谷子SiPRR37基因對光溫、非生物脅迫的響應特點及其有利等位變異鑒定

賈小平 李劍峰 張 博 全建章 王永芳 趙 淵 張小梅 王振山 桑璐曼 董志平,*

谷子基因對光溫、非生物脅迫的響應特點及其有利等位變異鑒定

賈小平1,*李劍峰1張 博1全建章2王永芳2趙 淵1張小梅1王振山1桑璐曼1董志平2,*

1河南科技大學農學院, 河南洛陽 471023;2河北省農林科學院谷子研究所/ 國家谷子改良中心, 河北石家莊 050035

從谷子品種延谷11號克隆生物鐘基因, 通過生物信息學分析、組織特異性表達分析、4種不同光溫組合條件的晝夜表達模式分析以及對NaCl、ABA、PEG、低溫、Fe 5種非生物脅迫的響應特點分析, 揭示參與谷子光溫互作調控以及應對非生物脅迫的作用機制; 并對160份谷子材料重測序檢測基因的突變位點進行單倍型分析, 探究該基因對谷子主要農藝性狀的影響。結果表明,基因蛋白質編碼區(sequence coding for amino acids in protein, CDS)全長2247 bp, 編碼748個氨基酸, 含有REC和CCT 2個結構域, 基于PRR37蛋白的系統進化分析發現, 谷子與糜子、高粱、玉米親緣關系最近; 啟動子預測分析發現,啟動子區存在光、溫、生長素、赤霉素、脫落酸、茉莉酸甲酯、干旱和鹽脅迫等多種應答元件。相對表達量從高到低依次為根、穗頸、穗、頂葉、次頂葉、莖稈; 4個光溫組合條件均只在光照期出現1個表達峰, 無論高溫(27℃)還是低溫(22℃), 短日照相比長日照表達峰均要提前, 無論長日照還是短日照, 低溫(22℃)相比高溫(27℃)表達峰均要提前; NaCl、低溫(15℃)脅迫能夠抑制表達, PEG模擬干旱脅迫和Fe脅迫能夠誘導基因表達,參與了ABA信號傳導過程。位于CDS區的10個SNP將160份谷子材料分為19個單倍型, 其中3個單倍型(Hap_7、Hap_10、Hap_19)是改善穗部性狀的有利單倍型。谷子基因表達具有晝夜節律性, 同時受光周期和溫度調控, 并且參與了谷子對鹽脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫和鐵脅迫的應答反應, 同時與抽穗期和多個穗部性狀相關, 在開展谷子高產分子輔助選育中具有一定應用潛力。

谷子;; 光溫組合; 非生物脅迫; 表達分析; 單倍型

偽應答調控蛋白(pseudo-response regulators, PRRs)基因屬于CCT基因家族中的PRR亞家族, 所編碼蛋白的氨基端含有1個PRR結構域, 羧基端含有1個CCT結構域, 這2個結構域被1個不太保守的可變域分割[1-2]。作為生物鐘核心組分, PRRs基因廣泛參與植物光周期調控開花、抵御非生物脅迫及生物量積累等多個生長發育過程[3-5]。

是從水稻中克隆的1個非常關鍵的生物鐘基因, 與控制光周期敏感性的主效QTL Hd2密切相關, 影響株高、開花期和每穗小穗數[6-7];的天然突變促進了水稻向亞洲高緯度地區的擴張, 使其地理適應性和種植面積都得到提升[8-10]。大麥、小麥和高粱與同源, 同樣在對應作物光周期調控開花過程中發揮重要功能, 影響區域適應性[11-13]。PRR37蛋白提前終止、CCT結構域和PRR結構域中的錯義突變會影響作物對光周期的敏感性, 進而影響表型性狀, 因此可以把作為改變生態適應性的靶點, 通過選擇特定的堿基突變類型(單倍型)從而達到所需的適應性表型, 發掘該基因有利等位變異, 在作物廣適應性高產分子輔助選擇育種中展現良好應用前景[5,11,14-16]。如水稻開花期與表達水平顯著相關, 利用可以增強水稻光溫敏感性, 從而實現對開花期的調節[17]。除了與生態適應性密切相關,的直系同源基因還參與了擬南芥對干旱脅迫的抵御過程, 其許多靶基因能夠負調控植物ABA以響應干旱脅迫[18-20]。基因的作用靶點還包括fer1、fer3和fer4 三種鐵蛋白, 在植物鐵過量應激反應中具有保護作用[21]。此外低溫誘導可使及其他生物鐘基因形成不同的可變剪切體, 導致不同的轉錄本產生, 通過負調控抗冷基因(C-repeat-binding factor)表達來響應冷脅迫[20,22-23]。

