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苦荞麦(Fagopyrum tataricum)为蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyrum)一年生草本植物,俗称净肠草,是一种药食两用型作物(Li et al.,2019)。朱云辉和郭元新(2014)研究表明苦荞中蛋白质、脂肪、维生素和微量元素的含量普遍高于玉米、小麦等一般粮食作物。苦荞中含有丰富的黄酮类化合物,具有抗高血压、清除自由基、抗氧化、延缓衰老及预防心脑血管疾病等功能,具有极高的营养价值和药用价值(王为旋等,2024)。苦荞在我国大部分地区均有种植,主要分布于东北、华北、西北和西南山区,具有生育期短、抗旱耐冷凉、耐贫瘠、适应性较强等特点(杨恩泽等,2023)。有研究表明,干旱胁迫和盐胁迫对苦荞的种子萌发(李兴美等,2022)、根系形态建成(董馥慧等,2021)、地上部农艺性状(赵海霞等,2019)和抗氧化酶活性(路之娟等,2018)等方面均会产生影响。因此,研究苦荞的耐盐性和耐旱性,探究其抗逆机理与调控对策,对实现干旱地区农业可持续发展和保障粮食安全具有重要意义。
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TCP是植物特有的一类转录因子,以玉米中的TB1基因、金鱼草的CYC基因和水稻的PCF基因3个基因的首字母命名(Braun et al.,2012)。根据结合位点碱基序列的不同,可以将其分为两类:Ⅰ类(GGNCCCAC)主要诱导细胞分裂;Ⅱ类(GTGGNCC)抑制植物生长发育(Kosugi &Ohashi et al.,2002)。TCP蛋白具有2个保守结构域,bHLH(螺旋-环-螺旋)结构域和R结构域。bHLH结构域由59个氨基酸编码,存在于所有TCP蛋白中,具有高度保守的特征。具有bHLH结构域的转录因子在植物生长代谢、信号传导及非生物胁迫中发挥重要作用(陈柳君,2022);只有少部分TCP蛋白具有R结构域,该结构域预计呈现卷曲的形状,可能介导蛋白质相互作用和其他结构域(Chai et al.,2017)。大量研究表明,TCP转录因子在植物响应逆境胁迫中发挥重要作用,它能通过调节细胞渗透压、改变细胞透性、减少有害物质和改变激素敏感性等方式增加植物对逆境胁迫的响应(唐羽翔等,2022)。例如:过表达PeTCP10能增强转基因拟南芥过氧化氢酶(CAT)活性,提高抗氧化能力,增强转基因拟南芥植株在营养生长期的耐盐性(Xu et al.,2021);烟草NtbHLH123基因过表达可以增强烟草对盐胁迫的耐受性,同时能诱导NtRbohE的表达和活性氧的产生,通过 NtbHLH123-NtRbohE 信号通路提高转基因烟草耐盐性(An et al.,2019); 在拟南芥中过表达OsTCP19能减少植物失水和活性氧的产生,增加脂滴的积累,提高转基因植株幼苗和成熟植株的抗逆性(Mukhopadhyay &Tyagi,2015)。
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目前,TCP转录因子家族在许多植物中已经被鉴定出,如在拟南芥中鉴定出24个TCP成员(Zhou et al.,2015),在李子中鉴定出19个TCP成员(Zhou et al.,2016),在葡萄中鉴定出15个TCP成员(冀志蕊等,2015),在玉米中鉴定出29个TCP成员(Chai et al.,2017),在茶树中鉴定出36个TCP成员(温贝贝等,2019),而在苦荞中的鉴定和表达分析尚未见被报道。随着基因组数据的发表,苦荞中的转录因子被陆续报道,如FtMYB12的异源表达增强了转基因拟南芥对冷胁迫的耐受性(Zhou et al.,2015),过表达荞麦FtbHLH3基因能增强转基因拟南芥抗干旱/氧化应激的能力(Yao et al.,2017),苦荞毛状根中过表达FtDREB6能提高植物SOD和CAT的酶活性且MDA含量下降,说明过表达FtDREB6能提高植物的抗旱性(赵梦雨等,2022),但是苦荞TCP转录因子在非生物胁迫中的作用尚不明确。
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本研究利用生物信息学方法对苦荞TCP转录因子进行鉴定,并结合实时荧光定量PCR方法对干旱处理和盐处理下苦荞TCP基因的相对表达量进行分析,拟探讨以下问题:(1)苦荞TCP转录因子家族理化性质、亲缘进化关系、结构特征和顺式作用元件;(2)苦荞TCP转录因子基因家族成员在干旱胁迫和盐胁迫下的表达变化情况。以期挖掘与苦荞非生物胁迫相关的TCP基因,为深入研究苦荞TCP转录因子在响应非生物胁迫中的功能奠定基础。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料和胁迫处理
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所选材料为苦荞麦品种‘川荞一号’,种植于长江大学农学院试验基地。选取外形饱满,大小均匀的种子,用水浸泡24 h后剥掉外壳,25℃催芽,发芽后移入发芽盒中,置于25℃、16 h光照/8 h黑暗的人工气候培养箱中培养。将1周的幼苗用15% PEG600和200 mol·L-1 NaCl溶液进行胁迫处理,以清水处理为空白对照,2个胁迫处理和对照均在0、3、6、9 h时取样品全部叶片,置于2 mL离心管中,液氮冷冻后-80℃保存备用,设置3次生物学重复。
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1.2 FtTCP基因家族成员鉴定
