竹子中ABCG亚家族的比较分析及PeABCG15在木质素单体运输中的潜在功能

文摘   2025-01-07 18:01   江苏  

木质素是次生细胞壁的主要成分,并在多种生物过程中发挥重要作用。在本研究中,在抱秆黄竹?(Bambusa amplexicaulis)和Olyra latifolia中鉴定出了6842个ABC转运蛋白G亚家族(ABCG)成员,均少于毛竹(Phyllostachys edulis)中的77个。

共线性分析显示,ABCG经历了强烈的纯化选择,功能分化较低。这些ABCG被聚类为两个类群:WBC和PDR。特别是,PeABCG15在竹笋的木质化过程中高度表达。

WGCNA分析揭示了PeABCG15与八个MYB基因共表达,其中PeMYB203能够通过Y1H、DLR和GUS检测激活PeABCG15。此外,在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过表达PeABCG15显著提高了木质素的含量及木质素单体生物合成基因的表达水平,增强了对外源愈创木醇的耐受能力。

总体而言,我们的发现阐明了PeABCG15在木质素单体运输中的潜在贡献,为理解竹子中的木质素生物合成机制提供了洞察。

ps:monolignol 我翻译为木质素单体,即

  1. 对羟基苯乙醇(p-Coumaryl alcohol)

  2. 桂皮醇(Cinnamyl alcohol)

  3. 香草醇(Coniferyl alcohol

这篇文献我们来看材料与方法,我序号也不改了

材料与方法

2.1 不同竹类物种中ABCG的鉴定和分子特征分析

从竹子基因组数据库下载了Bonia amplexicaulis(六倍)和Olyra latifolia(二倍)的基因组数据。(感觉材料与方法这边写的竹种才是对的,芸香竹和莪莉竹,因为Bambusa amplexicaulis的基因组没公布,但是图注写的又是Bambusa amplexicaulis,所以不纠结这个先毛竹和水稻(Oryza sativa)中ABCGs的同源序列来自之前的研究(Li et al., 2023)。基于隐马尔可夫模型的域轮廓分析被用来从Pfam(pfam.xfam.org)中检索ABCG转运蛋白(PF00005)。基因家族分析是基于HMM结构,另外使用BLASTp比较竹子中ABCGs的同源序列,结合这两种方法获得B. amplexicaulisO.latifolia中的ABCG同源候选序列。通过NCBI的CD-Search(www.ncbi.nlm.nih.gov)仔细检查了保守域结构,过滤掉缺乏ABCG特征域的序列。

在不同竹子物种中识别的候选基因根据其基因编号按顺序命名。

另一种命名方法是根据同源序列建系统发育树,按照亲缘关系进行命名,如AtXX01Ph001010聚在一起,那么Ph001010就是PhXX01,XX就是某基因家族,GFR等。

ProtParam(web.expasy.org/protparam)使我们能够从ABCG序列中获得主要属性的计算推导。使用Plant-mPLoc(www.cs bio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi)和TMHMM v2.0(www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM)分别进行了亚细胞定位和跨膜域的预测。MEME套件(meme-suite.org/tools/meme)用于阐明保守基序结构,TBtools被应用于将基因组映射和域注释整合为示意可视化。同时,使用ESPript 3(espript.ibcp.fr/ESPript/ESPript)进行深入的序列比对分析。

(1)两种竹子中的ABCG家族基因的序列获取

先得到ABCG家族的同源基因(水稻,毛竹,从前人的文献中)

从pfam数据库中获得ABCG基因家族的保守结构域的HMM模型

使用blastp(基于同源序列)和HMM-search(基于保守结构域)对两竹种的ABCG基因进行查找

2.2 ABCG基因的共线性分析

为了研究竹类谱系中ABCG基因的分子进化,采用MCScanX对毛竹、芸香竹和莪莉竹中的基因进行共线性分析,结合基因组数据提取基因在染色体上的分布,并使用TBtools(Chen et al., 2023)进行可视化。

