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NAC(NAM-ATAF1/2-CUC2)是植物中最大的转录因子家族之一,成员众多,功能多样[1]。NAC转录因子参与植物多个生物学过程,如植物茎尖分生组织的形成[2]、植物次生生长[3]、组织愈合过程中的细胞增殖[4]、生物和非生物胁迫响应[5-6]、植物开花时间调节[7-8]、叶片和花瓣衰老[9]和果实成熟时颜色变化等[10]。花瓣细胞的伸长和扩展也受到NAC转录因子的调控。花瓣的扩展是引起植物花开放的重要原因[11-13],主要受花瓣细胞的膨压变化、细胞壁代谢变化等影响[14]。研究发现:NAC转录因子NAP可能通过抑制拟南芥Arabidopsis thaliana花瓣细胞扩张而影响花器官生长,且在花发育细胞分裂向细胞扩展过渡阶段发挥重要作用[15]。RhNAC3可以作为上游调控因子结合具有调节渗透压功能的基因从而影响月季Rosa hybrida花瓣细胞扩张[16]。桂花Osmanthus fragrans是中国传统的十大名花之一,花是其最重要的观赏器官。桂花花的开放受到温度、湿度等环境因子的影响,其具体的分子机制至今尚未阐明。本研究通过桂花NAC家族基因鉴定和筛选,预测它们的理化性质,运用荧光定量PCR分析花开放进程中的表达模式,筛选出参与桂花花开放调控的关键NAC转录因子成员,为明确其在花开放中的功能作用奠定基础。
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以桂花品种‘堰虹桂’O. fragrans‘Yanhonggui’盆栽植株为材料,种植于浙江农林大学桂花资源圃。选取株龄相同、生长一致的健康植株,分别于起始期(S1)以及花开放不同阶段:圆珠期(S2)、顶壳期(S3)、铃梗期(S4)、初开期(S5)、盛花期(S6)进行取样[17]。每个时期样品采集3份,取样时间均为10:00,液氮速冻后储藏于−80 ℃冰箱备用。
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本研究从已构建的桂花‘堰虹桂’转录组数据库[18]中对NAC转录因子进一步进行NCBI-Blast(http://www.ncbi.nLm.nih.gov/BLAST/)比对分析。通过PlantTFDB(http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn/blast.php)以及Pfam(https://pfam.xfam.org/)查询候选基因中的NAC的结构域,并通过NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd)进行保守功能域预测,利用TBtools工具进行桂花NAC保守结构域可视化分析,TBtools-ORF finder分析开放阅读框[19],并通过NCBI-Blast获得开放阅读框完整的桂花OfNAC序列。运用ExPASy在线软件(http://web.expasy.org/protparam/)预测编码蛋白质分子量、理论电点、酸碱性等。
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用DNAMAN对已筛选的桂花OfNAC转录因子氨基酸序列进行比对,分析其保守亚结构域;在线分析软件MEME 5.1.0分析NAC的保守基序(http://meme-suite.org/tools/meme),对桂花OfNAC蛋白质二级结构以及跨膜结构分别采用在线软件SOPMA(https://npsaprabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa-sopma.html)和TMHMM Server V.2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)进行分析。用在线分析软件Wolfp sort Genscript(https://www.genscript.com/wolf-psort.html?src=leftbar)进行亚细胞定位预测。
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从PlantTFDB(http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn/blast.php)中获取拟南芥、水稻Oryza sativa的NAC序列,使用MEGA 6.0软件构建系统发育树,采用邻近法(neighbor-joining),1 000 次Bootstrap抽样。
