小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族分析

王化敦， 談晶晶， 姚金保， 馬鴻翔

(1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/江蘇省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014； 2.揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

SUMO(Small ubiquitin-like modifier)化修飾是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種廣泛存在的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式，因其蛋白結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制與泛素相似而稱為小泛素相關(guān)修飾物。與泛素作用機(jī)制相似，SUMO化修飾也是通過(guò)一系列酶促反應(yīng)最終將SUMO底物與靶蛋白結(jié)合，參與SUMO化修飾的各組分包括SUMO修飾物、激活酶(E1)、結(jié)合酶(E2)、連接酶(E3)和SUMO特異性蛋白酶(Protease)，通過(guò)SUMO前體的成熟、激活、結(jié)合、連接和去結(jié)合等過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶蛋白的生物學(xué)修飾[1]。

植物中第一個(gè)SUMO同源基因是番茄在病原真菌(Trichodermaviride)侵染條件下受乙烯誘導(dǎo)的木聚糖酶的互作蛋白T-SUMO[2]。模式植物擬南芥中存在9個(gè)SUMO修飾物編碼基因(SUM1～SUM9)，其中SUM9為假基因，基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)只有SUM1、SUM2、SUM3和SUM5等4個(gè)基因表達(dá)，并且SUM1和SUM2具有相對(duì)較高的表達(dá)豐度，免疫雜交結(jié)果表明SUM1和SUM2作為修飾底物參與的SUMO化修飾與SUM3作為修飾底物參與的SUMO化修飾對(duì)熱激、雙氧水、乙醇等脅迫具有明顯不同的響應(yīng)模式[3]。在擬南芥SUMO化修飾途徑中，由單基因編碼的激活酶大亞基SAE2或結(jié)合酶SCE1發(fā)生突變均會(huì)發(fā)生胚性致死，SUM1和SUM2基因發(fā)生雙突變也會(huì)發(fā)生胚性致死[4]，給SUMO化修飾的研究帶來(lái)了不便。而在SUMO化修飾系統(tǒng)各組分中，E3連接酶在很大程度上決定了靶基因的特異性，并且該基因突變沒(méi)有造成致死突變[4-5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由連接酶SIZ1介導(dǎo)的SUM1和SUM2對(duì)靶蛋白的修飾是植物體內(nèi)SUMO化修飾的重要形式[6]。因此，研究者們以連接酶為切入點(diǎn)對(duì)SUMO化修飾在植物體內(nèi)的功能開(kāi)展了較為廣泛的研究[7-9]。根據(jù)目前的報(bào)道，SUMO化修飾廣泛存在于植物體生長(zhǎng)與發(fā)育[10-12]、非生物脅迫(冷、熱、干旱及鹽脅迫等)[13-16]、激素應(yīng)答[17-19]及養(yǎng)分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[20-22]等過(guò)程，并鑒定了多個(gè)受SUMO化修飾調(diào)控的關(guān)鍵基因。

SUMO化修飾系統(tǒng)通過(guò)SUMO修飾物與靶蛋白的結(jié)合(去結(jié)合)，可以阻止靶蛋白與其他作用蛋白結(jié)合，介導(dǎo)靶蛋白與其他作用蛋白結(jié)合或者改變靶蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響靶蛋白的功能[8,23]。隨著基因組測(cè)序物種的增加，不同物種中均發(fā)現(xiàn)存在SUMO化修飾系統(tǒng)。已在水稻、二穗短柄草、高粱、葡萄、西紅柿、楊樹(shù)、蘋果、玉米、大豆等多個(gè)植物基因組中報(bào)道了SUMO化修飾系統(tǒng)各組分及其功能[24-29]。本研究利用逐步完善的小麥基因組數(shù)據(jù)，鑒定了小麥中SUMO化修飾各基因家族成員，并進(jìn)一步利用小麥轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析各基因家族在不同時(shí)期、不同器官和組織中的表達(dá)模式，為小麥中SUMO化修飾各基因家族的功能研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族的發(fā)掘與分析