目前對基因的研究主要集中于光周期調控開花、逆境脅迫響應機制方面, 有關該基因在禾本科作物光溫互作調控中的作用機制尚未見報道, 同時在非生物脅迫中的作用機制研究局限于擬南芥、水稻幾種模式植物, 在C4作物中的研究比較缺乏。谷子(L.)是我國的傳統雜糧作物, 具有基因組較小(約515 Mb)、籽粒營養價值高、生育期短、抗旱性強、耐貧瘠和高光效等優點, 已經成為北方干旱半干旱地區重要的糧食作物以及C4禾谷類作物的理想模型[24-27]。谷子對光溫反應敏感, 自然界存在豐富的光溫敏感型變異材料, 是揭示C4作物光溫敏感性形成分子機制的合適對象[28]。有關谷子光溫敏感性研究較少, 主要包括光溫敏感性指標篩選、光周期敏感性相關性狀QTL定位等方面[29-36]。谷子全基因組序列測定及大量轉錄組數據的公布為利用反向遺傳學方法快速克隆光溫敏感性關鍵基因提供了便利, 這對揭示谷子光溫敏感性形成的分子機制具有極大的促進作用, 因此本研究利用RT-PCR技術克隆谷子生物鐘關鍵基因, 設置不同光溫組合條件、不同非生物脅迫條件分析該基因的表達規律, 并通過對160份谷子材料重測序檢測基因突變位點, 進行單倍型效應分析, 以期揭示參與谷子光溫互作調控和抵御非生物脅迫的可能機制, 確定其對主要農藝性狀的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究用于基因克隆及表達分析的谷子品種為來自陜西的延谷11號, 該品種對光溫敏感, 是研究春谷品種光溫敏感性的理想材料。用于重測序及單倍型分析的160份谷子材料見附表1。

1.2 谷子SiPRR37基因的克隆

首先通過檢索NCBI數據庫獲得1條注釋為基因的谷子mRNA序列(XM_022824614), 將該基因命名為, 以此序列為模板設計3對特異引物用于基因擴增(表1)。將延谷11號飽滿種子種植于口徑為10 cm×10 cm裝有營養土的塑料盆中, 在自然條件下生長至五葉期時采集頂葉, 液氮速凍, 然后用Ultrapure RNA Kit (康為世紀生物科技有限公司)提取總RNA, 用PrimeScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit (寶日醫生物技術(北京)有限公司)反轉錄合成第一鏈cDNA, 用3對特異性引物分段擴增目的基因, 擴增體系包括稀釋10倍的cDNA模板1 μL、2×EsMasterMix (Dye) (康為世紀生物科技有限公司) 10 μL、10 μmol L-1正、反向引物各0.5 μL, 最后用ddH2O補足到20 μL。PCR擴增程序為94℃預變性5 min; 94℃變性30 s、58℃退火30 s、72℃延伸90 s, 35個循環; 72℃延伸5 min。用EasyPure Quick Gel Extraction Kit (北京全式金生物技術有限公司)純化回收PCR產物, 然后連接到pBM16A克隆載體(北京艾德萊生物科技有限公司), 再轉化大腸桿菌DH5α感受態細胞, 挑選陽性克隆菌液送生工生物工程(上海)股份有限公司測序。