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RNA提取采用UltraClean Polysaccharide and Phenol Plant RNA Purification Kit试剂盒(诺禾致源公司,中国天津),方法参照说明书。使用核酸分析仪(IMPLEN公司,德国)对RNA的纯度与浓度进行检测,并用质量分数1%的琼脂糖凝胶电泳检测RNA的完整性。依据说明书使用PrimeScript™RT Master Mix Perfect Real Time(TaKaRa,中国大连)试剂盒对桂花不同花开放时期的cDNA进行合成。利用Primer Premier 5.0对22个OfNAC基因进行定量特异性引物设计,桂花OfACT作为内参基因[20],引物序列如表1所示。荧光定量反应体系如下:SYBR Premix Ex Taq 10 μL,cDNA 2 μL,上游引物和下游引物(10 μmol·L−1)各8 μL,双蒸水(ddH2O)补足至20 μL,每个样品设置3次生物学重复。反应程序为:95 ℃预变性30 s,95 ℃变性5 s,60 ℃复性30 s,共40个循环;然后以95 ℃持续5 s,60 ℃持续1 min,95 ℃持续15 s作为溶解曲线分析程序。循环阈值由Light Cycler 480软件自动计算。最后根据
${2^{{\rm{ - }}\Delta \Delta {C_{\rm{t}}}}} $ 法计算目的基因的相对表达量。基因名称 用于荧光定量的引物序列(5′→3′) 基因名称 用于荧光定量的引物序列(5′→3′) OfNAC100-1 F: TGAACAAGATTGAGCCTTGGG OfNAC104 F: TGCATTTTACATTGGTGAAGATGTC R: CCTTTCCTGTGGCTTTCCAG R: GCTCGTACACTTGACACACCA OfNAC53 F: AGATTGTGGGGATGAAGAAAA OfNAC92 F: TCCTAGTCGGAATGAAGAAAACTC R: CAACTCCATATCAGTAAGCCG R: ATGGCTTTCTAATCTGTATTCGTGC OfNTM1-9 F: GGTTGCTCTAATGCCCACTTC OfNAC72-1 F: GGAAAAGCCCCCAAAGGAAC R: CTGGTTCCGTAGCACGATACT R: CCCAATCATCCAACCTTGAGC OfNAC73 F: AGGCAAGGATGGCCAAATTC OfNAC72-2 F: ACGTAGGAAAAGCACCAAAAGG R: TTGTGCCATCTTGTTTCTCC R: AGCATCCAACCTTGCGCTTC OfNAC43 F: AGGCTACTGGTCGTGATAAAG OfNAC29-1 F: TTACAAGGGAAGGCCTCCAAAG R: GGGGTCATGAGTGTCGTCC R: TTGAGCCATTTTGCGTGTTAGG OfNAC91 F: TCTACAAAGGTCGTGCTCCG OfNAC29-2 F: CCCAAAGGGCGTCAAAACTG R: CCCTGACCAGGATAAGTGCC R: GCACACAATCATCCAACCTCA OfNAC50-X2 F: TGGCAAAGGGTATTGGAAAGC OfNAC71 F: CTATCGTGGAAGAGCACCACT R: TCGCCCACTATGGAAAACAAG R: TCCCTGAAATCTTGGGGTGTC OfNAC50 F: AAGCAACTGGAAAGGATCGC OfNAC2 F: TTGGGAATAAAGAAGGCTCTGGTG R: AATTCTGCATCGCAAAGCCTG R: ACACAACACCCAATCATCAAGCCTC OfNAC21/22 F: GAAGGGAAGCCTGGTTGGAAT OfNAC100-2 F: TCAGAGGAAAAATCCTCGTCGG R: CCCAATCCTCCTTGACAGATG R: TTTGGGAGGTTGTGGATCGAG OfNAC56 F: TCTATGGTGGAAAGCCTCCT OfNAC32 F: AAGCCTTGGTTTTCTATGCCG R: CATCAAGCCTTAAAGAGCCC R: AAGCTGTTGTTCTTGTTTCGA OfNAC17-X2 F: TCCTGTTGGGGTGAAGAAGA OfACT F: CCCAAGGCAAACAGAGAAAAAAT R: ATAGTCATCCTGTGCATCCTGC R: ACCCCATCACCAGAATCAAGAA OfNAC17 F: TGGTCTTCCATAAAGGTCGTGC R: TTGTACAGAGCATAGCAATCCCGTG Table 1. Specific primers for RT-PCR of OfNAC in O. fragrans
1.1. 材料
1.2. 方法
1.2.1. 桂花OfNAC转录因子的鉴定及理化性质分析
1.2.2. 桂花OfNAC转录因子结构和亚细胞定位预测分析
1.2.3. 桂花OfNAC转录因子系统进化树构建
1.2.4. 桂花OfNAC转录因子表达分析
