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生物技术通报 | 花苜蓿TCP基因家族的鉴定及其在干旱胁迫下的表达模式分析

花匠小妙招
2025-06-16 09:52

TCP基因家族的鉴定及其在干旱胁迫下的表达模式分析

王苗苗，赵相龙，王召明，刘志鹏，闫龙凤

DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-1205

转录因子（TFs）是一种特异性结合真核生物基因启动子区域的蛋白质。它的主要功能是激活或抑制基因转录，从而在植物发育和对外部环境的响应中发挥重要的调节作用。在植物中，越来越多的转录因子被发现，如CCCH、HD-Zip和TCP转录因子。TCP（Teosinte branched 1/Cincinnata/Proliferating cell factor）是植物特有的一类转录因子，以4个已知成员命名，包括来自玉米的TEOSINTE BRANCHEDI（TB1）、来自金鱼草的CYCLOIDEA（CYC）、来自水稻的PROLIFERATING CELL FACTORS 1和2（PCF1和PCF2）。根据TCP结构域的序列保守性，将TCP基因家族分为了Ⅰ类和Ⅱ类，分别是Class Ⅰ和Class Ⅱ。其中，Class Ⅰ亚族又称PCF类或TCP-P类，Class Ⅱ亚族被分为了CIN亚族和CYC/TB1亚族，统称TCP-C类。近年来，基于全基因组测序技术的发展和应用，在拟南芥、玉米、荞麦、水稻、番茄、苹果、棉花、土豆、西瓜和茶叶等多种植物中已鉴定出多个TCP基因。

TCP转录因子具有丰富的生物学功能。已有报道TCP转录因子广泛地参与植物生长发育，例如种子萌发、叶片、花和果实的发育、侧枝的形成、生物钟过程等。在非生物胁迫方面，TCP转录因子积极地参与了干旱和盐等外源信号的调控。TCP转录因子能够通过多种机制增强植物对逆境胁迫的耐受力，包括调整细胞内的渗透压、改善细胞的通透性以及降低有害物质的影响。这些作用共同协作，帮助植物更好地适应和抵抗不利环境条件。在紫花苜蓿（Medicago sativa）中，特定的TCP转录因子，包括MsTCP23、MsTCP27、MsTCP29和MsTCP33，对干旱胁迫展现出了积极的响应。

花苜蓿（Medicago ruthenica），是豆科苜蓿属的一种重要牧草，花苜蓿不仅是一种重要的饲料作物，而且在土壤改良和生态系统服务中扮演着关键角色。它在各种不利条件下依然能够生长良好，使其成为传统育种中不可或缺的优质亲本材料。同时，花苜蓿也是改良牧草品种和增强其抗逆性的关键基因资源库。在相关研究进展中，前人对花苜蓿的基因组进行了详细的测序和组装，这一工作后续研究奠定了基础。尽管已有一些关于花苜蓿基因组的研究，针对TCP基因在干旱胁迫下的响应机制的研究仍显不足。

近日，《生物技术通报》在线发表了题为TCP基因家族的鉴定及其在干旱胁迫下的表达模式分析》的研究报告。本研究选取花苜蓿作为研究对象，旨在通过分析其全基因组数据，对该家族基因进行系统鉴定。研究内容包括对其理化性质、染色体定位、保守基序、保守结构域、基因结构、系统发育关系、启动子元件以及干旱胁迫下的表达模式进行了分析。本研究不仅为理解该基因家族的功能和作用机制提供了科学基础，而且为从分子层面培育具有优良抗逆性的牧草材料提供了潜在的候选基因，这对于农业可持续发展和生态环境保护具有重要的应用前景。

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本文主要包括以下几部分内容：

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

2 结果

2.1 花苜蓿TCP基因成员家族的鉴定及蛋白理化性质分析

2.2 花苜蓿TCP基因在染色体的分布

2.3 TCP基因的多物种进化关系分析

2.4 花苜蓿TCP家族保守基序和基因结构分析

2.5 花苜蓿TCP家族成员共线性分析

2.6 花苜蓿TCP基因启动子顺式作用元件分析

2.7 花苜蓿TCP家族成员在干旱处理下表达模式分析

3 讨论

4 结论

向下更多

保守基序分析显示，20个花苜蓿TCP基因均含有保守基序Motif 1。此外，通过保守结构分析发现，Motif 1包含在TCP基因家族的保守结构域之中，说明Motif 1在该基因家族的高度保守基序，这有助于TCP 蛋白的特定功能，如维持基因组稳定性，DNA甲基化，复制和转录调控。花苜蓿TCP基因结构较为简单，有16个成员只有1个外显子，且不含内含子，这与香蕉、玉米、穿心莲、杜仲、茄子等物种的TCP基因的基因结构有着高度的相似性，无内含子或仅有1个内含子的基因不能通过可变剪切实现单个基因翻译成多个蛋白质，在进化中其功能会较保守和单一。这说明TCP基因家族是高度保守的。

染色体定位和共线性分析显示，花苜蓿TCP基因呈现不均匀分布，可能与基因复制或丢失相关。这一发现与水稻和甜瓜中的观察结果相吻合，暗示了TCP基因在植物基因组中的扩增和缩减可能遵循一种普遍的机制。TCP基因家族的个体成员在其序列和功能上可能存在很大差异。这种变异被认为是由于随机突变和选择压力共同作用于不同的TCP基因，从而产生不同的蛋白质结构和调节功能。因此，一些TCP基因在不同物种中生物学功能高度保守，而另一些TCP基因则在植物发育和生理中获得了新的作用。共线性是指基因在同一染色体上的位置关系，这是由来自同一祖先类型的不同物种之间基因的保守性和相对顺序造成的。根据花苜蓿和其他五种物种的TCP基因家族共线性分析表明，与其他物种相比，TCP基因家族的共线性基因相对较少，这表明该基因家族在进化过程中积累了更多的突变，导致具有共同特征的保守片段较少。随着物种的进化，该基因家族内部的基因差异越来越大，这可能导致了新的基因功能的出现。

启动子顺式作用元件和干旱胁迫下的表达模式分析显示，花苜蓿的启动子包含干旱胁迫响应元件，并且花苜蓿TCP基因的表达量受干旱胁迫诱导，说明该家族基因可能在植物抗旱方面发挥功能。这与TCP基因家族在其他植物中的研究结果类似。许多研究结果表明，TCP基因家族在调控植物耐旱性方面起到了至关重要的作用。在本研究中，TCP基因在干旱胁迫下的表达模式不同，这表明在干旱胁迫下，每个TCP成员可能在植物抗旱方面发挥着不同的功能，然而具体的基因功能还需通过生物学技术进行验证，后续可进行下一步的研究。

本研究从花苜蓿全基因组中鉴定出20个TCP基因家族成员，系统性地分析了基因结构与功能、进化关系，并验证了9个基因在干旱条件下的表达模式。为花苜蓿TCP基因在抗旱方面的生物学功能研究奠定了理论基础，为分子育种和其他遗传研究提供了相关依据。