玉米抗低温机制

不要看说了什么,要看做了什么
有时会将上下游进行分析,有时结合转录组分析将整个代谢机制整理
图1

ZMRR1编码区存在有变异让玉米存在耐寒性
a-c、两周培养的幼苗(25度)放在4度培养4d恢复两天看到的表型;经过对突变体
d-f、低温条件下zmrr1突变体(c1和c2)的冷表型(d)、损伤面积(e)和离子泄漏(f),从图中可以看出来,在进行低温处理之后,突变体没有那么耐低温
g、10日龄放在25度和4度培养指定时间,对ZmRR1基因进行抗体检测,HSP82为对照处理,可以从图中看到,在4度培养时间达到3h,可以诱导ZmPP1进行表达且越来越明显,而在25度环境中可以看出来基因强度越来越弱,只有冷环境才可以诱导这个基因的表达,作为对照的HSP82(在低温和正常温度都会表达)的含量可以一直保持不变
h、进行关联分析,并且对这个基因缺失部分Indel35,进行两个LD block作图,根据ZmRR1(INdel35)显著变异的单倍型进行分组,黑点说明了这个基因编码区域的非同义突变。
i、HapA这个单倍型有15个品种,损伤区域明显小于146个品种的HapB单倍型
j、用免疫印迹分析看到两个不同的单倍型的蛋白量不同,HapB的蛋白量更低一些,HapA比较轻
k、经过磷酸酶处理和不经磷酸酶处理,玉米原生质体中表达HF-ZmRR1HapB的ZmRR1蛋白用抗HA进行检测,HSP82作为对照进行处理


图2

ZmMPK8在体内外均与ZmRR1相互作用,在体内和体外的实验均显示这样结果B结合结合能力强于A的结合能力
a、酵母杂交系统,有BD和AD,DBD是DNA结合结构域,AD是激活结构域,并且在ZmRR1的浓度上面逐渐增加,可以看到圆点结合会更多,并做了LDHA分析,发现浓度越强,结果越弱,
b、可以看到两个单倍型的区别在于是否有15个氨基酸的差别,两者的相互作用,从上面两张图可以看出来,ZmMPK8的全长,氮端结构域,和KD区域,ZmMPK8和ZmMPK2都可以引起玉米的冷反应缺陷,重点关注了ZmMPK8发现不可以和N段有相互作用,可以和KD端有相互作用
c、做了双分子荧光互补实验,将两者放入培养皿中,黑暗处理15个小时,用共聚焦显微镜观察结果,显示了ZmMPK8的N端没有与基因ZmMPK8相互作用,从上面一层图可以看出ZmMPK8定位于原生质体的胞质中,ZmMPK8这个蛋白在细胞质或者细胞核中都存在
d、我们进行了谷胱肝泰转移酶下拉实验,从实验中可以看出两个蛋白之间的相互作用,将大肠杆菌表达纯化的两种单倍型与GST蛋白结合,然后看这两个蛋白与ZmMPK8的孵育,结果发现蛋白HapB结合要比HapA结合多一些;结果表明了ZmMPK8与HapB亲和力要高于HapA蛋白;怎么看出来蛋白B要比蛋白A结合力度强?
e、一共存在三种物质,两种单倍型用GFP进行标记,用抗GFP进行检测两种蛋白是否存在,用MYC标记ZmMPK8,并且用抗MYC检测ZmMPK8蛋白,从结果看来,最后一行的结果看来Anti-MYC的量看来,和B型结合的能力要比和A结合能力强到2倍以上;


图3

ZmMPK8蛋白负调控耐寒性过程
a、为了探索ZmMPK8蛋白在玉米耐寒性中的作用,可以看出来在控制组中表现一致,在低温处理中,结果显示,过表达ZmMPK8蛋白出现了植物耐寒性没有那么强;耐寒性降低,OE11&13是泛素启动子驱动过表达ZmMPK8过表达株系;经过冷处理
的转基因株系,同样在过表达ZmMPK2时,也体现了植株的耐寒性降低,反应了ZmMPK2和ZmMpk8具有相似的功能
b、将ZmMPK8基因进行突变,发现control植物的耐寒性没有突变的耐寒性好,其中一个突变体c1在起始密码子(ATG)下游306bp插入1bp,c2在起始密码子后面299和309之间缺失11bp,导致了102和109氨基酸后面移码和翻译提早终止,说明这个基因属于负调控
c、为了解读ZmRR1和ZmMPK8基因的遗传相关性,通过zmrr1-c1与zmmpk-c1杂交形成双突变,观察相关的耐寒性可以看出有比单突变更好的效果,对于离子的渗透性方面,可以看出来没有zmmpk-c1的表型强大,说明了zmmpk通过和基因zmmrr1互作来影响耐寒性;zmmpk通过负调控基因zmmrr1来调节耐寒性
图4