根據(jù)已經(jīng)報(bào)道的擬南芥和水稻中的SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族登錄號(hào)及蛋白質(zhì)氨基酸序列，分別利用Ensembl Biomart工具(https://plants.ensembl.org/biomart/martview)和BLAST比對(duì)分析(https://plants.ensembl.org/Triticum_aestivum/Tools/Blast)從小麥基因組中獲取SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族，去除2種途徑獲得的冗余基因。其中2個(gè)基因(TRIAE_CS42_1DS_TGACv1_080807_AA0253990、TRIAE_CS42_7BS_TGACv1_593541_AA1952390)由于編碼產(chǎn)物長(zhǎng)度(194 aa，188 aa)明顯低于該基因家族其他成員編碼產(chǎn)物，從候選基因中去除。利用Pfam工具(http://pfam.xfam.org)分析蛋白結(jié)構(gòu)域，進(jìn)一步驗(yàn)證該基因與擬南芥和水稻中相應(yīng)基因的同源性。

對(duì)于小麥中發(fā)現(xiàn)的未在擬南芥和水稻中給予名稱的基因，根據(jù)所屬基因家族及其同源基因進(jìn)行命名，以“(基因名稱)”形式表示。參考Wan等[30]對(duì)小麥基因組中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的分析，將編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列相似性高于90%的基因認(rèn)為是存在于小麥A、B、D亞基因組中相對(duì)應(yīng)的部分同源基因(Homoeologues)。由于TRIAE_CS42_U_TGACv1_641662_AA2100790與部分同源基因TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_405282_AA1323990和TRIAE_CS42_5DL_TGACv1_436222_AA1459270編碼的蛋白質(zhì)氨基酸序列相似性分別為85%和90%，將其單獨(dú)作為一個(gè)新的家族成員ULP2c。

1.2 基因表達(dá)數(shù)據(jù)提取

根據(jù)Choulet等[31]和Pfeifer等[32]在Science上報(bào)道的中國(guó)春在不同時(shí)期、不同器官和組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(ERP004505; https://urgi.versailles.inra.fr/files/RNASeqWheat/)，利用Tophat2程序[33]將測(cè)序序列比對(duì)到小麥參考基因組，基于已注釋的參考基因信息，進(jìn)一步利用Cuffquant程序[34]對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行定量分析。最后，利用Cuffnorm程序[34]對(duì)不同樣本的表達(dá)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得基因的表達(dá)豐度(FPKM，expected fragments per kilobase of transcript per million fragments sequenced)。從獲得的基因組表達(dá)數(shù)據(jù)中提取SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族的表達(dá)數(shù)據(jù)，樣品信息見(jiàn)表1。

1.3 進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建、數(shù)據(jù)分析與Heatmap作圖

利用軟件MEGA5對(duì)不同物種中SUMO化修飾各家族基因編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列分別進(jìn)行多序列比對(duì)分析，構(gòu)建每一家族基因的進(jìn)化樹(shù)，其中小麥各基因家族分別從部分同源基因(Homoeologues)組中選擇一個(gè)成員用于構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)(除TaSUM2和TaULP2b選擇位于B基因組成員外，其余各基因均選擇位于A基因組成員)。

在Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為便于比較分析SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族在同一器官或組織中的表達(dá)差異，以同一器官或組織中各基因的表達(dá)數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)集合，計(jì)算各基因表達(dá)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)(Z-score)。分別以同一器官或組織中各基因表達(dá)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)在Matlab軟件中進(jìn)行Heatmap作圖。

表1小麥轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)樣品信息

Table1Sampleinformationofthewheattranscriptomedata

樣品名稱器官/組織時(shí)期RootZ10根苗期RootZ13三葉期RootZ39旗葉發(fā)生期LeafZ10葉片苗期LeafZ23分蘗期LeafZ71花后2dStemZ30莖稈穗長(zhǎng)1cmStemZ32拔節(jié)期(2節(jié))StemZ65花期SpikeZ32穗拔節(jié)期(2節(jié))SpikeZ39旗葉發(fā)生期SpikeZ65花期GrainZ71種子花后2dGrainZ75花后14dGrainZ85花后30dTC20DPA轉(zhuǎn)移細(xì)胞花后20dAL20DPA糊粉層花后20dSE20DPA淀粉胚乳花后20dSE30DPA淀粉胚乳花后30dAL.SE30DPA糊粉層(淀粉胚乳)花后30d

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員的獲得及進(jìn)化樹(shù)

