doi:10.15933/j.cnki.1004 ̄3268.2019.11.007
转录因子NtMYC2b参与烟草烟碱含量
杂种优势形成的机制研究
(1.贵州大学农学院ꎬ贵州贵阳550025ꎻ2.贵州大学贵州省烟草品种研究重点实验室ꎬ
吴宇瑶1ꎬ2ꎬ谢 瑞3ꎬ杨友成4ꎬ刘坤华4ꎬ聂 琼1ꎬ2
贵州贵阳550025ꎻ3.遵义市农业科学研究院ꎬ贵州遵义563000ꎻ4.遵义市烟草公司ꎬ贵州遵义563000)
摘要:为探讨bHLH转录因子家族成员MYC2b基因与烟叶中烟碱含量及烟碱含量杂种优势表现的相关性ꎬ利用RT-qPCR分析NtMYC2b基因与烟碱合成途径关键酶基因的表达ꎬ测定烟碱含量和烟碱杂种优势表现ꎮ结果表明ꎬ移栽后80dꎬNtMYC2b在烟草亲本GDH88和巴斯玛根部的表达量较移栽后66d上调ꎬ其根和叶中烟碱含量增加ꎬ杂交种根中NtMYC2b、鸟氨酸脱羧酶基因(ODC)、精氨酸脱羧酶基因(ADC)、N-甲基转移酶基因(PMT)、N-甲基腐胺氧化酶基因(MPO)的表达量相对于亲本平均表达量均明显上调ꎬ且除MPO外ꎬNtMYC2b与ODC、ADC、PMT、QPT(喹啉酸磷酸核糖转移酶基因)在强优势组合VA116×巴斯玛中的相对表达量均明显高于弱优势组合VA116×GDH88ꎬ根和叶中烟碱含量及其杂种优势表现也具有相同的趋势ꎬ表明NtMYC2b参与了烟碱的合成ꎬ还可能参与了烟碱含量杂种优势的形成ꎮ相关性分析表明ꎬ在亲本根部ꎬNtMYC2b表达量与PMT表达量呈显著正相关ꎻ在杂交种根部ꎬNtMYC2b表达量与ADC、MPO表达量呈显著正相关ꎻ在杂交种叶片中ꎬNtMYC2b表达量与烟碱含量杂种优势呈显著正相关ꎬPMT表达量与ODC、ADC表达量均呈显著正相关ꎮ关键酶基因启动子序列分析表明ꎬADC中含有1个MYC结合位点和1个G-box元件ꎻPMT中含有7个MYC结合位点和1个G-box元件ꎮ推测NtMYC2b可能通过与ADC、PMT的顺式元件MYC结合位点或G-box元件特异性结合调控ADC、PMT的表达ꎬ进而促进烟碱的合成ꎬ且NtMYC2b还参与了烟碱含量杂种优势的形成ꎮ关键词:烟草ꎻ转录因子ꎻNtMYC2bꎻ烟碱ꎻ杂种优势
中图分类号:S572 文献标志码:A 文章编号:1004-3268(2019)11-0045-09
VarietyResearchꎬGuizhouUniversityꎬGuiyang550025ꎬChinaꎻ3.ZunyiAcademyofAgriculturalScienceꎬZunyi563000ꎬChinaꎻ
4.ZunyiTobaccoCompanyꎬZunyi563000ꎬChina)
(1.CollegeofAgricultureꎬGuizhouUniversityꎬGuiyang550025ꎬChinaꎻ2.GuizhouProvincialKeyLaboratoryofTobacco
WUYuyao1ꎬ2ꎬXIERui3ꎬYANGYoucheng4ꎬLIUKunhua4ꎬNIEQiong1ꎬ2
TranscriptionFactorNtMYC2bIsInvolvedintheFormationofHeterosisofNicotineContentTrait
Abstract:ToinvestigatethecorrelationbetweentranscriptionfactorMYC2bandnicotinecontentanditsheterosisintobaccoꎬRT ̄qPCRwasusedtoanalyzetheexpressionofNtMYC2bandkeyenzymegenesinthenicotinesynthesispathwayꎬandthenicotinecontentanditsheterosisinrootsandleavesoftobaccoweredeterminated.TheresultsshowedthattheexpressionofNtMYC2binparentroots(GDH88andBas ̄ma)wasupregulatedat80dcomparedwith66daftertransplantingꎬandtheirnicotinecontentinrootand
收稿日期:2019-05-22
