植物赤霉素受體GID1基因的分析

唐文芳 徐升勝 龍?chǎng)┖?/p>

摘要 從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)在線網(wǎng)站搜集了赤霉素受體基因核苷酸序列，分析了所獲基因的進(jìn)化關(guān)系。結(jié)果表明，植物的98個(gè)GID1基因擁有共同的根系，進(jìn)化為Group A、Group B、 Group C和 Group D 4組。Group A GID1基因在單子葉植物綱中沒(méi)有GID1a、GID1b、GID1c分類(lèi)現(xiàn)象，在雙子葉植物綱中基因有簡(jiǎn)單的Group B GID1b，Group C GID1a，且GID1c聚類(lèi)現(xiàn)象;Group D由被子植物門(mén)單子葉植物和雙子葉植物及苔蘚植物門(mén)小立苔蘚植物的基因組成;GID1基因組在進(jìn)化過(guò)程中可能出現(xiàn)復(fù)制突變，所有GID1基因具有相同的保守區(qū)域，可利用基因之間的保守性來(lái)克隆未知基因;102條序列歸屬于91種植物，尚有更多單子葉植物、裸子植物和蕨類(lèi)植物的GID1基因有待克隆。

關(guān)鍵詞 赤霉素;GID1基因;系統(tǒng)發(fā)育重建

中圖分類(lèi)號(hào) Q-943.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）12-0098-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.025

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of Gibberellin Receptor GID1 Gene in Plants

TANG Wen fang， XU Sheng sheng， LONG Wen hong

（Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201）

Abstract The nucleotide sequence of gibberellin receptor gene was collected from the NCBI database online website， and the evolutionary relationship of the obtained gene was analyzed. The results showed that 98 GID1 genes in plants had the same root system， which evolved into four groups： Group A， Group B， Group C and Group D.? Group A GID1 gene has no classification phenomenon of GID1a， GID1b and GID1c in monocotyledons. In dicotyledons， there are simple Group B GID1b， Group C GID1a and GID1c clustering phenomenon. Group D is composed of GID1 genes of Monocotyledoneae and Dicotyledoneae of the Angiospermae and Bryophyta Bryopsida of the plants. This suggests that the GID1 genome is replicating during the evolutionary process. All GID1 genes share the same conserved region， which can be used to clone unknown genes. Phylogenetic analysis of 102 GID1 genes of 91 plant species shows that more GID1 genes of monocotyledons， gymnosperms and ferns need to be cloned.

Key words Gibberellin;GID 1 genes;Phylogenetic reconstruction

赤霉素（gibberellins，GAs）是重要的植物激素之一，它參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程，包括種子萌發(fā)、莖葉的發(fā)育、花及果實(shí)的發(fā)育等[1-2]。有研究表明，赤霉素促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的作用較其他四大激素大，促進(jìn)作用不會(huì)發(fā)生超最適濃度的抑制作用[3]。赤霉素通過(guò)生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來(lái)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，增加細(xì)胞的伸長(zhǎng)，提高生物量，促進(jìn)果實(shí)發(fā)育。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，使植物產(chǎn)生赤霉素效應(yīng)[4]。該過(guò)程必須通過(guò)赤霉素信號(hào)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前已發(fā)現(xiàn)130余種赤霉素類(lèi)物質(zhì)，但僅有少數(shù)幾種具有生物活性，分別為GA1、GA3、GA4和GA7，主要用來(lái)調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的是GA3和GA7的混合物，它們的調(diào)控作用通過(guò)與Gibberellin Insensitive Dwarf 1（GID1）結(jié)合的親和度來(lái)反映[5]。赤霉素受體GID1不論在蛋白水解途徑還是非蛋白水解途徑中都有特殊功能[4]，每個(gè)受體基因在不同蛋白水解途徑中對(duì)植物種子發(fā)芽、根莖葉的生長(zhǎng)及繁殖起著不同的作用[3，6]。

