小麥BES1基因家族的比較基因組學分析

姜玉梅,姜如云,李俊暢,楊進威,牛吉山,李 磊

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南鄭州 450046； 2. 河南農(nóng)業(yè)大學國家小麥工程技術研究中心，河南鄭州 450046)

BES1基因家族是植物特有的調(diào)節(jié)油菜素內(nèi)酯(brassinosteroids,BRs)信號通路的重要轉錄因子，可通過調(diào)節(jié)BRs信號傳導的代謝通路發(fā)揮作用[1-3]。研究表明，BRs是一種重要的植物內(nèi)源激素，影響多種生物學進程，比如植物莖的伸長、葉片發(fā)育、花粉管生長、木質(zhì)部分化、衰老、光形態(tài)發(fā)生、脅迫響應等[4]，其在生長發(fā)育以及脅迫應答過程中的生理活性遠高于其他植物激素[5]。Sahni等[6]研究發(fā)現(xiàn)，BES1主要通過激活下游基因的轉錄，調(diào)控BRs靶基因的表達，最終調(diào)控植物的生長發(fā)育和抗逆能力。Yang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中，BES1通過調(diào)節(jié)BRs的生物合成，抑制防御素和硫苷生物合成基因的表達，對植物防御反應起促進作用。BES1在BRs信號通路中上調(diào)表達，不僅可以調(diào)控靶基因的表達并促進莖的伸長[1]，還可以抑制黃酮類化合物的生物合成，使植物能夠及時從生長狀態(tài)轉換為響應紫外線脅迫的狀態(tài)[8]。小麥(TriticumaestivumL.)是一種重要的糧食作物，其生長由于BRs的保護，可免受各種逆境脅迫的沖擊，包括低溫、高溫、鹽度、干旱、組織損傷、病原體入侵、昆蟲攻擊等[9-12]。截止目前，BES1基因家族已經(jīng)在擬南芥[13]、油菜[14]、棉花[15]、玉米[16]、番茄[17]、茶樹[18]等作物中得到鑒定，但對禾本科作物中BES1基因家族的鑒定還相對較少。因此，研究BES1基因家族成員在小麥中的功能就顯得更為重要。

近年來，小麥以及其他禾本科作物的基因組序列陸續(xù)發(fā)布，為進一步研究BES1基因在小麥以及其他禾本科作物中的功能和進化關系奠定了基礎。本研究對小麥等6種禾本科作物和十字花科模式植物擬南芥在系統(tǒng)發(fā)育、基因結構和共線性關系等方面進行了全基因組比較分析，同時進一步探討了小麥BES1基因家族成員在小麥不同組織(器官)的表達模式，以期為進一步探索BES1基因家族成員的功能及其進化情況奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 BES1基因家族的鑒定

從植物參考基因組數(shù)據(jù)庫Ensembl Plants(http://plants.ensembl.org/)下載小麥、大麥、水稻、玉米、高粱、谷子(6種常見的禾本科作物)以及擬南芥(十字花科模式植物)的基因組數(shù)據(jù)，包括基因組序列文件和蛋白序列文件。通過Pfam網(wǎng)站(http://pfam.xfam.org/)下載BES1蛋白保守結構域(PF05687)的隱馬爾可夫模型，利用HMMER網(wǎng)站(https://www.ebi.ac.uk/Tools/hmmer/)進行序列比對，閾值設置為1×10-5，每條序列保留其對應的最長轉錄本序列作為最終結果，刪除冗余蛋白序列，獲得各個物種的BES1家族成員。對得到的BES1家族成員用SMART網(wǎng)站(http://smart.embl.de/index2.cgi)進行蛋白保守結構域的鑒定確認，對驗證通過的小麥BES1家族成員利用Expasy網(wǎng)站(https://web.expasy.org/compute_pi/)對其氨基酸序列的分子質(zhì)量、等電點等理化性質(zhì)進行分析。

1.2 系統(tǒng)發(fā)育分析

利用MEGA 7.0軟件[19]內(nèi)置的CluatalW工具對小麥、大麥、水稻、玉米、高粱和谷子BES1基因家族成員的氨基酸序列進行比對分析。使用鄰近法(neighbor-joining)構建系統(tǒng)發(fā)育樹，bootstrap參數(shù)為1 000。得到的進化樹利用iTOL網(wǎng)站(https://itol.embl.de/)進行美化。