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从苦荞基因组数据库Pinku1(http://mbkbase.org/Pinku1/)下载苦荞蛋白序列,从TAIR(http://www.Arabidposis.org/)数据库下载拟南芥蛋白序列,以拟南芥TCP蛋白序列为参考序列,使用TBtools软件的BLAST板块对苦荞的基因组数据进行比对和筛选,剔除重复的和无TCP保守结构域的序列,得到TCP蛋白候选序列。将所有候选蛋白序列提交至NCBI CDD(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd)和PFAM(http://pfam.xfam.org/)数据库,具有TCP保守结构域的蛋白被确定为苦荞TCP家族成员。
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1.3 FtTCP基因家族系统发育分析
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从BGDB(http://buckwheat.kazusa.or.jp/)数据库下载甜荞蛋白序列;从Ensembl Plants(http://plants.ensembl.org/index.html)数据库下载水稻、甜菜的蛋白序列。利用TBtools软件将苦荞TCP蛋白序列与甜菜、水稻、拟南芥和甜荞的TCP蛋白序列进行同源比对,获取TCP同源蛋白序列。利用Cluster-X 2.0软件对5个物种的TCP蛋白序列进行多序列比对,利用 MEGA 6.0 软件,并采用邻接法(neighbor-joining,NJ)构建系统发育树,校验参数Bootstrap设置为1 000,其余参数为默认值。
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1.4 FtTCP基因结构、蛋白理化性质和启动子序列分析
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使用MEME(https://meme-suite.org/)网站在线预测TCP蛋白基序;使用NCBI CDD(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)预测苦荞TCP 蛋白结构域;使用Protparam(https://web.expasy.org/protparam)在线软件,对苦荞TCP蛋白理化性质进行预测;利用 WOLF PSORT(https://wolfpsort.hgc.jp/)对苦荞TCP蛋白进行亚细胞定位预测;使用TBtools软件从苦荞基因组中提取TCP基因的启动子序列;利用Plant CARE (http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)数据库进行顺式作用元件分析。
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1.5 FtTCP基因染色体定位和共线性分析
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从Pinku1数据库下载苦荞的全基因组文件和GFF3注释文件,利用TBtools软件对苦荞TCP基因进行染色体定位;利用MCScanX软件分析苦荞、甜荞、水稻、甜菜和拟南芥5个物种基因序列重复的事件。
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1.6 转录组数据分析
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从NCBI CEO(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE126576)获得苦荞不同组织的转录组数据。提取苦荞TCP基因在根、茎、叶、花、花后13 d、花后19 d和花后25 d的RNA-seq数据,将数据进行标准化后,利用TBtools 软件绘制苦荞TCP基因的组织表达谱。
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1.7 实时荧光定量PCR检测
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取100 mg苦荞叶片置于研钵中,加入液氮后迅速磨成粉末,使用RNA试剂盒提取苦荞叶片总RNA,使用1%琼脂糖凝胶电泳检验其质量,使用超微量核酸仪测定其浓度,使用反转录试剂盒将苦荞RNA反转录合成cDNA,浓度稀释至100 ng·μL-1,-4℃保存备用。
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使用Primer 5.0设计qRT-PCR特异性引物 (表1),FtH3(HM628903)为内参基因。PCR体系为2× mix 10 μL、上下游引物各0.8 μL、cDNA 1 μL、ddH2O 7.4 μL。扩增程序:95℃ 1 min;95℃ 10 s,60℃ 30 s,1个循环;95℃ 10 s,60℃ 30 s,95℃ 30 s,40个循环。每个样品设置4个生物学重复,用2-ΔΔCt法计算基因相对表达量。
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2 结果与分析
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2.1 FtTCP基因家族的鉴定和分析
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基于保守结构域,从苦荞的全基因组中鉴定出28个苦荞TCP家族成员,根据其蛋白分子量大小依次命名为FtTCP1-FtTCP28。由表2可知,苦荞TCP基因家族理化性质差异较大,氨基酸长度在84~475 aa之间;分子量(molecular weight,MW)在9.50~51.04 kD之间;等电点(pI)介于4.93~9.71之间;酸性蛋白和碱性蛋白分布均匀;脂肪指数为53.29~97.50;亚细胞定位预测显示,除FtTCP1和FtTCP2定位在细胞质中外,其余26个均定位于细胞核中。不稳定指数介于34.88~71.12之间。
