植物CaM/CML基因家族的系统进化及其在莲中的结构与表达特征研究
作者单位：湖北大学
学位级别：硕士
导师姓名：杨平仿
授予年度：2022年
学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071007[理学-遗传学]
摘 要：Ca是生物体普遍存在的一种第二信使,钙调素(Ca M)及类钙调素(CML)是关键的Ca传感器,在植物生长发育、胁迫响应等生理过程中发挥关键作用。目前,对植物Ca M/CML的研究大多集中于对单个家族成员的功能研究,有关其起源及进化的研究尚有欠缺;同时,Ca M/CML基因家族尚未在莲这一重要的真双子叶基部园艺植物中被鉴定,其结构及表达特征亦不清楚。随着高通量测序技术的飞速发展,越来越多的植物基因组被测序并完成了组装,“1KP项目也提供了从藻类到被子植物各进化阶段多种植物的转录组数据。同时,中国古代莲的基因组测序、组装及注释工作亦已完成。因此,本研究基于基因组及转录组数据,利用多种生物信息学手段,对植物Ca M/CML基因家族进行鉴定并对其进化历程进行探究,同时全面研究了莲Ca M/CML基因在结构、功能及表达模式上的特征。主要研究内容及结果如下:1、通过BLASTP与HMMER相结合的方法,从1230种植物的注释蛋白质序列数据中鉴定出25227个Ca M/CML基因家族成员,其中包括2133个Ca M基因和23094个CML基因,广泛分布于从藻类到被子植物各个系统进化阶段的植物物种中。植物CML基因家族的扩张与全基因组加倍事件及基因组大小、基因数量相关。鉴定结果显示,Ca M起源于绿藻,CML起源于甲藻,即CML比Ca M更早出现。2、以鉴定到的植物Ca M/CML基因家族成员的蛋白质序列为基础,构建了Ca M/CML基因家族的最大似然树,根据分支将其分为7组,发现Ca M非常保守,且处于相同进化阶段植物的Ca M更倾向于聚在一起;但是CML则具有较高的多样性,且藻类CML位于进化树分支基部。同时,选取高表达量及低表达量的植物Ca M/CML基因构建进化树,发现高表达量基因聚集于进化树基部且更为保守,而低表达量基因具有更高的特异性及多样性。3、通过保守结构域EF-hand序列特征分析,发现Ca M的第1个、第3个及第4个EF-hand皆含有D-x-D-x-D Motif与E-x-E Motif,而CML仅第5个及第6个EF-hand含有D-x-D-x-D Motif。就保守结构域的序列特征而言,Ca M比CML更为保守,且随着植物的不断进化,CML所含EF-hand结构域的序列更加多样化。4、基于中国古代莲参考基因组数据,鉴定出34个莲Ca M/CML基因家族(Nn Ca M/Nn CML)成员。系统发育分析显示,它们可分为九个类群。基因结构及保守序列分析证明了Nn Ca M/Nn CML基因家族的保守性和分化性。顺式作用元件分析表明,它们可能与植物生长发育、非生物胁迫和植物激素有关。此外,表达分析表明不同Nn Ca M/Nn CML家族成员在不同组织中差异表达。同时,利用q RT-PCR技术分析15个Nn Ca M/Nn CML家族成员在高浓度Ca Cl及EDTA处理下的表达模式,结果显示14个Nn Ca M/Nn CML家族成员参与了响应。5、对公共数据库里中国古代莲不同组织的转录组数据进行加权基因共表达网络分析(WGCNA),得到了Nn Ca M/Nn CML的共表达网络,并将其划分为11个模块。每个模块中基因的GO富集分析表明,Nn Ca M/Nn CML可能参与了广泛的生物学过程,如DNA及RNA的合成和加工,以及蛋白质的翻译后修饰等。同时模块-性状关联性分析结果显示每个模块都与叶柄和莲子的发育等表型特异相关,这些结果表明Nn Ca M/Nn CML在莲不同组织及生理过程中的广泛调控作用。综上所述,本研究利用生物信息学、系统发育学及分子生物学等手段,研究了植物Ca M/CML基因家族成员的起源、进化历程以及莲Ca M/CML在不同组织及钙处理下的表达模式,加深了对Ca M/CML基因家族在绿色植物中的进化历程与系统发育之间关系的认识,为探究物种进化过程中Ca M/CML基因家族所发生的功能分化提供理论基础,同时加深了对莲Ca M/CML功能的理解,并为进一步研究莲Ca M/CML的功能奠定了基础。
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