此外,分别计算了毛竹与芸香竹或莪莉竹之间共线性基因对的非同义(Ka)和同义(Ks)核苷酸替代率。随后,确定了Ka/Ks比率,以作为对这些共线性基因对选择压力的衡量。

2.3 ABCGs的系统发育分析

使用ClustalW对来自毛竹、芸香竹、莪莉竹、水稻和狗尾草的ABCG序列进行了多重序列比对。利用MEGA 11.0构建了系统发育树,采用邻接法(Neighbor-Joining),并使用JTT模型。自助法测试重复进行了1000次,完全删除了缺口和缺失序列。其他选项设置为默认参数。

MEGA软件其实运行效率不怎么好,但是拿来建NJ树是还可以的,我一般选择建ML和BI树,不过这两种算法建树时速度特别慢,特别是序列很多时。听说序列特别多时建ML树可以使用FastTree。

当数据量到达几万条序列时,只有FastTree,NJ和Clearcut有结果。

2.4 PeABCGs 的基因表达谱分析和转录因子结合位点预测

检索了不同高度的竹笋第13节间的顶部、中部和底部的39个样本的转录组数据集(NCBI号:PRJNA673565)。基因的表达丰度通过FPKM(每千碱基每百万片段)进行测量。PeABCGs的表达谱通过TBtools创建的热图进行展示。结合位点是通过PlantRegMap(plantregmap.gao-lab.org/binding_site_prediction.php)在PeABCGs转录起始位点上游1 kb区域内进行扫描的。

2.5 PeABCG15的鉴定、亚细胞定位及共表达网络构建

分别使用TMHMM v2.0和SWISS-MODEL (swissmodel.expasy.org/interactive) 预测PeABCG15的跨膜结构域和三维结构。根据表S1中列出的引物,扩增了不含终止密码子的PeABCG15编码序列,并将其插入到pCAMBIA1300-35S-eGFP载体中CaMV35S启动子的下游。随后,将35S::PeABCG15-eGFP和一个质膜标记基因转染到农杆菌GV3101菌株(Zomanbio, ZK295, 中国)中,并按之前描述的方法(Wang et al., 2017)注射到烟草叶片的下表皮。注射后三天,使用DMi8 S倒置显微镜(Leica, 德国)观察荧光信号。

基于447个转录组数据集,其中381个来自公共数据库,66个来自我们未发表的数据,进行了以PeABCG15为中心的加权基因共表达网络分析(WGCNA)。筛选了在共表达网络中Spearman相关系数大于0.7的共表达转录因子(TFs)。根据已报道的竹类木质化调控网络(Yang et al., 2021),选择了可能具有转录调控作用的TFs。使用Cytoscape 3.10.0可视化该网络。

2.6 酵母单杂交(Y1H)实验

PeMYB203的编码序列被融合到pGADT7-Rec2猎物载体中,包含假定顺式调控元件的PeABCG15启动子区域被克隆到pHIS2诱饵载体中。如之前所述(Li et al., 2021),在酿酒酵母菌株Y187(Zomanbio, ZC1603, 中国)中生成表达配对诱饵和猎物构建体的共转化子,并在SD/-Leu/-Trp(DDO, Coolaber, PM2220, 中国)培养基上进行初步筛选。阳性克隆被转移到补充了60 mM 3-amino-1, 2, 4-triazole(3-AT, Coolaber, SL0930, 中国)的SD/-Leu/-Trp/-His(TDO, Coolaber, PM2150, 中国)培养基上,并在三天后观察生长状态。构建载体所需的引物见表S1。

