植物OSCA1家族的起源與進(jìn)化

柴利芳

摘要?OSCA（reduced hyperosmolality-induced [Ca2+]i increase channel）是高滲性門控非選擇性的鈣滲透陽離子通道，它在感受外源和內(nèi)源的滲透變化以及調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。目前關(guān)于OSCA1家族的研究大多集中在功能方面，而關(guān)于系統(tǒng)發(fā)育分析的研究較少，尤其是在植物界沒有采集大量的樣本并進(jìn)行深入研究。通過對植物界目前已完成全基因組測序的82個物種OSCA1家族的系統(tǒng)發(fā)育分析來探究該家族的起源與進(jìn)化。研究表明，OSCA1在被子植物中可以分為四大分支（OSCA1.2、OSCA1.5、OSCA17和OSCA1.8），且該家族在整個高等植物中為一個單系;在OSCA1家族的8個成員中均發(fā)生了基因重復(fù)事件;OSCA1家族在低等到高等植物中的數(shù)量分布大致呈現(xiàn)遞增趨勢。以上結(jié)果不僅可以完善植物界中OSCA1家族的進(jìn)化歷史，而且能夠為進(jìn)一步研究其功能提供充足的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞?OSCA;通道蛋白;基因重復(fù);系統(tǒng)發(fā)育

中圖分類號?Q943文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）20-0001-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.001

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Origin and Evolution of OSCA1 Family in Plants

CHAI Li?fang

（College of Life Science of Shanxi Normal University，Linfen，Shanxi 041000）

Abstract?OSCA （reduced hyperosmolality?induced [Ca2+]i increase channel） are hyperosmolarity?gated non?selective cation channels that permeates calcium ions. OSCA family plays a key role in sensing exogenous and endogenous osmotic changes and regulating plant growth and development. Most of the current researches on the OSCA1 family focused on functions， but few on phylogenetic analysis.There were no further studies using a large number of samples in plants.In this study， we investigated the origin and evolution of OSCA1 family in 82 species in plants that had completed genome sequencing. The results were as follows：OSCA1s in angiosperms could be divided into four branches （OSCA1.2， OSCA1.5， OSCA1.7 and OSCA1.8）， and that OSCA1s was monophyletic in the whole higher plants. There were gene duplication events occurred in all 8 members of OSCA1 family.The number of OSCA1 family in lower to higher plants showed an increasing trend in general.The above results could be not only helpful for us to know the phylogeny of OSCA1 family in plants， but also helpful for further study of its functions.

Key words?OSCA;Channel protein;Gene duplication;Phylogeny

滲透變化的應(yīng)答對植物生長、發(fā)育和繁殖至關(guān)重要[1]。而OSCA1是一種Ca2+滲透性陽離子通道蛋白，在高滲應(yīng)激誘導(dǎo)中起重要作用[2]。真核細(xì)胞通過Ca2+傳導(dǎo)通道能夠產(chǎn)生胞質(zhì)Ca2+信號。Ca2+是動植物適應(yīng)反應(yīng)和發(fā)育過程中的一種多功能信使。鈣（Ca2+）濃度的空間和時間變化實現(xiàn)了所有真核生物重要的信號調(diào)節(jié)功能[3-4]。植物和動物在Ca2+通道和Ca2+結(jié)合蛋白的互補(bǔ)性上表現(xiàn)出顯著差異。

OSCA1.1是由美國杜克大學(xué)裴真明教授研究小組在研究擬南芥（Arabidopsis thaliana）突變體的過程中發(fā)現(xiàn)的，他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜蛋白OSCA1.1是一種介導(dǎo)Ca2+增加的離子通道。OSCA1.1形成非選擇性陽離子通道，其滲透質(zhì)膜上的Ca2+被高滲激活[5]。在滲透壓脅迫下，OSCA1.1對保衛(wèi)細(xì)胞和根細(xì)胞的滲透性造成影響，從而影響Ca2+信號傳導(dǎo)，減少水分蒸騰和調(diào)節(jié)根系生長。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥OSCA1家族共由8個成員組成，分別為OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3、OSCA1.4、OSCA1.5、OSCA1.6、OSCA1.7、OSCA1.8[6]。

2014年，Hou等[7]在擬南芥鑒定過程中獲得了膜整合蛋白（CSC?At4g22120，也被稱為OSCA1.2），它是調(diào)控Ca2+滲透性的陽離子通道，并與OSCA1.1保持高度的同源性。該蛋白可以在高滲脅迫下增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，對K+和Na+具有一定的滲透性。

OSCA1是一種非常重要的蛋白，它編碼植

物細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)，感知水的可用性變化?；谠摰鞍准易?，筆者對物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，并分析OSCA1家族在植物界中的分布與進(jìn)化，并增加從水生植物到陸生植物、從關(guān)鍵低等植物到高等植物的采樣，以期為后續(xù)OSCA1家族的功能驗證提供參考和依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?序列搜集與比對

