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膜定位信号对重复基因BrrICE1.2功能分化的影响

批准号:
32100315
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
尹欣
学科分类:
植物资源保护与利用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
尹欣

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
重复基因的功能分化是植物产生新基因的主要来源,其中蛋白本身特征变化对其功能分化贡献更大,但作用机制仍然需要进一步揭示。芜菁是青藏高原传统种植的芸薹属作物,对高原极端环境有较强的适应性。前期研究发现芜菁ICE1基因是重复基因,其中BrrICE1.1保留祖先抗低温的功能,而BrrICE1.2的膜定位信号(GGERV)影响BrrICE1.2的细胞膜定位及与BrrCIPKs的相互作用,暗示膜定位信号可能引起了BrrICE1.1和BrrICE1.2的功能差异。因此,本项目拟通过分析BrrICE1.2的膜定位信号对BrrICE1.2与BrrCIPKs互作的能力、位点磷酸化的差异、转基因株系的抗逆性以及对下游靶基因调控等方面的作用,解析膜定位信号对芜菁重复基因BrrICE1.2功能分化的影响。本项目的结果将揭示由蛋白本身特征变化引起重复基因功能分化的机制,为高原作物适应极端环境提供理论依据。
英文摘要
Functional divergence of duplicated genes is the main source of new genes generation in plants, among which changes in the characteristics of the protein itself contribute more to its functional divergence, but the mechanism still needs to be further revealed. Turnip is a traditional Brassica crop grown on the Qinghai-Tibetan plateau with strong adaptability to the extreme environment of the plateau. Previous studies found that the turnip ICE1 gene is a duplicate gene, in which BrrICE1.1 retains the function of ancestor resistance to low temperature, while the membrane localization signal (GGERV) of BrrICE1.2 affects the cell membrane localization of BrrICE1.2 and the interaction with BrrCIPKs, suggesting that the membrane localization signal may cause the functional differences between BrrICE1.1 and BrrICE1.2. In the present project, we aim to analyze the effects of membrane localization signals of BrrICE1.2 on the ability of BrrICE1.2 to interact with BrrCIPKs, differences in site phosphorylation, resistance of transgenic plants and regulation of downstream target genes, so as to resolve the effects of membrane localization signals on the functional divergence of the turnip duplicated gene BrrICE1.2. Our results will reveal the mechanism of functional divergence of the duplicated gene caused by changes in the characteristics of the protein itself, and provide theoretical basis for the adaptation of plateau crops to extreme environments.
重复基因的功能分化是植物适应环境的重要机制,其中蛋白特征变化的作用机制尚待深入解析。本项目以青藏高原传统作物芜菁(Brassica rapa var. rapa)为研究对象,聚焦重复基因BrrICE1.2的膜定位信号(GGERV)对其功能分化的影响。前期研究发现,重复基因BrrICE1.1保留祖先抗低温功能,而BrrICE1.2因膜定位信号差异表现出潜在的功能分化。本项目通过对芜菁基因组测序与组装,BrrICE1.1和BrrICE1.2的来源分析,膜定位信号对BrrICE1.2与BrrCIPKs相互作用、磷酸化位点、亚细胞定位及功能的影响,以及对下游靶基因调控的差异分析,明确了膜定位信号对BrrICE1.2功能分化的影响。研究发现,通过全基因组测序与组装(409.69 Mb,Contig N50=1.21 Mb),明确BrrICE1.1源自全基因组复制(WGD),BrrICE1.2源自转座重复(TRD)。实验表明,膜定位信号是BrrICE1.2与BrrCIPK23.2等蛋白激酶相互作用的关键,删除该信号(BrrICE1.2-m)后互作能力丧失。转基因植株表型分析显示,BrrICE1.2在低钾胁迫下显著增强植株耐受性,且细胞定位发生移动,而BrrICE1.2-m失去此功能。磷酸化位点鉴定发现,BrrICE1.2在低钾胁迫下被磷酸化的位点与BrrICE1.2-m存在差异,且相关BrrCIPKs的磷酸化位点数量显著减少,表明膜定位信号通过调控蛋白互作影响信号转导。转录组分析进一步证实了BrrICE1.2和BrrICE1.2-m转基因植物在低钾胁迫下的功能注释存在显著差异。研究结果首次揭示膜定位信号通过介导蛋白互作与磷酸化调控,驱动重复基因功能分化,为解析芸苔属植物适应高原极端环境的分子机制提供了新视角,并为作物抗逆性改良奠定了理论基础。
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