響應(yīng)熱脅迫的光形態(tài)建成基因的篩選和分析

摘 要：研究以擬南芥中已知的光形態(tài)建成基因?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合相應(yīng)的水稻同源基因，通過多種生物信息學(xué)方法，篩選和分析表達(dá)受熱脅迫調(diào)控的光形態(tài)建成基因。結(jié)果表明：共檢測(cè)出16個(gè)受光、溫信號(hào)誘導(dǎo)表達(dá)的水稻基因，這些基因的啟動(dòng)子區(qū)域均含有與激素、熱脅迫相關(guān)的順式作用元件。這說明植物體內(nèi)存在多個(gè)既能響應(yīng)光信號(hào)又受溫度信號(hào)調(diào)控的基因。這些結(jié)果為全面了解植物體內(nèi)光溫共調(diào)控的信號(hào)傳導(dǎo)途徑提供了參考。

關(guān)鍵詞：擬南芥；水稻；熱脅迫；光形態(tài)建成；生物信息學(xué)

中圖分類號(hào)：Q811.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）09-0013-03

Screening and Analysis of Photo Morphogenesis Genes Responsive to Heat Stress

TU Xiao-ju1，WANG Qi-ming2，YOU Lin2，HUANG Jin-zhou2，HUANG Ai-guo2

（1. Orient Science Technology College， Hunan Agriculture University， Changsha 410128， PRC； 2. College of Bioscience and

Biotechnology， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： The photomorphogenetic genes known in Arabidopsis thaliana were selected and analyzed by various bioinformatics methods in combination with the corresponding rice homologous genes. The results showed that 16 rice genes were induced by light and temperature signals. The promoter regions of these genes contained cis-acting elements related to hormone and heat stress. This indicates that there are many genes in plants that respond to light signals and are regulated by temperature signals. These results provide a reference for a comprehensive understanding of light and temperature co regulation of signal transduction pathways in plants.

Key words： Arabidopsis thaliana； rice； heat stress； photo morphogenesis； bioinformatics

隨著災(zāi)難性高溫氣候的頻繁出現(xiàn)，廣泛篩選耐熱相關(guān)基因，深入了解植物的耐熱信號(hào)傳導(dǎo)基質(zhì)，對(duì)保證農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要的理論和實(shí)踐意義[1-2]。

光形態(tài)建成作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)節(jié)，與植物體內(nèi)多種信號(hào)途徑存在調(diào)控關(guān)系。最近有報(bào)道稱紅光受體相互作用蛋白PIF在植物光溫信號(hào)交替途徑中發(fā)揮了重要作用[3]。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，跟植物耐熱存在聯(lián)系的BBX和DGD基因與光形態(tài)建成息息相關(guān)[4]，而熱脅迫對(duì)光形態(tài)建成的影響還鮮有報(bào)道。因此，研究通過分析已知光形態(tài)建成基因的表達(dá)特征，試圖篩選出表達(dá)受熱脅迫調(diào)控的光形態(tài)建成元件，為系統(tǒng)分析植物體內(nèi)適應(yīng)環(huán)境溫度的分子信號(hào)網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

通過生物信息網(wǎng)站TAIR（The Arabidopsis Information

Resource）獲得擬南芥基因的編碼序列和啟動(dòng)子序列信息，通過KOME（Knowledge-based Oryza Molecular biological Encyclopedia）和Ricemap（rice genome browser）

網(wǎng)站獲得水稻基因的ID。通過eFP-Broswer （http：//bbc.botany.utoronto.ca/efp/cgi-bin/efpWeb.cgi）網(wǎng)站分析基于生物芯片的擬南芥基因表達(dá)特征，通過PlantCARE（Cis-Acting Regulatory Element）網(wǎng)站獲得基因啟動(dòng)子包含順式作用元件信息，通過ATTED網(wǎng)站分析擬南芥基因共表達(dá)信息，通過ROAD（Rice Oligonucleotide Array Database）基于核苷酸陣列數(shù)據(jù)分析水稻基因表達(dá)和共表達(dá)信息，通過RIV（Rice Interactions Viewer）查詢和預(yù)測(cè)水稻蛋白質(zhì)交互關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 與耐熱相關(guān)光形態(tài)建成基因的篩選

通過TAIR生物信息學(xué)網(wǎng)站，分別按照關(guān)鍵詞photomorphogenesis和thermo tolerance篩選得到40個(gè)相關(guān)基因。然后通過相應(yīng)的擬南芥基因號(hào)，在水稻生物信息學(xué)網(wǎng)站KOME中搜索出水稻同源基因27個(gè)。再利用eFP-Brower工具對(duì)這27個(gè)基因響應(yīng)光、冷和熱脅迫誘導(dǎo)的生物芯片進(jìn)行篩選，通過光、冷和熱脅迫誘導(dǎo)，篩選其中基因表達(dá)量有明顯改變的基因，最終選出16個(gè)基因，如表1所示。