通過一系列的進(jìn)化分析探索了植物中OSCA1家族的進(jìn)化歷史。首先，通過雙向BLAST的方法在GeneBank（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov）數(shù)據(jù)庫中搜索OSCA1蛋白。為了計算OSCA1在植物中不同進(jìn)化階段的拷貝數(shù)目及變化情況，根據(jù)已完成的基因組測序物種的分布情況，選擇其中的82個物種，它們涵蓋了藻類植物、苔蘚植物、蕨類植物、被子植物及其大部分內(nèi)部支系的四大分支（表1），剔除過短的序列和歧義位點過多的序列，經(jīng)過整理和分析，保留了高質(zhì)量的且具有類群代表性和拷貝數(shù)代表性的序列。

在進(jìn)行多序列比對時，先使用CLUSTALW生成原始矩陣，再用Bioedit對最初的比對結(jié)果進(jìn)行手工調(diào)整。在獲得相對可靠的矩陣后，再產(chǎn)生一棵樹，并重復(fù)上面的操作，進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至序列比對比較可靠、合理。

1.2?系統(tǒng)發(fā)育分析

考慮到數(shù)據(jù)量較大，在系統(tǒng)發(fā)育分析中，主要使用MEGA7.0軟件，用鄰接法（neighbor?joining，NJ）和最大簡約法（maximum parsimony，MP）構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。其中NJ樹3個參數(shù)的設(shè)置：①test of phylogeny（建樹檢驗方法），是用來檢驗建樹質(zhì)量的。默認(rèn)的檢驗方法是步長檢驗（bootstrp method），步長測試需要設(shè)定檢查次數(shù)，通常為100的倍數(shù)，該研究的默認(rèn)設(shè)置為1 000。②substitution model，它是選擇遺傳距離時使用的計算模型。理論上應(yīng)嘗試各種模型，并根據(jù)測試結(jié)果選擇最合適的模型計算。實際上，可嘗試選擇更簡單的距離模型，比如p-distance，該研究中，氨基酸矩陣使用p-distance模型。③缺口/缺失數(shù)據(jù)處理，大多數(shù)樹構(gòu)建方法需要刪除多序列比對中具有多個空位的列。但是根據(jù)遺傳距離測量的不同方法，刪除原則也不同。如果遺傳距離是通過序列之間不同殘基的數(shù)量來衡量的，則需要選擇完全缺失。該研究中，選擇部分刪除（partial deletion），刪除程度設(shè)定為50%。MP樹最早源于形態(tài)性狀方面的研究，現(xiàn)在已擴(kuò)展到分子序列的進(jìn)化分析中。最大簡約法對所有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，能夠計算出所需替代數(shù)最小的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將其作為最優(yōu)樹，適用于親緣關(guān)系較近的序列。該研究使用TBR模型，支持率以自展（bootstrap）法獲得，重復(fù)取樣1 000次。BS值只顯示50%以上的支持率。

2?結(jié)果與分析

2.1?OSCA1的系統(tǒng)發(fā)育分析

用NJ法對植物OSCA1進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果如圖1所示。因親源關(guān)系較遠(yuǎn)，其中基部類群的綠藻門單獨聚為一支，且與高等植物無支持率，在其物種內(nèi)部發(fā)生了一次基因重復(fù)事件。通過對在綠藻門中分布的OSCA1的分析，可以看出，OSCA1是一類非常重要的蛋白，它會發(fā)生多次重復(fù)事件，并且將保留每次迭代產(chǎn)生的新基因。苔蘚植物小立碗蘚（Physcomitrella patens）和蕨類植物江南卷柏（Selaginella moellendorffii）也都分別發(fā)生了基因重復(fù)事件?；驑渑c物種樹大致相符。

用MP法對植物OSCA1進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，OSCA1在被子植物中廣泛分布，分別有基因重復(fù)事件的發(fā)生，且在整個植物界只有一個大分支，這與NJ樹的結(jié)果基本保持一致。

為更明顯直觀地分析植物OSCA1的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，分別對OSCA1.1～OSCA1.6、OSCA1.7和OSCA1.8這三大分支進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.2?OSCA1.1～OSCA1.6的系統(tǒng)發(fā)育分析

植物OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3、OSCA1.4、OSCA1.5和OSCA1.6的系統(tǒng)發(fā)育分析見圖3。OSCA1.2和OSCA1.5在被子植物中廣泛分布，數(shù)量不一，而OSCA1.3、OSCA1.4和OSCA1.6僅在真雙子葉植物的十字花科植物中分布。在單子葉植物的禾本科和棕櫚科起源之前分別發(fā)生了一次基因重復(fù)事件。

OSCA1.2在錦葵科棉屬、楊柳科楊屬以及十字花科蘿卜與蕓薹屬起源之前分別發(fā)生了基因重復(fù)事件，在薔薇科植物中，蘋果（Malus domestica）和梨（Pyrus bretschneideri）發(fā)生了一次基因重復(fù)事件。OSCA1.5在錦葵科棉屬和楊柳科楊屬起源之前分別發(fā)生了重復(fù)事件。OSCA1.6僅在真雙子葉植物的十字花科中有分布，其中，在蕓薹屬植物白菜（Brassia rapa）、歐洲油菜（Brassica napus）、甘藍(lán)（Brassica oleracea）和蘿卜（Raphanus sativus）起源之前發(fā)生了基因重復(fù)事件。

