子耐低磷性状相关的有利单倍型ACPHap2。研究结果将为作物耐低磷优良种质育种提供一定的基因遗传信息参考。

谷子光敏色素家族基因的生物信息学及表达模式分析

光敏色素(PHY)是植物体重要的光感受器,在光形态建成中发挥重要作用。为挖掘新型模式植物谷子的光敏色素基因,通过BLAST从xiaomi基因组中共鉴定出4个SiPHYs,命名为SiPHY-1、SiPHY-2、SiPHY-3、SiPHY-4。利用生物信息学方法对SiPHYs的基因结构、理化性质、系统进化、启动子顺式作用元件和不同时期不同组织的表达谱进行分析,并采用RT-qPCR分析6个品种(系)在不同光周期下SiPHYs差异表达。结果表明,4个SiPHYs分布在8号和9号染色体上,除SiPHY-2外其余3个成员均为酸性亲水性蛋白;系统进化显示,SiPHY-1和SiPHY-2为PHYA亚族,SiPHY-3为PHYB亚族,SiPHY-4为PHYC亚族,且SiPHYs与狗尾草SvPHYs、玉米ZmPHYs、高粱SbPHYs的亲缘关系近,与拟南芥AtPHYs亲缘关系较远;SiPHYs的顺式作用元件中光响应元件占比最多。表达谱分析结果显示,SiPHY-1可能与谷子的种子萌发有关,SiPHY-3可能与谷子形态建成有关,SiPHY-4可以调控谷子的抽穗开花期;进一步对6个品种(系)不同光周期下的差异表达显示,SiPHY-1在晋谷21和大同红谷中差异显著,SiPHY-3在大同红谷中差异显著,SiPHY-4在晋谷21、xiaomi、黄粟和xiaomi4中差异显著,而SiPHY-2在不同光周期和不同材料中表达量均很低或不表达,说明SiPHY表达量受光周期和基因型的影响。

谷子穗发育过程的基因表达动态分析

穗是谷子(Setaria italica)产量和品质形成的基础,理想的穗型是谷子遗传改良的重要目标。以新型C4禾谷类模式植物超早熟小型谷子突变体xiaomi为对象,利用RNA测序(RNA-Seq)技术分析了抽穗期、开花期和灌浆期3个发育时期穗中基因表达动态。结果表明,开花期/抽穗期、灌浆期/开花期和灌浆期/抽穗期差异表达基因数分别为4159、4254和9243个。其中,光敏色素基因(PHYTOCHROME)、光周期枢纽基因(CONSTANS,CO)以及成花素基因(FLOWERING LOCUS T,FT)等在上述3个穗发育时期表达量差异显著,而一些与淀粉合成和代谢相关的基因在谷子穗发育过程中表达量逐渐升高。此外,还发现大量未知功能基因,这些基因在不同穗发育时期表达量差异显著。这些基因主要涉及次生代谢物生物合成、苯丙素类化合物生物合成、植物病原菌互作、植物激素信号转导、脂肪酸合成、糖类物质合成和蜡质合成等代谢通路。本研究揭示了谷子穗发育的基因表达动态,拟为深入解析穗发育调控的分子机制奠定基础。