曾美娟, 劉建汀, 李祖亮, 陳敏氡, 葉新如, 王 彬, 朱海生, 溫慶放
(1.福建省蔬菜遺傳育種重點實驗室/福建省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所/福建省蔬菜工程技術研究中心,福建福州 350013;2.福建省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)生物資源研究所,福建福州 350003)
生長素是一種重要的植物激素,是最早被發(fā)現(xiàn)的能促進植物生長的激素,其在植物生長過程的多個重要環(huán)節(jié)中發(fā)揮著關鍵作用。植物體內(nèi)的生長素在自由態(tài)和束縛態(tài)2種形式間的轉化是體內(nèi)生長素水平的自我調(diào)節(jié)功能,對植物生長的調(diào)控具有重要意義。在植物生長素響應信號通路中,有3類早期生長素響應基因家族[Aux/IAAs(auxin/indole-3-acetic acids)、GH3s(gretchen hagen 3)、SAURs(small auxin upRNAs)]能快速特異地表達反應。其中,基因家族能夠催化游離態(tài)的吲哚-3-乙酸(IAA)與多種氨基酸結合,生成IAA-氨基酸復合物,將游離IAA 轉化為復合態(tài)的IAA,可以參與生長素的穩(wěn)態(tài)調(diào)控,進而參與調(diào)控植物的多個生理過程,其對整個基因家族的研究具有重要意義。
普通絲瓜[(L.) Roem.]是我國主要的瓜類蔬菜之一,其肉質清香軟滑,既富含營養(yǎng),又具有清熱化痰、涼血解毒等保健作用,倍受各地區(qū)消費者喜愛?;驅χ参锏纳L發(fā)育具有重要的調(diào)控作用,但在普通絲瓜中關于基因家族的研究鮮有報道。因此,本研究以普通絲瓜為試驗材料,基于普通絲瓜全基因組對基因家族成員進行鑒定、生物信息學分析,并分析其在普通絲瓜長果品種、短果品種中的表達情況,對后續(xù)研究普通絲瓜果實發(fā)育和果實果長等具有一定的意義。
普通絲瓜的基因組數(shù)據(jù)從國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺(https://db.cngb.org/)上獲取。本研究所用轉錄組數(shù)據(jù)為普通絲瓜長果品種(花后 12 d)和短果品種(花后12 d)的轉錄組數(shù)據(jù),絲瓜樣品為2021年種植于福建省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地的試驗材料。普通絲瓜長果樣品、短果樣品分別混合取樣,試驗設置3個生物學重復,絲瓜樣品用液氮速凍后于-80 ℃保存,用于RNA-seq分析。
通過Pfam數(shù)據(jù)庫(http://pfam.xfam.org/)獲得GH3保守結構域的HMM模型(PF03321),并用TBtools軟件進行simple HMM search,對普通絲瓜的基因組蛋白序列進行搜索,獲得初篩蛋白序列。再通過美國國家生物技術信息中心(NCBI)網(wǎng)站進一步驗證初篩獲得的候選蛋白結構域,獲得確定的成員后,根據(jù)普通絲瓜的拉丁名(L.) Roem,將普通絲瓜編碼上述蛋白的基因定為基因。通過ProtParam在線分析網(wǎng)站分析普通絲瓜LcGH3蛋白的理化性質。
利用NCBI保守結構域在線分析網(wǎng)站和MEME在線分析網(wǎng)站進行普通絲瓜GH3蛋白的保守結構域與基序(Motif)分析,并用TBtools軟件繪制示意圖。
為探究普通絲瓜基因家族成員蛋白的進化關系,從NCBI網(wǎng)站下載南瓜、黃瓜及擬南芥的GH3蛋白序列與普通絲瓜GH3蛋白序列,進行合并系統(tǒng)進化分析。利用MEGA軟件中的鄰接法(Neighbor-Joining)對普通絲瓜、黃瓜、南瓜和擬南芥GH3家族蛋白構建系統(tǒng)進化樹。用在線工具iTOL對已構建的普通絲瓜、黃瓜、南瓜和擬南芥的GH3家族蛋白系統(tǒng)進化樹進行美化處理。
根據(jù)筆者所在課題組前期研究得出的普通絲瓜長果品種、短果品種轉錄組數(shù)據(jù)中的基因表達值(FPKM),分析普通絲瓜基因家族成員在普通絲瓜長果品種、短果品種中的表達情況,采用TBtools繪制表達量熱圖。
