顧鵬鵬 馬鑫磊 姚銳 高慧 林小虎
摘要:熱激蛋白90 (heat shock proteins 90,HSP90) 是廣泛存在于植物中的一種高度保守的細胞伴侶蛋白家族,參與調(diào)節(jié)和維持各種蛋白質(zhì)的構象,在植物的生物和非生物脅迫應激反應中起著重要作用。為探討谷子HSP90基因家族(SiHSP90s)在干旱脅迫下的潛在抗旱功能,對SiHSP90s進行鑒定,并分析其在干旱脅迫下的表達情況。共鑒定出9個SiHSP90基因分別位于谷子5條染色體上。理化性質(zhì)分析顯示SiHSP90s蛋白長度為403~817個氨基酸,分子量為46.1~92.7 ku。系統(tǒng)進化分析顯示SiHSP90s分為Ⅰ型和Ⅱ型2個亞家族?;蚪Y(jié)構與蛋白基序分析顯示,Ⅰ型和Ⅱ型亞族成員的外顯子數(shù)量分別在2~3個和12~20個之間,且均含有保守的HATPase_c(PF02518)和HSP90(PF00183)結(jié)構域。順式元件分析表明,SiHSP90s基因可以應對不同的非生物脅迫。qRT-PCR結(jié)果表明,干旱脅迫下SiHSP90.2和SiHSP90.3轉(zhuǎn)錄水平極顯著上調(diào)。這些結(jié)果為闡明SiHSP90家族的進化關系以及進一步研究SiHSP90基因的功能特性提供了有價值的信息。
關鍵詞:熱激蛋白90;基因家族;干旱脅迫;表達分析;谷子
中圖分類號: S515.01? 文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2022)06-0045-08
收稿日期:2021-07-06
基金項目:國家“十三五”重點研發(fā)計劃(編號:2019YFD1001701-2);河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系創(chuàng)新團隊(雜糧雜豆)項目(編號:HBCT2018070404);河北省自然科學基金(編號:C2019407001);河北省高等學校科學技術研究項目(編號:QN2020154);河北省在讀研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)資助項目(編號:CXZZSS2021152)。
作者簡介:顧鵬鵬(1994—),男,山東濱州人,碩士研究生,主要從事植物分子遺傳與基因工程研究。E-mail:1006555310@qq.com。
通信作者:林小虎,博士,教授,主要從事植物遺傳學研究。E-mail:xiaohulin2008@163.com。
作物經(jīng)常遭受各種非生物脅迫,包括干旱[1]、鹽堿[2]、低溫[3]和高熱[4]等,其會對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生嚴重影響。作物在長期進化過程中形成了完善的抵御非生物脅迫的應答機制。其中熱激蛋白(heat shock protein,HSP)被證實具有保護細胞抵御有害刺激的功能[5],其按分子量大小可分為小分子HSP(sHSP)、HSP60、HSP70、HSP90和HSP100家族[6]。其中HSP90是一種腺苷三磷酸(ATP)依賴的分子伴侶蛋白,在原核和高等真核生物中均高度保守[7]。HSP90主要由3個高度保守的結(jié)構域組成:與底物結(jié)合的約25 ku的C端結(jié)構域、35 ku的中間結(jié)構域和與ATP結(jié)合的12 ku的N端結(jié)構域[8-9]。在真核生物中,HSP90的N端結(jié)構域和中間結(jié)構域之間有一個長的、高電荷的連接結(jié)構域[10]。HSP90中與ATP結(jié)合的區(qū)域通常處于閉合狀態(tài)[11],N端ATP酶活性較低[12]。
HSP90具有穩(wěn)定蛋白的能力;在變性條件下,HSP90能防止功能蛋白失穩(wěn)聚集并促進非活性蛋白質(zhì)復性[13]。在真菌和動物中,HSP90在脅迫信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮廣泛的作用,如類固醇激素受體、蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子的折疊,以及激活底物來啟動脅迫信號轉(zhuǎn)導[14-15]。在植物中,HSP90的研究主要集中在進化分析和生理功能方面[16-17]。研究表明,HSP90與生長素、油菜素類固醇、細胞分裂素和茉莉酸等激素信號轉(zhuǎn)導有直接的關系[18]。