薏苡bZIP基因家族全基因組鑒定與非生物脅迫表達(dá)分析

周 宇，陳傳敏，王 健，周明強(qiáng)，楊小雨，班秀文，劉凡值，楊成龍*

薏苡bZIP基因家族全基因組鑒定與非生物脅迫表達(dá)分析

周 宇1,2，陳傳敏3，王 健2，周明強(qiáng)2，楊小雨2，班秀文2，劉凡值2，楊成龍2*

1. 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽 550025；2. 貴州省亞熱帶作物研究所，貴州興義 562400；3. 貴陽市第五中學(xué)，貴州貴陽 550003

薏苡是傳統(tǒng)藥食兼用經(jīng)濟(jì)作物，具有極高的營養(yǎng)價(jià)值和重要的藥用價(jià)值，越來越受人們重視。轉(zhuǎn)錄因子是一類能夠與調(diào)控基因的順式作用元件或者功能基因特異性結(jié)合的重要調(diào)控蛋白質(zhì)分子，在植物的許多生物學(xué)活動過程中起著重要的調(diào)控作用。堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）轉(zhuǎn)錄因子家族在調(diào)控植物的生長發(fā)育及響應(yīng)生物與非生物脅迫中起著重要作用。本研究利用北京薏苡（2n=20）基因組信息鑒定出83個(gè)bZIP基因家族成員，命名為～，2個(gè)bZIP基因（和）不能最終定位到任何連鎖群通過生物信息學(xué)方法，分析了基因結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、染色體分布，研究了其與其他物種的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，并利用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)研究了家族成員在栽培種興仁小白殼苗期響應(yīng)非生物脅迫的基因表達(dá)規(guī)律。結(jié)果表明：薏苡全基因組中bZIP成員分別編碼氨基酸97～1008個(gè)，最小的是5（97個(gè)氨基酸），而最大的是28（1008個(gè)氨基酸）；蛋白質(zhì)分子量在11.33～110.03 kDa之間，pI在4.15（44）到12.33（50）之間；將其劃分為A～I(xiàn)、K、S等11個(gè)亞組，不均勻地分布于基因組的10條染色體上；除了廣泛分布的bZIP結(jié)構(gòu)域的motif 1或motif 2外，每一類都具有相似基因結(jié)構(gòu)與基序；然而，不同成員間存在外顯子數(shù)目差異，最多為15個(gè)外顯子（），最少為0個(gè)；干旱、高溫、干旱和高溫脅迫條件下，83個(gè)ClbZIP家族基因在干旱和高溫脅迫后表達(dá)量的發(fā)生明顯的變化，這說明這些基因可能在干旱和高溫中的調(diào)控作用存在著不同。上述結(jié)果為更深入研究薏苡bZIP家族基因的生物學(xué)功能奠定基礎(chǔ)及其在調(diào)控薏苡生長發(fā)育與響應(yīng)生物與非生物脅迫機(jī)制提供參考。

薏苡；bZIP轉(zhuǎn)錄因子；生物信息學(xué)；干旱脅迫；高溫脅迫；基因表達(dá)

薏苡（L.）又名薏仁米、薏苡仁和六谷子等，為禾本科玉蜀黍族薏苡屬，一年生或多年生草本植物，起源于亞洲[1]，我國西南部也是薏苡屬植物的起源、演化和遷移的初生中心之一[2]。貴州是薏苡的主要栽培區(qū)，種植面積和產(chǎn)量均居全國第一，生產(chǎn)量占全國2/3，全省薏苡總產(chǎn)量達(dá)到28.8萬t，全省種植和粗加工產(chǎn)值達(dá)43億元，已建成全國最大的薏苡加工集聚區(qū)和產(chǎn)品集散地[3]。薏苡的營養(yǎng)和藥用價(jià)值非常高，不僅被譽(yù)為“世界禾本科植物之王”，也被東亞和東南亞許多國家廣泛用作藥材和保健品[4]。薏苡仁中富含蛋白質(zhì)、脂肪、糖等營養(yǎng)物質(zhì)，具有較高的食用價(jià)值。薏苡整株均可入藥，在醫(yī)學(xué)方面具有健脾利濕、除脾止瀉、清熱解毒等功效[5]。因此，薏苡作為食物與中草藥越來越受人們重視。

