普通絲瓜GH3基因家族全基因組鑒定及表達分析

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.福建省農業(yè)科學院農業(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生長素水平的自我調節(jié)功能，對植物生長的調控具有重要意義。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)調控，進而參與調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。

1 材料與方法

1.1 數據來源

普通絲瓜的基因組數據從國家基因庫生命大數據平臺(https：//db.cngb.org/)上獲取。本研究所用轉錄組數據為普通絲瓜長果品種(花后 12 d)和短果品種(花后12 d)的轉錄組數據，絲瓜樣品為2021年種植于福建省農業(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。

1.2 普通絲瓜基因組中GH3基因家族成員的鑒定及理化性質分析

通過Pfam數據庫(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在線分析網站分析普通絲瓜LcGH3蛋白的理化性質。

1.3 普通絲瓜GH3基因家族成員蛋白保守結構域的分析

利用NCBI保守結構域在線分析網站和MEME在線分析網站進行普通絲瓜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。

1.4 普通絲瓜GH3基因家族成員蛋白系統(tǒng)進化樹的構建

為探究普通絲瓜基因家族成員蛋白的進化關系，從NCBI網站下載南瓜、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。

1.5 普通絲瓜長果品種、短果品種GH3基因家族成員的差異表達模式分析

根據筆者所在課題組前期研究得出的普通絲瓜長果品種、短果品種轉錄組數據中的基因表達值(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。

2 結果與分析

2.1 普通絲瓜GH3基因家族成員蛋白的鑒定及理化性質分析

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均為負數，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

2.2 普通絲瓜GH3基因家族成員蛋白的保守結構域分析

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。

2.3 普通絲瓜GH3基因家族蛋白的系統(tǒng)進化樹

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。

2.4 普通絲瓜長果品種、短果品種GH3基因家族成員的差異表達模式分析

基于普通絲瓜長果品種、短果品種商品果的轉錄組數據中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)。

3 討論與結論

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，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。