基金项目:贵州省烟草公司项目(黔烟科201302)ꎻ贵州省烟草公司重大专项(黔烟科201602)ꎻ贵州省烟草公司遵义市公司项
目(遵烟计[2016]07号)ꎻ贵州省烟草品质遗传改良与生物转化科技创新人才团队项目(黔科合人才团队[2015]4001)
作者简介:吴宇瑶(1993-)ꎬ女ꎬ贵州黎平人ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向:烟草遗传育种ꎮE-mail:15761630170@163.com通信作者:聂 琼(1972-)ꎬ女ꎬ贵州毕节人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事烟草遗传育种研究ꎮE-mail:nqiong10@163.com
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河南农业科学第48卷
leaveswasalsoincreased.TheexpressionsofNtMYC2bꎬornithinedecarboxylasegene(ODC)ꎬargininede ̄carboxylasegene(ADC)ꎬputrescine ̄N ̄methyltransferasegene(PMT)andN ̄methylputrescineoxidasegene(MPO)weresignificantlyupregulatedinrootofhybridrelativetotheirparents.Therelativeexpres ̄sionlevelsofNtMYC2bꎬODCꎬADCꎬPMTandQPT(quinolinephosphoribosyltransferasegene)inthestrongheterosiscombination(VA116×Basma)weresignificantlyhigherthanthoseintheweakheterosiscombination(VA116×GDH88)ꎬmeanwhileꎬthenicotinecontentanditsheterosisalsoshowedthesametrendinrootsandleavesofhybrid.ItindicatedthatNtMYC2bwasinvolvedinthesynthesisofnicotineandmightalsobeinvolvedintheformationofheterosisofnicotinecontent.CorrelationanalysisshowedthattheexpressionofNtMYC2bwassignificantlypositivelycorrelatedwithPMTintheparentrootsꎬthesamewithADCandMPOinhybridroots.MoreoverꎬbetweenNtMYC2bexpressionandnicotiniccontentheterosisꎬbetweenPMTexpressionandODCandADCexpressionꎬwasalsoasignificantpositivecorrela ̄tioninhybridleaves.SequenceanalysisshowedthatthepromotersequenceofADCcontained1MYCbindingsiteand1G ̄boxelementꎬthepromotersequenceofPMTcontained7MYCbindingsitesand1G ̄boxelement.ThereforeꎬitisspeculatedthatNtMYC2bmayregulatetheexpressionofADCandPMTbyspecificallybindingwithcis ̄elementMYCbindingsiteorG ̄boxelementtopromotethesynthesisofnico ̄tine.ThesefindingssuggestthatNtMYC2bisinvolvedinthesynthesisofnicotineandtheformationofhet ̄erosisinnicotinecontent.