1.3 基因結構分析

從SMART網(wǎng)站獲得小麥BES1基因家族成員的蛋白保守結構域的位置信息。從基因組注釋文件中提取小麥BES1基因家族成員的內(nèi)含子、外顯子、染色體位置等信息。利用TBtools軟件[20]進行氨基酸序列保守結構域和對應核酸序列基因結構的可視化。

1.4 染色體定位和共線性分析

根據(jù)下載的小麥基因組數(shù)據(jù)庫中的物理位置信息，利用R語言包Circos將所有BES1家族成員的基因定位到小麥染色體上。采用多重共線性掃描工具MCScan X對基因重復事件進行分析，用TBtools軟件內(nèi)置的Multiple Systeny Plot繪圖工具進行物種間共線性分析。

1.5 小麥BES1基因家族的表達分析

從小麥基因表達譜網(wǎng)站W(wǎng)heat Expression Browser (http://www.wheat-expression.com/)獲取BES1家族成員在小麥不同組織(器官)中的表達量數(shù)據(jù)，基因表達水平以TPM(transcripts per million)為單位，利用TBtools軟件繪制表達量熱圖。

2 結果與分析

2.1 小麥和6個代表性植物BES1基因家族成員的鑒定結果

利用從Pfam數(shù)據(jù)庫中下載得到的隱馬爾可夫模型，對小麥基因組數(shù)據(jù)進行序列比對，以e-value<1×10-5作為篩選標準，在小麥中共鑒定到20個BES1基因家族成員，按照小麥BES1基因家族成員在染色體上的位置信息對其進行命名(表1)。除TaBES1-U位于未知染色體外，其他家族成員分布在14條染色體上。小麥BES1基因家族成員編碼蛋白氨基酸長度為178～686 aa，分子量為19.27～75.48 kDa，等電點為5.4～9.4。

表1 小麥BES1基因家族成員Table 1 BES1 gene family in wheat

在水稻、玉米、高粱、谷子、大麥和擬南芥中分別鑒定到6、11、10、11、9和8個BES1基因家族成員?？梢钥闯?，水稻的BES1基因家族成員數(shù)最少，小麥的最多。

2.2 小麥和6個代表性植物BES1基因家族的系統(tǒng)發(fā)育分析

為了研究小麥、水稻、玉米、高粱、谷子、大麥和擬南芥中BES1基因的進化關系，利用這7個物種BES1家族基因的蛋白序列構建系統(tǒng)發(fā)育樹。根據(jù)ClustalW比對結果，去掉進化距離較遠的一個谷子基因KQL10972，對其他74個BES1基因家族成員利用MEGA 7.0軟件構建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖1)，根據(jù)擬南芥BES1家族成員的分類，同時結合不同禾本科作物的進化關系，將74個BES1基因家族成員劃分為Group A、Group B、Group C、Group D四大類，分別包含31、11、26和6個家族成員。小麥和6個代表性植物BES1基因家族成員在四個大類中的分布見表2。

表2 BES1基因家族成員在系統(tǒng)發(fā)育樹的分布情況Table 2 Distribution of BES1 gene family members in phylogenetic tree

圖1 小麥和6個代表性植物BES1的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.1 Phylogenetic tree of BES1 in wheat and the six representative plants

2.3 BES1基因家族的基因結構

對小麥和6個代表性植物的BES1家族成員進行基因結構分析，結果(圖2)表明，在小麥中，BES1基因家族成員外顯子數(shù)目差異較大，大部分有2個外顯子，最多有10個。整體來說，不同物種的外顯子和內(nèi)含子的結構與進化樹分組有較好的對應關系，如Group A、Group B和Group D中的BES1基因一般含有2個外顯子，而Group C中除兩個大麥BES1基因外，其他BES1基因家族成員均含有較多的外顯子。

圖2 小麥和6個代表性植物 BES1基因家族成員的基因結構分析Fig.2 Gene structure analysis of BES1 gene family members in wheat and the six representative plants

