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吴殿星教授揭示了SAUR26调控拟南芥热响应的重要机制
发布时间:2020-11-18 15:21:48

2020年11月13号,浙江大学的吴殿星教授等在New Phytologist期刊上发表了一篇题为“Polymorphisms in cis‐elements confer SAUR26 gene expression difference for thermo‐response natural variation in Arabidopsis”的研究论文。该文章揭示了SAUR26调控拟南芥热响应的重要机制


研究背景


无论在自然适应还是驯化过程中,基因表达变异对其表型进化以及其自身活动的变化起着重要作用,但是基因表达的变化发生的机制尚不清楚。此外,基因表达变异和表型变异之间的联系已经在各种植物物种中被观察到。因此,作者展开了对SAUR26亚家族基因对拟南芥的自然品系在生长过程中热响应表达的差异以及其机制的研究。


主要创新点


1)在前期研究中作者便通过全基因组关联研究(eGWAS)鉴定了基因表达变异的遗传位点,并通过分子分析,发现单核苷酸多态性(SNPs)与SAUR26的表达存在显著相关性,并且这些SNPs位于基因的启动子、5’UTR、编码区和3’UTR(图1b)。

此外,作者发现这些SPNs属于两个连锁不平衡区(LD),第一个LD包含启动子和5’UTR区域,第二个LD包含SAUR26的3’UTR区域,然后利用来自两个LD区(Chr3_982776和Chr3_983566)的单体型分析,最后结果表明了SAUR26基因表达的变异是由SAUR26自身基因的多态性决定的,启动子和5’UTR区域的变异以及3’UTR区域的变异都与SAUR26的表达有很强的相关性。为了获得用于多态性分析的准确序列信息,作者对45份拟南芥自然品系材料中SAUR26基因进行了重新测序,然后通过与基因组序列数据库中注释的SNPs进行比对,发现大多数SNPs位于5’UTR和编码区,在3’UTR发现了更多的SNPs。

2)作者通过全基因组关联研究(eGWAS)鉴定了基因表达变异的遗传位点,并通过分子分析探讨了其机制,发现其顺式元件是SAUR26、SAUR27和SAUR28表达变化的主要决定因素。启动子区域的多态性可能会影响PIF4基因的调控,而3’UTR的多态性则会影响mRNA的稳定性,从而产生SAUR26表达水平的差异。这些多态性也对SAUR26在两种温度下的mRNA稳定性产生差异影响。

3)作者通过早期序列多态性分析表明,下游组分如SAUR基因比上游核心信号组分如TIR1和PIF4基因具有更多的多态性,以及需要解决SAUR26启动子的多态性是否影响PIF4结合的问题,作者检测了Col-0和Ang-0 5’端上游区域(ProCol-0和ProAng-0)在野生型Col-0和PIF4突变体分离的原生质体中的活性,发现启动子与PIF4之间存在很强的相互作用;Col-0和Ang-0的启动子活性差异至少部分是通过PIF4功能造成的(图2d-e)。

4)此外,作者为了进一步研究了3’UTR中的SNPs对SAUR26表达变化的贡献,进行了3次cDNA末端快速扩增(RACE)实验。将SAUR26的4个RACE产物从Col-0加入中扩增出来以及2个RACE产物从Ang-0加入中扩增出来。然后作者分别扩增了381 bp 3’端的终止密码子片段,该终止密码子包含所有可能的3’UTRs和另外100 bp片段分别来自Col-0和Ang-0。将SAUR26Col-0的5’上游序列与3’端的终止密码子片段进行融合得到UTRCol-0与UTRAng-0,并且分别转化到野生型Col-0原生体中。然后,通过将其置于不同的两个温度(22℃与28℃),结果表明温度和3’UTR单倍型对LUC报告基因表达有显著影响,也说明两种单体型在2种温度下的活性差异是不相同的。
5)由于3’UTR区域影响mRNA的表达水平的机制之一就是mRNA的稳定性,也为了验证SAUR26的表达差异是否如此,作者分析了SAUR26在自然拟南芥品系中的mRNA稳定性。通过使用抑制转录的化学虫草素处理幼苗中这种方法,来测量SAUR26 mRNA丰度,进而观察其mRNA的稳定性。结果表明在28℃时,SAUR26 mRNA在Ang-0型中比Col-0型更稳定(图3d-e)。这表明其他因素可能也参与了SAUR26 mRNA稳定性的调节。Col-0和Ang-0对SAUR26 mRNA的稳定性存在差异。在虫草素处理后40 min,温度与单倍型之间也存在显著的交互作用,数据说明温度对天然拟南芥植株中mRNA的稳定性产生了差异影响。


研究意义与展望


这项研究表明,多态性对基因表达变化的产生是重要的。作者也揭示了拟南芥基因表达多样性产生的两种机制,一种是转录调控,可能通过其对PIF4或其他转录因子的活性的影响;另一个是3’UTR决定它内在转录的稳定性。同时,体现了PIF4结合区域的变异可能对调节SAUR表达很重要,以及3’UTR在赋予SAUR26表达变异方面的重要性。但是植物中3’UTR长度与mRNA稳定性之间的相关性尚未确定,因此3’UTR对SAUR mRNA表达调控的分子机制有待进一步实验研究。该项研究也证明eGWAS是一种可行的方法来识别基因表达的反式作用和顺式作用的调节变化。结合LD区块分析,该方法可以揭示重要的顺式调控位点,有助于基因表达调控机制的研究。随着拟南芥自然品系的基因组和转录组数据的可用性增加,今后普遍使用eGWAS分析来鉴定更精细的基因组区域的表达相关SNPs将成为可能。随着未来将对更多物种及其自然资源进行测序,eGWAS方法有望在鉴定基因表达的调控元件和变异方面有更广泛的应用。