亮点文章 | 藜麦配子发育相关基因CqSTK的筛选及功能分析
文摘
科学
2024-09-06 16:38
北京
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藜麦（Chenopodium quinoa Willd., 2n=4X=36）是来自安第斯山脉的传统藜属（Chenopodium）一年生双子叶粮饲兼用的假谷物。其具有抗旱、耐盐碱、耐贫瘠和耐低温特性，适应性强，生态可塑性大。近年来，包括我国在内的全球藜麦的生产和消费都在迅速增长，促进藜麦的产业化发展。然而，我国藜麦引种的时间短，对其的研究不充分。因此，了解光周期如何调控藜麦的开花和配子发育对于加快藜麦在不同生态区域的栽培及其品种改良具有重要意义。STK（SEEDSTICK）也被称为AGAMOUS LIKE11（AGL11），属于MADS-box基因家族的成员，与SHATTERPROOF1（SHP1/AGL1）和SHATTER-PROOF2（SHP2/AGL5）共同控制植物胚珠的发育，并且这些基因在功能上部分冗余。已有研究表明，STK在被子植物中具有进化上的保守性，为非模式作物如藜麦等作物通过基因家族、同源性和结构域的相似性，筛选和准确预测其同源基因提供了可靠的理论依据。通过比较分析和结合多组学数据挖掘，进一步确认这些保守的关键调控基因，并将其应用于种质创新和改良。近日，《生物技术通报》在线发表了题为《藜麦配子发育相关基因CqSTK的筛选及功能分析》的研究报告。本研究对两个具有不同光周期特性的藜麦品系W19（日中性）和W25（短日）进行了冬季延长日照和夏季遮光处理，并进行转录组测序。鉴定到与花和配子发育密切相关的差异表达基因CqSTK，利用生物信息学和分子生物学等手段对其进行分析和功能验证，为进一步研究CqSTK在光周期调控配子发育过程中的机制提供实验基础。本文现已在知网上线，欢迎下载阅读！
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利用不同光周期处理的转录组数据，我们筛选到与表型变化一致的差异基因AUR62022366RA，并命名为CqSTK。在张东亮的研究中，藜麦中仅存在一个STK同源基因为AUR62022366（CqMADS36），与本研究一致，这表明在藜麦的四倍化过程中并未发生STK的复制事件，说明该基因在进化过程中较为保守，并发挥着重要的生物学功能。
STK在植物果实和种子的发育过程中扮演着关键角色，尤其是在控制种子大小、形状以及胚珠形成等方面。本研究中CqSTK在花期和灌浆期高表达，且在灌浆期表达量最高，说明该基因在花和配子的发育中发挥调控作用。此外，我们在拟南芥中验证了CqSTK的功能，结果表明，在T3代植株中，过表达和回补植株的开花时间明显延长，远超过野生型和突变体植株。但突变体植株与野生型之间在开花时间上并无显著差异，这可能表明CqSTK为抑花基因，在抑制开花方面起关键作用。而突变体与野生型植株的开花时间相似，这可能表明拟南芥中还存在其他控制早花性状的基因。进一步分析表明，过表达和回补植株的果荚长度和每个荚果内的种子数显著高于atstk突变体与野生型植株。且突变体的果荚长度和每个荚果内种子数显著少于野生型。这预示着CqSTK在控制种子大小形态和结实率方面具专一性。这些结果均表明，CqSTK基因参与花期调控和种子发育调控。光周期作为调节植物开花和结籽能力的重要环境信号，通过影响关键基因的表达发挥作用。我们的研究表明，CqSTK的表达受光周期的调控，进一步支持了光周期对植物生殖策略的影响。研究发现，SVP可以直接与STK的启动子区域结合，在花发育的早期阶段抑制STK的表达，这些光周期相关基因与STK的互作可能与植株在长日条件下不结籽有关。本研究中，对10个品种的CqSTK序列比对发现，CqSTK在外显子区域完全一致，只在内含子区域检测到SNP，CqSTK作为转录因子，在转录调控中发挥作用，而内含子的突变不会引起编码序列变化，不会改变CqSTK的功能。这表明CqSTK在转录调控过程中可能通过与其他蛋白质的相互作用，而非直接改变基因序列，来实现其功能。尽管我们对CqSTK的功能有了初步的了解，但是关于其目标基因和调控网络的详细机制还需要进一步的研究。已有研究显示，STK与SEP3共同调控直接靶基因转录因子VERDANDI（VDD），进而影响胚囊发育和确定生殖细胞命运。此外，CqSTK还能直接激活与细胞周期关键调节因子E2Fa，正向控制种子大小。深入研究CqSTK与其他关键生殖发育相关基因之间的相互作用，将有助于揭示控制花和配子发育的复杂网络。为了进一步揭示STK的调控网络，需要对更多的目标基因进行研究。花及其配子发育是由多个层次的调控因素共同决定的复杂过程，其中转录调控在控制花和种子形态发育中起着关键作用。鉴定控制藜麦花和配子发育的关键基因，并进一步了解其调控机制，将为藜麦的适应性种植和遗传资源改良提供潜在的靶标。通过对不同光周期特性材料进行光周期处理筛选到差异基因AUR62022366-RA，发现与AtSTK高度同源，命名为CqSTK。经过转录组修正后的CDS序列全长为672 bp，并在藜麦中成功克隆了CqSTK，该转录因子定位到细胞核，主要在开花期和种子发育时期表达，负责调节下游基因的转录活动。它在控制花期的延迟、种子形态建设以及种子成熟过程中发挥关键作用。
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