從表1中可以看出，光受體HY4、HY8及多個(gè)COP復(fù)合體基因的表達(dá)既受光信號(hào)又受溫度信號(hào)的調(diào)控，此外也發(fā)現(xiàn)多個(gè)SPA系列蛋白有這種表達(dá)特性，表明這些已知的在光信號(hào)傳導(dǎo)上游的蛋白不僅參與光形態(tài)建成的調(diào)控，還很有可能參與到植物適應(yīng)環(huán)境溫度的信號(hào)傳導(dǎo)。已有研究發(fā)現(xiàn)，HY4可作為植物光、溫信號(hào)整合的元件，也已知多個(gè)光信號(hào)元件參與到耐熱相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)[5]，如表1中的PIRL1和PYS 2個(gè)蛋白已被證明可通過調(diào)控膜結(jié)構(gòu)相關(guān)特性，調(diào)節(jié)植物耐受高溫脅迫[6]，參與植物耐熱響應(yīng)，然而具體的機(jī)制仍不清楚。

2.2 與耐熱相關(guān)光形態(tài)建成基因的啟動(dòng)子序列初步預(yù)測(cè)

在TAIR內(nèi)利用Seqviewer對(duì)上述16個(gè)目的基因進(jìn)行擬南芥圖譜分析，在Ricemap內(nèi)利用viewer工具對(duì)上述16個(gè)目的基因進(jìn)行水稻圖譜分析，確定目的基因位置并截取其上游約1 000～1 500 nt進(jìn)行啟動(dòng)子序列初步預(yù)測(cè)，通過PlantCARE網(wǎng)站對(duì)序列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這16個(gè)目的基因上游截取序列都含有植物啟動(dòng)子TATA-box和CAAT-box元件。故能初步證明在截取序列中包含目的基因啟動(dòng)子序列。

2.3 與耐熱相關(guān)光形態(tài)建成基因的啟動(dòng)子序列功能元件分析

為進(jìn)一步了解篩選出的基因啟動(dòng)子區(qū)域包含的光信號(hào)和溫度相關(guān)的順式作用元件，研究利用已獲得的16個(gè)基因的開放閱讀框上游的1 000～1 500 nt序列，在PlantCARE網(wǎng)站進(jìn)行查找16個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)域所包含的響應(yīng)光、溫信號(hào)相關(guān)的順式作用元件，結(jié)果如表2所示。其中，HSE為熱脅迫響應(yīng)元件，與植物的耐熱性密切相關(guān)，多個(gè)光信號(hào)途徑關(guān)鍵元件的啟動(dòng)子區(qū)域均含有與熱脅迫相關(guān)的順式作用元件，如紅光受體相關(guān)蛋白SPA1、藍(lán)光受體1蛋白HY4、整合光信號(hào)與赤霉素信號(hào)途徑的關(guān)鍵元件DET1、與DET1結(jié)合形成復(fù)合體通過結(jié)合組蛋白調(diào)控染色體構(gòu)型而影響光形態(tài)相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄的DNA結(jié)合蛋白DDB1、光信號(hào)途徑負(fù)調(diào)控元件家族的COP11以及已報(bào)道的與植物感受熱脅迫相關(guān)的幾丁質(zhì)酶PIRL1和脂質(zhì)運(yùn)載蛋白PYS。由此推測(cè)，植物體內(nèi)存在多個(gè)既能響應(yīng)光信號(hào)又受溫度信號(hào)調(diào)控的基因。這些結(jié)果為全面了解植物體內(nèi)光溫共調(diào)控的信號(hào)傳導(dǎo)途徑提供了參考。

3 小結(jié)與討論

光溫信號(hào)途徑存在多重交錯(cuò)關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)，紅光受體PHYB可以作為熱感應(yīng)器[7]。鋅指蛋白家族基因OsBBX30受熱誘導(dǎo)，該基因在大腸桿菌中原核表達(dá)能夠提高大腸桿菌的耐熱性[8]。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，光溫信號(hào)途徑重要的調(diào)控元件OsBBX24基因啟動(dòng)子序列含有HSE熱脅迫相關(guān)元件，水稻基因芯片數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)其表達(dá)受熱誘導(dǎo)，實(shí)時(shí)定量PCR分析進(jìn)一步證明OsBBX24基因表達(dá)受熱脅迫而上調(diào)[9]。由此推測(cè)，光信號(hào)途徑中其他信號(hào)元件也可能與熱信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)。

研究通過TAIR網(wǎng)站收集已知的與光信號(hào)相關(guān)的一系列基因，獲得了40個(gè)在光溫信號(hào)誘導(dǎo)下高效表達(dá)的基因，并在rice-map和KOME網(wǎng)站得到相應(yīng)的16個(gè)水稻同源基因。分析比對(duì)了這些基因的核酸核蛋白序列特征，這些信息的獲得為全面系統(tǒng)挖掘和應(yīng)用能通過植物自身元件表達(dá)調(diào)控植物耐熱性的關(guān)鍵因子奠定了基礎(chǔ)，然而這些受熱脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的生物鐘元件與植物耐熱信號(hào)途徑相互作用的分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：成 平）