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2.2 FtTCP基因家族系统发育分析
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为了全面分析苦荞TCP基因家族的功能,首先对其进化关系进行分析。选取苦荞、水稻、拟南芥、甜菜和甜荞5个物种共121条TCP蛋白序列构建系统发育树(图1)。结果显示,苦荞TCP基因家族被划分为5个亚家族(A1-A5),分别含有20个、39个、21个、17个、24个成员。苦荞TCP基因在A2中分布最多,有9个成员;在A3亚族中分布最少,只有2个成员。甜荞和苦荞同属荞麦属,亲缘关系最近,在进化树末端有20对苦荞和甜荞TCP蛋白两两相聚;苦荞与水稻进化关系较远,这与单子叶和双子叶植物进化关系一致。在同一亚族内,种内的TCP蛋白更容易聚集在一起。
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2.3 FtTCP基因结构和蛋白保守基序分析
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利用28个苦荞TCP蛋白序列构建系统发育树(图2:A),苦荞TCP蛋白被分为4组,其中Ⅰ组中有5个成员,Ⅱ组中有6个成员,Ⅲ组中有12个成员,Ⅳ中有5个成员。相邻分支的苦荞TCP基因具有相似的基因结构;保守结构域分析结果显示,28个苦荞TCP蛋白共有10个motif(图2:B),FtTCP8、FtTCP9、FtTCP6、FtTCP12、FtTCP11、FtTCP4、FtTCP1不含Motif 1;Motif 4位于N端附近。大部分苦荞TCP蛋白含有2~3个保守基序,FtTCP1上只有1个保守基序,FtTCP7上含有4个保守基序,FtTCP26和FtTCP28上含有6个保守基序;所有苦荞TCP基因都只包含1个典型的TCP结构域(图2:C);基因结构分析显示(图2:D),11个苦荞TCP基因包含内含子,Ⅲ组中内含子数量最多,推测该亚族在进化过程中发生了内含子的插入。内含子长度存在较大差异,导致这些基因的长度差距较大。FtTCP28基因的长度最长,它的长度约占基因总长度的50%。
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2.4 FtTCP基因家族启动子顺式作用元件分析
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顺式作用元件分析(图3)显示,苦荞TCP基因启动子区主要包含胁迫响应元件和激素响应元件,其中激素响应元件种类多且分布广泛,推测苦荞TCP基因在激素调节中发挥重要作用。在39个响应元件中,光照响应元件有24个,占比约61.53%,说明苦荞TCP基因的转录可能受光周期调控。脱落酸ABRE响应元件在苦荞26个FtTCP基因中都有分布,在FtTCP12中响应程度最高。光照响应元件G-box和box 4存在于24个苦荞TCP基因中;厌氧响应元件ARE存在于5个苦荞TCP基因中;光照响应元件Gap-box、CAG-motif和GTGGC-motif分别只在FtTCP19、FtTCP2、FtTCP20中存在,生长素响应元件TGA-box仅在FtTCP6中分布。其中,非生物胁迫响应元件如MBS、LAR、GC-motif、ARE在大部分的TCP基因中都有分布,其中ARE只在FtTCP6、FtTCP13和FtTCP17基因中没有分布。因此推测苦荞TCP基因在苦荞的光周期、激素调节和逆境胁迫中发挥重要作用。
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2.5 染色体定位和共线性分析
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由图4可知,28个苦荞TCP基因被定位到苦荞的8条染色体上,其中,Ft8上分布的基因最多,有7个,占总基因数的25%,说明Ft8染色体在苦荞TCP基因组的进化中起到了重要作用;Ft1、Ft5、Ft7染色体上分布的基因最少,均只有2个。
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为了分析TCP基因在物种内的进化关系,在苦荞全基因组内进行共线性分析(图5),发现共有5个苦荞TCP基因的4对片段复制基因对,占基因家族成员的19%,共线性对只分布在Ft1、Ft3、Ft5、Ft8染色体上,其中Ft3上有2个成员,其余的均只有1个成员。为了进一步研究苦荞TCP基因的进化过程,对苦荞、甜菜、拟南芥、水稻4个物种间的共线性关系进行了分析(图6),发现苦荞和甜菜之间的共线性对有7对,苦荞和拟南芥之间的共线性对有8对,水稻和拟南芥之间的共线性对有7对,其中苦荞染色体Ft2、Ft4、Ft6、Ft7与其他物种的染色体不存在共线性。
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图1 苦荞、小麦、拟南芥、甜荞和甜菜TCP蛋白系统发育进化树
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Fig.1 Phylogenetic tree of TCP proteins in tartary buckwheat, wheat, Arabidposis, common buckwheat, and sugar beet
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2.6 FtTCP基因家族的表达模式分析