在十字花科起源之前發(fā)生了基因重復(fù)事件，其中OS?CA1.2重復(fù)產(chǎn)生OSCA1.?OSCA1.5重復(fù)產(chǎn)生OSCA1.6，OSCA1.3和OSCA1.4也來自于同一個祖先。OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3和OSCA1.4這4個成員中，OSCA1.1與OSCA1.2、OSCA1.3與OSCA1.4可能來自于一次重復(fù)事件，它們可能都來源于OSCA1.2。在菊分支和薔薇分支分開之前發(fā)生了一次基因重復(fù)事件，出現(xiàn)了OSCA1.2和OSCA1.5這兩大分支，在十字花科起源之前由2個成員演變?yōu)?個，即OSCA1.2演變?yōu)镺SCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3和OSCA1.4，OSCA1.5演變?yōu)镺SCA1.5和OSCA1.6。

2.3?OSCA1.7的系統(tǒng)發(fā)育分析

植物OSCA1.7的系統(tǒng)發(fā)育分析見圖4。OSCA1.7在被子植物中廣泛分布。其中，在真雙子葉植物茄科、大戟科木薯屬、錦葵科棉屬起源之前分別發(fā)生了基因重復(fù)事件。藜科植物藜麥（Chenopodium quinoa）、傘形科植物胡蘿卜（Daucus carota）、木棉科植物榴蓮（Durio zibethinus）和豆科植物花生（Arachis hypogaea）中分別發(fā)生了一次基因重復(fù)事件。

2.4?OSCA1.8的系統(tǒng)發(fā)育分析

植物OSCA1.8的系統(tǒng)發(fā)育分析見圖5。OSCA1.8也在被子植物中廣泛分布。其中，在真雙子葉植物楊柳科楊屬起源之前發(fā)生了基因重復(fù)事件。在睡蓮科植物蓮（Nelumbo nucifera）和旋花科植物牽牛花（Pharbitis nil）中分別發(fā)生了一次基因重復(fù)事件。

3?討論

OSCA1編碼植物葉片和根細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)，作為離子通道，在干旱期能夠允許Ca2+進(jìn)入細(xì)胞。OSCA1家族在功能上與擬南芥的滲透脅迫反應(yīng)相關(guān)，是植物滲透感受機(jī)制的重要成分。基因重復(fù)事件在進(jìn)化過程中起重要作用，為植物提供了豐富的遺傳原料，以應(yīng)對環(huán)境脅迫機(jī)制的演變，從而促進(jìn)植物進(jìn)化。通過對82個物種的OSCA1家族進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，可以得出在該家族的8個成員中均有基因重復(fù)事件的發(fā)生。

OSCA1.1與OSCA1.2、OSCA1.3與OSCA1.4、OSCA1.5與OSCA1.6兩兩之間分別聚為一支。OSCA1.1、OSCA1.3、OSCA1.4、OSCA1.6僅在十字花科中分布，在十字花科起源之前發(fā)生了多個基因重復(fù)事件，其中，OSCA1.2重復(fù)產(chǎn)生OSCA1.1、OSCA1.5重復(fù)產(chǎn)生OSCA1.6，因此可以看作是十字花科起源之前的一次重復(fù)事件造成的OSCA1.1與OSCA1.2、OSCA1.3與OSCA1.4、OSCA1.5與OSCA1.6的基因重復(fù)。禾本科植物單獨聚為一支，且位于基因樹的基部，這可能與禾本科植物基因的快速進(jìn)化有關(guān)。OSCA1.7與OSCA1.8分別單獨聚為一支。

從小立碗蘚開始，整個高等植物中只有一支OSCA?且支持率都高達(dá)100%。通過OSCA1各成員在植物中的分布情況以及相關(guān)基因重復(fù)事件的發(fā)生可以得出，OSCA1在被子植物中可能最多有四大分支（即OSCA1.2、OSCA1.5、OSCA1.7和OSCA1.8）。

古多倍化也稱為全基因組加倍，是物種進(jìn)化的重要機(jī)制之一，對物種進(jìn)化有推動作用[8-9]。全基因組加倍也可能對基因組的進(jìn)化有推進(jìn)作用[10-11]。此前有研究表明，真雙子葉植物的祖先在115百萬～130百萬年前經(jīng)歷了一次全基因組三倍化事件[12]，此后十字花科植物經(jīng)歷了2次十字花科作物共有的加倍（brassicaceae common duplication，BCD），分別稱為BCD-β、BCD-α，隨后蘿卜與蕓薹屬作物共同經(jīng)歷了一次蕓薹屬全基因組三倍化[13]。該研究中的基因重復(fù)事件可能與這些全基因組加倍事件相關(guān)。

該研究通過對82個物種的OSCA1家族進(jìn)行取樣，結(jié)果表明，OSCA1家族在藻類植物中已有分布，且其在低等到高等植物中的數(shù)量分布大致呈現(xiàn)遞增趨勢。

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