谷子m6A甲基转移酶基因SiMTA1的启动子序列特征和基因表达模式分析
沈傲, 刘敏, 倪迪安, 刘炜
作物学报
2025, 51 ( 7):
1969-1978.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2025.44210
MTA作为植物m6A甲基转移酶之一, 主要参与RNA的甲基化修饰, 同时还可与其他酶相互作用, 影响胚胎发育, 在植物的生长发育中扮演着关键角色。本研究通过拟南芥甲基转移酶序列同源比对, 得到谷子SiMTA1基因(accession no. PQ801843), 该基因DNA序列全长4239 bp, CDS序列2121 bp, 包含706个氨基酸残基。对其核苷酸及蛋白序列进行生物信息学分析、并解析其启动子顺式作用元件, 通过qRT-PCR方法对SiMTA1在时空表达和各种胁迫及激素处理下的表达模式进行研究。结果显示, SiMTA1具有MT-A70结构域, 即N6-腺苷-甲基转移酶(MTase)的S-腺苷甲硫氨酸(SAM)结合亚基; 二级结构预测显示, SiMTA1主要是由无规则卷曲和α-螺旋组成; SiMTA1启动子包含多种胁迫和植物激素信号应答元件; SiMTA1在孕穗期的茎节部的表达量较高; 盐、干旱、生长素、细胞分裂素等均可诱导SiMTA1表达。本研究通过对谷子中甲基转移酶基因SiMTA1启动子特性及其在正常及胁迫条件下时空表达模式的研究发现, SiMTA1可能在谷子发育及胁迫和植物激素响应过程中发挥作用。研究结果为后续谷子耐逆品种的改良及新品种培育提供了理论依据及候选基因资源。
顺式作用元件
Cis-acting element | 位置
Position | 序列
Sequence (5′-3′) | 生物学功能
Biological function | | ABRE | 17+
17-, 24-
843+
1156+
1585-
1898- | CACGTG
ACGTG
AACCCGG
ACGTG
TACGGTC
GCCGCGTGGC | 含有ABRE基序的基因通常在ABA的调控下表达, 从而参与植物的逆境适应过程。
Genes containing the ABRE motif are typically expressed under the regulation of ABA, thereby participating in the plant’s stress adaptation process. | | AS-1 | 1701- | TGACG | 与植物对生长素的响应有关, 参与调节生长素应答基因的表达, 影响植物的发育过程。
Associated with the plant’s response to auxin, it is involved in the regulation of auxin-responsive gene expression, thereby influencing the developmental processes of plants. | | AuxRR-core | 409+ | GGTCCAT | 生长素相关核心。
Auxin-related core. | | CCGTCC-box | 32+ | CCGTCC | 与植物的光信号传导和逆境胁迫响应有关。
Associated with plant light signaling and stress response. | | CGTCA-motif | 1701+ | CGTCA | 与植物对逆境(如干旱、盐胁迫等)的响应相关。
Related to the plant’s response to abiotic stresses, such as drought and salinity. | | DRE | 1737+ | GCCGAC | 与植物的干旱、低温和高盐胁迫响应有关。
Related to the plant’s response to drought, low-temperature, and high-salinity stresses. | | G-box | 24+, 1155- | CACGTT | 通常与逆境胁迫响应和植物激素信号传导有关。
Typically associated with stress responses and plant hormone signaling. | | LTR | 643-, 1116+ | CCGAAA | 与基因的低温响应有关。
Associated with the low-temperature response of genes. | | MYB | 817-, 876-
882-
1200-
1601+ | CAACCA
CAACAG
TAACTG
CAACCA | 参与多种生物学过程, 包括植物激素信号传导、生长发育、次生代谢以及逆境响应等。
