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低温和干旱严重影响植物生长和繁殖。为适应不良环境变化,植物在生理及生化水平上发育了多种调节机制。早有研究证明,植物在适应逆境胁迫的过程中,常伴随着逆境胁迫相关基因的表达。TCP转录因子家族基因参与植物生长及环境胁迫的多重调节,目前该家族基因在木薯中少有研究。因此研究木薯TCP家族基因在低温及干旱胁迫下的系统发育及表达模式,对木薯育种有指导意义。本研究通过生物信息学和分子生物学方法对木薯TCP家族进行了系统的研究。同时克隆了 MeTCP4基因,通过对该基因在拟南芥中的超量表达研究其功能。主要研究结果如下:1.木薯全基因组共编码36个TCP家族成员基因,命名编号分别为:MeTCP2至MeTCP23。木薯TCP家族基因具有典型的TCP结构域。36个木薯TCP基因编码蛋白质所含氨基酸的个数范围是73到562;相关分子质量范围是8.3到58.1KDa;等电点范围是5.53到10.08。系统进化树分析结果显示木薯TCP家族基因能够被分为8个不同亚族(A—H),木薯TCP家族基因与拟南芥TCP家族基因亲缘关系最为接近。2.木薯TCP家族基因结构及保守结构域分析显示:同一亚族中的木薯TCP基因,其外显子的长度及内含子的个数呈现出相似的外显子-内含子分布,此结论与系统进化分析结果一致。36个木薯TCP基因中有16个基因没有内含子;除了 MeTCP16基因含有4个内含子外,其它的基因含有1至3个内含子。木薯TCP家族成员基因编码的蛋白质共有20个保守结构域,命名为:motif1到motif20。同一亚族木薯TCP基因具有相似的结构域构成,不同亚族之间高度分离。3.实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析结果显示:木薯MeTCP家族成员在不同组织中表达量不同,大部分基因在茎、叶、牙尖中的表达量均高于根中的表达量。木薯TCP家族成员基因在不同组织中的表达量差异很大,而且单个基因在不同组织中的表达量也有差异。木薯TCP家族差异性表达基因中,有一些基因在特定组织中的表达量很高。例如:MeTCP2a、MeTCP3a、MeTCP5b、MeTCP8a、MeTCP13a 和MeTCP20d在叶中特异性高表达,表明这些基因在叶器官中发挥重要作用。4.实时荧光定量PCR检测ABA、GA3、IAA、JA、ZT和6-BA处理下36个木薯TCP基因的表达水平。结果发现:6种激素均能够引起木薯TCP家族基因出现差异性表达水平。同时发现木薯TCP家族中有22个TCP基因对ABA特别敏感,说明这些基因或许介导ABA信号途径参与调控植物非生物胁迫过程。5.低温和干旱胁迫下,RNA-seq分析木薯TCP家族基因表达模式显示:低温和干旱胁迫处理下,分别有18个和24个木薯TCP基因的表达量显著改变,且倍数变化大于2倍,推测其可能参与木薯适应低温和干旱胁迫过程。木薯MeTCPs家族基因启动子区顺式作用调控原件分析发现:低温和干旱胁迫下,12个显著上调或下调表达的木薯TCP基因其启动子区存在共有的顺式作用调控原件,推测这些共有的顺式作用原件可能参与胁迫响应过程。6.MeTCP4基因开放性阅读框(ORF)长1269bp,编码422个氨基酸,预测编码蛋白质相对分子质量为45.75KD,理论等电点为6.17。从木薯基因组中成功克隆得到MeTCP4基因全长cDNA。荧光定量RT-PCR结果显示:MeTCP4基因在各组织器官都有表达,根部表达最低、茎次之、叶子中表达最高并且MeTCP4基因受干旱及低温胁迫抑制。7.拟南芥转化获得35s::rMeTCP4过表达拟南芥植株,表型观察发现:转基因拟南芥相比野生型拟南芥来说,其莲座叶较小、较圆、常暗绿色,整体长势较紧凑,簇状型生长;叶片边缘较野生型拟南芥圆滑。低温胁迫下,转基因拟南芥中MeTCP4的过表达提高了脯氨酸和可溶性糖含量;降低了 MDA的含量。说明MeTCP4基因能够增强转基因拟南芥对低温胁迫的适应机制。qRT-PCR分析结果显示:35s::rMeTCP4过表达拟南芥植株中响应低温胁迫关键基因(CBF转录因子、RD29a、COR15a和COR47)均较野生型显著上调表达,说明MeTCP4直接影响了低温胁迫关键基因的表达,增强了 35s::rMeTCP4过表达转基因拟南芥植株的耐寒性。8.低温胁迫下,转基因型与野生型拟南芥差异表达基因GO富集分析发现:其差异基因GO富集主要集中在氧化还原酶活性、过氧化物酶活性、抗氧化剂活性和催化剂活性方面。RNA-seq结果显示:许多响应低温和ABA胁迫相关的基因出现显著差异性表达,多数在转基因拟南芥中显著上调表达;qPCR验证与RNA-seq结果保持一致。