2.4 小麥和其他6個代表性植物的共線性分析

對小麥和其他6個代表性植物進行共線性分析，結果(圖3)表明，小麥和擬南芥基因組中僅有3個TaBES1基因存在共線性關系，小麥和水稻、玉米、高粱、谷子、大麥的共線性基因?qū)?shù)目分別為25、16、15、10、11，說明小麥和水稻基因組擁有的共線性基因?qū)?shù)目最多。TaBES1-3A-1、TaBES1-3B-1和TaBES1-3D-1同時存在于小麥與擬南芥、水稻、玉米、高梁、谷子和大麥這6個物種的共線性基因?qū)χ?，表明這3個基因可能在單子葉植物和雙子葉植物中普遍存在，形成于物種分化之前，擁有更長的進化時間。

根據(jù)同源共線性分析結果，灰色線條代表兩個物種間所有存在共線性的基因?qū)?，藍色高亮線條代表小麥TaBES1基因與對應物種間的共線性基因?qū)?。According to the results of homologous synteny analysis,gray lines represent all synteny gene pairs between the two species,and blue lines represent synteny gene pairs between wheatTaBES1 genes and other species.圖3 BES1基因在小麥和6個代表性植物間的共線性分析Fig.3 Collinearity analysis of BES1 genes between wheat and the six representative plants

2.5 TaBES1基因在不同組織中的表達模式

對20個TaBES1基因家族成員的表達模式進行分析，結果(圖4)表明，TaBES1基因在不同組織中的表達模式差異明顯。TaBES1-2A、TaBES1-2B、TaBES1-2D、TaBES1-3A-2、TaBES1-3B-2和TaBES1-3D-2這6個基因在穗部(特別是雄蕊中)表達量明顯較高。TaBES1-7A、TaBES1-7B和TaBES1-7D這3個基因在根部表達量較高。有8個TaBES1基因(TaBES1-3A-1、TaBES1-3B-1、TaBES1-3D-1、TaBES1-6A-1、TaBES1-6A-2、TaBES1-6B-1、TaBES1-6B-2和TaBES1-6D)在各個組織(器官)表達量均很低或不表達。綜上，小麥BES1基因在不同組織(器官)中發(fā)揮的功能可能存在差異，部分基因的表達呈現(xiàn)出組織特異性。

圖4 小麥TaBES1基因在不同組織器官中的表達譜分析Fig.4 Expression patterns analysis of TaBES1 genes in different tissues of wheat

3 討 論

小麥是典型的異源六倍體，其基因組在所有禾本科作物中最為龐大，約為水稻基因組的40倍[21]。本研究共鑒定到20個小麥BES1基因家族成員，在數(shù)量上超過了水稻、玉米、高粱、谷子、大麥等其他禾本科作物。普通小麥是具有AABBDD基因組的異源六倍體，這可能是小麥中BES1基因大量存在的一個關鍵原因，相比其他禾本科作物，小麥BES1基因經(jīng)歷了更長的進化時間。

在系統(tǒng)發(fā)育樹中，相同亞家族中大部分BES1基因有著相似的基因結構，表明結構相似的BES1基因有著相似的進化歷史和基因功能[22-23]。共線性分析顯示，小麥BES1基因與擬南芥的共線性最低，但是與其他禾本科作物的共線性關系相對較高，說明禾本科作物之間親緣關系更近，尤其是小麥與水稻之間的共線性關系最高。此外，在小麥和大麥的基因組共線性分析中，小麥第三、第六、第七染色體群中的基因分別對應大麥3H、6H、7H染色體中的基因，也有著良好的共線性關系，說明小麥和大麥基因組高度同源，這對研究小麥和大麥之間的進化關系有很大幫助。

BES1轉錄因子家族是植物體內(nèi)一類重要的基因家族，也是BRs信號轉導的核心成員，可以協(xié)同調(diào)控植物的生長發(fā)育和抗逆性[24]。在小麥中， 抑制BRs合成的代謝途徑，會降低小麥的光合作用、籽粒產(chǎn)量以及對高光、高溫的耐受性[25]。此外，BRs在對小麥抗旱性、磷酸鹽穩(wěn)態(tài)和谷物質(zhì)量的調(diào)節(jié)中，也扮演著重要的角色[26]。在擬南芥中，BES1基因可以被EMS1-TPD1-SERK1/2介導的信號轉導激活，從而控制擬南芥的絨氈層發(fā)育[13,27]，影響植株育性。表達模式分析顯示，TaBES1基因在小麥穗和根中的表達量較高，特別是TaBES1-3A-2、TaBES1-3B-2和TaBES1-3D-2在小麥雄蕊和雌蕊中的表達量較高，說明這三個基因在小麥穗發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。