大豆油脂和蛋白质合成与累积相关基因的表达及调控研究

来源 :广西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:oyfeng168
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大豆是当今世界重要的经济作物,富含丰富的蛋白质和油脂。大豆蛋白和油脂相关的功能性成分在抗癌、抑制肿瘤、抗氧化、抗病毒、免疫调节、心血管疾病等方面有着重要的药理作用。大豆油脂和蛋白质合成的生理过程十分复杂,涉及众多基因和酶的参与。目前,关于油脂合成的生化途径研究已较为透彻,但其调控机制还不是很清楚;此外影响大豆蛋白质合成的关键基因及途径也尚未清晰。通过基因工程改造大豆油脂和蛋白质合成代谢,包括提高种子油脂/蛋白质含量、改善脂肪酸/氨基酸组成,可以满足人类对大豆油和蛋白质日益增长的需求,还可以使大豆油和蛋白质更具有营养价值与特殊的工业应用价值。本研究以“桂春大豆103”品种开花后发育20d、30d、40d、50d的籽粒为材料,分别构建了4个mRNA文库和4个miRNA文库,进行了RNA-Seq和miRNA测序。对蛋白质和油脂积累过程中的差异表达基因,以及参与油脂和蛋白质合成调控的miRNAs进行了分析和挖掘,为今后大豆的优良品种的培育、以及生产上采取相应措施提高大豆的油脂和蛋白质含量提高理论依据。本研究主要结果如下:(1)通过酸水解法和自动凯氏定氮法测定4个不同发育时期的大豆籽粒油脂和蛋白质含量,20d(DD20)、30d(DD30)、40d(DD40)和50d(DD50)籽粒的油脂含量分别是7.03%、15.79%、17.64%和20.36%;蛋白质含量分别是28.03%、30.45%、32.88%和35.49%。(2)20d、30d、40d和50d籽粒转录组测序获得的Total Clean Reads分别是107548 920、111 670 776、109 339 672和108 884 270,Q20分别是98.19%,98%,98.12%和97.98%。(3)在3个(DD20-vs-DD30、DD30-vs-DD40、DD40-vs-DD50)比较组中共发现24 767个差异表达基因。DD20-vs-DD30的差异表达基因为4 759个,其中1 801个上调,2 958个下调;DD30-vs-DD40的差异表达基因为6 245个,其中2 941个上调,3 304个下调;DD40-vs-DD50的差异表达基因共13 763个,5 695个上调,8 068个下调。(4)筛选到18个与油脂合成相关基因,其中FATB(ID100781381、ID100797796)、LACS(ID100803126、ID100802266)、DGAT(ID100817270)基因表达量为持续上调表达;FATB(ID100170693)、KASI(ID547575)和GPAT(ID100817927)基因的表达量呈大体上调趋势;ACC(ID100777962)基因表达量前期持续上升,50d时下降的基因;ACC(ID547859)、GPAT(ID100791297)、DGAT(ID732606)的表达量前期平稳,50d时上调;LPAAT(ID100814107)的表达量呈平稳态势;推测这13个基因可能在油脂合成中进行正向调控;SAD(ID100037478)基因的表达量从30d开始持续下调。ω-6脂肪酸脱氢酶(FAD2:ID100805040)基因呈现持续下调表达,FAD(ID100805040)基因表达量为持续下调表达;推测这些基因通过负调控促进大豆籽粒硬脂肪酸和油酸含量增加。(5)筛选到23个与蛋白质合成相关的基因,其中PEPC(ID100793542、ID100814240、ID547756)和CAT(ID100810218、ID100776978)基因表达量前期相近,50d时均有少量上调;PEPC(ID100820574)、HSP20(ID100803161、547852、100812707)、BGS(ID100507221)因表达量呈先下调后上调趋势;GS(ID100817922)、BGS(ID547485、ID547908)、HSP70(ID100790356)和BC(ID547465、ID100775426、ID100806840)基因表达量持续上调;这些基因对蛋白质合成进行正向调控,可能促进大豆籽粒中的蛋白质含量的增加。(6)AP2-EREBP家族转录因子和ABI3VP1家族转录因子在油脂和蛋白质合成调节上都起到一定作用。此外,C2C2-Dof转录因子参与油脂合成调节,bZIP家族转录因子参与蛋白质合成调节。(7)大豆脂肪酰ACP硫酯酶B(FATB)序列全长为2061bp,CDS序列长度为1269bp,共编码422个氨基酸,属于PLN02370超家族,与野大豆和木豆的FATB基因编码的蛋白质有较高的相似性,相似度分别为100%和83%。将克隆的FATB基因构建成植物表达载体,采用花序浸染法转化拟南芥,PCR检测和DNA测序结果表明FATB基因已成功转入拟南芥中。(8)20d、30d、40d和50d籽粒的miRNA测序获得的Clean Reads分别是27 011109、27 860 083、27 420 413和21 718 921,它们的Q20含量均为99.3%。(9)在DD20-vs-DD30、DD30-vs-DD40和DD40-vs-DD50 3个比较组中共发现515个差异表达miRNA。DD20-vs-DD30差异表达的miRNA为162个,其中91上调,71个下调;DD30-vs-DD40共171个,其中67个上调,104个下调;DD40-vs-DD50为182个,70个上调,112个下调。(10)筛选到一些可能参与大豆籽粒油脂相关合成的miRNAs,其中靶向基因为LACS的gma-miR396b-5p、gma-miR396c和gma-miR396k-5通过负调控方式促进靶基因表达,增加大豆籽粒油脂合成,而靶向基因为GPAT的gma-miR408d通过正向调控GPAT表达量及其酶的活性,进而促进大豆籽粒油脂含量的增加;gma-miR159e-5p,通过负调控促进KASI表达量持续上调,促进大豆籽粒中油酸的合成。(11)筛选到一些可能参与蛋白质相关合成基因的miRNAs,其中靶向基因为PheRS的gma-miR156d、gma-miR156c、gma-miR156i、gma-miR156j、gma-miR156l、gma-miR156m表达模式为持续上调表达,与大豆籽粒中蛋白质含量持续增加相符;而gma-miR396b-5p、gma-miR396c、gma-miR396k-5p可能通过负调控靶热激蛋白70基因(HSP70)的表达,从而对大豆籽粒的蛋白质的合成起到促进的作用。(12)RT-PCR验证结果表明:4个差异表达基因和4个差异表达miRNAs的表达趋势与测序数据基本一致。
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