轉(zhuǎn)錄因子是一類能夠與調(diào)控基因的順式作用元件或者功能基因特異性結(jié)合的重要調(diào)控蛋白質(zhì)分子，在植物的許多生物活動過程中起著重要的調(diào)控作用[6]。MYB、WRKY、AP2/EREBP、bZIP等轉(zhuǎn)錄因子是目前人們在植物中了解較早且研究較多的幾大類轉(zhuǎn)錄因子家族。堿性亮氨酸拉鏈（basic leucine zipper, bZIP）轉(zhuǎn)錄因子家族是目前在植物中發(fā)現(xiàn)的64個(gè)基因家族中數(shù)量最大、最多樣化且高度保守的基因家族之一[7]。bZI轉(zhuǎn)錄因子不僅參與調(diào)控植物的生長發(fā)育，而且在植物應(yīng)對高溫、干旱、病原防御等生物與非生物脅迫中也起著重要調(diào)控作用。bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族成員已在多種植物中被鑒定，廣泛存在于擬南芥（75個(gè)）[8]、玉米（125個(gè)）[9]、水稻（89個(gè)）[10]、谷子（85個(gè)）[11]等高等植物基因組。JAKOBY等[8]研究發(fā)現(xiàn)擬南芥基因通過與ABRE元件相結(jié)合，參與ABA信號傳導(dǎo)通路，調(diào)控?cái)M南芥植株的生長發(fā)育。KANG等[12]發(fā)現(xiàn)擬南芥的ABF3和ABF4蛋白通過調(diào)控ABA信號，可以增強(qiáng)擬南芥的耐旱性。NIJHAWAN等[10]通過過量表達(dá)水稻基因，可以提高水稻抗干旱與耐熱能力。此外，水稻與基因共同過量表達(dá)，可以降低轉(zhuǎn)基因植株的ABA和氯化鈉的敏感性，從而提高水稻的耐受性[13-16]。WEI等[17]研究表明，通過誘導(dǎo)玉米基因表達(dá)，可以增強(qiáng)玉米耐鹽性。LIM等[18]研究辣椒被沉默后，通過ABA誘導(dǎo)基因表達(dá)、ABA含量改變和關(guān)閉氣孔，使其表現(xiàn)出干旱敏感和耐旱性。盧平等[11]研究谷子、和時(shí)，發(fā)現(xiàn)谷子在干旱處理下的根中表達(dá)量較高，參與根干旱脅迫應(yīng)答。綜上所述，植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族在調(diào)控植物生長發(fā)育和植物響應(yīng)非生物脅迫并提高其耐受性起著重要的調(diào)控作用。

目前栽培薏苡與野生薏苡基因組測序已完成，為薏苡抗性相關(guān)基因的挖掘與利用提供了重要的基因組資源。本研究利用栽培薏苡基因組信息和前期研究獲得‘興仁小白殼’轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過生物信息學(xué)方法對薏苡bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)行全基因組鑒定，并分析了bZIP基因家族在薏苡苗期葉片響應(yīng)干旱、高溫和干旱高溫脅迫的表達(dá)規(guī)律，為研究薏苡bZIP轉(zhuǎn)錄因子基因家族功能奠定基礎(chǔ)，旨在挖掘薏苡抗旱候選基因，為解析薏苡抗旱和耐高溫分子機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 ClbZIP基因家族的鑒定

在薏苡中鑒定bZIP蛋白，本研究從NCBI（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/PRJNA544872）網(wǎng)站下載薏苡基因組序列，以及‘興仁小白殼’干旱、高溫和干旱高溫脅迫轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中編碼序列（coding sequences, CDS）。另外，利用Pfam（http://pfam.xfam.org/）蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫下載bZIP轉(zhuǎn)錄因子的隱馬爾科夫模型文件（PF00170），利用HMMER 3.0軟件中的Hmmsearch程序?qū)曹拥鞍踪|(zhì)序列進(jìn)行搜索，將得到的結(jié)果去除重復(fù)，并通過Pfam、SMART和CDD三大數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步鑒定和篩選，最后得到薏苡bZIP家族蛋白質(zhì)序列。薏苡bZIP轉(zhuǎn)錄因子基因的染色體定位和基因組位置信息來源于Phytozome數(shù)據(jù)庫。然后，對錯(cuò)誤預(yù)測的基因進(jìn)行人工整理，其中一些基因通過PCR擴(kuò)增和測序進(jìn)一步驗(yàn)證。冗余序列通過手動剔除，經(jīng)過全面整理，最終在薏苡基因組中鑒定出83個(gè)bZIP基因模型（ClbZIP）。使用ExPasy（http://web.expasy.org/protparam/）在線軟件對ClbZIP蛋白的序列長度、分子量、等電點(diǎn)等進(jìn)行理化性質(zhì)預(yù)測。