ZmMPK8介导ZmRR1的磷酸化和降解
背景:通过分析ZmRR1HapA和ZmRR1HapB中最高度相关序列发现Indel5有个保守丝氨酸-脯氨酸基序,预计是一个潜在丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)磷酸基序
a、zmrr1可能是zmmpk8的底物,为了验证这一假设,进行了体外磷酸化分析,通过对ZmMPK8与其同源物AtMPK4序列分析,鉴定出了tyr113是自激酶活性的重要残基,生成了纯化his标记的zmmpk-y113c和zmmpk8蛋白,并使用zmmrr1Hap1作为底物对它们进行体外磷酸化分析,结果发现zmmpk8-y113c表现出很强的自磷酸化,zmmpk8也会出现磷酸化,但磷酸化轻度没有zmmpk8-y113c强,此外,两者均可以磷酸化基因zmrr1-hapB,为了在ZmRR1HapB中寻找潜在的ZmMPK8磷酸化位点,通过液相色谱-ZmMPK8磷酸化的GST-ZmRR1质谱MS/GST-ZMPR1HapB重组蛋白,确定了Ser15为GSTZmRR1的候选磷酸化位点,当这个位点突变为Ala;说明了相互都存在一个磷酸化位点,在ZmRR1Ser15,在ZmMPK8-tyr113位置,一旦两个中的一个发生了突变,这个相互作用就会受到影响,进而影响到耐寒性;
b、HF-ZmRR1HapB与ZmMPK8-MYC在本氏链球菌叶中共表达的免疫印迹分析,为了确定在植物当中这两个蛋白可以相互作用,可以看到没有共表达ZmMPK8-MYC时,只有两条带,当共表达了ZmMPK8时可以看出来上带的磷酸化形式变得更强了

c、zmmrr1没有突变,突变发生在zmmpk上面,可以发现检测到的量远小于野生型的量,说明了zmmpk参与了磷酸化的过程
d、虽然会发生一定的磷酸化,但是zmmpk8突变体这种磷酸化强度要弱,说明了还有别的蛋白质磷酸化了基因zmmr1,过表达zmmpk8则会有更强的磷酸化强度
e、当我们在玉米原生质体中表达ZmRR1S15A-GFP时,只检测到非磷酸化带(低带),这模拟了ZmRR1HapA的情况(图1j)。这些结果表明,ZmRR1HapB的Ser15是ZmMPK8的磷酸化位点,而在ZmRR1HapA中缺失

f ZmMPK8加速了冷胁迫下ZmRR1HapB的降解

f、免疫印迹分析野生型、ZmMPK8-OE和zmmpk8-c1植株中ZmRR1HapB蛋白水平。10日龄幼苗在4°C下培养至指定时间。用抗ZmRR1抗体检测ZmRR1;为了分析ZmMPK8磷酸化ZmRR1HapB的生物学意义,我们使用抗ZmRR1抗体的免疫印迹法检测了野生型、ZmMPK8-OE和zmmpk8-c1植株中ZmRR1HapB的蛋白丰度。与野生型相比,zmmpk8过表达植株中ZmRR1HapB蛋白水平的增加略有减弱,但在zmmpk8-c1突变体中显著增加
g、在玉米原生质体中用不同数量的ZmMPK8-MYC瞬时表达ZmRR1HapB-GFP后,ZmRR1HapB蛋白水平随着ZmMPK8水平的增加而显著降低(图4g)。26 S蛋白酶体抑制剂MG132的处理完全抑制了ZmRR1HapB蛋白丰度的下降
h、用无细胞蛋白降解法检测ZmMPK8-OE和zmmpk8-c1植株中ZmRR1HapB的降解情况。我们从大肠杆菌中表达并纯化重组GSTZmRR1HapB,并将其与从野生型、zmmpk8过表达和zmmpk8-c1玉米幼苗中提取的等量总蛋白一起孵育。在与ATP孵育指定时间后,GST-ZmRR1HapB在野生型蛋白存在的情况下逐渐降解
i、ZmRR1HapB受到26 S蛋白酶修饰降解的观点。为了研究ZmRR1HapB在Ser15位点的磷酸化是否影响其稳定性,我们将GSTZmRR1HapB或GST-ZmRR1S15A与来自ZmMPK8-OE植物的总蛋白孵育。GST-ZmRR1S15A的降解速度比GST-ZmRR1HapB要慢得多。综上所述,ZmMPK8表明ZmMPK8磷酸化ZmRR1HapB,促进低温胁迫下其泛素介导的降解。