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为了探究苦荞TCP基因在不同组织下的表达模式,根据苦荞TCP基因在不同组织的转录组数据FPKM值绘制表达谱热图(图7)。FtTCP18在茎中表达量最高,FtTCP22 在根和茎中特异表达,FtTCP2和FtTCP4在花中特异表达,FtTCP14、FtTCP15、FtTCP12、FtTCP9、FtTCP7、FtTCP11在花后13 d表达量较高;FtTCP3、FtTCP6、FtTCP13在叶中表达量最高;FtTCP8在花中随着开花时间的增加,表达量越来越高,在开花后第25天表达最显著;FtTCP1在花中表达量最高,随着开花时间的增加,表达量逐渐降低。这表明苦荞TCP基因参与到苦荞根、茎、叶和花等组织的发育过程中。
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图2 苦荞TCP 家族系统发育树、蛋白基序、保守结构域和基因结构
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Fig.2 Phylogenetic tree, protein motif, conserved domain, and gene structure of the TCP family of tartary buckwheat
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根据转录组数据结果,筛选出4个具有组织表达特异性的苦荞TCP基因(FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13),并进行干旱胁迫和盐胁迫试验。qRT-PCR分析(图8)显示,在干旱胁迫下,FtTCP3表达明显上调,表达量呈现先升高后降低的趋势,在6 h时达到峰值;FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13的表达量均降低,FtTCP6和FtTCP12在处理3 h后表达量降低明显;FtTCP13在处理时段均略微低于对照水平。在模拟盐胁迫处理下,FtTCP3基因表达模式同干旱处理下类似;FtTCP13表达量先略微升高后降低,表达量变化不显著;FtTCP6和FtTCP13的表达量明显降低。
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3 讨论
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本研究共鉴定出28个苦荞TCP家族成员,发现苦荞TCP家族成员的分子量和等电点存在较大差异,说明其结构复杂,暗示其功能的多样性(王玉凤等,2023)。细胞定位预测显示,有26个苦荞TCP蛋白定位在细胞核中,这与TCP基因在茶树(温贝贝等,2019)中的研究结果一致。系统进化分析将苦荞、甜荞、拟南芥、水稻和甜菜的TCP蛋白分为5个亚家族(A1-A5),每个亚家族中都有苦荞TCP蛋白分布,其中A2中包含9个苦荞TCP蛋白。FtTCP26、FtTCP4和FtTCP14、FtTCP15这两组蛋白位于系统发育树的独立分支上,推测这两组基因在苦荞中单独进化而来。往往聚类关系越近,其结构和功能越相似(冀志蕊等,2015)。FtTCP11与AtTCP2,FtTCP1、FtTCP2与AtTCP19位于同一分支上,推测FtTCP1、FtTCP2和FtTCP11响应苦荞的非生物胁迫(Xu et al.,2017)。FtTCP6和FtTCP12在种内进化树同一分支末端,具有相似的保守基序和结构,它们对干旱胁迫和盐胁迫的响应程度相似,进一步说明位于同一亚族的基因往往具有相似的生物学功能。
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图3 苦荞TCP基因启动子元件分析
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Fig.3 Analysis of TCP gene promoter elements in tartary buckwheat
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图4 FtTCP基因的染色体分布
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Fig.4 Distribution of FtTCP on chromosomes
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启动子分析有助于阐明基因表达的调控和响应机制,通过对启动子区域顺式作用元件的分析,得到与植物非生物胁迫相关的重要元件,进而分析各种元件相互作用而形成的复杂代谢调控网络(刘营等,2022)。苦荞TCP基因的启动子区域含有大量的光响应元件、激素响应元件和非生物胁迫响应元件,这与在柳枝稷(Huo et al.,2019)和矮牵牛(Zhang et al.,2020)中对TCP基因家族的顺式元件分析一致。其中,MYB转录因子广泛参与植物细胞的形态建成、生长发育和逆境胁迫响应等过程(王艳朋等,2021);bZIP转录因子在抵御生物及非生物胁迫中发挥着非常重要的作用(马鑫磊等,2022);ARF是一种能够与生长素响应基因启动子区域结合的转录因子,参与植物生长发育和逆境胁迫应答过程(郝彦蓉等,2020),MYB、bZIP、ARF在苦荞TCP家族启动子区域大量存在,说明苦荞TCP转录因子在植物应对非生物胁迫方面发挥作用。此外,26个苦荞TCP基因启动子区域均含有大量的ABRE响应元件,ABRE是一个参与脱落酸(abscisic acid,ABA)反应的顺式作用元件,启动子区域含有多个ABRE响应元件,说明苦荞TCP转录因子在ABA信号通路中能直接调控下游基因。Bano等(2021)研究表明,ABRE在Ntbhlh15、NtbHLH135.1、NtbHLH40.1中分布广泛,这些基因均响应低温胁迫,表明ABRE元件在应对低温胁迫中起重要作用。外源施加ABA可以上调OsTCP19的转录水平,从而参与调节水稻的耐旱性(Mukhopadhyay &Tyagi,2015)。毛竹TCP10可以通过调节ABA信号通路对植物的耐旱性起正调控作用,通过茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,Me-JA)介导的信号通路对侧根生长起负调控作用(张志强等,2020)。因此,推测苦荞TCP基因可能参与了ABA等激素信号转导途径,进而在非生物胁迫中发挥作用。关于苦荞TCP基因在ABA信号途径中的调控机理,仍需进一步深入探讨。