GID1基因受體有3種類(lèi)型，遺傳分析表明，GA在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有3種特異性功能[6]，3種GA受體GID1A、GID1B和GID1C通過(guò)GA/GID1刺激破壞GA反應(yīng)的Dell抑制因子而積極調(diào)節(jié)GA反應(yīng)[7]，比如GID1基因在種子萌發(fā)過(guò)程中GID1BmRNA和DELLA蛋白有較高的親和力，在泛素化降解蛋白中不影響 DELLA的活性，表達(dá)水平較高[6];GID1A和GID1C保留典型的GA信號(hào)作用，GID1B的表達(dá)偏向于地下組織和干豆類(lèi)種子[8]。以野生型擬南芥種子萌發(fā)為例，GID1B可以作為上游負(fù)調(diào)控因子GID1C，休眠種子萌發(fā)的正調(diào)控因子，暗萌發(fā)的負(fù)調(diào)節(jié)因子;GID1B和GID1A在一定程度上可以作為GID1C的上游負(fù)調(diào)控因子，由于GID1 3突變體在黑暗中不能萌發(fā)，因此GID1C可能是暗萌發(fā)的關(guān)鍵下游正調(diào)控因子[9]。3種受體GID1在功能上相互分離又相互補(bǔ)充，并且每個(gè)基因可能在不同的組織器官和不同發(fā)育時(shí)期發(fā)揮特殊功能[9]。

目前，對(duì)GID1基因的研究廣泛，部分物種的基因序列已被克隆出，但對(duì)植物的GID1基因進(jìn)化關(guān)系仍缺乏較為系統(tǒng)的研究。為明確不同物種GID1在發(fā)育中的關(guān)系，筆者搜集了已登錄的GID1基因序列，分析GID1基因的進(jìn)化關(guān)系，旨在為深入研究GID1基因的克隆現(xiàn)狀提供參考。

1 材料與方法

1.1 GID1序列的篩選

NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/）數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入關(guān)鍵詞“gid1”，搜索出相關(guān)序列，找出其中GID1基因序列，Blast（https：//blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi）基因序列在線比對(duì)篩選，得到擬進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析的赤霉素受體基因序列。在《中國(guó)植物志》官網(wǎng)查對(duì)這些基因拉丁名對(duì)應(yīng)的中文所屬，在線網(wǎng)址：（http：//www.iplant.cn/frps）。

1.2 重建GID1系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

首先把篩選好的基因序列用Editseq MegAlign Clustalx（1.83）軟件整合成FASTA格式，然后把FASTA文件導(dǎo)入Mega7.0點(diǎn)擊新窗口“TA”Mega7.0 Sequence Data Explorer進(jìn)行多基因序列分析，Mega7.0 Sequence Data Explorer窗口點(diǎn)擊“TA”按鈕后，再點(diǎn)擊“C”按鈕，通過(guò)比較序列間的保守程度，淘汰一些不合群的序列后最小化窗口，回到Mega7.0 Phylogeny窗口使用鄰位相連法（Neighbor joining，NJ）導(dǎo)入文件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，NJ 法中的穩(wěn)健性采用自展內(nèi)部分枝法（Boot strapping）進(jìn)行評(píng)定，設(shè)置Bootstrap Replication值，密碼子位置選用1+2+3+非編碼，刪除每個(gè)序列對(duì)應(yīng)的所有不明確的位置，最后得到完整的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。Evolview在線編輯系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，編輯網(wǎng)址：https：//evolgenius.info//evolview v2/#mytrees/DEMOS/yeast%20duplications。

1.3 GID1保守序列分析

在Mega7.0 Sequence Data Explorer窗口對(duì)基因序列進(jìn)行保守性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物GID1基因登錄情況