根據(jù)擬南芥和水稻SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員，利用生物信息學(xué)分析，獲得了小麥中SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員，共計(jì)55個(gè)基因(表2)。除蛋白酶基因UPL2c外，其余SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員在小麥基因組中均含有部分同源基因(Homoeologues)組。其中，6個(gè)成員分別含有2個(gè)部分同源基因，其余14個(gè)成員均含有3個(gè)部分同源基因。

在小麥SUMO化修飾系統(tǒng)中，SUMO修飾物編碼基因有3個(gè)(SUM1～SUM3)，激活酶編碼基因有3個(gè)(小亞基：SAE1a和SAE1b，大亞基：SAE2)，結(jié)合酶編碼基因有3個(gè)(SCE1～SCE3)，連接酶編碼基因有5個(gè)(SIZ1～SIZ4，MMS21)，蛋白酶編碼基因有7個(gè)(ULP1a～ULP1d，ESD4，ULP2b，ULP2c)。不同于擬南芥和水稻，小麥中未發(fā)現(xiàn)ULP2a基因，但含有3個(gè)新的基因，即SIZ3、SIZ4和UPL2c。其中，新發(fā)現(xiàn)的連接酶編碼基因SIZ3基因與SIZ1具有相對(duì)較高的序列相似性，SIZ4基因與SIZ2基因具有相對(duì)較高的蛋白相似性。

表2小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族

Table2FamilymembersofSUMOylationsysteminwheat

蛋白質(zhì)基因擬南芥基因登錄號(hào)水稻基因登錄號(hào)小麥基因登錄號(hào)類泛素修飾底物SUM1AT4G26840LOC_Os01g68950TRIAE_CS42_3AL_TGACv1_194462_AA0633500TRIAE_CS42_3B_TGACv1_222748_AA0769950TRIAE_CS42_2DS_TGACv1_177160_AA0567150SUM2AT5G55160LOC_Os01g68940TRIAE_CS42_3B_TGACv1_222482_AA0765590TRIAE_CS42_3DL_TGACv1_249661_AA0853720SUM3AT5G55170LOC_Os07g38690TRIAE_CS42_3AL_TGACv1_194013_AA0624570TRIAE_CS42_3DL_TGACv1_250480_AA0868920SUM4AT5G48710SUM5AT2G32765SUM6AT5G48700SUM7AT5G55855SUM8N.ASUM9N.A激活酶(E1)SAE1aAT4G24940LOC_Os11g30410TRIAE_CS42_7AL_TGACv1_558155_AA1790670TRIAE_CS42_7BL_TGACv1_578023_AA1888240TRIAE_CS42_7DL_TGACv1_604062_AA1993220SAE1bAT5G50580/AT5G50680TRIAE_CS42_3AS_TGACv1_211054_AA0684040TRIAE_CS42_3B_TGACv1_224871_AA0802510TRIAE_CS42_3DS_TGACv1_272077_AA0914250SAE2AT2G21470LOC_Os07g39780TRIAE_CS42_2AS_TGACv1_115072_AA0370790TRIAE_CS42_2BS_TGACv1_146568_AA0468370