表1 特異性引物

1.3 谷子SiPRR37基因的生物信息學分析

利用在線分析工具SubLoc軟件(http://www. csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi)分析基因亞細胞定位; 用NCBI的CDD數據庫(http://www.ncbi.nlm. nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)搜索谷子SiPRR37蛋白的保守結構域; 用DISPHOS (http://www.dabi. temple.edu/disphos/)預測谷子SiPRR37蛋白的磷酸化位點。利用 DNAMAN 5.0軟件將谷子SiPRR37蛋白序列與NCBI數據庫中下載的其他32個物種的PRR37蛋白序列進行多序列比對, 用MEGA 6.05軟件構建分子系統發育樹。從phytozome數據庫(https:// phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html)下載谷子2號染色體基因上游49,117,628~49,119,628 bp之間序列, 用啟動子分析軟件plantCARE (http://bioinformatics. psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)分析基因啟動區順式作用元件。

1.4 谷子SiPRR37基因的表達分析

將延谷11號種子種于口徑10 cm×10 cm裝有營養土的塑料方盆中, 總計種植115盆, 每盆種植4株。將其中3盆放在低溫短日照(low temperature short day, LTSD, 22℃、9 h光/15 h暗)條件下培養至抽穗, 然后用剪刀剪取穗、穗頸、莖稈、頂葉、次頂葉和根, 放入液氮速凍, 每個樣品3次重復, 用于基因的組織特異性表達分析。

將64盆放在自然條件下長至三葉期后分別轉至高溫短日照(high temperature short day, HTSD, 27℃、9 h光/15 h暗)、低溫短日照(low temperature short day, LTSD, 22℃、9 h光/15 h暗)、高溫長日照(high temperature long day, HTLD, 27℃、15 h光/9 h暗)、低溫長日照(low temperature long day, LTLD, 22℃、15 h光/9 h暗) 4個培養箱培養, 每個培養箱16盆, 2個重復, 3周后晝夜24 h內每隔3 h取植株頂端2片葉液氮速凍, 取樣時間點為6:00、9:00、12:00、15:00、18:00、21:00、0:00、3:00, 所取樣品用于基因晝夜表達分析。

剩余的48盆分為6組, 1個對照(CK)組, 5個脅迫處理組, 每組8盆, 在培養室萌發3周后分別進行200 mmol L-1NaCl、100 μmol L-1ABA、20% PEG-6000、600 μmol L-1EDTA-Fe和15℃冷脅迫處理。NaCl、EDTA-Fe和PEG-6000處理采用澆灌法, ABA處理采用葉面噴灑法, 將整盆植株移入15℃冰箱進行冷脅迫處理。分別取各處理組和對照組(CK)在處理前(0 h)和處理后0.5、1、2、4、8、16、24 h每株頂端2片葉于液氮速凍, 培養室溫度為25℃, 光照條件為14 h光/10 h暗, 所取樣品用于基因在非生物脅迫條件下的表達分析。

上述所有樣品RNA提取、反轉錄同1.2, 將反轉錄好的cDNA作為Real-time PCR的模板, 用表1中的SiActin引物和RtPRR37引物分別擴增內參基因和基因特異片段, 每個樣品做3個重復, 擴增體系及循環程序參照寶日醫生物技術(北京)有限公司的TB Green Premix ExII (Tli RNaseH Plus)試劑說明書, 首先配制10 μL擴增體系, 包含cDNA模板1 μL、TB Green Premix ExII (Tli RNaseH Plus) 5 μL、10 μmol L-1的RtPRR37正向和反向引物各1 μL、ddH2O 2 μL。使用Roche Light Cycler 96實時定量PCR儀, 采用兩步法PCR反應程序, 擴增程序為95℃預變性30 s; 95℃變性30 s, 58℃退火30 s, 共40個循環。分析得到的擴增曲線、溶解曲線, 并計算??CT值, 采用2?ΔΔCT計算相對表達量。

1.5 SiPRR37基因單倍型效應分析

從160份谷子材料重測序數據中獲得基因SNP位點, 利用dnasp 5軟件對基因編碼區的SNP位點進行單倍型分析, 利用本實驗室于2015、2016連續2年在海南樂東、河南洛陽、吉林吉林市、公主嶺市調查的160份谷子材料8個農藝性狀表型數據進行單倍型效應分析[30]。