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图5 苦荞TCP基因家族共线性分析
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Fig.5 Collinearity analysis of tartary buckwheat TCP gene family
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图6 苦荞TCP基因家族成员与拟南芥、甜菜和水稻的基因共线性分析
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Fig.6 Gene collinearity analysis of tartary buckwheat TCP gene family members and Arabidposis, sugar beet, and rice
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图7 苦荞TCP基因家族表达分析
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Fig.7 Expression analysis of TCP gene family in tartary buckwheat
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苦荞主要种植于我国西南地区,对恶劣环境具有较强的适应性(郑逢盛等,2021)。转录组数据显示,大部分苦荞TCP基因在根、茎、叶、花中都有表达,说明苦荞TCP基因家族参与到苦荞根、茎、叶和花等组织的发育过程中。本研究根据苦荞不同组织转录组数据选取了4个具有组织特异性的苦荞TCP基因(FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13)进行干旱胁迫和盐胁迫处理,以干旱胁迫和盐胁迫试验的荧光定量PCR数据为基础,进行苦荞TCP基因的差异表达分析。本研究发现FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13在干旱胁迫和盐胁迫处理后的表达量均发生变化,FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13在干旱胁迫下的表达量明显降低,在盐胁迫下,FtTCP6和FtTCP12的表达下降显著;FtTCP3基因表达量在盐胁迫和干旱胁迫下均表现出先升高后降低的趋势且在处理6 h时表达量最高。这说明FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13均在不同程度上响应干旱胁迫和盐胁迫,推测苦荞TCP基因家族在响应干旱胁迫和盐胁迫下发挥作用。
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图8 苦荞TCP基因家族成员在干旱胁迫和盐胁迫处理下的表达模式
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Fig.8 Expression patterns of tartary buckwheat TCP gene family members under drought stress and salt stress treatments
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4 结论
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本研究从苦荞的全基因组中鉴定出28个苦荞TCP基因家族成员,分属于5个亚家族。基因表达分析表明,苦荞TCP家族成员具有明显的组织特异性,qRT-PCR结果显示,FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12、FtTCP13在不同程度上响应干旱胁迫和盐胁迫,推测苦荞TCP基因可能参与调控苦荞的干旱和盐等逆境响应过程。本研究为了解TCP基因家族的进化和功能提供了新的见解,对研究苦荞抗逆性和生长发育具有重要的指导作用。
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参考文献
-
AN JP, ZHANG XW, BI SQ, et al. , 2019. MdbHLH93, an apple activator regulating leaf senescence, is regulated by ABA and MdBT2 in antagonistic ways [J]. New Phytol, 222(2): 735-751.
-
BANO N, PATEL P, CHAKRABARTY D, et al. , 2021. Genome-wide identification, phylogeny, and expression analysis of the bHLH gene family in tobacco (Nicotiana tabacum) [J]. Physiol Mol Biol Plants, 27(8): 1747-1764.