2.7 双荧光素酶报告(DLR)测定

PeABCG15的启动子区域被插入到pGreenII 0800-LUC中萤火虫荧光素酶(LUC)报告基因的上游,而不含终止密码子的PeMYB203编码序列被克隆到pGreenII 62-SK效应载体中。这些重组构建体被转化到农杆菌GV3101 (pSoup)(Zomanbio, ZC1406, 中国)感受态细胞中,然后注入到烟草(Nicotiana benthamiana)叶片的下表皮。注射后三天,使用化学发光成像系统(Tanon 4800, 中国)检测LUC荧光信号,同时使用双荧光素酶报告试剂盒(Vazyme, DL101-01, 中国)定量LUC和Renilla荧光素酶(REN)活性。

2.8 β-葡萄糖苷酸酶(GUS)测定

GUS染色按照之前的描述进行(Jefferson et al., 1987)。通过将启动子区域克隆到pCAMBIA1391载体的GUS报告基因上游,生成了效应构建体proPeABCG15:GUS,同时将PeMYB203的编码序列克隆到pCAMBIA1300载体中。随后,proPeABCG15:GUS和35S::PeMYB203的构建体分别转化到农杆菌GV3101(Zomanbio, ZK295, 中国)中,并将proPeABCG15:GUS与pCAMBIA1300空载体或35S::PeMYB203一起注入到烟草叶片的下表皮。使用GUS染色试剂盒(Coolaber, SL7160, 中国)可视化组织特异性GUS活性,并通过ELISA(MEIMIAN, MM-121602, 中国)进行比色定量。

2.9 烟草中 PeMYB203 的功能验证和拟南芥中 PeABCG15 的功能验证

将含有35S::PeMYB203构建体或pCAMBIA1300空载体的农杆菌悬液分别注入烟草叶片的下表皮。经过三天后,收获暂时过表达PeMYB203的叶片,以分析与木质素生物合成相关的基因表达。从毛竹的cDNA中分离出PeABCG15的编码序列,并将其插入pCAMBIA1300中,构建pCAMBIA1300PeABCG15植物表达载体。

采用农杆菌介导的花浸转化方法生成稳定的拟南芥转基因株系,具体方法如之前所述(Clough and Bent, 1998)。通过基因分型分析确认来自独立T1转化体的T3纯合系。总RNA从这些株系中分离,并随后合成cDNA以进行PeABCG15转录丰度的RT-qPCR分析。收集来自拟南芥转基因株系和野生型(WT)的花序茎基部相同部位,固定在琼脂糖中,并使用Leica VT1000 S(Leica, USA)切割成50微米的切片。切片用酚溶液染色,并在光学显微镜下观察。通过气相色谱-质谱法分析茎中的单木酚组成(Song et al., 2011)。

此外,将灭菌的拟南芥种子播种在1/2 MS固体培养基上,补充1.5 mmol L-1的香豆醇。幼苗垂直生长,根长在15天后测量。用于阳性植物验证的引物见表S1。

2.10 从毛竹和拟南芥中提取基因组DNA和总RNA,以进行基因克隆和实时定量PCR分析

收集了毛竹、烟草和拟南芥样本,并迅速在液氮中冷冻。使用改良的CTAB方法提取基因组DNA(Gao et al., 2006)。使用TRIcom试剂(Genstone biotech, TR205-D, 中国)分离总RNA,并用DNase I(Zymo research, E1011, 美国)消化RNA样本中的残留DNA。随后,使用PrimeScript RT试剂盒(TaKaRa, 日本)合成cDNA。

根据制造商的说明,使用LightCycler 480 SYBR Green I Master Mix进行RT-qPCR(Roche, 04887352001, 德国)。分别使用PeTIP41NbACTINAtACTIN作为毛竹、烟草和拟南芥的参考基因(Fan et al., 2013; Xue et al., 2019; Hamel et al., 2024)。RT-qPCR在qTOWER 4.0系统(Analytik Jena, 德国)上进行,每个样本进行三次技术重复。相对表达水平通过2 ΔΔCT算法计算(Livak and Schmittgen, 2001)。RT-qPCR引物见表S1(Xue et al., 2019; Hamel et al., 2024; Ji et al., 2024)。


智慧识竹
和小周周一起学习新知识,探索更多的未知世界吧
 最新文章