續(xù)表2Continued2

蛋白質(zhì)基因擬南芥基因登錄號(hào)水稻基因登錄號(hào)小麥基因登錄號(hào)結(jié)合酶(E2)SCE1AT3G57870LOC_Os03g03130TRIAE_CS42_5AL_TGACv1_378109_AA1251260TRIAE_CS42_4BL_TGACv1_322319_AA1070580TRIAE_CS42_4DL_TGACv1_343504_AA1135560SCE2LOC_Os10g39120TRIAE_CS42_1AL_TGACv1_000844_AA0020240TRIAE_CS42_1BL_TGACv1_031377_AA0112840TRIAE_CS42_1DL_TGACv1_062518_AA0215770SCE3LOC_Os04g49130TRIAE_CS42_2AL_TGACv1_093366_AA0278620TRIAE_CS42_2BL_TGACv1_129455_AA0384620TRIAE_CS42_2DL_TGACv1_157918_AA0501690連接酶(E3)SIZ1AT5G60410LOC_Os05g03430TRIAE_CS42_1AS_TGACv1_020185_AA0075430TRIAE_CS42_1DS_TGACv1_080154_AA0241640(SIZ3)TRIAE_CS42_3AL_TGACv1_193610_AA0614960TRIAE_CS42_3B_TGACv1_224572_AA0798130TRIAE_CS42_3DL_TGACv1_249240_AA0842760SIZ2LOC_Os03g50980TRIAE_CS42_4AL_TGACv1_291362_AA0994190TRIAE_CS42_4BS_TGACv1_328638_AA1091420TRIAE_CS42_4DS_TGACv1_361466_AA1168490(SIZ4)TRIAE_CS42_5AL_TGACv1_376034_AA1231050TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_407061_AA1353000TRIAE_CS42_5DL_TGACv1_434271_AA1432930MMS21AT3G15150LOC_Os05g48880TRIAE_CS42_1AL_TGACv1_000912_AA0021710TRIAE_CS42_1BL_TGACv1_031243_AA0110250TRIAE_CS42_U_TGACv1_641891_AA2106760蛋白酶(Protease)ULP1aAT3G06910LOC_Os03g29630TRIAE_CS42_2AS_TGACv1_112889_AA0346800TRIAE_CS42_2BS_TGACv1_147049_AA0477250TRIAE_CS42_2DS_TGACv1_179014_AA0603490ULP1bAT4G00690LOC_Os03g22400TRIAE_CS42_4AS_TGACv1_306328_AA1006360TRIAE_CS42_4BS_TGACv1_330549_AA1108090TRIAE_CS42_4DL_TGACv1_343463_AA1134800ULP1cAT1G10570LOC_Os01g53630TRIAE_CS42_3AL_TGACv1_194477_AA0633750TRIAE_CS42_3B_TGACv1_222581_AA0767230TRIAE_CS42_3DL_TGACv1_250175_AA0863550ULP1dAT1G60220TRIAE_CS42_U_TGACv1_643195_AA2128780TRIAE_CS42_7BS_TGACv1_594539_AA1957830TRIAE_CS42_7DS_TGACv1_622093_AA2032580ESD4AT4G15880LOC_Os01g25370TRIAE_CS42_3AS_TGACv1_213025_AA0704860TRIAE_CS42_3B_TGACv1_222087_AA0757040ULP2aAT4g33620ULP2bAT1G09730LOC_Os05g11770TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_405282_AA1323990TRIAE_CS42_5DL_TGACv1_436222_AA1459270(ULP2c)TRIAE_CS42_U_TGACv1_641662_AA2100790

N.A, 基因組未注釋；括號(hào)內(nèi)基因?yàn)樵谛←溁蚪M發(fā)現(xiàn)的家族其他成員。

進(jìn)一步構(gòu)建了小麥、水稻和擬南芥中SUMO化修飾系統(tǒng)各家族基因的進(jìn)化樹(shù)(圖1)。在小麥、水稻和擬南芥中，SUM1和SUM2之間具有較近的親緣關(guān)系，與其他SUM成員差異較大(圖1A)。E1激活酶基因家族中SAE1和SAE2成員明顯分為2個(gè)分支，與擬南芥相比，小麥和水稻SAE1成員位于同一個(gè)分支中(圖1B)。與SUMO底物編碼基因家族SUM相似，E2結(jié)合酶基因家族中SCE1和SCE2具有較近的親緣關(guān)系，與SCE3差異較大(圖1C)。E3連接酶基因家族中，SIZ和MMS21分布在2個(gè)分支中，其中小麥中新發(fā)現(xiàn)的SIZ3和SIZ4分別與SIZ1和SIZ2具有較近的進(jìn)化關(guān)系(圖1D)。蛋白酶家族基因可以分為3個(gè)分支，其中ULP1a、ULP1b和ESD4位于一個(gè)分支，ULP1c和ULP1d分布于同一個(gè)分支，而ULP2成員位于另外一個(gè)分支中(圖1E)。

A：SUMO底物基因家族；B：E1激活酶基因家族；C：E2結(jié)合酶基因家族；D：E3連接酶基因家族；E：蛋白酶基因家族。圖1 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族進(jìn)化樹(shù)分析Fig.1 Phylogenetic analysis of SUMOylation genes in wheat

2.2 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員在不同器官中的表達(dá)

利用Choulet等[31]報(bào)道的小麥在不同時(shí)期和不同器官中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，考查了SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族在不同時(shí)期營(yíng)養(yǎng)器官(圖2)和繁殖器官(圖3)中的表達(dá)。