植物中HSP90不僅與多激素之間具有直接關系,同時與非生物脅迫響應密切相關。在擬南芥中,AtHSP90.2、AtHSP90.5和AtHSP90.7的過表達增強了植物對鹽和干旱脅迫的敏感性,但對高濃度Ca2+的耐受性提高[19];在煙草中部分NtHSP90在非生物脅迫響應調(diào)控中起重要作用,例如NtHSP90-4、NtHSP90-5和NtHSP90-9在脫落酸(ABA)、干旱、鹽、冷熱脅迫的誘導下表達上調(diào),而NtHSP90-6和NtHSP90-7不受其誘導[20]。最近在植物中進行的蛋白質(zhì)組學和磷蛋白質(zhì)組學[21-23]分析表明,在干旱和鹽堿脅迫下都存在大量的HSP90蛋白,其可能參與了脅迫響應過程中的信號轉(zhuǎn)導。
谷子(Setaria italica L.)是一種耐旱、耐貧瘠的糧食作物,廣泛種植于世界干旱和半干旱地區(qū)[24]。因谷子具有C4光合特性;對干旱、高溫、鹽堿具有顯著的耐性;且與多種生物能源禾本科作物的遺傳關系密切,被認為是研究C4光合特性、非生物脅迫耐性和生物燃料特性的模式作物[25]。到目前為止,關于谷子HSP90基因家族成員的鑒定以及在干旱脅迫下的表達分析未見報道。本研究基于已測序的谷子基因組[26],對谷子HSP90基因家族成員進行鑒定,并分析了干旱脅迫下HSP90家族成員的基因表達情況,為進一步探究HSP90的抗旱功能提供理論基礎。
1 材料與方法
1.1 試驗材料與培養(yǎng)條件
供試谷子品種為豫谷1號,種植于智能人工氣候箱的育苗盆中,營養(yǎng)土、蛭石混合比例為2 ∶1。培養(yǎng)箱條件為溫度26/20 ℃,光周期16/8 h,濕度65%。
1.2 谷子HSP90基因家族鑒定
利用HSP90保守結(jié)構域的隱馬爾可夫模型文件(PF00183,http://pfam.xfam.org/),從谷子全基因組(https://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html#)篩選候選的HSP90基因家族成員。利用SMART (http://smart.embl.de/smart/set_mode.cgi?GENOMIC=1)、Pfam和NCBI-CDD(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)三大數(shù)據(jù)庫對候選的谷子HSP90基因家族成員進行驗證。利用UniProtKB/Swiss-Prot(https://web.expasy.org/protparam/)對谷子HSP90基因家族成員理化性質(zhì)進行分析。
1.3 谷子近緣植物HSP90基因家族成員鑒定及系統(tǒng)發(fā)育分析
編輯 perl 腳本,提取擬南芥、谷子(豫谷1號)、二穗短柄草、水稻、玉米、高粱、萊茵衣藻的HSP90基因的氨基酸序列,利用 ClustalW 軟件對保守結(jié)構域進行序列比對,根據(jù)序列比對的結(jié)果以及擬南芥中HSP90基因的分類標準,將谷子中的 HSP90基因分為 2個亞型,同時根據(jù)保守結(jié)構域比對結(jié)果,利用 MEGA7構建了擬南芥、二穗短柄草、水稻、玉米、高粱、萊茵衣藻和谷子HSP90基因的 N-J 無根樹,bootstrap值設為 1000。
1.4 谷子HSP90基因結(jié)構和保守結(jié)構域分析
利用 GSDS(http://gsds.gao-lab.org/)分析谷子中每個 HSP90基因 3′UTR、 5′UTR、內(nèi)含子和外顯子的組成,CDS 在基因組上的位置信息來自 JGI 數(shù)據(jù)庫,利用在線軟件MEME分析每個HSP90基因中存在的保守模體。
1.5 谷子HSP90基因家族染色體定位
根據(jù)谷子HSP90基因家族的基因號在Phytozome網(wǎng)站查詢谷子各HSP90家族成員位置信息,利用MapChart軟件繪制谷子HSP90基因家族染色體定位圖。
1.6 谷子HSP90基因啟動子區(qū)順式作用元件分析
在Phytozome中下載谷子的全基因組序列和基因結(jié)構注釋信息GFF3文件,通過Tbtools軟件的Gtf/Gff3 Sequences Extractor功能提取所有基因CDS序列上游2 000 bp的序列,再通過Fasta Extractor提取HSP90基因家族成員的啟動子區(qū)序列,提交至PlantCare(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)網(wǎng)站進行順式作用元件預測。將得到的預測信息分類匯總,并通過Tbtools軟件的Simple Biosequence Viewer將結(jié)果可視化。