-
BRAUN N, DE SAINT GERMAIN A, PILLOT JP, et al. , 2012. The pea TCP transcription factor PsBRC1 acts downstream of strigolactones to control shoot branching [J]. Plant Physiol (Bethesda), 158(1): 225-238.
-
CHAI WB, JIANG PF, HUANG GY, et al. , 2017. Identification and expression profiling analysis of TCP family genes involved in growth and development in maize [J]. Physiol Mol Biol Plants, 23(4): 779-791.
-
CHEN LJ, 2022. Research progress in bHLH transcription factor of plants under low temperature stress [J]. Acta Agric Jiangxi, 34(1): 79-87. [陈柳君, 2022. bHLH 转录因子在植物低温胁迫中的研究进展 [J]. 江西农业学报, 34(1): 79-87. ]
-
DONG FH, PEI HB, ZHANG YQ, et al. , 2021. Effects of drought stress on growth and physiological characteristics of Fagopyrum tataricum ‘Diqing’ and F. tataricum ‘Heifeng 1’ at different growth stages [J]. Guihaia, 41(6)∶970-978. [董馥慧, 裴红宾, 张永清, 等, 2021. 不同生育时期干旱胁迫对‘迪庆苦荞’和‘黑丰一号’苦荞生长及生理特性的影响 [J]. 广西植物, 41(6): 970-978. ]
-
HAO YR, DU W, HOU SY, et al. , 2020. Identification of ARF gene family and expression pattern induced by auxin in Fagopyrum tataricum [J]. Sci Agric Sin, 53(23): 4738-4749. [郝彦蓉, 杜伟, 侯思宇, 等, 2020. 苦荞ARF基因家族的鉴定及生长素诱导下的表达模式 [J]. 中国农业科学, 53(23): 4738-4749. ]
-
HUO YZ, XIONG WD, SU KL, et al. , 2019. Genome-wide analysis of the TCP gene family in switchgrass (Panicum virgatum L. ) [J]. Int J Genomics, 2019: 8514928.
-
JI ZR, GU YB, DONG QL, et al. , 2015. Genome-wide identification and analysis of TCP gene family in grape [J]. Genomics Appl Biol, 34(10): 2194-2199. [冀志蕊, 谷彦冰, 董庆龙, 等, 2015. 葡萄TCP基因家族全基因组鉴定和分析 [J]. 基因组学与应用生物学, 34(10): 2194-2199. ]
-
KOSUGI S, OHASHI Y, 2002. DNA binding and dimerization specificity and potential targets for the TCP protein family [J]. Plant J, 30(3): 337-348.
-
LI J, YANG P, YANG QH, et al. , 2019. Analysis of flavonoid metabolites in buckwheat leaves using UPLC-ESI-MS/MS [J]. Molecules (Basel, Switzerland), 24(7): 1310.
-
LI XM, HE Y, ZHOU YP, et al. , 2022. Study on stress resistance to buckwheat seed germination [J]. Feed Res, (11): 76-79. [李兴美, 何勇, 周艳苹, 等, 2022. 荞麦种子萌发的抗逆性研究 [J]. 饲料研究, (11) : 76-79. ]
-
LIU Y, YIN Z, JIANG YL, et al. , 2022. Identification and bioinformatics analysis of ScNRAMP gene family in sugarcane [J]. Guihaia, 42(11): 1865-1874. [刘营, 尹泽, 江姚兰, 等, 2022. 甘蔗ScNRAMP基因家族的鉴定与生物信息学分析 [J]. 广西植物, 42(11): 1865-1874. ]
-
LU ZJ, ZHANG YQ, ZHANG C, 2018. The seedling growth and root physiological traits of Fagopyrum tataricum cultivars under drought stress [J]. Acta Bot Boreal-Occident Sin, 38(1): 112-120. [路之娟, 张永清, 张楚, 2018. 干旱胁迫对不同苦荞品种苗期生长和根系生理特征的影响 [J]. 西北植物学报, 38(1): 112-120. ]
-
MA XL, XU RQ, SUO XM, et al. , 2022. Genome-wide identification of the Class Ⅲ PRX gene family in foxtail millet (Setaria italica L. ) and expression analysis under drought stress [J]. Acta Agron Sin, 48(10): 2517-2532. [马鑫磊, 许瑞琪, 索晓曼, 等, 2022. 谷子Ⅲ型PRX基因家族全基因组鉴定及干旱胁迫下表达分析 [J]. 作物学报, 48(10): 2517-2532. ]
-
MUKHOPADHYAY P, TYAGI AK, 2015. OsTCP19 influences developmental and abiotic stress signaling by modulating ABI4-mediated pathways [J]. Sci Rep, 5: 9998.