對(duì)SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員的表達(dá)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在SUMO修飾物編碼基因中，SUM1基因表達(dá)量最高，其次為SUM2，而SUM3幾乎不表達(dá)；在激活酶編碼基因中，SAE1a和SAE2表達(dá)量相對(duì)較高，而SAE1b表達(dá)量較低；在結(jié)合酶編碼基因中，SCE1具有相對(duì)高的的表達(dá)量，SCE2表達(dá)量次之，SCE3表達(dá)量最低；在連接酶編碼基因中，SIZ1和SIZ3具有較強(qiáng)的表達(dá)，SIZ2和SIZ4的表達(dá)較弱。MMS21僅在拔節(jié)時(shí)期的幼穗中表達(dá)較強(qiáng)，在其余部位中表達(dá)均較弱；在蛋白酶編碼基因中，UPL2(UPL2b～UPL2c)的表達(dá)量明顯高于UPL1(UPL1a～ULP1d)，ESD4基因的表達(dá)介于二者之間。

對(duì)各基因在營(yíng)養(yǎng)器官和繁殖器官中的表達(dá)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SUM1基因在營(yíng)養(yǎng)器官和繁殖器官中均具有較強(qiáng)的表達(dá)，其次為SUM2和UPL2(UPL2b和UPL2c)基因。SIZ1和SIZ3基因在營(yíng)養(yǎng)器官和繁殖器官中也具有較強(qiáng)的表達(dá)，并且二者在繁殖器官中的表達(dá)呈現(xiàn)強(qiáng)弱互補(bǔ)。SAE1b和SCE1在營(yíng)養(yǎng)器官中的表達(dá)高于在繁殖器官中的表達(dá)，而SIZ2和SIZ4在繁殖器官中的表達(dá)高于在營(yíng)養(yǎng)器官中的表達(dá)，尤其體現(xiàn)在開(kāi)花后30 d的種子中。SUM3、SCE3、MMS21、UPL1a和UPL1c在各器官中的表達(dá)均較弱。

Root Z10、Root Z13、Root Z39、Leaf Z10、Leaf Z23、Leaf Z71、Stem Z30、Stem Z32、Stem Z65見(jiàn)表1。圖2 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族在不同時(shí)期營(yíng)養(yǎng)器官中的表達(dá)Fig.2 Expression of wheat SUMOylation genes in different developmental stages of vegetative organs

Spike Z32、Spike Z39、Spike Z65、Grain Z71、Grain Z75、Grain Z85見(jiàn)表1。圖3 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族在不同時(shí)期繁殖器官中的表達(dá)Fig.3 Expression of wheat SUMOylation genes in different developmental stages of reproductive organs

分析各基因在不同發(fā)育時(shí)期的表達(dá)，結(jié)果表明，一些基因在不同時(shí)期的表達(dá)具有明顯的差異。SUM1在各器官中的表達(dá)均隨著發(fā)育時(shí)期的不同發(fā)生變化。SUM2除了在不同時(shí)期的葉片中表達(dá)較為穩(wěn)定外，在其余各器官中的表達(dá)隨著發(fā)育時(shí)期而變化。SCE1在種子以外的其他器官中的表達(dá)隨發(fā)育時(shí)期發(fā)生了明顯的變化。SIZ1在莖稈以外的其他器官中的表達(dá)隨發(fā)育時(shí)期發(fā)生了明顯的變化。SIZ3和UPL1d在根和穗以外的其他器官中的表達(dá)隨發(fā)育時(shí)期的不同發(fā)生了明顯的變化。SAE1b在莖稈和穗部的表達(dá)隨著發(fā)育時(shí)期的不同而發(fā)生變化。SIZ2在繁殖器官中的表達(dá)隨著發(fā)育時(shí)期的不同發(fā)生了明顯變化。SAE1a、SAE2和MMS21在穗中的表達(dá)隨發(fā)育時(shí)期的不同發(fā)生了明顯變化。SCE2、SIZ4和ESD42在種子中的表達(dá)隨發(fā)育時(shí)期的不同發(fā)生了明顯的變化。

2.3 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族在種子中不同組織的表達(dá)