1.7 干旱脅迫下谷子HSP90基因?qū)崟r熒光定量PCR
對照組正常澆水保持土壤濕潤;干旱組5葉期時停止?jié)菜寥篮实陀?0%時取材。取材后液氮速凍并于-80 ℃儲存?zhèn)溆谩Υ嬗?-80 ℃ 的對照組和干旱組的谷子幼苗取全植株,提取RNA(TaKaRa MiniBEST Plant RNA Extraction Kit試劑盒)并反轉(zhuǎn)錄為cDNA(UEIris II RT-PCR System for First-Strand cDNA Synthesis)-20 ℃保存?zhèn)溆?。對SiHSP90家族的所有成員編碼序列設計實時熒光定量PCR引物(表1),產(chǎn)物片段大小限定在80~200 bp 之間。實時熒光定量PCR使用 BIO-RAD CFX connect TM定量PCR儀進行擴增,以谷子 EF-1a-2 作為內(nèi)參。擴增體系10 μL,其中cDNA 0.5 μL,正反方向引物各0.3 μL,AugeGreenTM qPCR Master Mix 5 μL,ddH2O 3.9 μL。程序設定為95 ℃預變性2 min;95 ℃變性5 s,60 ℃退火和延伸30 s,共45個循環(huán)。試驗設置3次生物學重復且每個樣品設置3次技術重復。試驗數(shù)據(jù)采用2-△△CT法計算各基因表達量。
2 結(jié)果與分析
2.1 谷子HSP90家族成員鑒定及蛋白理化性質(zhì)分析
本研究利用隱馬爾可夫模型(PF00183)在谷子中共鑒定得到9個編碼HSP90的基因,分別命名為SiHSP90.1~SiHSP90.9(表2)。預測分析谷子HSP90蛋白序列的氨基酸數(shù)目、分子量、等電點等理化性質(zhì)參數(shù),結(jié)果顯示SiHSP90家族蛋白的氨基酸殘基數(shù)目在403~817個之間,其中SiHSP90.1氨基酸數(shù)目最少,SiHSP90.3氨基酸數(shù)目最多;蛋白分子量在46.083 29~92.747 37 ku之間,其中SiHSP90.4最大,SiHSP90.1最小;等電點分析顯示,SiHSP90.1~SiHSP90.9均為酸性蛋白;不穩(wěn)定系數(shù)分析表明SiHSP90.3、SiHSP90.4、SiHSP90.7、SiHSP90.9為穩(wěn)定蛋白,SiHSP90.1、SiHSP90.2、SiHSP90.5、SiHSP90.6、SiHSP90.8為不穩(wěn)定蛋白;脂肪指數(shù)分析顯示SiHSP90蛋白家族成員的熱穩(wěn)定性均較強。
2.2 HSP90基因家族系統(tǒng)進化、基因結(jié)構和保守基序分析
為了探究谷子HSP90基因的起源和進化,本研究分別鑒定萊茵衣藻、擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子7個代表物種的HSP90基因家族成員并構建系統(tǒng)進化樹。在萊茵衣藻、擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子中分別鑒定出3、7、8、9、7、 11、 9個HSP90家族成員。根據(jù)進化樹的分支將7個代表物種中的HSP90基因分為Ⅰ和Ⅱ 2個亞家族(圖1)。在Ⅰ型亞族中萊茵衣藻、擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子分別鑒定出1、4、4、5、4、5、4個成員;在Ⅱ型亞族中萊茵衣藻、擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子分別鑒定出2、3、4、4、3、6、5個成員。本研究還發(fā)現(xiàn)了12個基因同源,占HSP90基因總數(shù)的22.22%。其中擬南芥1對(AtHSP90.2和AtHSP90.3),谷子2對(SiHSP90.1和SiHSP90.2,SiHSP90.6和SiHSP90.8),水稻1對(OsHSP90.6和OsHSP90.7),二穗短柄草1對(BdHSP90.3和BdHSP90.4),高粱1對(SbHSP90.1和SbHSP90.2)。