NCBI Gene數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入關(guān)鍵詞“gid1”，共搜索出2 436個(gè)基因，其中關(guān)于GID1的有114個(gè)，進(jìn)行Blast基因比對(duì)，最終獲得102個(gè)基因序列（表1）。102個(gè)基因的拉丁文登錄名查對(duì)《中國(guó)植物志》得知，該研究搜集的基因序列分屬于91種植物，分別為68個(gè)雙子葉植物，20個(gè)單子葉植物，1個(gè)松柏綱植物，1個(gè)蘚綱植物，1個(gè)木蘭綱植物。分析植物種屬分布情況可以得出GID1基因的登錄情況，被子植物門(mén)占基因總登錄物種的97.80%，雙子葉植物綱基因占基因總登錄的74.73%，占被子植物門(mén)的77.53%;單子葉植物綱基因占總登錄基因的21.97%，占被子植物門(mén)的22.47%;裸子植物門(mén)占基因總登錄的1.10%;蕨類(lèi)植物占總登錄的1.10%;苔蘚植物占總登錄的1.10%。這說(shuō)明GID1基因的研究集中于被子植物門(mén)，其他植物GID1基因的登錄情況較少。

2.2 GID1的系統(tǒng)進(jìn)化

2.2.1 GID1 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。

基因序列整合導(dǎo)入Mega7.0后，分析刪除不必要基因序列（序列11、序列17、序列18和序列76）后，鄰近法Bootstrap Replication值設(shè)置為1 000構(gòu)建完整的進(jìn)化樹(shù)（圖1）。圖1顯示，GID1擁有共同的根系、共同的祖先，進(jìn)化為順時(shí)針?lè)较颉８鶕?jù)植物學(xué)分類(lèi)及GID1s命名方式將98個(gè)GID1基因順時(shí)針?lè)较蚍譃?個(gè)組，分別為Group A、 GroupB、 GroupC、 GroupD。Group A GID1基因序列分屬于被子植物門(mén)單子葉植物和裸子植物門(mén)松綱植物;Group B分布被子植物門(mén)雙子葉植物GID1b序列;Group C GID1序列主要分布被子植物門(mén)雙子葉植物和雙子葉木蘭綱植物的基因，分化出兩大分枝（如圖2藍(lán)色枝），上枝基因序列間自展值在80%以上，且80%以上為GID1c，下枝GID1基因序列的自展值達(dá)到80%的僅占50%。Group B雙子葉植物GID1b與Group A中單子葉植物GID1自展值超過(guò)50%。Group D是被子植物門(mén)單子葉植物和雙子葉植物及苔蘚植物門(mén)苔蘚植物的基因組成。

從GID1系統(tǒng)發(fā)育無(wú)根樹(shù)（圖2）可以看出，GID1樹(shù)枝分散，分散成主要四大組枝，各大組枝分化明顯，表明這91種植物之間的基因存在差異。

2.2.2 基因保守序列。

從圖3可以看出，GID1基因序列的保守序列為GGT TCC CTG AAC CTC ATC T TTA C TCT TCG TCC GGA TGG CAC ATT CAA CG AA AGC。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方式分析基因的核酸，比較GID1基因序列的保守堿基數(shù)來(lái)分析各組基因之間的差異程度。結(jié)果表明，Group B基因序列保守堿基數(shù)比Group A、Group C、Group D的高，這是由于Group B上基因登錄的植物分類(lèi)綱級(jí)和基因類(lèi)型一致，都是雙子葉植物的GID1b型，因此比其他組的基因親緣關(guān)系更近。Group A與Group B為旁系枝，Group A上分布的基因都是單子葉植物的GID1s，Group A基因數(shù)比Group B多，而基因序列的保守堿基數(shù)比Group B少，Group A基因間的親緣關(guān)系比Group B遠(yuǎn)。Group C分布雙子葉植物GID1a和GID1c基因，從圖2可以看出，Group C基因主要分兩大進(jìn)化方向，上枝由27個(gè)GID1基因組成，下枝由31個(gè)基因組成，整體58個(gè)基因;上枝保守堿基數(shù)340，下枝基因的保守堿基數(shù)409，整體Group C的保守堿基數(shù)258。顯示基因序列的保守堿基數(shù)與基因序列數(shù)成反比。Group D有10個(gè)基因，基因數(shù)比Group B多，但Group D基因的保守堿基數(shù)顯著少于Group B（表2）。這個(gè)差異的原因是Group D分布2門(mén)植物的基因。Group A、Group B、Group C、Group D各組之間基因序列的保守堿基數(shù)差異顯著，但98個(gè)基因有共同的保守序列。

