基于代谢组学研究谷子SiY...育过程中鼠李糖苷的生物合成_韩华蕊.pdf

研究报告生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN2023,39(6):189-198收稿日期：2022-11-29基金项目：谷子种业创新良种联合攻关项目（2022XCZX04-10），山西省高等学校科技创新项目（2021L103），山西农业大学科技创新基金 项目-博士科研启动（2020BQ12），杂粮种质创新与分子育种山西省重点实验室作者简介：韩华蕊，女，硕士研究生，研究方向：种质创新与遗传工程；E-mail:通讯作者：侯思宇，男，副教授，研究方向：种质创新与遗传工程；E-mail:；霍轶琼，女，讲师，研究方向：谷子米色基因功能；E-mail:基于代谢组学研究谷子 SiYABBYs 参与花发育过程中鼠李糖苷的生物合成 韩华蕊1 杨宇琭1 门艺涵1 韩尚玲1 韩渊怀1，2，3 霍轶琼1，2 侯思宇1，2，3（1.山西农业大学农学院，太谷 030801；2.山西农业大学农业生物工程研究所，太谷 030801；3.杂粮种质创新与分子育种山西省重点 实验室，太谷 030801）摘 要：花器官发育是生殖发育的前提和基础，对小穗最终的形成具有决定性作用，YABBY 转录因子在花器官的发育中具有重要作用，探究谷子 YABBY 家族成员的序列特征及表达模式，揭示其与谷子穗发育的关系，为阐明谷子 YABBY 基因家族的功能以及提高谷子产量奠定理论基础。通过对谷子 YABBY 基因家族进行全基因组鉴定，分析 SiYABBYs 的理化性质、组织表达模式，并与拟南芥和水稻 YABBY 蛋白序列比对进行功能预测。结果表明，共鉴定 8 个 YABBY 家族成员，编码 150-303 个氨基酸，在抽穗期和授粉期的穗中特异表达，可能参与谷子营养组织的发育和花器官的形成。对谷子抽穗期和授粉期的代谢组数据与 SiYABBYs的表达水平进行相关性分析发现，SiYABBY1/SiYABBY5/SiYABBY7/SiYABBY8 与鼠李糖苷代谢通路的酶基因紧密关联，表明促进授粉期穗中鼠李糖苷的积累，可能与谷子的成育率及结实率相关。关键词：谷子；YABBY 基因家族；代谢组学；鼠李糖苷DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2022-1463SiYABBYs Involved in Rhamnoside Biosynthesis During the Flower Development of Setaria italica,Based on MetabolomicsHAN Hua-rui1 YANG Yu-lu1 MEN Yi-han1 HAN Shang-ling1 HAN Yuan-huai1,2,3 HUO Yi-qiong1,2 HOU Si-yu1,2,3（1.College of Agriculture,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801;2.Institute of Agricultural Bioengineer,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801;3.Shanxi Key Laboratory of Germplasm Innovation and Molecular Breeding in Minor Crops,Taigu 030801）Abstract:Flower organ is the premise and basis of reproductive development,and also plays a decisive role at the final stage of spikelet formation.YABBY transcription factors play an important role in the development of flower organs.In order to clarify the function of YABBY gene family and improve the yield of foxtail millet(Setaria italica),we studied the sequence characteristics and expression patterns of YABBY gene family members in the foxtail millet.We analyzed genome-wide identification of YABBY gene family in the foxtail millet,the physical and chemical properties,and tissue expression patterns of SiYABBYs gene.Also,we aligned YABBY sequences of the foxtail millet,Arabidopsis and rice（Oryza sativa）for functional prediction.The results showed that 8 YABBY family members in the foxtail millet,encoding 150-303 amino acids.And we found these SiYABBYs genes were specifically expressed in panicles at heading and pollination stages,which may be involved in the development of vegetative tissues and the formation of flower organs in the