2 結果與分析

2.1 谷子SiPRR37基因的克隆及生物信息學分析

首先提取延谷11號葉片總RNA, 經1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測所提RNA質量較好, 無明顯降解, 可以用于后續的反轉錄試驗(圖1)。以反轉錄合成的第一鏈cDNA為模板, 用PRR37-1、PRR37-2和PRR37-3 3對特異性引物分段擴增基因, 均獲得預期大小片段(圖2-A, B)。將3個擴增片段測序后經過拼接得到谷子基因含有完整編碼區域的cDNA序列, 該序列長度為2953 bp, 包含2247 bp的CDS區域, 編碼748個氨基酸(附圖1)。

1, 2: 提取的兩管RNA。1, 2: two tubes of RNA extracted.

圖2 SiPRR37基因的RT-PCR產物電泳結果

M: marker DL2000; A: PRR37-1, PRR37-2擴增產物; B: PRR37-3擴增產物。

M: marker DL2000; A: amplified products of PRR37-1 and PRR37-2; B: amplified product of PRR37-3.

生物信息學分析發現, 谷子SiPRR37蛋白定位于細胞核中, 該蛋白含有2個明顯的結構域, 即REC和CCT結構域(圖3); SiPRR37蛋白的多肽鏈中只有絲氨酸(Ser)可能發生磷酸化, 85個絲氨酸殘基中較易發生磷酸化的有14個, 占16.47% (附圖2)。

在NCBI數據庫中下載與谷子SiPRR37蛋白具有直系同源關系的大麻(XP_ 030488228.1)、棗(XP_015877113.1)、蓖麻(XP_015578380.1)、澳洲棉(KAA3464109.1)、番木瓜(XP_021910105.1)、葡萄(XP_010658157.1)等32種植物的PRR37蛋白序列, 采用NJ法構建分子系統進化樹發現, 谷子與糜子親緣關系最近, 其次是高粱和玉米, 這4種C4作物聚為一個小亞群, 與同為禾本科作物的小麥和水稻聚為一個較大的群, 其余物種聚在另一個大群里(圖4)。

分析基因上游啟動子區發現, 除了TATA-box、CCAAT-box核心啟動子元件外, 還有8個光響應元件、1個低溫響應元件、2個赤霉素響應元件、1個生長素響應元件、2個ABA響應元件和2個茉莉酸甲酯響應元件, 說明基因受光溫和多種激素調控。此外啟動子區還發現2個參與干旱、鹽等逆境脅迫的作用元件, 說明在谷子應對逆境脅迫中可能發揮作用(表2)。

2.2 SiPRR37基因的組織特異性表達分析

通過分析基因在延谷11莖稈、根、穗頸、頂葉、次頂葉和穗6個部位的相對表達量發現, 在抽穗后,基因在根中表達量最高, 莖稈中表達量最低, 相對表達量從高到低依次為根>穗頸>穗>頂葉>次頂葉>莖稈(圖5)。

2.3 SiPRR37基因在4種光溫組合條件下的表達分析

在4種光溫組合條件下基因均在光照期出現1個表達峰, 且光照期的表達量明顯高于黑暗期, 說明該基因受光誘導(圖6-A~D)。此外無論低溫(22℃)還是高溫(27℃),在短日照條件的表達峰均比長日照提前, 低溫條件短日照在光照6 h表達量最高, 長日照在光照9 h表達量最高; 高溫條件短日照在光照9 h表達量最高, 長日照在光照12 h表達量最高。同時可以看出, 溫度的提高使的表達峰無論長日照條件還是短日照條件均發生推遲。說明在受光周期調控的同時也受溫度的影響。

表2 SiPRR37啟動子區順式作用元件分析

柱上不同大小寫字母分別表示在0.01和0.05水平差異顯著。

Values followed by different uppercase and lowercase letters above the bar represent significant difference at the 0.01 and 0.05 proba-bility levels, respectively.