Keywords:TobaccoꎻTranscriptionfactorsꎻNtMYC2bꎻNicotineꎻHeterosis 转录因子(Transcriptionfactor)又名反式作用因子ꎬ是一种行使调控基因表达功能且具有特殊结构的蛋白质分子ꎬ能特异性地识别并结合顺式元件启动子区域的核心序列ꎬ从而调控靶基因的转录
[1 ̄2]
烟草品质的重要指标之一[17]ꎬ也是将其应用于医药、化工及农药防治[18 ̄20]等方面的依据ꎮ杂种优势利用是作物品种改良的一种重要手段ꎬ已逐渐成为进一步提高动植物产量、品质、抗病性及社会经济效益的有效措施[21]ꎬ利用杂种优势选育不同烟碱含量的烟草品种ꎬ将其应用于烟叶生产、医药及农药防治有着实践意义ꎮ目前ꎬ烟碱含量杂种优势的形成机制尚未得到阐明ꎬ且在转录因子水平上关于烟碱杂种优势的研究报道还比较少ꎮ
转录因子可以作为分子开关与结构基因启动子特异结合ꎬ通过调控结构基因的表达ꎬ高效诱导或抑制目标代谢产物的积累[22 ̄24]ꎮ因此ꎬ开展烟碱生物合成相关转录因子及结构基因的表达研究ꎬ进一步研究转录因子参与调控烟碱生物合成的分子机制和烟碱含量杂种优势的形成机制ꎬ对于提高烟草的品质和工业应用价值具有重要意义ꎮ
转录因子的调控过程是植物信号传导的关键环节ꎬ广泛参与植物初生和次生代谢产物合成[3 ̄4]等各种生物学过程ꎬ调控植物的生长发育ꎮ目前ꎬ植物中已经鉴定出的转录因子有多种
[5 ̄7]
ꎮ
bHLH转录因子家族ꎬ在茉莉酸(JA)信号传导途径中处于核心地位ꎬ发挥着重要作用[8]ꎮZHANG等[9]在烟草中克隆得到2个MYC2基因ꎬ命名为Nt ̄MYC2a和NtMYC2bꎬ研究发现ꎬ这2个转录因子基因影响尼古丁的合成ꎬ在体外也能特异性结合烟碱合成关键酶N-甲基转移酶基因(PMT)启动子的G-box区域ꎬ调控PMT基因的表达ꎮ的吡咯环和吡啶环合成
[10]
ꎬ其中MYC2属于
烟碱由2个不同的含氮环即具有2种合成途径
ꎮ在吡咯环途径中ꎬ鸟氨
酸脱羧酶(ODC)可直接使鸟氨酸脱羧形成腐胺[11]ꎬ或者间接通过精氨酸脱羧酶(ADC)介导精氨酸脱羧形成腐胺[12]ꎮ继而ꎬ腐胺被N-甲基转移酶腐胺被N-甲基腐胺氧化酶(MPO)催化ꎬ形成烟碱的直接前体物质ꎮ在吡啶环途径ꎬ喹啉酸磷酸核糖(PMT)催化ꎬ形成N-甲基腐胺[13]ꎮ最后ꎬN-甲基转移酶(QPT)是烟碱合成代谢中的限速酶[14]ꎮ研究表明ꎬPMT过量表达可以增加烟叶中的烟碱含量[15]ꎬ而通过反义RNA技术沉默PMT表达可以降低烟叶中的烟碱含量[16]ꎮ烟碱含量的高低是评价
1 材料和方法
1.1 材料
(VA116×GDH88和VA116×巴斯玛)均由贵州大学烟草实验室提供ꎮ其中ꎬVA116×巴斯玛和VA116×GDH88分别为贵州大学烟草实验室在前势的强优势组合和弱优势组合ꎮ材料栽种于贵州大80d采样ꎬ每次选取长势一致的3株ꎬ取其根和中部学烟草试验基地ꎬ分别在烟株移栽后66d和移栽后期研究杂交组配中筛选鉴定出来的烟碱含量杂种优
烟草亲本VA116、GDH88、巴斯玛及其杂交种
第11期吴宇瑶等:转录因子NtMYC2b参与烟草烟碱含量杂种优势形成的机制研究
47
1.2 方法
叶片立即放入液氮冷冻ꎬ于-80℃冰箱保存备用ꎮ为5′-TAACAAACGATTGGGTCA-3′ꎮ所有引物由上海生物工程股份有限公司合成ꎮRT-qPCR的反10μLꎬ上下游引物各0.8μLꎬcDNA模板2μLꎬ95℃预变性15s、95℃变性10sꎬ60℃退火20sꎬ72℃延伸15sꎬ40个循环ꎮ采用2-△△Ct法计算并分1.2.4 烟碱合成关键酶基因启动子序列中MYC结合位点分析 利用PlantCARE在线软件分析关键酶基因的启动子序列是否含有MYC结合位点ꎬ预测1.3 数据处理与分析MYC2b调控的酶基因ꎮ