1.2 ClbZIP基因家族的結(jié)構(gòu)分析和染色體定位

根據(jù)薏苡基因組數(shù)據(jù)庫中的物理位置信息，利用Mapchart 2.3軟件（https://www.wur.nl/en）將所有ClbZIP基因定位到薏苡染色體上。采用多重共線性掃描工具包（MCScanX）以默認(rèn)參數(shù)分析基因復(fù)制事件。為了展示從薏苡和其他選定物種獲得的同源bZIP基因的共線關(guān)系，使用Dual-Systeny Plotter軟件構(gòu)建了共線分析圖。使用TBtools在線軟件繪制基因結(jié)構(gòu)圖；利用BLASTP對轉(zhuǎn)錄組鑒定的序列與薏苡基因組中的序列比較分析。

1.3 系統(tǒng)進(jìn)化分析

利用MEGA 7.0軟件把ClbZIP轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列與擬南芥、水稻的bZIP蛋白序列進(jìn)行多序列比對，并用鄰接法（NJ）構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，參數(shù)Bootstrap值設(shè)為1000，其他參數(shù)使用系統(tǒng)默認(rèn)值。ClbZIP基因結(jié)構(gòu)通過Gene StructureDisplay Server 2.0（http://gsds.cbi.pku.edu.cn/）網(wǎng)站預(yù)測，蛋白結(jié)構(gòu)域通過MEME在線工具查詢[19-21]。

1.4 ClbZIP家族成員啟動子順式作用元件分析

從薏苡全基因組數(shù)據(jù)庫中提取每個(gè)薏苡bZIP基因啟動子區(qū)域（上游1500 bp），并利用Plant CARE（http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/ plantcare/html/）網(wǎng)站分析薏苡bZIP基因啟動子的順式作用元件種類、數(shù)目及功能。

1.5 基因表達(dá)分析

為了研究基因在非生物脅迫下的表達(dá)變化規(guī)律，本研究利用‘興仁小白殼’作為試驗(yàn)材料，約1周左右，待材料幼苗生長至3片葉時(shí)，選擇大小一致的材料分別進(jìn)行干旱（15% PEG6000模擬干旱）、高溫（40℃）和干旱高溫（15%PEG6000+40℃）等脅迫處理不同時(shí)間（0、3、6、12、24 h）。脅迫后取葉片，每一個(gè)樣品分別取3個(gè)生物學(xué)重復(fù)，液氮中速凍后保存于–80℃超低溫冰箱中備用。每一個(gè)樣品分別提取RNA構(gòu)建文庫并利用Illumina測序，經(jīng)過注釋獲得差異表達(dá)基因。借助于Pheatmap對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化并鑒定基因差異表達(dá)，繪制基因表達(dá)熱圖，分析響應(yīng)不同脅迫下基因表達(dá)的變化規(guī)律?！d仁小白殼’干旱、高溫和高溫干旱的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫（https://www.ncbi. nlm.nih.gov/），編號為PRJNA812268。

2 結(jié)果與分析

2.1 ClbZIP基因家族的鑒定

從Pfam數(shù)據(jù)庫中獲得的bZIP轉(zhuǎn)錄因子的隱馬爾科夫模型文件（PF00170），結(jié)合bZIP蛋白保守序列，多重比對分析薏苡基因組數(shù)據(jù)庫，通過剔除不含保守結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)序列，手動去除重復(fù)和不完整的序列。最后，基于存在明顯完整的bZIP結(jié)構(gòu)域，選擇83個(gè)基因模型并注釋為薏苡bZIP基因。最后，根據(jù)其在染色體上的位置依次命名為～（表1），2個(gè)ClbZIP基因（和）不能最終定位到任何連鎖群，分別命名為和。

在83個(gè)ClbZIP蛋白質(zhì)中，ClbZIP5被鑒定為最小的蛋白質(zhì)，含有97個(gè)氨基酸，而最大的是ClbZIP28（1008個(gè)氨基酸）。蛋白質(zhì)分子量在11.33～110.03 kDa之間，pI在4.15（44）到12.33（50）之間（表1）。

