WRKY转录因子在玉米基因组中的分布规律及其中参与抗病相关基因的筛选

【摘要】：WRKY基因作为一类重要的转录因子,在模式植物拟南芥和水稻中,被报道广泛参与一系列生理生化过程。WRKY基因最主要的功能是参与植物体对生物与非生物胁迫的应答。目前,拟南芥、水稻、玉米和一些代表性植物的基因组测序相继完成,释放大量的基因组数据。通过生物信息学及比较基因组学等方法可以对玉米WRKY基因家族进行分析,并预测玉米中WRKY基因的功能。玉米是世界上第三大粮食作物,种植面积和产量仅次于水稻,单位面积产量居世界作物之首。在生产上,玉米病害严重影响着玉米生产,是制约玉米生产健康发展的重要因素,每年因病害造成的损失可达6%～10%,严重时达到30%以上。 本实验对玉米WRKY基因的序列信息、系统发生、可变剪接、锌指结构模型、染色体分布、内含子类型、共线基因、功能距离、组织表达特性进行了详细的解析。通过生物信息学和分子生物学相结合旨在：筛选玉米中可能参与调控抗病胁迫应答的的WRKY基因；解析WRKY基因家族在玉米全基因组中的分布及其进化规律；得到一些可能参与抗病调控的WRKY基因,为进一步的高产优质育种提供有效的基因资源。同时,本课题的开展也为重要基因资源的筛选提供新的思路。主要结果如下： 1.在玉米基因组中获得了125个WRKY类基因。序列比对结果表明,其中117个含有完整地WRKY结构域,6个基因只含有WRKY区域,2个基因只含有锌指结构域。在完整的WRKY基因中,16个WRKY蛋白含有两个WRKY结构域,30个WRKY蛋白含有Cys2HisCys锌指结构。 2.对117个含有完整WRKY结构域的WRKY基因的132个WRKY结构域构建系统发育树。系统发育树有8个明显的聚集区。NTWDs和CTWDs聚集在两个不同的区域；Ⅱ类则聚集在5个聚集区；Ⅲ类的30个基因都聚集在同一个区域。 3.可变剪接存在于玉米WRKY基因中,WRKY结构域不一定完整保留在可变剪接变体中。WRKY结构域存在两种内含子插入形式：一种存在于精氨酸(R)编码区,位于锌指结构中C2H2结构域的第一个碳前的第五个氨基酸,这种2时期插入内含子被定义为R型内含子；另一种内含子存在于缬氨酸(V)残基,位于锌指结构中C2H2结构域的第二个碳后的第六个氨基酸,这种0时期插入内含子被定义为Ⅴ型内含子。 4.在WRKYGQ这6个氨基酸残基中,突变在R和谷氨酰胺(Q)氨基酸被观测到。多数情况下,突变都是从Q变为谷氨酸(E)或从Q变为赖氨酸(K)。锌指结构的一般公式可以表示为C-Xn-C-Xm-HXH或C-Xn-C-Xm-HXC。Ⅰ类WRKY基因的NTWDs和CTWDs中n值均为保守的4,但m值却不相同；在NTWDs中m值为22(除了ZmWRKY83,92),在CTWDs中m值均为23；Ⅱ类中锌指结构比较保守,除了ZmWRKY33(m=22),6和96(m=24)外,n值为4或5,m值为23；在Ⅲ中,n值从5到7,m值从23到34都存在。 5.我们发现125个WRKY类基因分布于玉米10条染色体上。功能距离分析结果,聚类Ⅱ c的bF值几乎为0。表明在这些复制基因中每个位置的进化速率几乎与原来保持一样,这些复制基因与原基因更加倾向于一致性。在WRKY基因进化过程中,这些聚类可能继承更多原始的功能。 6.47个WRKY基因在玉米的根,茎,叶,花丝,花粉和种子中的组织表达特性分析表明,玉米WRKY基因在所有检测的组织中均有表达,但在不同组织中的表达有明显差异。 7.基于水稻与玉米基因组共线性分析,并结合系统发育树筛选到6个可能参与玉米抗病害的WRKY基因,ZmWRKY12、ZmWRKY15、ZmWRKY34、 ZmWRKY48、ZmWRKY83和ZmWRKY87。进一步的验证表明,ZmWRKY12和ZmWRKY48受到SA诱导表达,ZmWRKY15受到MeJA的诱导表达。 8.本研究对玉米中四种常见的真菌型病菌接种后的基因芯片数据进一步分析发现,玉米中WRKY基因广泛参与对真菌型病菌的抗病调控,27个WRKY基因至少受到一种真菌病原菌诱导上调表达,9个WRKY基因至少受到一种真菌诱导后下调表达,5个WRKY基因受到不同真菌感染后,既可能上调表达又可能下调表达。对前述31个WRKY基因聚类分析表明,它们分布于Ⅰ,IIa, IIe, IId, IIe和Ⅲ类。其中WRKYGE型,WRKYGK型,WRKYGQ型均能参与玉米抗病调控。值得注意的是,在这四种真菌诱导后,所有玉米材料中均能上调表达的有两个基因,位于Ⅱ c类的ZmWRKY36和位于Ⅰ类的ZmWRKY43。因此,我们推测这两个WRKY基因可能参与玉米对多种生物胁迫的调控过程,它们可能在玉米抗病调控中具有广谱性。