Involved in a variety of biological processes, including plant hormone signaling, growth and development, secondary metabolism, and stress responses. | | MYC | 471+ | CATTTG | 参与多种生物学过程, 包括植物激素信号传导、生物钟调控以及逆境响应等。
Involved in a variety of biological processes, including plant hormone signaling, circadian clock regulation, and stress responses. | | STRE | 155-, 425-, 1238-, 1841+ | AGGGG | 参与植物对环境应激如冷、热、盐胁迫等的响应。
Involved in the plant’s response to environmental stresses such as cold, heat, and salt stress. |
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表2
启动子SiMTA1-P中的部分顺式作用元件
正文中引用本图/表的段落
RNA修饰是一种在转录后阶段发生的核酸修饰, 近年来已成为表观遗传学研究的热点[1]。N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenine, m6A)是一种常见的核酸修饰, 特别是在真核生物的mRNA中, 这种修饰涉及将一个甲基团(-CH3)添加到腺嘌呤碱基的N6位点上。m6A是真核生物mRNA上最丰富的化学修饰, 并且在调控基因表达、mRNA的剪接、出核、稳定性以及翻译效率等多个方面发挥着重要作用[2]。早在1979年, Kennedy和Lane[3]首次在小麦中发现N6-甲基腺嘌呤(m6A)的存在, 开启了植物中关于m6A修饰相关酶的研究。随后, Haugland和Cline [4]在1980年发现燕麦胚芽鞘的mRNA中也含有m6A。2014年, Luo等[5]首次对拟南芥中与mRNA甲基化相关的基因进行系统性鉴定, 并提出m6A修饰的沉积与mRNA丰度呈正相关。Dominissini等[6-7]发现, m6A修饰广泛分布于mRNA的各个区域, 包括5'UTR、CDS、3'UTR、终止密码子以及转录起始位点附近, 且在终止密码子和3'UTR区域的富集程度较高。在植物中, m6A甲基化过程是由特定的甲基转移酶介导, 在拟南芥中已经鉴定出几种关键的m6A甲基转移酶, 包括MTA (Methyltransferase A)、MTB (Methyltransferase B)、FIP37 (FKBP12 interacting protein 37 kD)和VIR (Virilizers)等[8]。其中, MTA是拟南芥中最早被发现的甲基转移酶之一, 具有m6A催化活性, 并与FIP37共同构成植物m6A甲基转移酶复合物的核心组成部分, 在调控芽、根生长以及叶和花的发育中扮演关键角色[9-10]。研究表明, 在拟南芥中, m6A甲基转移酶基因MTA和FIP37受冷热胁迫时表达量略有上升; 而在寒冷条件下水稻中OsMTA、OsMTB和OsVIR的表达量则降低[11]。在干旱条件下, m6A甲基化酶基因的表达对大多数植物的影响并不显著, 但在水稻中OsMTA、OsMTB和OsVIR的表达量因干旱而降低, 而杨树PtrMTA的过表达则显著提高了杨树毛状体的密度, 促进了根系的发展, 增强了杨树对干旱的适应能力[11-12]。m6A甲基化在拟南芥的盐胁迫响应中起着关键作用, MTA、MTB和VIR等突变体均表现出对盐分的敏感性[13]。此外, 也有研究表明, 植物m6A甲基化相关蛋白对外源植物生长调节剂有响应。在拟南芥中, 当ALKBH6被敲除时, 它的种子在受到ABA刺激的时候会比正常情况下更早地开始萌发, 然而它们的幼苗和根部发育并没有显示出明显的不同于野生型的特征[14]。
启动子SiMTA1-P正义链包含的顺式作用元件预测结果如图5, 共包含15种元件且大多位于正义链的前半段。对启动子SiMTA1-P正反义链顺式作用元件分析显示(表2), 其包含多种经典的胁迫响应和激素调控元件。其中, ABRE、DRE和LTR是典型的胁迫响应元件。含有ABRE基序的基因通常在ABA的调控下表达, 从而参与植物的逆境适应过程; DRE与植物的干旱、低温和高盐胁迫响应有关; LTR与基因的低温响应有关。此外, 启动子中还存在其他重要的功能元件, 例如AS-1参与调节生长素应答基因的表达, 影响植物的发育过程; MYC和CCGTCC-box等元件在植物应对逆境和激素信号传递中起着关键作用。顺式作用元件的多样性与其所调控的下游基因具有逆境适应及激素信号传递的生物学功能密切相关。
本文的其它图/表
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