-
TANG YX, GAO X, CUI YN, et al. , 2022. Research advances in the plant TCP transcription factors [J]. Chin Sci Bull, 67(33): 3964-3975. [唐羽翔, 高旭, 崔亚宁, 等, 2022. 植物TCP转录因子研究进展 [J]. 科学通报, 67(33): 3964-3975. ]
-
WANG WX, TIAN SQ, KE J, et al. , 2024. Genetical variation analysis of quality and agronomic traits of 26 Fagopyrum tatari-cymosum lines [J]. Guihaia, 44(2): 291-302. [王为旋, 田爽琪, 柯瑾, 等, 2024. 26个金苦荞品系品质性状与农艺性状的遗传变异分析 [J]. 广西植物, 44(2): 291-302. ]
-
WANG YF, MENG Y, YU HH, et al. , 2023. Identification of AP2/ERF gene family in Aquilegia vulgaris and expression patterns analysis under salt stress [J]. Guihaia, 43(10): 1861-1875. [王玉凤, 孟缘, 于海航, 等, 2023. 欧耧斗菜AP2/ERF基因家族鉴定及盐胁迫下表达分析 [J]. 广西植物, 43(10): 1861-1875. ]
-
WANG YP, LING L, ZHANG WR, et al. , 2021. Genome-wide identification and expression analysis of B-box gene family in wheat [J]. Acta Agron Sin, 47(8): 1437-1449. [王艳朋, 凌磊, 张文睿, 等, 2021. 小麦B-box基因家族全基因组鉴定与表达分析 [J]. 作物学报, 47(8): 1437-1449. ]
-
WEN BB, LUO Y, LIU DM, et al. , 2019. Identification and expression profiling analysis of TCP family genes involved in growth and development in Camellia sinensis [J]. Acta Hortic Sin, 46(12): 2369-2382. [温贝贝, 罗勇, 刘冬敏, 等, 2019. 茶树TCP转录因子的鉴定与表达分析 [J]. 园艺学报, 46(12): 2369-2382. ]
-
XU RR, GAO HY, ZHANG SZ, et al. , 2017. Genome-wide identification and phylogenetic, comparative genomic, alternative splicing, and expression analyses of TCP genes in plants [J]. Plant Gene, 12: 23-32.
-
XU YZ, LIU HL, GAO YM, et al. , 2021. The TCP transcription factor PeTCP10 modulates salt tolerance in transgenic Arabidposis [J]. Plant Cell Rep, 40(10): 1971-1987.
-
YANG EZ, XIE R, HAN PA, et al. , 2023. Genetic diversity and comprehensive evaluation of phenotypic traits of 162 buckwheat resources in Inner Mongolia [J]. Crops, (2): 15-22. [杨恩泽, 谢锐, 韩平安, 等, 2023. 内蒙古162份苦荞资源表型性状的遗传多样性及综合评价 [J]. 作物杂志, (2): 15-22. ]
-
YAO PF, LI CL, ZHAO XR, et al. , 2017. Overexpression of a tartary buckwheat gene, FtbHLH3, enhances drought/oxidative stress tolerance in transgenic Arabidposis [J]. Front Plant Sci, 8: 625.
-
ZHANG ST, ZHOU Q, CHEN F, et al. , 2020. Genome-wide identification, characterization and expression analysis of TCP transcription factors in Petunia [J]. Int J Mol Sci, 21(18): 6594.