所有原始数据均来自3个生物学重复ꎬ即重复析RT-qPCR的数据ꎮ
ddH2O6.4μLꎬ每个反应重复3次ꎮ反应程序为:应体系20μL:TransStartGreenqPCRSuperMix
1.2.1 烟碱含量测定及杂种优势计算 烟碱含量测定采用紫外分光光度法[25]进行ꎬ计算公式:
烟碱含量=
1.059×A259-
V3A236+A282
×V1××100%
V22
ꎮ
m×(1-含水率)×34.3
[]
数ꎬA259、A236、A282分别表示在波长为259、236、282nm处测得的吸光值ꎬV1、V2、V3分别表示原测液体积、原m表示原测液制备中所称取的样品质量ꎮ
杂种优势的计算方法:
正向超亲优势=(F1-HP)/HP×100%ꎬ中亲优势=(F1-MP)/MP×100%ꎬ负向超亲优势=(F1-LP)/LP×100%ꎮ测液稀释后的待测液体积、空白对照的参比液体积ꎬ
式中ꎬ1.059是与硅乌酸重量法相比的校正系
3次的试验结果ꎮ采用2-△△Ct法计算RT-qPCR的66、80d不同组织(根与中部叶片)中的表达情况ꎮ运用Excel和SPSS21.0软件ꎬ统计并分析NtMYC2b关性ꎮ
的相对表达量、烟碱含量及酶基因表达量间的相数据ꎬ分析NtMYC2b与5个关键酶基因在移栽后
式中ꎬHP为双亲中的最高值ꎬMP为双亲平均1.2.2 RNA提取与cDNA第一链合成 取不同组织(根与叶)在液氮下充分研磨成粉末ꎬ按照OME ̄GATotleRNAKitⅠ试剂盒(京工生物公司)说明书提取总RNAꎮ总RNA经过Nanodrop2000紫外分光光度计和琼脂糖凝胶电泳检测浓度和完整性后ꎬ根据反转录试剂盒PrimeScriptTMⅡ1stStrandcDNA合成ꎬ-20℃保存备用ꎮ
SynthesisKit(TaKaRa)的说明书进行cDNA第一链1.2.3 RT-qPCR与分析 采用RT-qPCR分析QPT、MPO的表达ꎬ以烟草持家基因Actin-2、HSC70-1为内参基因ꎮ各关键酶基因和持家基因的PCR引物参照文献[26]ꎮ在NCBI数据库中查找Nt ̄MYC2bꎬ根据Real-timePCR引物设计原则ꎬ利用PrimerPremier5.0软件设计目的基因引物ꎬ上游引物为5′-AGAAGGTTCTACGGGAGC-3′ꎬ下游引物NtMYC2b及烟碱合成关键酶基因ODC、PMT、ADC、值ꎬLP为双亲中的最低值ꎬF1为杂交1代值ꎮ
2 结果与分析
表现分析
2.1 烟草杂交种及其亲本的烟碱含量与杂种优势
VA116×GDH88和VA116×巴斯玛及其亲本
VA116、GDH88、巴斯玛烟株不同时期、不同组织的烟碱含量及其杂种优势表现见表1和表2ꎮ从表1可见ꎬ移栽后66dꎬ烟草根中的烟碱含量高于叶中ꎬ66d相比ꎬ移栽后80d除VA116根中烟碱含量稍有降低外ꎬ其余材料相同部位的烟碱含量均增加ꎻ无论不同取样时间ꎬ还是不同部位ꎬVA116×巴斯玛的烟碱含量均高于2个亲本ꎬ而VA116×GDH88的烟碱含量均介于2个亲本之间ꎮ
%
而移栽后80dꎬ叶中的烟碱含量高于根中ꎻ与移栽后
表1 不同时期烟草亲本和杂交种根与叶中的烟碱含量
Tab.1 Nicotinecontentinrootsandleavesoftobaccoparentsandhybridsatdifferentstages
采样时间Samplingtime移栽后66d移栽后80d
部位Part根Root根Root叶Leaf叶Leaf
VA1161.120.891.091.67
GDH881.441.141.571.89
巴斯玛Basma1.160.931.511.92
VA116×GDH88
1.341.111.401.71
VA116×巴斯玛VA116×Basma
2.07
1.782.453.53