表1 ClbZIP基因家族理化性質(zhì)分析

續(xù)表1 ClbZIP基因家族理化性質(zhì)分析

Tab. 1 Analysis of the physicochemical properties of ClbZIPs (continued)

由圖1可知，除了和外，薏苡bZIP基因家族成員不均勻地分布在薏苡10條染色體上，其中，1號染色體含有薏苡bZIP基因最多，有14個(gè)基因，占總數(shù)的16.87%；9號染色體含有薏苡bZIP基因最少，只有2個(gè)。

2.2 系統(tǒng)進(jìn)化分析

對鑒定得到的83個(gè)ClbZIP基因進(jìn)行基因結(jié)構(gòu)分析，將薏ClbZIP轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列進(jìn)行多序列比對，并利用MEGA7.0軟件構(gòu)建薏苡、擬南芥和水稻bZIP家族成員構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹（圖2）。結(jié)果表明，83個(gè)薏苡bZIP家族成員物種之間存在差異，與擬南芥親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，與水稻親緣關(guān)系較近，并被劃分為A（17個(gè)）、B（1個(gè)）、C（9個(gè)）、D（14個(gè)）、E（2個(gè)）、F（9個(gè)）、G（8個(gè)）、H（0個(gè)）、I（4個(gè)）、K（14個(gè)）、S（5個(gè)）等11個(gè)亞組。除H亞組外，均有ClbZIP基因家族成員分布，A亞組中最多，17個(gè)，B、E亞組中分布最少（1個(gè)，2個(gè)），和水稻（和）聚到一起，其同源性較高，并聚在B亞組，和兩個(gè)成員親緣關(guān)系較近聚集在E亞組。

2.3 ClbZIP基因家族成員的基因結(jié)構(gòu)和基序組成

對所有已鑒定的ClbZIP基因的外顯子-內(nèi)含子組成特征進(jìn)行分析，以進(jìn)一步了解薏苡中bZIP家族的進(jìn)化（圖2、圖3A）。結(jié)果表明，可劃分為3個(gè)大類群，類群Ⅰ有57個(gè)基因，類群Ⅱ有7個(gè)基因，類群Ⅲ有19個(gè)基因；類群Ⅰ的57個(gè)ClbZIP基因可進(jìn)一步劃分為3個(gè)亞組，Ⅰa組有34個(gè)基因，Ⅰb組有9個(gè)基因，Ⅰc組有14個(gè)基因。由此可見，多組ClbZIP有較近的親緣關(guān)系，如等均為旁系同源基因。

圖1 ClbZIP基因家族的染色體分布

圖2 薏苡與水稻、擬南芥的bZIP基因家族系統(tǒng)進(jìn)化樹

根據(jù)MEME motif分析結(jié)果構(gòu)建了代表所有ClbZIP蛋白結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖3A所示，除了廣泛分布的bZIP結(jié)構(gòu)域的motif 1或motif 2外，同一組中的ClbZIP成員通常具有相似的基序組成，除Ⅰa類中有一部分包括motif 1和motif 2。例如，motif 9是I組一部分所特有的，而motif 3、4、5、6是Ⅲ組特有的且大部分含有多個(gè)motif。聚集的ClbZIP對，即，顯示出高度相似的基序分布。亞組內(nèi)ClbZIP蛋白之間相似的基序排列表明，該蛋白結(jié)構(gòu)在亞家族中是相對保守。這些保守基序的大部分功能仍有待闡明?？傮w而言，同一類群中bZIP成員的保守基序組成和相似的基因結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果，可以有力地支持類群分類的可靠性。

如圖3B所示，83個(gè)ClbZIP基因蛋白質(zhì)保守基序均有所差異，含有0～7個(gè)不等。ClbZIP28中沒有蛋白質(zhì)保守基序，62個(gè)ClbZIP只含有1個(gè)保守基序，占薏苡ClbZIP全基因組的75%。Ⅰa組中，只有ClbZIP12含有Motif 2和Motif 7，ClbZIP21ClbZIP40ClbZIP42只含有Motif 2，其余基因均含有Motif 1。Ⅰb組中ClbZIP75ClbZIP8只含有Motif2，其余基因均只含有Motif 1。Ⅰc組中ClbZIP79只含有Motif 2，其余基因均含有Motif 2和Motif 7。類群Ⅱ中所有基因均只含一個(gè)保守基序，其中只有ClbZIP5含有Motif7，其余基因只含Motif 2。ClbZIP69ClbZIP77ClbZIP9ClbZIP27ClbZIP39ClbZIP48ClbZIP54ClbZIP76ClbZIP81ClbZIP30含有保守基序最多，有7個(gè)，均存在于類群Ⅲ中，并且ClbZIP71ClbZIP45ClbZIP17ClbZIP58均只含Motif 2。親緣關(guān)系較近的基因蛋白質(zhì)保守基序組成較相似，例如ClbZIP3/ ClbZIP4ClbZIP52/ClbZIP72均只含有Motif 2，且位置相近。