3 討論

赤霉素受體GID1作為赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的重要因子，最早在水稻[10]中獲得，之后從擬南芥[11]、棉花[12]和大麥[13]等多種植物中獲得，后續(xù)更多植物的GID1基因被克隆。從GID1基因的登錄情況可以看出，被子植物門(mén)雙子葉植物的GID1基因已被大量克隆登錄;但單子葉植物、裸子植物和蕨類(lèi)植物GID1基因的克隆甚少。單子葉植物的禾本科植物、薯蕷科植物應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于糧、飼料、藥等。裸子植物是綠化樹(shù)種中極為重要的一類(lèi)[14]，蕨類(lèi)植物能監(jiān)測(cè)大氣重金屬污染程度[15]，苔蘚結(jié)皮層能夠改良土壤[16]，這些植物在園林綠化中有著至關(guān)重要的地位。因此，克隆研究植物GID1基因可為研究其生長(zhǎng)發(fā)育奠定基礎(chǔ)，能充分發(fā)揮其重要的地位，至于更多單子葉植物、裸子植物和蕨類(lèi)等植物的GID1基因有待克隆。

Yoshida等[5]和Gazara等[8]對(duì)GID1進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，發(fā)現(xiàn)幾乎所有雙子葉植物的基因都含有2種GID1，即GID1ac型和GID1b型。通過(guò)重建91個(gè)物種的GID1s系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，發(fā)現(xiàn)GID1s在Group A單子葉植物中沒(méi)有GID1a、GID1b、GID1c分類(lèi)現(xiàn)象;在雙子葉植物植物Group B和Group C中有簡(jiǎn)單的GID1b、GID1a和GID1c聚類(lèi)現(xiàn)象，說(shuō)明單子葉植物GID1基因型進(jìn)化方向沒(méi)有典型的基因分類(lèi)現(xiàn)象，雙子葉植物基因進(jìn)化為典型的GID1b、GID1a和GID1c。與前者研究比較確定了雙子葉植物存在GID1a，且GID1c和GID1b型進(jìn)化方向，但單子葉植物的GID1基因的登錄還不全，有待進(jìn)一步研究。

在雙子葉植物中，十字花科的擬南芥（Arabidopsis thaliana）、獼猴桃科的獼猴桃（Actinidia deliciosa）、 梧桐科的可可（Theobroma cacao）、茄科的番茄（Solanum lycopersicum）、 毛茛科的牡丹（Paeonia suffruticosa）、大戟科的橡膠（Hevea brasiliensis）和戟科的木薯（Manihot esculenta）已登錄2個(gè)GID1基因。同樣單子葉植物中，薯蕷科的山藥（Dioscorea polystachya）、禾本科的玉米（Zea mays）、普通小麥（Triticum aestivum）和芭蕉科的小果野蕉（Musa acuminate）等植物也登錄了2個(gè)GID1基因。獼猴桃、可可、玉米等2個(gè)基因?yàn)榕韵抵ψ哉怪颠_(dá)90%以上，其他植物的基因非旁系枝，發(fā)現(xiàn)植物的基因之間不僅存在物種差異，還存在基因類(lèi)型差異，比如獼猴桃的GID1a和GID1b之間基因同源性達(dá)到67%，山藥的GID1a和GID1b之間基因同源性達(dá)到45%。雙子葉植物和單子葉植物的GID1基因數(shù)量表明，植物中含有2個(gè)以上GID1基因，Gazara等[8]研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)取樣組織中至少有1個(gè)基因在表達(dá)，除了以上11種植物的GID1基因已克隆并登錄2個(gè)基因，其他植物的GID1基因有待進(jìn)一步克隆分析。從98個(gè)GID1基因聚類(lèi)分析可知，GID1基因的起源始尚不明確，在植物基因組中可能出現(xiàn)多次復(fù)制，導(dǎo)致基因組的分枝發(fā)散。91種植物的98個(gè)GID1基因具有相同的保守區(qū)域。Guan等[17]研究了GID1基因的同源性，發(fā)現(xiàn)可依賴(lài)基因之間的保守性來(lái)克隆未知基因。