图5

a、火山图显示了ZmRR1在25和4°C时调控的差异表达基因(DEGs)的数量。以P值< 0.05和绝对log2倍变化>1为标准,鉴定DEGs;火山图显示了ZmRR1在25和4°C时调控的差异表达基因(DEGs)的数量。以P值< 0.05和绝对log2倍变化>1为标准,鉴定DEGs,利用RNA-seq数据,我们分析了野生型和野生型之间的差异表达基因(即zmrr1调控的基因)。ZmRR1-OE植株与允许条件下(25°C)或冷处理下(4°C)相比,ZmRR1-OE的>2和P < 0.05。在25°C时,与野生型相比,我们在ZmRR1-OE中鉴定出588个上调基因(zmRR1激活基因)和455个下调基因(zmRR1抑制基因)
b、共鉴定出1727个基因为zmrr1调控基因(图5b)。基因本体论(GO)术语分析显示,这些受zmrr1调控的基因显著富集为10个基因(http://bioinfo.cau.edu.cn/agriGO/)(补充数据4)。单个簇的功能注释与蛋白质磷酸化(簇1)、水解酶活性(簇2)、氧化还原(簇4)、纤维素和细胞壁代谢过程(簇7和8)相关
c、显示受ZmRR1调控的DE转录因子和细胞壁生物发生相关基因的热图。颜色表示相对表达式的log2倍变化,根据定义的冷反应转录组43,1727个ZmRR1取代的基因中有多达803个基因被冷处理显著改变,称为ZmRR1取代的COR基因;已经鉴定出一组编码COR基因关键转录激活因子的ZmDREB1家族基因(图5c;补充图10b),表明ZmRR1至少部分通过ZmDREB1依赖的信号通路调控玉米的低温耐受性。在已鉴定的zmrr1调控基因中,与细胞壁生物合成基因相关的基因(聚类7和簇8)富集最强(图5b)。有趣的是,这些基因在ZmRR1-OE幼苗中的表达显著增加,特别是在冷处理后(图5c)。对这些基因的详细功能分析显示,一组几丁质酶类蛋白(CTL)和纤维素合酶A(CesA)家族基因的强烈富集,因此,ZmDREB1和细胞壁相关基因可能有助于增强过表达ZmRR1的转基因玉米的耐寒性。
图6