2.4 谷子SiPRR37基因對非生物脅迫的響應

基因在NaCl脅迫處理24 h內表達量均顯著或極顯著低于對照, 說明鹽脅迫能夠明顯抑制基因的表達(圖7-A); 在ABA處理2~12 h表達水平和對照產生極顯著差異, 說明參與了ABA信號傳導過程(圖7-B); 在PEG脅迫處理4 h、24 h與對照表達量無顯著差異, 其余時間點表達量均極顯著高于對照, 說明可以被干旱脅迫誘導表達(圖7-C)。

15℃低溫脅迫處理除了在處理12 h被誘導表達、處理18 h 表達水平接近于對照, 其余時間點表達量均顯著或極顯著低于對照, 說明總體上15℃低溫脅迫處理使表達受到抑制(圖7-D)。Fe脅迫處理的24 h內除了處理1 h基因的表達量與對照無顯著差異, 其余時間點表達水平均顯著或極顯著高于對照(圖7-E), 說明鐵脅迫處理可以誘導基因的表達, SiPRR37蛋白有fer1、fer3和fer4 3種鐵蛋白作用靶點, 推測其在鐵過量應激反應中具有保護作用。

A: 低溫條件不同光周期對基因的影響; B: 短日照條件不同溫度對基因的影響; C: 長日照條件不同溫度對基因的影響; D: 高溫條件不同光周期對基因的影響。長日照: 6:00–21:00光照, 0:00–6:00和21:00–0:00為黑暗; 短日照: 6:00–15:00光照, 0:00–6:00和15:00–0:00為黑暗。LTSD: 低溫短日照; LTLD: 低溫長日照; HTSD: 高溫短日照; HTLD: 高溫長日照。柱上不同大小寫字母分別表示在0.01和0.05水平差異顯著。

A: the effect of different photoperiods ongene under low temperature condition; B: the effect of different temperatures ongene under short-day condition; C: the effect of different temperatures ongene under long-day condition; D: the effect of different photoperiods ongene under high temperature condition. Long day: 6:00–21:00 light, 0:00–6:00 and 21:00–0:00 dark; Short day: 6:00–15:00 light, 0:00–6:00 and 15:00–0:00 dark. LTSD: low temperature short day; LTLD: low temperature long day; HTSD: high temperature short day; HTLD: high temperature long day. Different uppercase and lowercase letters above the bar represent significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

A: 鹽脅迫; B: ABA滲透脅迫; C: PEG模擬干旱脅迫; D: 低溫脅迫; E: 鐵脅迫。柱上不同大小寫字母分別表示在0.01和0.05水平差異顯著。

A: salt stress; B: ABA osmotic stress; C: PEG simulated drought stress; D: low-temperature stress; E: iron stress. Different uppercase and lowercase letters above the bars represent significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

2.5 SiPRR37基因單倍型效應分析

從160份谷子重測序數據中提取獲得14,343 bp的基因核苷酸序列, 包括978 bp的5￠非翻譯區、2247 bp的編碼區、10,440 bp的內含子區和678 bp的3￠非翻譯區。對基因結構進行分析發現, 該基因編碼區有7個外顯子、6個內含子。經對160份谷子材料基因序列進行比對共獲得47個SNPs, 其中外顯子區10個SNPs, 包括8個錯義突變, 錯義突變頻率為80% (表3)。

對基因外顯子區的10個SNP位點進行單倍型分析, 共發現19個單倍型, 160份谷子材料在19個單倍型中分布不均衡, 出現頻率最高的單倍型是Hap_1, 包括84個谷子品種, 占所有品種的52.5%; 8個單倍型(Hap_3、Hap_4、Hap_8、Hap_10、Hap_12、Hap_17、Hap_18和Hap_19)只包含1個品種, 占所有品種的5% (附表2)。對19個單倍型進行表型效應分析發現, Hap_19的抽穗期、葉片數、穗長、穗碼數顯著高于其他單倍型, 但是千粒重最低(圖8-A, C, D, F, H); Hap_10的穗粒重、穗粗、穗重顯著高于其他單倍型(圖8-B, E, G); Hap_7的千粒重最高(圖8-H)。