利用Pfeifer等[32]報(bào)道的小麥種子中不同時(shí)期和不同組織(轉(zhuǎn)移細(xì)胞、糊粉層和淀粉胚乳)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族的表達(dá)模式進(jìn)行了分析。 結(jié)果(圖4)表明，在SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族中，SUM1基因的表達(dá)量最高，尤其體現(xiàn)在開(kāi)花后20 d的轉(zhuǎn)移細(xì)胞和淀粉胚乳中，伴隨著發(fā)育，其表達(dá)量有所降低，但仍然高于其他基因的表達(dá)。SUM2、SCE1、SIZ1、SIZ3、UPL2b和UPL2c也具有較強(qiáng)的表達(dá)，其中SUM2在不同時(shí)期各組織中的表達(dá)相對(duì)穩(wěn)定，SCE1、SIZ1和SIZ3在花后20 d的轉(zhuǎn)移細(xì)胞和淀粉胚乳中表達(dá)較強(qiáng)，在糊粉層中的表達(dá)較弱，在花后30 d時(shí)各組織中的表達(dá)趨于穩(wěn)定。UPL2b和UPL2c在花后20 d的淀粉胚乳中具有較強(qiáng)的表達(dá)，在花后30 d時(shí)各組織中的表達(dá)趨于穩(wěn)定。SAE1a、SAE2、SCE2、SIZ2、SIZ4、UPL1d和ESD4在種子各部位也有表達(dá)，其中SAE1a、SCE2和ESD4的表達(dá)相對(duì)穩(wěn)定，SAE2、SIZ2、SIZ4和UPL1d在不同時(shí)期的表達(dá)具有差異。SUM3、SAE1b、SCE3、MMS21、ULP1a、ULP1b和ULP1c等基因在不同時(shí)期種子各部位表達(dá)量均較低。

TC 20DPA、AL 20DPA、SE 20DPA、SE 30DPA、AL.SE 30DPA見(jiàn)表1。圖4 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族在不同時(shí)期種子各部位的表達(dá)Fig.4 Expression of wheat SUMOylation genes in different developmental stages and tissues of the grain

3 討 論

3.1 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)的特點(diǎn)

SUMO化修飾系統(tǒng)包括SUMO修飾底物、激活酶(E1)、結(jié)合酶(E2)、連接酶(E3)以及特異性識(shí)別SUMO修飾物的蛋白酶(Protease)[1,8]。與擬南芥和水稻相似，小麥基因組含有以上各家族成員。小麥含有3個(gè)SUMO修飾底物編碼基因SUM1～SUM3，與擬南芥不同，并未在小麥中發(fā)現(xiàn)SUM4～SUM9。在激活酶基因家族中，不同于水稻僅含有1個(gè)編碼激活酶小亞基的基因SAE1a，小麥還含有另外1個(gè)編碼激活酶小亞基的基因SAE1b。與擬南芥和水稻相同，小麥只含有1個(gè)編碼激活酶大亞基的基因SAE2。不同于擬南芥僅含有1個(gè)編碼結(jié)合酶的基因SCE1，小麥和水稻含有另外2個(gè)編碼結(jié)合酶的基因SCE2和SCE3。在連接酶基因家族中，擬南芥和水稻中目前報(bào)道存在SIZ1、SIZ2和MMS21 3個(gè)基因，而在小麥中發(fā)現(xiàn)了另外2個(gè)編碼連接酶的基因SIZ3和SIZ4，分別與SIZ1和SIZ2具有較高的同源性。在蛋白酶基因家族中，小麥中含有7個(gè)成員，分別為ULP1a～ULP1d、ESD4、UPL2b和UPL2c，并未發(fā)現(xiàn)UPL2a，但相比于擬南芥和水稻，小麥中存在另外一個(gè)蛋白酶基因UPL2c。

由于小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，含有A、B、D3個(gè)亞基因組，大部分基因存在對(duì)應(yīng)于各亞基因組的部分同源基因(Homoeologues)[35]。本研究發(fā)現(xiàn)，除了TRIAE_CS42_U_TGACv1_641662_AA2100790與部分同源基因TRIAE_CS42_5BL_TGACv1_405282_AA1323990和TRIAE_CS42_5DL_TGACv1_436222_AA1459270編碼的蛋白質(zhì)相似性分別為85%和90%，而將其單獨(dú)作為一個(gè)新的家族成員ULP2c外，其余所有家族成員均含有部分同源基因。其中14個(gè)基因家族成員在A、B和D亞基因組中均含有部分同源基因，另外6個(gè)成員在2個(gè)亞基因組中存在部分同源基因，可能是由于目前的小麥基因組拼接過(guò)程中存在的一些序列缺失區(qū)域造成。