66daftertransplantation80daftertransplantation
由表2可知ꎬ移栽后66d和80dꎬVA116×巴斯玛和VA116×GDH88根与叶烟碱含量的杂种优势
表现一致ꎬ且VA116×巴斯玛根与叶中的烟碱含量均表现为正向超亲优势ꎬ而VA116×GDH88均表现
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河南农业科学
表2 不同时期烟草杂交种烟碱含量的杂种优势表现
Tab.2 Heterosisofnicotinecontentintobaccohybridlinesatdifferentstages
第48卷
%
负向超亲优势Negativesuper ̄parent
advantage19.6484.8224.7228.4423.96
采样时间Samplingtime
66daftertransplantation移栽后66d
部位Part根Root叶Leaf根Root叶Leaf
杂交种HybridVA116×GDH88VA116×GDH88VA116×GDH88VA116×GDH88VA116×巴斯玛VA116×巴斯玛VA116×巴斯玛VA116×巴斯玛
正向超亲优势Positivesuper ̄parent
advantage-7.16-26.32-10.82-9.5283.8562.2591.4078.45
中亲优势Mid ̄parentadvantage4.5581.5895.6088.4696.665.269.36
80daftertransplantation
移栽后80d
100.00124.77111.38
-3.93
2.2 烟草NtMYC2b以及烟碱合成途径关键酶基因的表达分析
由图1可见ꎬ移栽后80d烟草各亲本根中Nt ̄MYC2b、PMT和ADC的表达量相对于移栽后66d明显上调ꎬ而QPT表达量则明显下调ꎮ其中ꎬVA116、GDH88、巴斯玛根中NtMYC2b的表达量分别是移栽后66d的2.97倍、11.19倍、4.25倍ꎮ巴斯玛根中ODC的表达量明显上调ꎬVA116和
为弱的中亲优势ꎮ
GDH88根中ODC的表达量略有下调ꎻGDH88和巴斯玛根中MPO的表达量略有上调ꎬVA116根中MPO的表达量略有下调ꎮ移栽后80d烟草各亲本叶片中ODC、PMT、ADC、QPT的表达量相对于移栽后66d明显上调ꎻVA116、GDH88、巴斯玛叶片中1.02倍、0.39倍ꎻVA116和GDH88叶片中MPO的表达量较移栽后66d上调ꎬ而巴斯玛叶片中MPO的表达量下调ꎮ
NtMYC2b的表达量分别是移栽后66d的0.92倍、
图1 移栽后80d与移栽后66d烟草亲本NtMYC2b及关键酶基因的相对表达量Fig.1 RelativeexpressionlevelsofNtMYC2bandkeyenzymegenesintobacco
parentsat80dayscomparedwith66daysaftertransplanting
AandBrepresentrootsandleavesrespectively
A、B分别表示根、叶
由图2显示ꎬ移栽后80dꎬ杂交种根中Nt ̄
优势组合VA116×巴斯玛叶中的表达量分别是亲本平均表达量的1.41倍、73.75倍ꎻODC、MPO和QPT的相对表达量在VA116×GDH88中分别表现为下调、明显上调和下调ꎬ而在VA116×巴斯玛中的表现则相反ꎬ表现为明显上调、下调和明显上调ꎮ
RT-qPCR结果表明ꎬNtMYC2b和5个关键酶