SiHSP90家族的基因結(jié)構和保守基序分析結(jié)果表明,Ⅰ型亞族成員的外顯子數(shù)量較少,在2~3個之間;Ⅱ型亞族成員的外顯子數(shù)量較多,在12~20個之間(圖2)。在Ⅰ型亞族中,SiHSP90.9基因結(jié)構與其他成員存在較大區(qū)別,其含有一個較長的內(nèi)含子序列,約占基因全長的70%。在Ⅱ型亞族中, SiHSP90.2和SiHSP90.5外顯子和內(nèi)含子排布最為相似;SiHSP90.1沒有UTR區(qū),SiHSP90.4的5′UTR區(qū)最長。保守基序分析顯示,SiHSP90家族含有10個基序(Motif),這些Motif的長度為21~96個氨基酸。通過Pfam在線軟件對10個Motif的結(jié)構域進行分析,結(jié)果顯示Motif 7屬于HATPase_c結(jié)構域,其余Motif均屬于HSP90保守結(jié)構域。
2.3 谷子HSP90家族染色體定位分析
為了探究SiHSP90s在染色體上的位置,本研究繪制了SiHSP90s的染色體位置圖(圖3)。結(jié)果表明9個家族成員分別定位在谷子的第2、3、4、6和7號染色體上,其中SiHSP90.1和SiHSP90.2分別定位于第2號染色體上的6.01和34.60 Mb處;SiHSP90.3位于第3號染色體的45.08 Mb處,SiHSP90.4位于第4號染色體的39.62 Mb處;SiHSP90.5~SiHSP90.8位于第6號染色體的 31.46~32.08 Mb之間;SiHSP90.9定位在第7號染色體的1.56 Mb處。6號染色體上SiHSP90成員最多,有4個成員;3、4和7號染色體上SiHSP90成員最少,均為1個。
2.4 谷子HSP90啟動子區(qū)順式作用元件分析
為進一步探究SiHSP90在非生物脅迫中的調(diào)控機制,對SiHSP90基因啟動子區(qū)(2 000 bp)進行順式作用元件分析(圖4-A),發(fā)現(xiàn)SiHSP90家族啟動子區(qū)共存在237個順式作用元件,可以分為3類:非生物脅迫響應類元件、激素響應類元件和光響應類元件。對于每個SiHSP90而言,光響應類作用元件分布廣泛,同時每個基因都含有非生物脅迫響應類元件和激素響應類元件。非生物脅迫響應類元件主要有干旱誘導相關作用元件MBS(MYB binding site to drought-inducibitity)和低溫應激相關元件LTR(low temperature response element)。其中MBS位于除SiHSP90.4外的所有基因上,SiHSP90.2、SiHSP90.3、SiHSP90.6、SiHSP90.7、SiHSP90.8和SiHSP90.9啟動子區(qū)均含有1個MBS,SiHSP90.1和SiHSP90.5啟動子區(qū)分別含有3、2個MBS;LTR位于SiHSP90.5和SiHSP90.9基因上,元件的數(shù)量分別為1、3。激素響應類元件主要有脫落酸應答元件ABRE、生長素應答元件TGA-element和 AuxRR-core、茉莉酸甲酯應答元件CGTCA-motif/TGACG-motif、赤霉素應答元件GARE-motif和 P-box、水楊酸應答元件TCA-element。
對SiHSP90家族各成員上的3類順式作用元件的數(shù)量進行統(tǒng)計分析, 發(fā)現(xiàn)除SiHSP90.4外其他基因均含有非生物脅迫響應相關作用元件,且非生物脅迫響應相關元件的數(shù)量要遠低于激素響應類元件和光響應類元件(圖4-B)。圖4-C為各順式作用元件在SiHSP90的2個亞家族中的分布情況,(A)、(B)、(C)分別表示激素響應類、非生物脅迫響應類和光響應類作用元件。結(jié)果顯示除部分順式作用元件外,大部分元件在谷子HSP90上的2個亞家族中都有分布,且在Ⅱ型亞族中的數(shù)量多于Ⅰ型亞族。
2.5 谷子HSP90家族干旱脅迫下表達譜
為了驗證SiHSP90家族在干旱脅迫中的表達情況,通過qRT-PCR檢測了此基因家族成員在干旱脅迫下的表達模式。結(jié)果表明:SiHSP90.2和SiHSP90.3在干旱脅迫下的表達水平與對照相比極顯著上調(diào);SiHSP90.1、SiHSP90.4、SiHSP90.5、SiHSP90.6、SiHSP90.7、SiHSP90.8和SiHSP90.9的表達水平與對照相比未見顯著變化(圖5)。
3 討論與結(jié)論