ZmRR1通过调节Zmdreb1和ZmCesAs的表达来调控耐寒性
a-d、10日龄野生型、ZmRR1-OE (a) zmrr1突变体(b)、ZmMPK8-OE (c)和zmmpk8植株(d)在4°C冷处理12 h后,ZmDREB1.10和ZmCesA2的相对表达水平。
a、ZmRR1通过调节Zmdreb1和ZmCesAs的表达来调控耐寒性。为了确定ZmDREB1和ZmCesA家族基因在野生型和ZmRR1-OE植株之间的表达变化,我们在时间过程冷处理下进行了实时荧光定量PCR分析(补充图11a)。结果表明,冷诱导的ZmRR1-OE植株中ZmDREB1.7、ZmDREB1.10、ZmCesA2、ZmCesA10和ZmCesA11的上调均显著高于野生型
b、相比之下,与野生型植物相比,zmrr1中冷诱导的zmdreb1和ZmCesAs的上调被显著抑制
c、考虑到ZmMPK8负调控ZmRR1的稳定性,我们检测了ZmDREB1s和ZmCesAs在ZmMPK8-OE和ZmMPK8中的表达。冷诱导的ZmDREB1s和ZmCesAs的表达在ZmMPK8- OE中显著降低,但在zmmpk8中显著高于野生型(图6c,d;补充图11d,e)。这些结果表明,在低温胁迫下,ZmDREB1和ZmCesAs的表达受ZmRR1正调控,而ZmMPK8负调控。
e-h、为了研究ZmMPK8-和Zmrr1调控的ZmDREB1和ZmCesA基因的表达是否与玉米的耐寒性有关,我们建立了过表达ZmDREB1.10和ZmCesA2的转基因株系,并对两个独立的株系进行了耐寒性试验。与预期的一样,与野生型相比,ZmDREB1.10-OE线的相对损伤面积和离子泄漏量减少
i-I、这些结果表明,DREB1在增强玉米植株耐寒性方面的功能是高度保守的。zmcesa编码纤维素合酶44的催化亚基。我们观察到,两种ZmCesA2-OE独立的转基因株系均表现出耐寒表型,与野生型相比,相对损伤面积和离子泄漏均减少(图6i-l)。这些数据表明,ZmCesA2在玉米的耐寒性中起着积极的作用。
图7

提出的zmrr1介导的耐寒性模型
在低温胁迫下,ZmRR1蛋白的积累以增强其耐寒性。ZmMAPK8在低温胁迫下与ZmRR1HapB的Ser15位点相互作用并磷酸化,以促进其泛素介导的降解。ZmRR1HapA缺失45 bp,阻止了ZmMPK8的降解,导致ZmRR1HapA的丰度更高。结果表明,HapA玉米自交系增加了ZmDREB1和ZmCesA基因的表达,从而提高了玉米的耐寒性。HapB
在低温胁迫下,ZmRR1积累并诱导Zmdreb1和ZmCesAs的表达,从而提高其耐寒性。ZmRR1被冷激活的ZmMPK8在Ser15位点磷酸化,这促进了泛素介导的ZmRR1的降解。由于ZmMPK8磷酸化位点的缺失,提高了ZmRR1等位基因ZmRR1蛋白的稳定性,为耐寒作物的育种提供了新的策略。

怎么有人不做分子验证?来揭示大自然的规律?

玉米是低温敏感物种,经常面临低温胁迫,对生长和繁殖产生不利影响。本研究表明,zmrr1基因自然变异导致了玉米自交系间耐寒性的差异,ZmRR1的InDel-35编码一种含有丝裂原活化蛋白激酶(MPK)磷酸化残基的蛋白,与低温耐受性密切相关。ZmMPK8是一种低温耐受性负调控因子,它与ZmRR1的Ser15位点相互作用并磷酸化,负调控耐寒性,所以想要让玉米有抗寒性,需要对很核心位点突变,对ZmRR1中含有Ser15的45bp区域缺失,阻止了ZmMPK8的磷酸化,通过26S蛋白酶体途径抑制其降解,来增强植物对寒冷的耐受性,转录组分析结果显示,ZmRR1正向调控ZmDREB1和纤维素合成(CesA)基因的表达,由于增强了细胞壁的
所以在低温胁迫下,ZmRR1蛋白积累可以增强其耐寒性。ZmMAPK8与ZmRR1相互作用会将ZmRR1蛋白降解,而ZmRR1HapA缺失了磷酸化的那部分,阻止了ZmMPK8的降解,导致ZmRR1HapA丰度非常高,然后ZmDREB1和ZmCesA基因的表达

最喜欢解开神秘的面纱,在跟随大自然的规律中用计算机程序反应大自然的规律
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 216,591评论 6 501
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 92,448评论 3 392
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 162,823评论 0 353
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 58,204评论 1 292
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 67,228评论 6 388
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 51,190评论 1 299
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 40,078评论 3 418
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 38,923评论 0 274
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 45,334评论 1 310
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 37,550评论 2 333
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 39,727评论 1 348
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 35,428评论 5 343
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 41,022评论 3 326
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 31,672评论 0 22
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,826评论 1 269
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 47,734评论 2 368
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 44,619评论 2 354

推荐阅读更多精彩内容