MYC2b、ODC、PMT、ADC、MPO的表达量均较2个亲本平均表达量明显上调ꎬ其中NtMYC2b在弱优势组合VA116×GDH88和强优势组合VA116×巴斯玛69.75倍ꎻQPT在VA116×GDH88根中的表达量较亲本平均表达量略有下调ꎬ而在VA116×巴斯玛根中则明显上调ꎮ杂交种叶片中NtMYC2b与PMT、ADC的表达量较2个亲本平均表达量也明显上调ꎬ其中NtMYC2b在弱优势组合VA116×GDH88和强根中的表达量分别是亲本平均表达量的18.96倍、
基因在3个亲本和2个杂交种的根部和叶片中均有表达ꎮ图1A和图2A表明ꎬNtMYC2b在烟草杂交种和亲本根中的相对表达量均高于5个关键酶基因ꎬ表达量较移栽后66d上调ꎬ较亲本平均值也上调ꎮ
第11期吴宇瑶等:转录因子NtMYC2b参与烟草烟碱含量杂种优势形成的机制研究
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此外ꎬ由图2可知ꎬ无论在根或叶中ꎬ除MPO外ꎬNt ̄MYC2b与其他4个关键酶基因在强优势组合VA116×巴斯玛中的相对表达量都明显高于弱优势组合VA116×GDH88ꎬ且在VA116×巴斯玛根与叶中的相对表达量较亲本平均表达量均表现出明显上
调ꎬ而在VA116×GDH88中QPT下调且其他基因上调也不明显ꎮ结合烟碱含量分析ꎬNtMYC2b可能是烟碱合成的调控因子ꎬ其表达在烟碱含量杂种优势的形成上扮演着一定角色ꎮ
图2 移栽后80d烟草杂交种与亲本(平均)NtMYC2b及关键酶基因的相对表达量
Fig.2 RelativeexpressionlevelsofNtMYC2bandkeyenzymegenesoftobaccohybridscomparedwith
parental(average)at80daysaftertransplanting
AandBrepresentrootsandleavesrespectively
A、B分别表示根、叶
2.3 NtMYC2b、关键酶基因表达量与烟碱含量及杂种优势的相关分析
表3显示ꎬ在亲本根部ꎬNtMYC2b表达量与烟碱含量呈正相关(P>0.05)ꎬ而与PMT表达量呈显著正相关ꎬ相关系数为0.88ꎻ此外ꎬADC表达量与烟碱
含量呈显著正相关ꎬ相关系数为0.94ꎮ在杂交种根部(表4)ꎬNtMYC2b表达量与烟碱含量及其杂种优势呈正相关(P>0.05)ꎬ但与ADC、MPO表达量呈显著正相关ꎬ相关系数分别为0.96、0.97ꎻ此外ꎬADC表达量与MPO表达量呈显著正相关ꎬ相关系数为0.98ꎮ
表3 烟草亲本根中NtMYC2b、关键酶基因表达量与烟碱含量间的相关系数Tab.3 CorrelationcoefficientbetweenexpressionofNtMYC2bꎬkeyenzymegeneand
nicotinecontentintobaccoparentalroots
NtMYC2b
指标Index
NtMYC2b表达量NtMYC2bexpressionODC表达量ODCexpressionADC表达量ADCexpressionPMT表达量PMTexpressionQPT表达量QPTexpressionMPO表达量MPOexpression烟碱含量Nicotinecontent
表达量NtMYC2bexpression
1
ODC表达量
ODCexpression
ADC表达量
ADCexpression
PMT表达量
PMTexpression
QPT表达量
QPTexpression
MPO表达量
MPOexpression
烟碱含量Nicotinecontent
0.140.520.88∗-0.780.330.49
1-0.15-0.12-0.20-0.12-0.09
10.27-0.38-0.070.94∗
1-0.520.670.35
10.26-0.19
10.21
1
注:∗表示显著相关(P<0.05)ꎮ
Note:∗indicatedsignificantcorrelation(P<0.05).
