全基因組復(fù)制對生物體的影響是多方面的。全基因組加倍后，基因劑量效應(yīng)、修飾的互作調(diào)控、快速遺傳和表觀遺傳的修飾和變化，都會對基因組產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，進(jìn)而影響基因表達(dá)，最終導(dǎo)致形態(tài)、生理和適應(yīng)性等性狀方面的差異。在同源多倍化后，轉(zhuǎn)錄因子的靶基因數(shù)量、功能和表達(dá)又是如何協(xié)調(diào)以平衡這種劑量差異的呢？研究多倍體轉(zhuǎn)錄因子的靶基因及其表達(dá)模式，不僅可以揭示同源多倍體變異的進(jìn)化模式，還可以為相應(yīng)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供新的思路。
2022年2月，北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林木育種國家工程實(shí)驗(yàn)室的研究成果，發(fā)表在Frontiers in Plant Science期刊上(影響因子6.627)，文章題目為“Genome-Wide Identification of Direct Targets of ZjVND7 Reveals the Putative Roles of Whole-Genome Duplication in Sour Jujube in Regulating Xylem Vessel Differentiation and Drought Tolerance"。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術(shù)分別鑒定了二倍體酸棗和同源四倍體酸棗中ZjVND7的結(jié)合基序和靶基因。揭示了ZjVND7在調(diào)節(jié)木質(zhì)部導(dǎo)管分化和耐旱性中的潛在分子機(jī)制，為培育耐旱性植物提供了新的思路。
同源四倍體酸棗比二倍體酸棗表現(xiàn)出更好的耐旱性。然而，二倍體和同源四倍體之間水分運(yùn)輸系統(tǒng)的差異及其機(jī)制仍不清楚。
本研究發(fā)現(xiàn)同源四倍體酸棗中木質(zhì)部導(dǎo)管和薄壁細(xì)胞的數(shù)量增加，是二倍體酸棗的近兩倍，這可能與木質(zhì)部導(dǎo)管分化相關(guān)調(diào)節(jié)的NAC家族轉(zhuǎn)錄因子ZjVND7的表達(dá)差異密切相關(guān)。
采用DAP-seq技術(shù)對干旱脅迫下二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7的靶基因進(jìn)行了全基因組研究，鑒定了二倍體和同源四倍體酸棗之間結(jié)合基序的差異。ZjVND7的結(jié)合基序分為五種類型，且在二倍體和同源四倍體中的結(jié)合基序是不同的。然而，二倍體和同源四倍體酸棗中的結(jié)合基序都有一個連續(xù)的核心序列，CTTNAAG，該序列經(jīng)Tamura等人(2019)報道是保守的。
圖2. 二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7結(jié)合峰的全基因組分布和結(jié)合基序。
在二倍體和同源四倍體中分別篩選到236和321個ZjVND7的靶基因，并對這些靶基因進(jìn)行功能富集分析。與二倍體相比，同源四倍體中更多的ZjVND7靶基因可能參與干旱條件下細(xì)胞生長和脅迫信號相關(guān)的途徑，包括：木質(zhì)部發(fā)育、次生壁合成、細(xì)胞死亡、細(xì)胞分裂和 DNA內(nèi)復(fù)制。
隨后，鑒定了與細(xì)胞分裂和DNA復(fù)制相關(guān)，且為ZjVND7靶基因的ZjSMR1。SMR1在增殖細(xì)胞和分化細(xì)胞中發(fā)揮著不同的作用。ZjVND7和ZjSMR1均在細(xì)胞核中表達(dá)。酵母單雜交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了ZjSMR1是ZjVND7的靶基因。在干旱脅迫下，ZjSMR1在兩種倍性類型的酸棗中均表達(dá)下降，且在同源四倍體中下降更顯著，這與ZjVND7的表達(dá)趨勢一致。這些結(jié)果表明，ZjSMR1是ZjVND7的直接靶基因，且ZjVND7對ZjSMR1的正向調(diào)控可能在同源四倍體的干旱脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。此外，對二倍體進(jìn)行ABA處理后測定ZjSMR1和ZjVND7的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)ZjSMR1和ZjVND7均對ABA處理有反應(yīng)。
該研究提出一種可能的調(diào)控機(jī)制：靶向ZjSMR1的ZjVND7可能調(diào)節(jié)從薄壁細(xì)胞到木質(zhì)部導(dǎo)管的轉(zhuǎn)分化。這一結(jié)果可能支持了木質(zhì)部薄壁細(xì)胞分裂和細(xì)胞分化之間的平衡作用，從而通過木質(zhì)部薄壁組織的分裂和擴(kuò)大來促進(jìn)導(dǎo)管分化。因此，與二倍體相比，同源四倍體中形成了更多的薄壁細(xì)胞，和更多的導(dǎo)管細(xì)胞分化以介導(dǎo)水分運(yùn)輸。此外，ZjVND7可能通過調(diào)節(jié)ZjSMR1的表達(dá)，延長細(xì)胞周期并調(diào)節(jié)內(nèi)復(fù)制以響應(yīng)干旱脅迫和ABA，這在多倍體中的作用可能更強(qiáng)。
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