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文献解读

集思慧远客户发表《杨树天冬氨酸转氨酶(AspAT)基因家族鉴定:氮变动时基因表达变化及酶活性变化》

发布日期:2019-06-27 浏览次数:229

Genome-Wide Characterization of AspATs in Populus: Gene Expression Variation and Enzyme Activities in Response to Nitrogen Perturbations

Forests  IF=1.956(二区)

单位:南京林业大学

摘要:

天冬氨酸转氨酶(AspAt)催化谷氨酸和草酸酯之间可逆的转胺反应,生成天冬氨酸和2-氧戊二酸,在所有细胞有机体中发挥主要作用的氨基酸生物合成和氮(N)的稳态和碳代谢。AspAT的生化表征已经取得了几十年的进展,而Aspat基因家族不同成员的分子和生理特征仍然鲜为人知,特别是在林木中。在此,在黑棉木(毛白杨)中实施了对AspPAT编码基因的广泛的全基因组鉴定(木本植物模式种)。对在杨树基因组中鉴定到的10个AspAT基因,进行了系统发育、基因结构、染色体分布、顺式元件、保守基序和亚细胞定位分析。RNA-seq与qRT-PCR验证表示,PtAspATs显示了不同的组织特异性表达模式。进一步研究了杨树杂交无性系Nanlin895中同源AspATs的时空表达,表明基因表达因源库动态而异。N饥饿和季节性衰老对杨木AspAT转录本对的影响表明:五种PtAspATs在叶片中的上升,同时根中的六种或六种以上AspAT含量急剧下降。此外,在N过量的根中观察到更多的AspATs转录本明显减少。因此,用凝胶法测定氮饥饿时,AspAT的活性受到明显的抑制,促使认为酶活性是N胁迫下生长形态的一个更直接的指标。综上所述,应激信号的表达谱和酶活性对应激信号的影响揭示特定基因在木本植物氮素获取和重塑调控中的生理意义。


结果

1. 杨树及其他植物物种的天冬酰胺转氨酶AspATs全基因组鉴定

根据水稻拟南芥的AspATs基因在杨树基因组中进行鉴定,共得到10个AspATs假定基因

2. 杨树AspATs与其它树种的进化关系

为了深入了解系统发育关系,在另外11种植物中进一步鉴定了同源AspATs,其中包括7个双子叶植物。在各种植物物种中鉴定的AsPAT同源序列的总数从5到11变化(表1)。系统发育分析表明,10个PtAspat聚类为两个主要亚家族,即Iα和Iβ(图1)。

3.染色体定位、基因组结构和顺式作用元件分析

4.  PtAspAT蛋白的保守基序和结构域


5 . PtAspATs在不同组织中的表达谱及对氮的响应

为了深入了解时空表达模式,利用转录数据初步分析了杨树PtAspATs的转录本,分别包括18种组织和五种维管细胞类型(图5a,b)。为验证PtAspATs的组织特异性表达,对4种组织(成熟叶、幼叶、茎和根)进行了qRT-PCR检测。由于检测到的表达信号较低,图5c中没有表示出PtAspAT 8的表达。


6.杨树无性系Nanlin895中杨木AsPATs的表达

杨树‘Nanlin 895’是一个杂种无性系,与其他地方种植的杨树品种相比,具有优良的生长性能和遗传转化的可操纵性。AsPATs组织特异表达在六个维管组织组织中首次得到证实(图6)。


在杨树Nanlin895中鉴定的杨木时空表达模式的发现,将nanlin895进行不用氮浓度培养。正常氮浓度(2mM)为对照与0mM和10mM进行对比。表型在2、3、4周后可视。值得注意的是4周的氮饥饿处理会使源叶和根的表型变化(图7a,b)。然而一些基因对氮处理表达降低促使我们进一步探究其对季节衰叶子的表达。有趣的是除了AspAT4,大部分基因在三个衰老阶段表达呈现降低,说明衰老触发的氮缺失直接导致AspAT表达抑制(图7c)。


7.非变性凝胶中的酶活性

为了证实上述氮元素的影响,另外提取蛋白进行非变性凝胶测试酶活。3条主要的条带在凝胶中可见,表明3种AspATs组分(图8a)。为了分析凝胶酶活性,用ImageJ量化有色条带信号。如图8a所示,大部分质体AspATs(Cp)活性在成熟和幼嫩叶片中被检测,同时线粒体的AspATs(Mt)活性主要在根中。细胞质AspATs(Cp)与质体的呈现相似的分布趋势,但其活性在树皮、叶柄鞘、茎相比较弱;表明细胞质同功酶占组分较少(图8b)。

总结:

AsPAT确实是一种重要的转氨酶酶,除了仅仅催化ASP的形成以外,还发挥特定的作用,它被认为是蛋白质合成的重要中间体。在此,我们通过全基因组全基因组分析,提供了分子和生理信息。综上所述,杨树无性系Nanlin895在N胁迫下的(共)表达和酶谱的新发现,揭示了ASPAT在植物生长和胁迫反应中的代谢和生理学意义。未来的工作将着眼于跟踪代谢物生物合成,包括Asp及其相关分子,以及与植物激素相互影响,以了解AspATs在N和C.代谢调节中的作用。 因此,通过过表达的表型分析和Crispr/Cas9的表型分析,将有明显的诱导/抑制基因被靶向于植物生长和各种应激源的功能, 且已现在启动研究。