-
ZHANG ZQ, LU SX, MA ZH, et al. , 2020. Bioinformatics identification and expression analysis of TCP transcription factor family in strawberry [J]. Acta Bot Boreal, 40(12): 2031-2043. [张志强, 卢世雄, 马宗桓, 等, 2020. 草莓TCP转录因子家族生物信息学鉴定及基因表达分析 [J]. 西北植物学报, 40(12): 2031-2043. ]
-
ZHAO HX, PEI HB, ZHANG YQ, et al. , 2019. Effect of phosphorus on growth and phosphorus absorption and distribution in Fagopyrum tataricum under drought stress [J]. J Arid Land Resour Environ, 33(3): 177-183. [赵海霞, 裴红宾, 张永清, 等, 2019. 施磷对干旱胁迫下苦荞生长及磷素吸收分配的影响 [J]. 干旱区资源与环境, 33(3): 177-183. ]
-
ZHAO MY, YANG D, HAO YR, et al. , 2022. Cloning of a transcription factor gene FtDREB6 in tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum) and identification of its function in drought resistance [J]. J Plant Genet Resour, 23(4): 1132-1142. [赵梦雨, 杨迪, 郝彦蓉, 等, 2022. 苦荞转录因子 FtDREB6 基因克隆及其抗旱功能鉴定 [J]. 植物遗传资源学报, 23(4): 1132-1142. ]
-
ZHENG FS, WANG HH, WU QT, et al. , 2021. Genome-wide identification of VQ gene family in Fagopyrum tataricum and its expression profiles in response to leaf spot pathogens [J]. Sci Agric Sin, 54(19): 4048-4060. [郑逢盛, 王海华, 邬清韬, 等, 2021. 苦荞VQ基因家族的全基因组鉴定及其在叶斑病原与激素处理下的表达谱分析 [J]. 中国农业科学, 54(19): 4048-4060. ]
-
ZHOU ML, WANG CL, QI LP, et al. , 2015. Ectopic expression of Fagopyrum tataricum FtMYB12 improves cold tolerance in Arabidposis thaliana [J]. J Plant Growth Regul, 34(2): 362-371.
-
ZHOU YZ, XU ZD, ZHAO K, et al. , 2016. Genome-wide identification, characterization and expression analysis of the TCP gene family in Prunus mume [J]. Front Plant Sci, 7: 1301.
-
ZHU YH, GUO YX, 2014. Research progress in development and utilization of tartary buckwheat resource in China [J]. Sci Technol Food Ind, 35(24): 360-365. [朱云辉, 郭元新, 2014. 我国苦荞资源的开发利用研究进展 [J]. 食品工业科技, 35(24): 360-365. ]
-
摘要
TCP是植物特有的一类转录因子,在植物生长发育过程中发挥着重要作用。该研究利用生物信息学方法对苦荞TCP家族进行全基因组鉴定,并通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术分析苦荞TCP基因在干旱胁迫和盐胁迫下的表达特征。结果表明:(1)在苦荞的基因组中鉴定出28个TCP家族成员,它们不均匀地分布在苦荞的8条染色体上。(2)多数的苦荞TCP基因包含1~5个外显子。(3)系统发育分析将苦荞TCP家族分为5个亚家族,种内TCP蛋白多聚集在同一分支上。(4)共线性分析表明,5个苦荞TCP基因来自全基因组复制事件。(5)顺式元件分析显示,苦荞TCP基因的启动子区域的顺式响应元件主要包含胁迫响应元件和激素响应元件两大类。(6)转录组数据分析结果显示,所有苦荞TCP基因在检测组织中均有表达。(7)qRT-PCR结果显示,FtTCP3、FtTCP6、FtTCP12和FtTCP13基因在干旱胁迫和盐胁迫下的表达量发生变化,其中FtTCP3在6 h干旱处理和盐处理时表达量均达到峰值,说明FtTCP3基因在苦荞应对干旱胁迫和盐胁迫中起正向调控作用。该研究结果为了解TCP基因家族的进化和功能提供了新的见解,为苦荞TCP基因家族的功能研究和利用奠定了基础。
Abstract
TCP is a plant-specific transcription factor that plays crucial roles in plant growth and development. In this study, bioinformatics methods were used to identify the complete genome of tartary buckwheat TCP family, and real-time fluorescence quantitative PCR (qRT-PCR) analysis was conducted to investigate the expression characteristics of TCP gene under drought and salt stresses. The results were as follows: (1) A total of 28 TCP family members were identified in the tartary buckwheat genome, unevenly distributed across its eight chromosomes. (2) Most tartary buckwheat TCP genes contained 1-5 exons. (3) Phylogenetic analysis classified the tartary buckwheat TCP family into five clades, with intraspecific TCP proteins mainly clustering together. (4) Collinearity analysis indicated that there were five tartary buckwheat TCP genes originated from genome-wide replication events. (5) Cis-element analysis revealed that the promoter regions of tartary buckwheat TCP genes predominantly contained two types of cis-response elements as stress response elements and hormone response elements. (6) Transcriptomic data analysis demonstrated that all tartary buckwheat TCP genes were expressed in the examined tissues. (7) qRT-PCR results indicated that the expression levels of FtTCP3, FtTCP6, FtTCP12, and FtTCP13 changed under drought stress and salt stress conditions, with FtTCP3 peaking at 6 h of drought and salt treatments, suggesting that it plays a positive regulatory role in tartary buckwheat’s response to drought stress and salt stress. This study provides new insights into the evolution and function of the TCP gene family, and provides a reference for the functional exploration and utilization of the tartary buckwheat TCP gene family.