3 討論

本研究從延谷11克隆的基因與在水稻和高粱中已報道的、、等基因一樣, 均屬于CCT基因家族中的PRR亞家族[3,13,16,37]。基于PRR37蛋白序列的系統進化分析表明,、與谷子有較近的進化關系, 推測它們可能具有相同或類似的功能, 能對節律性變化的環境條件作出應答反應, 參與植物開花期的調控[8]。基因通過感受外界光周期和溫度的變化而調控抽穗開花, 對水稻的環境適應性有重要影響, 是控制水稻抽穗期、株高和每穗小穗數的主效基因[5-8]; 而高粱與籽粒成熟度和莖稈甜度相關[17]; 小麥對抽穗期、株高和千粒重有顯著影響[38]。表明是一個多效基因, 同時控制多個農藝性狀。本研究通過單倍型效應分析發現,基因與谷子抽穗期、穗碼數、穗粒重、千粒重等性狀相關, 同樣具有多效性, 與其他作物報道的基因研究結果一致[2,5-6,17,38,40]。但是的表達模式與存在差異, 雖然三者的表達都是光依賴性的, 屬于光周期途徑中調控作物開花的主要基因[7,13],在長日照下具有早晨和黃昏2個表達峰, 在短日照下僅有早晨表達峰, 而無論高溫還是低溫、長日照還是短日照, 只在光照期出現1個表達峰, 在暗期表達峰消失, 其晝夜節律性表達與擬南芥直系同源基因相似[37]。產生這種結果的原因可能和取樣間隔時間有關, 本研究晝夜取樣間隔時間為3 h, 較疏的取樣密度可能會漏掉潛在的表達峰。本研究發現, 溫度的提高使的表達峰無論長日照條件還是短日照條件均發生推遲, 但不影響短日照條件的表達峰比長日照提前, 說明光周期對表達起主要調控作用, 但其同時也受溫度的影響,可能參與了谷子光溫互作調節過程。我們近期發現光周期和溫度對谷子生長發育具有明顯的互作效應, 長日照條件溫度升高使抽穗期延遲, 而短日照條件溫度升高使抽穗期縮短, 高溫的作用受到光周期的制約[39],基因在此互作過程中起到怎樣的作用值得深入研究。

表3 SiPRR37基因在160份谷子材料中檢測到的SNP位點

柱上不同大小寫字母分別表示在0.01和0.05水平差異顯著。

Bars marked with different uppercase and lowercase letters represent significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

PRRs家族基因還廣泛參與逆境脅迫調節過程。有研究表明溫度主要影響生物鐘基因的可變剪切方式, 低溫可以使PRRs家族基因形成不同的轉錄本來影響生物鐘功能和增強植物對冷脅迫的耐受性[22]。在冷脅迫中,、、作為負調節因子來調節抗冷基因的表達[20,23]。有研究發現, 水稻受到冷脅迫刺激后, 會促進的表達[41], 但是本研究中基因在15℃低溫脅迫下表達被顯著抑制, 這表明PRRs家族基因在不同的作物中對低溫脅迫的應對方式存在差異。鐵也是一種非生物脅迫因子, 土壤中過量的鐵會損害作物根系細胞, 降低生長能力, 比缺鐵時更影響產量。有研究表明具有fer1、fer3和fer4三種鐵蛋白作用靶點, 而鐵蛋白在作物中能夠儲存過量的鐵, 因此推測參與了鐵脅迫調節過程[18,21]。本研究發現, 鐵脅迫處理可誘導基因的表達, 推測該基因也具有鐵蛋白作用靶點, 在作物鐵過量應激反應中具有保護作用。PRRs家族基因也參與植物對干旱脅迫的響應[42]。在水稻中, 干旱可以抑制的表達, 誘導的表達, 對、和基因的影響較小[43]; 在大豆中,的直系同源基因在干旱脅迫下表達減弱, 僅的表達增高, 在響應干旱脅迫中發揮作用。本研究發現, 干旱脅迫可以誘導的表達, 說明基因參與了谷子干旱脅迫的應答反應, 與水稻不同。ABA在植物對逆境的適應性反應中起著重要作用, 已有的研究表明, PRRs家族的基因與ABA調控基因有部分重疊,能夠結合到ABA調控基因啟動子上抑制、、等基因的表達, 這些基因的表達又能促進表達, 從而能夠形成調節ABA信號傳導的調節環, 以增加植物抗逆性[44]。本研究發現,在ABA脅迫1 h后開始響應表達, 隨后多數時間點表達受到抑制, 推測通過某種作用機制參與了ABA介導的信號傳導過程。