foxtail millet.The expressions of SiYABBYs were correlated with the metabolome data at heading and pollination stages of the foxtail millet.The results showed that SiYABBY1/SiYABBY5/SiYABBY7/SiYABBY8 were closely related to rhamnoside metabolic pathway.Also,the results indicated that rhamnoside accumulation in the panicles during the pollination might be related to the fertility and seed setting rate of the foxtail millet.Keywords:foxtail millet;YABBY family;metabolomics;rhamnoside生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.6190谷子（Setaria italica）作为一种重要的杂粮作物，具有耐旱、耐瘠薄等优点。谷子籽粒富含蛋白质、维生素以及多种次生代谢物质，可作为应对日益严峻的气候环境和粮食危机的重要作物1。谷子也是一种 C4禾本科模式植物，尤其是生育期短、植株矮小的超早熟突变体 xiaomi，是 C4植物功能基因组学研究的理想系统2。花器官发育是生殖发育的前提和基础，对小穗最终的形成具有决定性作用，花器官的形态建成会直接影响谷子的产量和品质3。植物的生长发育受到环境条件的影响和转录因子的调控4。转录因子通过识别特定的 DNA 基序或与其他蛋白质的相互作用来激活或抑制下游基因转录，赋予植物响应非生物和生物胁迫的功能，从而调节其生长发育过程5。已有研究认为 YABBY 转录因子家族是种子植物特有的，近期研究发现在绿藻、石松属和角苔纲植物中也存在 YABBY 家族同源基因，表明 YABBY 家族转录因子是植物特异性转录因子6。YABBY 转录因子属于锌指蛋白超家族的亚家族，该家族成员编码的蛋白质具有 2 个保守结构域，即 C2C2型锌指结构域和 YABBY 结构域6。植物 YABBY 转录因子家族成员在叶片伸展、生殖器官发育、背腹极性建立以及植物激素和应激反应过程中发挥重要作用7。在双子叶植物中，拟南芥（Arabidopsis thaliana）YABBY 基因家族研究较为深入全面，共含有 6 个YABBY 基因家族成员，在拟南芥植株发育进程中具有不同的功能特征，其中，FILAMENTOUS FLOWER（FIL）、YAB2、YAB3 和 YAB5 参 与 营 养 组 织 的 发育8。FIL 的主要作用是调控花序和花分生组织的形成和发育9；CRABS CLAW（CRC）在心皮远轴端表达，是心皮发育的关键调节因子10；INNER NO OUTER（INO）在胚珠外侧表达，调节外胚珠珠被的发育11-12。在单子叶植物水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）、小麦（Triticum aestivum）中也有诸多 YABBY 家族研究报道。水稻 YABBY 的功能主要与生殖发育有关，如 DROOPING LEAF（DL）调控心皮的形成13；TONGARI-BOUSHI（OsYABBY5TOB1）基因功能缺失导致小穗发育缺陷14；OsYAB1 在雄蕊和心皮的分生组织发育中发挥重要作用15；OsYABBY3 在侧生器官的形成和分生组织的分化中起重要作用；OsYABBY4 可能参与调控维管组织的发育和叶片的极性16；OsYABBY6 可能调控水稻的株高和产量17。玉米 DL 在调节不同品系的叶片结构和植株整体结构中起着关键作用；CRC 亚族的ZmYABBY1 和 ZmYABBY11 主要调控果穗和雄穗小花发育18；ZmYABBY9 和 ZmYABBY14 调控侧生器官（如叶原基）的发育19。小麦 TaYAB2 可能通过调节 FIL/YAB1、YAB3 等基因的表达调控叶片近-远轴极性20。近期对谷子 YABBY 的功能也进行了研究，如SiDL 在拟南芥中的过表达导致开花延迟、叶片卷曲和种子变小21，但对 YABBY 家族其他基因功能的研究还有不足。本研究选取xiaomi超早熟突变体作为试验材料，在 xiaomi 全基因组水平基础上对 YABBY 家族进行鉴定，并对其进行系统发育分析、多序列比对、顺式作用元件分析以及转录组和代谢组联合分析，为进一步研究谷子 SiYABBY 基因功能提供理论依据。1 材料与方法1.1 材料供试材料 xiaomi，由山西农业大学杂粮分子育种团队通过 EMS 诱变晋谷 21 号获得。种子播种在含有蛭石和营养土（11）的花盆中，置于山西农业大学表型平台（温度 23-28、相对湿度 45%-60%、光照 30 000 lx、16 h 光照/8 h 黑暗）生长。于抽穗后 2 d 和授粉期分别取 xiaomi 穗和叶片液氮速冻，-80保存备用，用于非靶向代谢组学分析和表达分析；另外，于灌浆期取 xiaomi 旗叶和倒 4 叶液氮速冻，-80保存备用，用于表达分析。1.2 方法1.2.1 谷子 YABBY 基因家族成员鉴定 谷子基因组文件、蛋白序列文件和基因注释文件下载于山西农业大学杂粮分子育种团队公开的谷子多组学数据库（MDSi，http:/ AGRIS（https:/agris-knowledgebase.org/）下载拟南芥 YABBY 基因家族的所有蛋白序列，利用 TBtools的本地 blastp 程序对谷子蛋白序列进行比对，初步获得谷子 YABBY 家族候选蛋白，另外，在 PFAM2023,39(6)191韩华蕊等：基于代谢组学研究谷子 SiYABBYs 参与花发育过程中鼠李糖苷的生物合成数据库（http:/pfam.xfam.org