50
河南农业科学
表4 烟草杂交种根中NtMYC2b、关键酶基因表达量与烟碱含量间的相关系数Tab.4 CorrelationcoefficientbetweenexpressionofNtMYC2bꎬkeyenzymegeneand
nicotinecontentintobaccohybridroots
Index指标
NtMYC2b表达量NtMYC2bexpression
10.830.96∗0.34-0.690.97∗0.430.35
10.67-0.16-0.340.670.430.34
10.59-0.620.98∗0.570.52
1-0.240.520.510.55
1-0.760.300.35
ODC表达量ODCexpression
ADC表达量ADCexpression
PMT表达量PMTexpression
QPT表达量QPTexpression
第48卷
MPO表达量MPOexpression
NtMYC2b表达量NtMYC2bexpression
ODC表达量ODCexpressionADC表达量ADCexpressionPMT表达量PMTexpressionQPT表达量QPTexpressionMPO表达量MPOexpressionNicotinecontent杂种优势Heterosis烟碱含量
10.390.33
在杂交种叶片(表5)中ꎬNtMYC2b表达量与杂种优势显著正相关ꎬ相关系数为0.97ꎻPMT表达量与0.98ꎮ可见ꎬPMT、ADC、MPO3个关键酶基因在烟ODC、ADC表达量呈显著正相关ꎬ相关系数均为
碱合成过程中可能受到NtMYC2b的调控ꎬ且关键酶基因间也可能存在互作关系ꎻ杂交种叶片中Nt ̄MYC2b表达量与烟碱含量杂种优势关系密切ꎮ
表5 烟草杂交种叶中NtMYC2b、关键酶基因表达量与烟碱含量间的相关系数Tab.5 CorrelationcoefficientbetweenexpressionofNtMYC2bꎬkeyenzymegeneand
nicotinecontentintobaccohybridleaves
Index指标
NtMYC2b表达量NtMYC2bexpression
10.420.130.250.800.540.860.97∗
10.930.98∗0.88-0.02 0.620.35
10.98∗0.680.330.300.01
10.780.140.470.16
1-0.31 0.870.74
1-0.74 0.72
ODC表达量ODCexpression
ADC表达量ADCexpression
PMT表达量PMTexpression
QPT表达量QPTexpression
MPO表达量MPOexpression
NtMYC2b表达量NtMYC2bexpression
ODC表达量ODCexpressionADC表达量ADCexpressionPMT表达量PMTexpressionQPT表达量QPTexpressionMPO表达量MPOexpressionNicotinecontent杂种优势Heterosis烟碱含量
2.4 烟碱合成关键酶基因启动子序列中MYC结合位点分析
G-box被证明是与MYC2转录因子结合的核
可见ꎬADC与PMT的启动子序列中都含有MYC结合位点和G-box区域ꎮ其中ꎬ在ADC启动子反义链700bp处含有1个MYC结合位点(CATTTG)ꎬ正义链1957bp处有1个G-box元件(CACGTT)ꎮPMT启动子中含有7个MYC结合位点ꎬ分别有3个CATTTG、3个CATGTG、1个CAATTGꎬ其中ꎬ在正义
心位点[9ꎬ27 ̄28]ꎮ在NCBI数据库中查找ADC、PMT的启动子序列ꎬ利用PlantCARE在线软件分析关键酶基因ADC、PMT的生物学功能ꎬ结果见图3ꎮ由图3
第11期吴宇瑶等:转录因子NtMYC2b参与烟草烟碱含量杂种优势形成的机制研究
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986bp处有2个CATTTGꎬ在正义链1015bp和1985bp处有2个CATGTGꎬ在反义链1566bp处有1个CATGTGꎬ在正义链544bp处有1个CAAT ̄
链824bp处有1个CATTTGꎬ在反义链521bp和
TGꎻ反义链1991bp处有1个G-box元件(TACGTG)ꎮ由此推测ꎬNtMYC2b可能与ADC、PMT合调控ADC、PMT的表达ꎬ进而促进烟碱的合成ꎮ的顺式元件MYC结合位点或G-box元件特异性结