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通过对桂花‘堰虹桂’转录组数据分析,并结合NCBI-Blast筛选,对其中22个桂花OfNAC基因进行分析。结果显示:它们均含有NAC家族蛋白特有的NAM保守功能域(图1)。通过ExPASy对22条桂花OfNAC转录因子进行理化性质分析(表2),结果表明:22条桂花OfNAC基因的氨基酸(OfNAC104~OfNAC91)长度为186~609个;蛋白质(OfNAC104~OfNAC17)相对分子量为21 498.77~68 408.12;等电点为4.59~9.33,其中OfNAC100-1、OfNAC73、OfNAC56、OfNAC72-1、OfNAC72-2、OfNAC29-1、OfNAC29-2、OfNAC32等8个蛋白质等电点大于7,偏碱性,其余14个OfNAC等电点小于7,偏酸性。OfNAC的不稳定系数为29.27~52.83,OfNAC53、OfNAC73、OfNAC56、OfNAC92、OfNAC29-2等5个蛋白质不稳定系数低于40,为稳定蛋白质,其余17个不稳定系数均高于40,为不稳定蛋白质。脂溶性指数为53.37(OfNAC71)~77.70(OfNAC17-X2),总平均疏水值为−0.816~−0.530,蛋白质的平均疏水指数均小于0,表明OfNAC均为亲水性蛋白质(表2)。
序列名称 氨基酸长度/个 相对分子量 等电点 碱性氨基酸 酸性氨基酸 不稳定系数 脂溶性指数 总平均疏水值 亚细胞定位 位置 预测值/% OfNAC100-1 345 38 986.11 8.69 40 36 40.06 61.01 −0.574 细胞核 61.54 OfNAC53 558 62 807.47 4.60 51 88 38.87 69.37 −0.564 内质网 42.42 OfNTM1-9 606 68 053.70 5.63 71 86 51.49 62.43 −0.725 细胞核 76.92 OfNAC73 300 33 768.95 8.79 39 34 38.21 69.47 −0.754 细胞核 76.92 OfNAC43 399 45 513.66 5.77 43 55 46.31 63.26 −0.752 细胞核 69.23 OfNAC91 609 67 741.52 4.98 63 86 52.83 71.07 −0.593 细胞核 76.92 OfNAC50-X2 389 43 765.29 5.29 46 58 47.83 69.43 −0.629 叶绿体 58.33 OfNAC50 399 44 952.52 5.35 46 61 50.45 67.69 −0.652 叶绿体 46.15 OfNAC21/22 296 33 613.15 6.54 33 34 51.26 66.52 −0.570 细胞核 71.43 OfNAC56 322 35 946.51 8.62 37 34 39.48 64.81 −0.725 细胞核 92.30 OfNAC17-X2 573 64 828.71 4.87 63 91 40.60 77.70 −0.530 细胞核 53.85 OfNAC17 606 68 408.12 4.85 60 97 46.79 74.62 −0.571 细胞核 30.77 OfNAC104 186 21 498.77 4.59 19 31 46.96 68.60 −0.695 细胞核 84.61 OfNAC92 325 36 813.71 6.47 40 42 29.27 71.35 −0.579 细胞核 38.46 OfNAC72-1 339 38 289.93 8.64 40 37 40.14 64.96 −0.671 细胞核 84.61 OfNAC72-2 342 38 848.46 8.64 42 39 40.04 61.64 −0.762 细胞核 100 OfNAC29-1 280 32 538.56 7.71 36 35 42.96 61.96 −0.816 细胞核 52.50 OfNAC29-2 275 31 330.36 9.33 35 26 33.81 61.35 −0.741 细胞核 100 OfNAC71 303 34 864.61 5.42 33 43 51.89 53.37 −0.795 细胞核 85.71 OfNAC2 296 34 249.55 6.09 35 38 50.01 66.22 −0.735 细胞核 69.23 OfNAC100-2 334 37 778.80 6.51 38 40 43.10 67.96 −0.540 细胞核 85.71 OfNAC32 263 30 253.45 8.45 38 35 43.91 69.32 −0.635 细胞核 61.54 说明:不稳定系数大于40为不稳定序列,小于40为稳定序列 Table 2. Physicochemical properties and secondary structure analysis of OfNAC of O. fragrans