HSP90s作為分子伴侶,可以抑制變性蛋白的不可逆聚集,從而增強植物的耐旱性[13]。目前,對HSP90家族成員鑒定及功能分析已在水稻[12]、二穗短柄草[27]、煙草[20]、大豆[28]、番茄[29]、黃瓜[30]等物種中報道,而谷子中HSP90家族成員鑒定及功能分析尚不清楚。本研究從谷子基因組中共鑒定到9個HSP90家族成員,根據(jù)理化性質(zhì)分析谷子HSP90家族成員編碼蛋白熱穩(wěn)定性均較強,推測可能與其獨特的基因功能相關。本研究發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象,谷子中8個HSP90家族成員蛋白的分子量均在 90 ku 左右,而SiHSP90.1蛋白分子量只有46 ku,且該蛋白氨基酸序列的長度也比其他成員的氨基酸序列長度要小,推測該基因可能在進化過程中部分序列丟失,煙草HSP90-4[20]和番茄HSP90-6[31]蛋白分子量也在40 ku左右。在萊茵衣藻、擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子中鑒定到的HSP90家族成員數(shù)量差別較大,在萊茵衣藻中鑒定到的基因數(shù)量較少,這可能與其屬于較為低等的綠藻門植物且基因組小有關;而隸屬于被子植物門的擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子基因數(shù)量相似,但對于同樣是禾本科的玉米來說其HSP90家族成員的數(shù)量相比其他物種略高,推測這可能與玉米基因組較大有關,從總體上看高等植物HSP90家族成員數(shù)量多于低等植物。
為了進一步了解物種的進化關系,對7個代表物種HSP90氨基酸序列構建系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)谷子與水稻、高粱和二穗短柄草等物種親緣關系較近,與萊茵衣藻、擬南芥親緣關系較遠;推測高等植物(擬南芥、二穗短柄草、水稻、高粱、玉米和谷子)中的HSP90家族成員可能是從低等植物萊茵衣藻HSP90家族成員逐漸復制、進化而來。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹分支,可將谷子HSP90基因分為Ⅰ和Ⅱ2個亞家族。在擬南芥中,Ⅰ型亞族蛋白AtHSP90.1~AtHSP90.4定位于細胞質(zhì)中,而Ⅱ型亞族蛋白AtHSP90.5、AtHSP90.6和AtHSP90.7分別定位于葉綠體、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[32]。SiHSP90.6~SiHSP90.9與擬南芥Ⅰ型亞族蛋白同源,推測其定位于細胞質(zhì)中;SiHSP90.1~SiHSP90.5與擬南芥Ⅱ型亞族蛋白同源,推測其定位于細胞器中?;蚪Y(jié)構在多基因家族的進化中起到重要作用,其中內(nèi)含子的發(fā)育是基因組進化的一個重要過程,也是物種進化的一種適應性措施[33]。谷子HSP90s的Ⅰ型亞族成員擁有1~2個內(nèi)含子,而Ⅱ型亞族成員擁有11~19個內(nèi)含子。內(nèi)含子的數(shù)量越少,植物適應不同發(fā)育過程和環(huán)境刺激的能力就越強[34]。分析谷子HSP90家族成員的基因結(jié)構按照其差異的不同也可劃分為2個亞型,這與該家族系統(tǒng)發(fā)育進化樹結(jié)果一致。大多數(shù)SiHSP90家族成員間的保守基序分布類似,表明該家族成員間可能具有相似的功能。由Motif 7構成的HATPase_c結(jié)構域是ADP/ATP結(jié)合位點,具有ATPase活性[35],其余9個Motif共同組成的HSP90保守結(jié)構域在維持HATPase_c結(jié)構域的完整活性中具有關鍵作用[36]。基因家族的擴展和基因組進化機制主要依賴于基因復制事件[37],基因定位分析顯示SiHSP90.5~SiHSP90.8是串聯(lián)重復基因,推測基因的串聯(lián)重復導致SiHSP90家族成員的擴展,促進了該家族在谷子基因組進化中新生物學功能的出現(xiàn)。本研究在SiHSP90s啟動子區(qū)發(fā)現(xiàn)了脫落酸應答元件ABRE以及干旱誘導元件MBS,推測SiHSP90對干旱的響應可能是通過ABA途徑實現(xiàn)的[38]。利用qRT-PCR驗證干旱脅迫下SiHSP90家族的表達水平,結(jié)果顯示SiHSP90.2和SiHSP90.3表達水平與對照相比極顯著上調(diào),推測這2個基因在參與谷子干旱脅迫的響應中發(fā)揮了一定的作用。
本研究共鑒定出9個SiHSP90基因,對其系統(tǒng)進化發(fā)育、基因結(jié)構、染色體位置、脅迫相關順式元件以及在干旱脅迫中的表達模式進行分析,這些結(jié)果可為闡明SiHSP90家族的進化關系以及進一步研究SiHSP90基因的功能特性提供有價值的信息。
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