4 結論

從延谷11克隆得到基因2953 bp的cDNA序列, 包含2247 bp的完整CDS區域, 編碼748個氨基酸;基因含有REC和CCT 2個結構域, 屬于CCT基因家族的PRR亞家族成員, 與玉米PRR37、高粱SbPRR37、糜子PRR37蛋白親緣關系較近;基因表達具有晝夜節律性, 且同時受光周期和溫度調控, 可能參與了谷子光溫互作調節過程;基因受干旱脅迫和鐵脅迫誘導, 受鹽脅迫和低溫脅迫抑制, 參與了對非生物脅迫的應答;基因和抽穗期及多個穗部性狀相關, 具有多效性, 鑒定出Hap_19、Hap_10、Hap_7三個用于谷子生育期和穗部性狀改良的有利單倍型。

附表和附圖 請見網絡版: 1) 本刊網站http://zwxb. chinacrops.org/; 2) 中國知網http://www.cnki.net/; 3) 萬方數據http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical-zuow xb.aspx。

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Responsive features ofto photoperiod and temperature, abiotic stress and identification of its favourable allelic variations in foxtail millet (L.)

JIA Xiao-Ping1,*, LI Jian-Feng1, ZHANG Bo1, QUAN Jian-Zhang2, WANG Yong-Fang2, ZHAO Yuan1, ZHANG Xiao-Mei1, WANG Zhen-Shan1, SANG Lu-Man1, and DONG Zhi-Ping2,*

1College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan, China;2Institute of Millet, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences / National Millet Improvement Center, Shijiazhuang 050035, Hebei, China

In this study, the clock genewas cloned from the foxtail millet variety Yangu 11, and bioinformatics analysis, tissue specific expression analysis, diurnal expression patterns analysis under four different photo-thermal combinational conditions and responsive characteristics analysis to five abiotic stresses such as NaCl, ABA, PEG, low temperature and Fe were performed to reveal the mechanisms thatparticipated in regulating of photo-thermal interaction and coped with abiotic stresses. Mutation sites ofwere detected by re-sequencing of 160 millet materials, which were used for haplotype analysis to explore the effect ofon main agronomic traits. The results showed that the CDS length ofgene was 2247 bp, which encoded 748 amino acids and contained REC and CCT domains. The phylogenetic analysis based on PRR37 proteins showed that foxtail millet had the closest relationship with broomcorn millet, sorghum and maize. Promoter prediction analysis found that various responsive elements to light, temperature, auxin, GA, ABA, MeJA, drought and salt stresses were detected in promoter region of. The decreasing order of relative expression level ofwas root, panicle neck, panicle, parietal leaf, secondary parietal leaf and stem. Under four photo-thermal combinational conditions,gave only one expression peak during the light period, and regardless of high temperature (27℃) or low temperature (22℃), the expression peak advanced under short-day condition compared to long-day condition, regardless of long-day or short-day, the expression peak advanced at low temperature (22℃) compared to high temperature (27℃). The expression ofwas inhibited by NaCl and low temperature (15℃) stresses, induced by PEG-simulated drought stress and Fe stress.participated in ABA signaling transduction process. The 10 SNPs in CDS region ofdivided 160 millet materials into 19 haplotypes, of which Hap_7, Hap_10 and Hap_19 were favorable haplotypes for improving panicle traits.exhibited circadian expression, and was regulated by photoperiod and temperature simultaneously.participated in the responses of foxtail millet to salt stress, low temperature stress, drought stress and Fe stress. At the same time,was correlated with heading stage and multiple panicle traits, showing certain application potential in high-yield molecular-assisted breeding of foxtail millet.

foxtail millet;; photo-thermal combinations; abiotic stress; expression analysis; haplotype

10.3724/SP.J.1006.2021.04139

本研究由國家自然科學基金項目(31471569)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31471569).

賈小平, E-mail: jiaxiaoping2007@163.com; 董志平, E-mail: dzp001@163.com

2020-06-25;

2020-10-14;

2020-11-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20201120.1412.004.html