A、B分别表示ADC、PMT的启动子序列ꎻ+、-分别表示正义链和反义链ꎻ方框表示MYC结合位点ꎻ椭圆框表示G-box元件
AandBrepresentpromotersequencesofADCandPMTꎻ+and-representjusticechainandantisensechainꎬ
respectivelyꎻTheboxrepresentsMYCbindingsiteꎬandtheovalboxrepresentsG ̄boxelement
图3 关键酶基因启动子序列中的MYC结合位点与G-box元件
Fig.3 MYCbindingsiteandG ̄boxelementinkeyenzymegenepromotersequence
3 结论与讨论
本根部和杂交种根部ꎬNtMYC2b表达量分别与PMT、ADC表达量显著相关ꎬ其表达也与烟碱含量呈正相关ꎬ表明NtMYC2b可能与ADC、PMT启动子序列中MYC结合位点或G-box区域特异性结合来调控该基因的表达ꎬ从而参与调控烟碱的合成ꎮ
烟碱主要在根部合成ꎬ经过木质部运输到地上部ꎬ存储在液泡中ꎮ本研究发现ꎬ移栽后80dꎬNt ̄MYC2b在烤烟亲本根中的表达量相对于移栽后66d明显上调ꎬ在杂交种根中相对于亲本平均表达量也明显上调ꎬADC、PMT表达量也明显上调ꎬGDH88和巴斯玛根部烟碱含量增加ꎬ但NtMYC2b在亲本叶片
调控着植物根[29]、花[30]、果实[31]、种子[32]及叶脉[33]的变化以及烟碱合成[9]等ꎮMYC2转录因子得以发挥调控作用ꎬ主要是通过结合结构基因的核心位点G-box区域[9ꎬ27 ̄28]ꎮZHANG等[9]研究表明ꎬ转录因子基因NtMYC2a和NtMYC2b在体外也能特异性结合PMT基因启动子的G-box区域ꎬ调控PMT基因的表达ꎮ本研究发现ꎬADC、PMT启动子序列中有MYC结合位点及G-box区域ꎬ且在亲
MYC类转录因子具有多种调节功能ꎬ如MYC2
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河南农业科学第48卷
中的相对表达量低于根中的相对表达量ꎬ而叶片中的烟碱含量高于根中烟碱含量ꎬ这可能是因为烟碱在根部合成后向地上部运输ꎬ在叶中积累的结果[34]ꎮ
[35 ̄37]
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杂种优势是指杂交种在生长势、产量、抗性等性ꎬ受多基因控制ꎬ遗传机制复杂ꎮ目前ꎬ主要、超显性
[37]
状方面优于双亲的遗传现象ꎬ在生物界普遍存在有显性
[36]
和上位性假说
[38]
来解释杂种
优势的形成机制ꎮ在烟碱合成代谢的2种途径中ꎬQPT参与吡啶环[39]的形成ꎬADC、ODC[40]参与吡咯环的合成ꎮ本研究发、PMT[41]和MPO[42]现ꎬNt ̄MYC2b与ODC、ADC、PMT、QPT在烟碱含量杂种优势较强的组合中表达量都明显上调ꎬ而在弱优势组合中QPT下调且其他基因表达量上调也不明显ꎬ说明NtMYC2b参与了烟碱含量杂种优势的形成ꎬ且在杂交种中表现为超显性表达×Basma)进行转录组分析ꎮTIANꎬ等
[43]
(VA116发现烟碱合成对杂交种
代谢相关基因(ADC、PMT、MPO、QPT、AO、QS、QPT、A622、BBLs)和烟碱转运相关基因(JAT2、MATE1、
MATE2、NUP1)在杂交种中上调表达ꎬ其中大部分被证明为超显性表达ꎬ且烟碱合成代谢在杂交种中受到诱导ꎮ
本研究探讨了NtMYC2b与烟草烟碱含量及其杂种优势的关系ꎬ结果显示ꎬ移栽后80dꎬNtMYC2b66在烟草亲本和杂交种根中的表达量分别较移栽后叶中烟碱含量较移栽后d和亲本平均表达量呈明显上调趋势66d增加ꎮNtMYC2bꎬ且其根和在强
优势组合VA116×巴斯玛中的相对表达量均明显高于弱优势组合VA116×GDH88ꎬ根和叶中烟碱含量及其杂种优势表现也具有相同的趋势ꎮ另外ꎬNt ̄MYC2b表达量与ADC、PMT、MPO表达量及烟碱含量杂种优势呈显著正相关ꎬADC与PMT基因中都含有MYC结合位点和G-box元件ꎮ因此ꎬ推测Nt ̄MYC2b可能通过与ADC、PMT的顺式元件MYC结合位点或G-box元件特异性结合来调控ADC、PMT的表达ꎬ进而促进烟碱的合成ꎬ并且NtMYC2b基因的超显性表达参与了烟碱含量杂种优势的形成ꎮ
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