進(jìn)化樹(shù)分析結(jié)果表明，與小麥和水稻中的同源基因相比，E1激活酶基因家族中擬南芥SAE1a和SAE1b之間具有較近的親緣關(guān)系，單獨(dú)形成了一個(gè)分支。除此之外，SUMO化修飾系統(tǒng)各家族基因在不同物種間均具有較近的進(jìn)化關(guān)系，說(shuō)明了SUMO化修飾系統(tǒng)各家族基因可能分別具有共同的祖先基因。

3.2 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族的表達(dá)差異

SUMO化修飾廣泛參與了植物體各種生命活動(dòng)[7-8]。擬南芥中由單基因編碼的激活酶大亞基SAE2和結(jié)合酶SCE1突變均會(huì)導(dǎo)致胚性死亡，SUM1和SUM2雙突變也會(huì)致死，充分說(shuō)明了SUMO化修飾系統(tǒng)對(duì)于植物體生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用[4]。通過(guò)基因表達(dá)分析有助于了解各成員的時(shí)空表達(dá)模式并窺見(jiàn)其功能差異。我們借助轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[31-32]考查了SUMO化修飾系統(tǒng)各家族成員在小麥不同時(shí)期、不同器官和組織中的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)：① 小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族成員中，SUM1表達(dá)最強(qiáng)，尤其在繁殖器官和種子內(nèi)部不同組織中更為明顯，SUM2亦有較強(qiáng)的表達(dá)，SUM3在各個(gè)器官和組織中表達(dá)量最低，幾乎不表達(dá)，這與擬南芥中的研究結(jié)果相似[3]，說(shuō)明了SUM1和SUM2是小麥SUMO化修飾系統(tǒng)中修飾底物的主要提供者，并且SUM1在小麥種子發(fā)育過(guò)程中很可能起著重要作用。②SCE1的表達(dá)僅次于SUM1，顯著高于SCE2，SCE3表達(dá)量最低。與之相似，激活酶編碼基因SAE1a和SAE2表達(dá)高于SAE1b，連接酶編碼基因SIZ1和SIZ3的表達(dá)明顯高于SIZ2、SIZ4和MMS21，蛋白酶編碼基因UPL2(UPL2b、UPL2c)表達(dá)明顯高于ESD4和UPL1(UPL1a、ULP1d)，這些同一基因家族成員之間表達(dá)強(qiáng)度的差異說(shuō)明了其在參與SUMO化修飾過(guò)程中所行使的功能可能具有差異。③ 很多基因(SUM1、SUM2、SAE1a、SAE1b、SAE2、SCE2、SIZ1、SIZ2、SIZ3、SIZ4、MMS21、UPL1d和ESD42等)在一些器官中的表達(dá)隨著發(fā)育時(shí)期的不同發(fā)生了明顯的變化。一些基因如SAE1b和SCE1在營(yíng)養(yǎng)器官中的表達(dá)相對(duì)較高，而SIZ2和SIZ4在繁殖器官中的表達(dá)相對(duì)較高。另一些基因如SIZ3與SIZ1具有較高的同源性，與在營(yíng)養(yǎng)器官中的表達(dá)模式不同，二者在繁殖器官中的表達(dá)呈現(xiàn)強(qiáng)弱互補(bǔ)。排除試驗(yàn)誤差造成的影響，這些結(jié)果反應(yīng)了各基因表達(dá)及其所受調(diào)控的時(shí)間和空間差異。

SUMO化修飾是由多基因參與的生物學(xué)過(guò)程，在SUMO前體的成熟、激活、結(jié)合、連接和去結(jié)合等每一過(guò)程都由相應(yīng)的基因參與和行使功能[1,8]。本研究從小麥中分離了SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族的成員，并借助小麥轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析各家族成員在不同時(shí)期、不同器官和組織中的表達(dá)模式，將為小麥SUMO化修飾系統(tǒng)各基因家族的功能研究提供依據(jù)和參考。

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