從圖3C可以看出，ClbZIP基因家族成員的每個(gè)基因長度、內(nèi)含子與外顯子個(gè)數(shù)都有所不同，其內(nèi)含子個(gè)數(shù)在0～15個(gè)之間，其中內(nèi)含子數(shù)量最多的ClbZIP基因是有15個(gè)。均無內(nèi)含子。

A：ClbZIP家族成員的系統(tǒng)進(jìn)化樹，不同顏色的枝代表不同的亞族；B：ClbZIP蛋白的基序組成，不同的基序用不同顏色的方框表示；C：ClbZIP基因的結(jié)構(gòu)，框表示外顯子，黑線代表內(nèi)含子。

2.4 ClbZIP家族成員的染色體分布及共線性分析

圖4所示，ClbZIP家族成員基因在10個(gè)薏苡連鎖群（LG）上的分布不均勻。LG1、LG2、LG4含有最多的ClbZIP基因。一些連鎖群（如LG1、LG2、LG4）有更多的基因，而其他連鎖群則很少；有些LGs只有一個(gè)基因（例如LG9）。LG長度與ClbZIP基因數(shù)無顯著正相關(guān)。根據(jù)200 kb內(nèi)包含2個(gè)或更多基因的染色體區(qū)域被定義為串聯(lián)復(fù)制事件，通過分析ClbZIP的基因復(fù)制事件，ClbZIP基因家族中不存在串聯(lián)復(fù)制現(xiàn)象，有29對大片段復(fù)制基因。

為了進(jìn)一步推斷ClbZIP家族的系統(tǒng)發(fā)育機(jī)制，我們構(gòu)建了2個(gè)代表物種相關(guān)的薏苡比較共線圖，包括1個(gè)雙子葉植物（擬南芥）和1個(gè)單子葉植物（水稻）（圖5）。在薏苡與擬南芥的bZIP基因中僅有一對基因存在共線性關(guān)系，而薏苡與水稻的bZIP基因中存在52對基因存在共線性關(guān)系。在薏苡和擬南芥之間發(fā)現(xiàn)的共線基因?qū)?，在薏苡和水稻之間沒有發(fā)現(xiàn)，這可能表明這些同源基因?qū)κ窃陔p子葉植物和單子葉植物分化之后形成的。

chr1～chr10表示薏苡的1～10號染色體；灰色部分表示薏苡全基因組的共線性基因；紅色線條表示薏苡bZIP基因家族中的共線性。

數(shù)字表示不同物種中的染色體；灰色部分表示2個(gè)物種間全基因組的共線性基因；紅色線條表示2個(gè)物種間bZIP基因家族中的共線性。

2.5 ClbZIP基因家族啟動子順式作用元件分析

將ClbZIP基因起始密碼子上游1500 bp序列用于順式作用元件分析，如圖6所示。ClbZIP基因啟動子區(qū)域富含多個(gè)與ABA響應(yīng)元件（ABRE）、植物光周期響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件（AE-box、Box）。此外該基因家族還有與植物激素調(diào)節(jié)相關(guān)的順式作用元件及與逆境響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件。此結(jié)果表明ClbZIP基因在應(yīng)對生物與非生物脅迫中起重要的調(diào)控作用。

圖6 ClbZIP基因家族順式作用元件

2.6 ClbZIP基因家族表達(dá)分析

根據(jù)本研究‘興仁小白殼’干旱、高溫和干旱高溫脅迫轉(zhuǎn)錄組中的FPKM數(shù)據(jù)，建立基因表達(dá)熱圖（圖7、圖8、圖9），以研究ClbZIP家族基因在干旱和高溫脅迫中所起的作用。從熱圖中發(fā)現(xiàn)，83個(gè)ClbZIP家族基因在干旱和高溫脅迫后的表達(dá)量發(fā)生明顯的變化，這說明這些基因可能在干旱和高溫中的調(diào)控作用存在著不同。