4 結(jié)論

更多植物未知的GID1基因有待克隆。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中GID1擁有共同的根系，單子葉植物綱中沒(méi)有分類(lèi)現(xiàn)象，而雙子葉植物綱中有分類(lèi)現(xiàn)象，說(shuō)明基因組中出現(xiàn)復(fù)制進(jìn)化。所有已知的GID1基因序列具有相同的保守區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1] OLSZEWSKI N，SUN T P，GUBLER F.Gibberellin signaling：Biosynthesis，catabolism，and response pathways[J].Plant Cell，2002，14（S1）：S61-S80.

[2] 李巧峽，張麗，王玉，等.赤霉素調(diào)控植物開(kāi)花及花器官發(fā)育的研究進(jìn)展[J].中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（4）：746-758.

[3] 陳敏.紫花苜蓿赤霉素受體基因MsGID1b的克隆及功能分析[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2017.

[4] 黃桃鵬，李媚娟，王睿，等.赤霉素生物合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究進(jìn)展[J].植物生理學(xué)報(bào)，2015，51（8）：1241-1247.

[5] YOSHIDA H，TANIMOTO E，HIRAI T，et al.Evolution and diversification of the plant gibberellin receptor GID1[J].PNAS，2018，115（33）：E7844-E7853.

[6] GE W J，STEBER C M.Positive and negative regulation of seed germination by the Arabidopsis GA hormone receptors，GID1a，b，and c[J].Plant Direct，2018，2（9）：1-11.

[7] UEGUCHI TANAKA M，ASHIKARI M，NAKAJIMA M，et al.Gibberellin Insensitive Dwarf 1 encodes a soluble receptor for gibberellin[J].Nature，2005，437（7059）：693-698.

[8] GAZARA R K，MOHARANA K C，BELLIENY RABELO D，et al.Expansion and diversification of the gibberellin receptor GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1（GID1）family in land plants[J].Plant Mol Biol，2018，97（4/5）：435-449.

[9]? THOMAS S G，RIEU I，STEBER C M.Gibberellin metabolism and signaling[J].Vitamins & Hormones，2005，72：289-338.

[10] AYA K，UEGUCHI TANAKA M，KONDO M，et al.Gibberellin modulates anther development in rice via the transcriptional regulation of GAMYB[J].The plant cell，2009，21（5）：1453-1472.

[11] NAKAJIMA M，SHIMADA A，TAKASHI Y，et al.Identification and characterization of Arabidopsis gibberellin receptors[J].Plant J，2006，46（5）：880-889.

[12] ALEMAN L，KITAMURA J，ABDEL MAGEED H，et al.Functional analysis of cotton orthologs of GA signal transduction factors GID1 and SLR1[J].Plant Mol Biol，2008，68（1/2）：1-16.

[13] CHANDLER P M，HARDING C A，ASHTON A R，et al.Characterization of gibberellin receptor mutants of barley（Hordeum vulgare L.）[J].Mol Plant，2008，1（2）：285-294.

[14] 張亞平.裸子植物在城市園林綠化中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代園藝，2017（16）：127-128.

[15] 李琦，籍霞，王恩輝，等.苔蘚植物對(duì)青島市大氣重金屬污染的生物監(jiān)測(cè)作用[J].植物學(xué)報(bào)，2014，49（5）：569-577.

[16] 閆德仁，張勝男，黃海廣，等.沙漠苔蘚植物分解的土壤改良效應(yīng)[J].水土保持研究，2020，27（3）：225-229，237.

[17] GUAN Y R，XUE J Q，XUE Y Q，et al.Effect of exogenous GA3 on flowering quality，endogenous hormones，and hormone and flowering associated gene expression in forcing cultured tree peony（Paeonia suffruticosa）[J].J Integr Agric，2019，18（6）：1295-1311.