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使用DNAMAN软件对桂花OfNAC转录因子的氨基酸序列进行比对,结果显示(图2):22个OfNAC的氨基酸序列均具有保守的亚结构域(A~E)。对这5个亚结构域进行分析发现:A区较为保守的氨基酸是甘氨酸(G)、苯丙氨酸(F)、脯氨酸(P)、谷氨酸(E);B区较为保守的氨基酸是脯氨酸(P);C区较为保守的氨基酸是苯丙氨酸(F)、精氨酸(R)、色氨酸(W)、甘氨酸(G);D区较为保守的氨基酸是甘氨酸(G)、赖氨酸(K)、色氨酸(W);E区没有完全稳定的氨基酸。各保守亚域的保守性由强到弱依次为C、A、D、B、E。对所有OfNAC的氨基酸序列进行保守基序分析发现(图3):大多数OfNAC均含有较保守的元件,除OfNAC73只有2个保守元件(元件1、元件2)外,其余OfNAC均含有4个保守元件(元件1、元件3、元件4、元件5)。另外,22条OfNAC转录因子中元件7、元件9和元件10出现在一些OfNAC蛋白质的C端,且对应的序列亲缘关系较近。桂花OfNAC蛋白质二级结构分析表明:OfNAC蛋白质的二级结构包括α-螺旋、β-折叠、延伸链和无规则卷曲4种结构,且不同结构占比从大到小依次表现为无规则卷曲、α-螺旋、延伸链、β-折叠(表3)。OfNAC32的无规则卷曲占比最高,为67.30%。此外,OfNAC73、OfNAC92、OfNAC29-2结构中α-螺旋占比均小于延伸链。跨膜结构预测分析表明(图4):OfNAC17、OfNAC17-X2、OfNAC53、OfNAC91、OfNTM1-9均在C端有1个跨膜结构。亚细胞定位预测分析表明:OfNAC53定位于内质网,OfNAC50-X2和OfNAC50定位于叶绿体,其余OfNAC蛋白质均定位在细胞核中。
序列名称 二级结构占比 序列名称 二级结构占比 α-螺旋/% β-螺旋/% 延伸/% 无规则卷曲/% α-螺旋/% β-螺旋/% 延伸/% 无规则卷曲/% OfNAC100-1 15.07 3.19 14.78 66.96 OfNAC17 24.59 2.81 12.71 59.90 OfNAC53 21.33 3.76 14.52 60.39 OfNAC104 18.82 3.76 15.59 61.83 OfNTM1-9 23.27 3.14 9.74 63.86 OfNAC92 14.15 3.69 15.69 66.46 OfNAC73 13.00 3.67 20.00 63.33 OfNAC72-1 17.99 3.54 16.22 62.24 OfNAC43 21.55 4.26 14.29 59.90 OfNAC72-2 16.96 3.51 16.08 63.45 OfNAC91 20.36 2.63 10.51 66.50 OfNAC29-1 3.21 3.57 17.86 55.36 OfNAC50-X2 31.11 5.91 12.34 50.64 OfNAC29-2 15.64 4.36 16.73 63.27 OfNAC50 27.82 5.01 10.53 56.64 OfNAC71 16.17 4.95 14.52 64.36 OfNAC21/22 17.23 3.04 15.20 64.53 OfNAC2 21.62 4.05 11.82 62.50 OfNAC56 16.15 3.11 15.84 64.91 OfNAC100-2 16.47 3.59 14.07 65.87 OfNAC17-X2 25.83 2.97 12.91 58.29 OfNAC32 17.11 2.66 12.93 67.30 Table 3. Secondary structure analysis of OfNAC of O. fragrans
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为了进一步研究OfNAC的进化关系,对桂花、拟南芥和水稻的NAC蛋白构建系统进化树。结果表明:22个桂花OfNAC与拟南芥和水稻的NAC蛋白质共划分为11个亚族(图5),除a、b、c、e、h亚族外,其他亚族均有OfNAC分布。其中i亚族桂花NAC蛋白质较多,有8个OfNAC蛋白质。
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为了研究OfNAC在桂花花开放进程中的表达模式,对其进行荧光定量表达分析(图6)。OfNAC100-2、OfNAC43、OfNAC73相对表达量在铃梗期(S4)出现表达高峰,在此之后相对表达量大幅度降低,其中OfNAC43只在铃梗期(S4)相对表达量最高,其余时期相对表达量很低;OfNAC56从铃梗期开始呈现上升趋势,并在盛花期(S6)到达顶峰;OfNAC71、OfNAC29-1、OfNAC21/22从起始期(S1)缓慢上升,在顶壳期 (S3)到达最高,随后急剧下降;OfNAC29-2在圆珠期(S2)相对表达量达到最大,之后在铃梗期(S4)相对表达达到最低。OfNAC在花开放不同阶段的表达情况说明:OfNAC100-2、OfNAC43、OfNAC73、OfNAC71、OfNAC29-1、OfNAC21/22、OfNAC29-2可能参与花开放的调控,其中又以OfNAC43和OfNAC29-2关联最为紧密。
OfNAC50-X2、OfNAC50、OfNAC17-X2整体呈现上升趋势,并在初开期(S5)达到最高;OfNAC100-1、OfNAC92、OfNAC72-1、OfNAC91、OfNTM1-9、OfNAC53在起始期(S1)表达量较高,整体呈下降趋势;OfNAC104、OfNAC32、OfNAC2、OfNAC17、OfNAC72-2均呈现先下调后上升的表达趋势,到盛花期(S6)相对表达量较高。这说明,这些基因成员可能不参与桂花花开放的调控。