如圖7所示，在干旱脅迫3 h后，的表達(dá)量較高；在干旱6 h脅迫后，的表達(dá)量較高；在干旱脅迫12 h后，的表達(dá)量較高；在干旱脅迫24 h后，等基因具有較高的表達(dá)量。

在高溫脅迫3 h后，的表達(dá)量較高；在高溫脅迫6 h后，的表達(dá)量較高；在高溫脅迫12 h后，的表達(dá)量較高；在高溫脅迫24 h后，的表達(dá)量較高（圖8）。

在干旱和高溫共同脅迫3 h后，的表達(dá)量較高；在干旱和高溫共同脅迫6 h和12 h下有較高的表達(dá)量；干旱和高溫共同脅迫24 h后，的表達(dá)量較高（圖9）。

熱圖bar為log2；CK為未經(jīng)干旱處理；Drought-3 h為干旱處理3 h；Drought-6 h為干旱處理6 h；Drought-12 h為干旱處理12 h；Drought-24 h為干旱處理24 h。

熱圖bar為log2；CK為未經(jīng)高溫處理，Heat-3 h為高溫處理3 h；Heat-6 h為高溫處理6 h；Heat-12 h為高溫處理12 h；Heat-24 h為高溫處理24 h。

3 討論

bZIP基因家族普遍存在于植物中，其在植物生長、發(fā)育和抗逆等方面中起著重要作用，是最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[22]。目前，bZIP基因家族已在多種植物中被鑒定出，但在薏苡的研究中尚未見報(bào)道。本研究通過對薏苡基因組數(shù)據(jù)中的蛋白質(zhì)序列及興仁小白殼的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，去除冗余后鑒定83個(gè)bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族成員。本研究對鑒定的83個(gè)ClbZIP家族成員在染色體位置分析，發(fā)現(xiàn)ClbZIP基因不均勻地分布在1～10號染色體上。目前在與薏苡同為禾本科的谷子與水稻中分別鑒定出89和85個(gè)bZIP基因，其數(shù)量上相近。薏苡bZIP基因具有一定的保守性，親緣關(guān)系相近的蛋白保守基序與基因結(jié)構(gòu)也較為相似。薏苡bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族的每個(gè)基因長度、內(nèi)含子與外顯子個(gè)數(shù)都有所差異，基因長度在97～ 1008個(gè)氨基酸之間，內(nèi)含子個(gè)數(shù)最多的有15個(gè)，結(jié)構(gòu)存在著復(fù)雜性，從而說明結(jié)構(gòu)與功能存在關(guān)聯(lián)性，復(fù)雜生物功能分化出不同類型基因結(jié)構(gòu)。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)多種作物的bZIP家族基因中均普遍存在沒有內(nèi)含子的bZIP基因，如水稻、木薯、西洋梨，它們分別有15.3%、20.8%、28.8%的bZIP基因沒有內(nèi)含子[23-25]?；驈?fù)制事件在基因的進(jìn)化過程中起著重要作用[26-27]。薏苡bZIP基因中存在29對大片段復(fù)制基因，基因片段復(fù)制是基因家族產(chǎn)生的重要因素，在大豆bZIP基因中有58%的基因存在片段復(fù)制現(xiàn)象[28]。薏苡與水稻的bZIP基因中存在52對基因存在共線性關(guān)系，而與擬南芥僅有1對基因存在共線性關(guān)系，說明薏苡與水稻親緣關(guān)系較近。

前人研究發(fā)現(xiàn)，藜麥bZIP基因在不同組織部位均有表達(dá)[29]。谷子在暗處理后和的表達(dá)量較高[11]。水稻在干旱、PEG、ABA處理后具有較高的表達(dá)量[30-31]。苧麻在高鹽脅迫下的表達(dá)量較高[32]。擬南芥正調(diào)控鹽誘導(dǎo)基因，參與鹽信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，并進(jìn)行級聯(lián)反應(yīng)調(diào)控?cái)M南芥的響應(yīng)鹽脅迫[33]。擬南芥和屬于bZIP家族的TGA亞族，在抗逆過程中起著重要作用[34-35]。通常認(rèn)為，聚類越近越相似，功能和結(jié)構(gòu)上相似度越高。因此，推測擬南芥中的聚為一類的和基因可能參與薏苡抗旱的過程，參與調(diào)控激素GA和ABA的代謝過程，是否參與類似功能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。一般認(rèn)為，基因表達(dá)量與其功能存在一定相關(guān)性，在轉(zhuǎn)錄組中發(fā)現(xiàn)薏苡bZIP家族多種基因在不同環(huán)境條件脅迫與不同脅迫時(shí)間條件下有不同程度的表達(dá)量，并且發(fā)現(xiàn)薏苡bZIP基因啟動子含有多種調(diào)控生長發(fā)育及響應(yīng)生物與非生物脅迫的順式作用元件，但其是否在薏苡抗逆過程中起到重要的作用還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

