藜麦响应盐胁迫基因与生理生化

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Shiyu Yun 和 Xin Zhang（张欣）来自山西农业大学工业作物研究所，他们的研究发表在《Scientific Reports》期刊上，时间是2023年。这项研究主要聚焦于藜麦（Chenopodium quinoa）中的AGO、DCL和RDR基因家族的全基因组鉴定、特征描述及表达分析。

该研究属于植物分子生物学领域，特别关注RNA干扰（RNAi）机制。RNAi是一种高度保守的基因表达调控机制，在真核生物中广泛存在。通过小非编码RNA调节基因表达，RNAi在植物生长、发育、抗病毒防御和应激反应中起着重要作用。AGO（Argonaute）、DCL（Dicer-like）和RDR（RNA-dependent RNA polymerase）是RNAi途径中的关键蛋白。为了更好地理解藜麦中的这些关键蛋白家族，研究人员进行了系统的研究，旨在揭示其进化关系、结构特征、功能注释和表达模式。

该研究包括以下几个主要步骤：

1. 数据获取与数据库搜索：从TAIR数据库获得拟南芥中AGO、DCL和RDR基因的序列信息，并从Phytozome 13 Chenopodium quinoa v1.0数据库下载藜麦对应的编码序列（CDS）、蛋白质序列、CDS长度和肽链长度。
2. 系统发育和结构分析、基因本体注释和亚细胞定位：使用Phylogeny.fr服务器进行系统发育分析，根据与拟南芥同一家族成员的系统发育关系命名藜麦基因。使用Clustal Omega进行多序列比对（MSA），并用MView可视化相关蛋白的保守残基和结构域。使用SMART工具分析蛋白结构域，并用IBS软件进行结构域可视化。利用在线软件GSDS v.2.0预测基因内含子结构。使用Expasy进行基因本体（GO）注释，并用PSI预测蛋白定位。
3. 三维结构建模和验证：使用SWISS-MODEL预测蛋白质的3D结构，并用SAVES v6.0检查模板。使用PyMOL可视化蛋白质结构。
4. CqAGOs、CqDCLs和CqRDRs的表达谱分析：从NCBI的SRA数据库下载藜麦相关组织的转录组数据，包括不同组织（SRP116149）和根和芽在干旱、热、盐和低磷胁迫下的不同压力条件（SRS1538629）。使用R包pheatmap进行聚类和可视化，参数设置为距离度量为欧几里得，聚类方法为中位数。使用Kallisto计算表达水平，并用TBtools绘制组织表达热图。
5. 植物材料、RNA提取、PCR扩增和电泳：由山西农业大学农学院提供藜麦（QQ74），在24°C白天/22°C夜晚、16小时日照条件下生长。收集干燥种子、一周龄幼苗、六周龄植株的茎、叶和花序，并在液氮中冷冻。按照Trizol试剂盒说明提取不同组织的总RNA，并通过逆转录获得cDNA。选择RNA测序（RNA-seq）读数在所有五个组织中均大于100的基因，设计引物并进行扩增。PCR扩增后，用1.5%琼脂糖凝胶进行电泳分析，使用Quantity One软件观察扩增目标片段。

研究结果表明，藜麦基因组中共鉴定出21个CqAGO基因、8个CqDCL基因和11个CqRDR基因。所有三个蛋白家族都聚集成与拟南芥相对应的进化枝，包括三个AGO进化枝、四个DCL进化枝和四个RDR进化枝，表明进化上的保守性。通过对这三个基因家族的结构域和蛋白结构分析，发现同一组内的成员几乎完全同质。基因本体注释显示，预测的基因家族可能直接参与RNAi和其他重要途径。这些基因家族大多表现出显著的组织特异性表达模式，RNA测序（RNA-seq）数据显示，20个CqAGO基因、7个CqDCL基因和10个CqRDR基因倾向于在花序中优先表达。大多数基因在应对干旱、寒冷、盐分和低磷胁迫时被下调。

这项研究首次阐明了藜麦中涉及RNAi途径的关键蛋白家族，这对理解这种植物中应激反应的机制具有重要意义。研究结果为进一步的功能表征提供了基础，有助于提高藜麦的抗逆性和产量质量。研究的亮点在于系统地分析了藜麦中AGO、DCL和RDR基因家族的进化关系、结构特征、功能注释和表达模式，揭示了它们在RNAi途径中的潜在作用。

此外，研究还提供了关于藜麦基因组中这些基因家族的详细信息，包括基因组位置、系统发育关系、结构域组成、3D结构、相关功能注释、亚细胞定位和表达模式。这些信息可以用于进一步研究藜麦的生长发育和抗病性，以及RNAi途径的参与机制。