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学术进展| IJMS:北京科技大学万向元团队系统总结了ABCG转运蛋白对水稻、拟南芥和玉米雄花育性等生长发育的多重作用机理

作者:房超伟、吴锁伟

ATP-binding cassette (ABC)转运蛋白是最大的蛋白家族之一,广泛存在于动物、植物和微生物中。ABC转运蛋白具有核苷酸结合结构域(nucleotide-binding domain,NBD)和跨膜结构域(transmembrane domains,TMDs)。根据结构域数目的不同,ABC转运蛋白可分为全长(包括2个TMD和2个NBD)或半长(有1个TMD和1个NBD)转运蛋白。ABCG是植物ABC蛋白家族中最大的一个亚家族。在拟南芥和水稻中,ABCG转运蛋白已被广泛研究,参与花药和花粉发育、角质层形成、防御反应、激素运输和种子萌发等生物学过程。但是目前玉米ABCG转运蛋白相关研究较少,并且命名不规范,缺乏类似于拟南芥和水稻ABCG的标准命名体系,从而给玉米ABCG相关研究带来诸多不便。

2022年8月18日,北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队应邀在国际期刊International Journal of Molecular Sciences(IF:6.208)发表了题为“ATP-Binding Cassette G Transporters and Their Multiple Roles Especially for Male Fertility in Arabidopsis, Rice and Maize” 的综述论文,对玉米中全部51个ABCG转运蛋白进行了系统的命名和鉴定,总结了ABCG转运蛋白对水稻、拟南芥和玉米生长发育尤其是雄花育性等方面的多重作用机理,为ABCG转运蛋白在玉米等植物中的功能研究和潜在应用提供了参考。

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本文基于对MaizeGDB数据库(https://maizegdb.org/)中玉米B73参考基因组(B73 RGV4.0)的BLAST检索,共鉴定出51个ABCG基因,并根据它们的结构域(包括31个半长和20个全长)和染色体物理定位,将其命名为ZmABCG1至ZmABCG51(图1)。同时,对51个ZmABCG基因的其它特征(如基因模型、基因组物理位点、结构和亚细胞定位预测)进行了分析和总结。


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图1.  51个ABCG基因在玉米染色体上的物理位置


为了分析玉米、水稻和拟南芥ABCG亚家族成员间的进化关系,作者对三个物种的所有ABCG蛋白序列(玉米51个、水稻54个、拟南芥43个)进行了系统进化树分析(图2)。结果表明,ABCG整体上可以分为半长(Clade I)和全长(Clade II)两个分枝,前者可进一步分为5个亚枝,后者分为3个亚枝。基于部分分枝中包含已经完成功能鉴定的水稻或拟南芥同源基因,该分析结果将为探索玉米未知ABCG基因的功能提供重要参考。


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图2. 玉米、水稻和拟南芥ABCG家族的系统发育树分析


大量研究表明,拟南芥、水稻、玉米ABCG转运蛋白参与花药/花粉发育、营养器官和雌性器官发育、非生物和生物胁迫反应以及植物激素转运等生物学过程(图3)。在拟南芥和水稻中,目前至少有30和11个ABCG基因被克隆,但玉米中只有3个ABCG转运蛋白(ZmMS2/ZmABCG26、ZmMS13和ZmGL13)被报道参与雄性育性或叶片角质层形成。通过ABCG基因同源功能预测、生物信息学分析等方法可为ABCG转运蛋白在玉米中的功能研究提供线索。例如,基于玉米花药转录组学RNA-seq和qPCR分析结果(图4),可以为发掘调控玉米雄性发育的ABCG基因提供参考。


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图3.  拟南芥、水稻和玉米ABCG转运蛋白的主要功能


ABCG转运蛋白参与植物的各种生理过程,其转运底物包括脂类分子、激素、重金属离子等。目前,体内同位素标记实验和GC-MS分析系统等是研究ABCG底物常用的方法。植物ABCG转运体的底物鉴定已经取得了一些重要进展,但大多数ABCG蛋白的转运底物及其转运机制尚不清楚,有待深入研究。本文还讨论了植物ABCG转运蛋白底物识别和机理分析以及目前面临的挑战和未来前景,为ABCG转运蛋白在玉米等多种植物中的功能研究和潜在应用提供框架和参考。


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图4. ABCG基因在玉米花药中的转录组学分析与qPCR验证


本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、顺德研究生院、北京中智生物农业国际研究院等单位合作完成。吴锁伟教授和博士生房超伟为论文共同第一作者,万向元教授和吴锁伟教授为共同通讯作者。相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目联合资助。


原文链接:https://doi.org/10.3390/ijms23169304

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