通過對普通絲瓜基因家族成員進行篩選和鑒定,最終確定14個基因,暫將其命名為~。通過ProtParam在線分析軟件獲得普通絲瓜LcGH3蛋白氨基酸序列的蛋白序列長度、分子量、蛋白酸堿性和穩(wěn)定性等基本信息。從表1可以看出,普通絲瓜LcGH3蛋白的蛋白序列長度為515~843 aa,分子量為58.366~96.406 ku;從等電點可以看出,LcGH3.8、LcGH3.14為堿性蛋白,其他普通絲瓜的LcGH3蛋白都為酸性蛋白;LcGH3.1的不穩(wěn)定系數(shù)小于40,表明其是穩(wěn)定蛋白,其他普通絲瓜LcGH3蛋白的不穩(wěn)定系數(shù)均大于40,為不穩(wěn)定蛋白。在蛋白質親水性方面,14個普通絲瓜LcGH3蛋白的平均親水系數(shù)均為負數(shù),表明它們都是親水蛋白。
表1 普通絲瓜GH3基因家族成員蛋白的理化性質
對普通絲瓜基因家族成員蛋白的保守結構域進行分析,發(fā)現(xiàn)14個基因家族成員蛋白均含有單一的GH3結構域,其中LcGH3.1、LcGH3.2和LcGH3.4等11個蛋白含有GH3超家族結構域(圖1)。為了進一步研究普通絲瓜基因家族成員蛋白的保守結構域,利用MEME在線分析軟件對普通絲瓜GH3蛋白保守基序進行分析。從圖2可以看出,普通絲瓜GH3蛋白的基序具有一定的保守性。14個普通絲瓜基因家族成員的蛋白質序列中至少含有10個保守基序,它們分別為Motif 1~Motif 10,并且這些保守基序的排列順序相同。其中,LcGH3.8蛋白缺少Motif 10、Motif 2,LcGH3.9蛋白缺少Motif 3,LcGH3.10蛋白缺少Motif 8,其他基因家族成員同時含有10個保守基序。此外,這14個普通絲瓜GH3蛋白家族成員中均含有Motif 1、Motif 4、Motif5、Motif6、Motif7和Motif 9。
用MEGA軟件構建普通絲瓜GH3家族蛋白(14個)、黃瓜GH3家族蛋白(14個)、南瓜GH3家族蛋白(29個)和擬南芥GH3家族蛋白(30個)的系統(tǒng)進化樹。根據(jù)系統(tǒng)進化樹的進化關系,這87個GH3蛋白可分為3類,分別是GroupⅠ、Group Ⅱ和Group Ⅲ(圖3)。其中,南瓜、絲瓜和黃瓜的GH3蛋白屬于Group Ⅱ或Group Ⅲ;在普通絲瓜中,LcGH3.3、LcGH3.7、LcGH3.13屬于Group Ⅱ,其他11個絲瓜GH3蛋白屬于Group Ⅲ;此外,在Group Ⅱ、Group Ⅲ中也有擬南芥的GH3蛋白。值得注意的是,GroupⅠ中都是擬南芥的GH3蛋白。
基于普通絲瓜長果品種、短果品種商品果的轉錄組數(shù)據(jù)中14個基因家族成員的基因表達值(FPKM),分析基因家族成員的表達模式,發(fā)現(xiàn)在普通絲瓜長果品種、短果品種商品果中共有6個基因家族成員(、、、、和)存在差異表達,其中、、在短果品種中的相對表達量高于長果品種,、、在短果品種中的相對表達量低于長果品種(圖4)。
植物的基因是一種典型的植物生長素原初反應基因,廣泛存在于植物中。GH3蛋白通過調(diào)節(jié)植物激素和相關化合物(包括植物激素前體)的活性或可利用性,在信號通路、器官發(fā)育、植物結構、增強植物的抗逆性、優(yōu)化植物的生長和代謝過程中起著重要作用?;蜃钤缭诖蠖怪斜昏b定為早期的生長素響應基因。迄今,研究者陸續(xù)在許多來自不同植物(如擬南芥、水稻、葡萄、番茄、桃、木瓜、獼猴桃、甘藍等)的基因家族中發(fā)現(xiàn)該基因家族成員。
本研究結果表明,普通絲瓜中的14個LcGH3蛋白主要含10個Motif,且14個LcGH3蛋白均含有Motif 1、Motif 4、Motif5、Motif6、Motif7和Motif 9保守基序,推測這6個保守基序可能在普通絲瓜基因中發(fā)揮主要功能。構建基因家族系統(tǒng)發(fā)育樹來分析同源基因間的進化關系,可為后續(xù)基于同源同功假說的分析奠定基礎。本研究通過構建普通絲瓜、黃瓜、南瓜和擬南芥基因家族成員蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)南瓜、絲瓜和黃瓜的GH3蛋白屬于Group Ⅱ或Group Ⅲ,而在GroupⅠ中都是擬南芥的GH3蛋白,后續(xù)關于絲瓜GH3的功能研究可以借鑒黃瓜、南瓜中已有的相關研究。本研究結果表明,在普通絲瓜長果品種、短果品種商品果中共有6個基因家族成員存在差異表達,推測基因家族與普通絲瓜果實發(fā)育相關,且與果長關系密切。對桃、番茄GH3蛋白的相關研究也發(fā)現(xiàn),基因在果實不同發(fā)育時期的表達量均存在差異。在研究中,、、在短果品種中表達量高于長果品種,、和在短果品種中的表達量低于長果品種,將為后續(xù)研究絲瓜果長提供方向。
本研究基于普通絲瓜全基因組對基因家族進行鑒定,鑒定獲得14個基因家族成員,開展生物信息學分析并探析其在普通絲瓜長果品種、短果品種中的表達情況,為后續(xù)繼續(xù)深入研究基因在普通絲瓜果實發(fā)育及果長中的作用奠定了基礎,并可為培育滿足市場多樣化優(yōu)良果長的絲瓜品種提供支撐。