熱圖bar為log2；CK為未經(jīng)處理；DH-3 h為干旱和高溫處理3 h；DH-6 h為干旱和高溫處理6 h；DH-12 h為干旱和高溫處理12 h；DH-24 h為干旱和高溫處理24 h。

薏苡作為一種糧藥兼用作物，具有較高的營養(yǎng)與藥用價(jià)值，但目前對其研究起步較晚并且尚未深入。bZIP轉(zhuǎn)錄因子是植物生長發(fā)育過程中重要的調(diào)控基因，并且在植物響應(yīng)逆境環(huán)境脅迫中起重要的調(diào)控作用。尤其借助轉(zhuǎn)錄組與轉(zhuǎn)錄因子對薏苡抗性調(diào)控機(jī)制的研究，報(bào)道比較少。因此，對薏苡bZIP基因家族的研究是及有必要的，但在薏苡中研究抗逆性遠(yuǎn)沒有擬南芥、水稻中的深入和清楚。本研究利用北京薏苡基因組和‘興仁小白殼’干旱和高溫脅迫的轉(zhuǎn)錄組對薏苡bZIP基因家族鑒定及干旱和高溫脅迫后bZIP基因表達(dá)規(guī)律的研究，旨在為更深入研究薏苡bZIP基因家族的生物學(xué)功能奠定基礎(chǔ)及其在調(diào)控薏苡生長發(fā)育與響應(yīng)生物與非生物脅迫機(jī)制提供參考。

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Genome-wide Identification and Expression Analysis of bZIP Gene Family under Abiotic Stress inL.

ZHOU Yu1,2, CHEN Chuanmin3, WANG Jian2, ZHOU Mingqiang2, YANG Xiaoyu2, BNA Xiuwen2, LIU Fanzhi2, YANG Chenglong2*

1. College of Agriculturre, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China; 2. Guizhou Institute of Subtropical Crops, Xingyi, Guizhou 562400, China; 3. Guiyang Fifth Middle School, Guiyang, Guizhou 550003, China

Coix is a traditional economic crop that can be used both as food and medicine, and has high nutritional and medicinal value. As a kind of food and traditional Chinese medicine, coix is getting more and more attention. Transcription factors are important regulatory protein molecules that can specifically bind to cis-acting elements or functional genes of regulatory genes and play an important regulatory role in many biological processes of plants. The basic leucine zipper (bZIP) transcription factor family plays an important role in regulating plant growth and development and responding to biotic and abiotic stresses. In this study, 83 bZIP gene family members named1–83 were identified using the genomic information of Beijing Coix (2n=20). Twogenes (and) could not be located to any linkage group. Through bioinformatics methods, the gene structure, physical and chemical properties and chromosome distribution were analyzed, and its phylogenetic relationship with other species was studied. The gene expression rules of family members in response to abiotic stress at the seedling stage of Xingren small white shell were studied by the transcriptome technology. The results showed that the bZIP members in coix’s genome encoded 97–1008 amino acids, respectively. The smallest was(97 amino acids), and the largest was(1008 amino acids). The molecular weight of the protein was between 11.33–110.03 kDa, the pI was between 4.15 () and 12.33 (); They were divided into 11 subgroups such as A–I, K and s, which were unevenly distributed on 10 chromosomes of the genome. Except motif 1 or motif 2 of the widely distributed bZIP domain, each class had similar gene structures and motifs. However, there were differences in the number of exons among different members, with a maximum of 15 exons () and a minimum of 0. Under drought, high temperature, drought and high temperature stress, the expression of 83gene families changed significantly after drought and high temperature stress, indicating that the genes may have different regulatory roles in drought and high temperature. The above results would lay a foundation for further understanding the biological functions of the bZIP gene family inand provide reference for the regulation of growth and development and response to biological and abiotic stresses, and provide theoretical guidance for the study of the regulation of the bZIP gene family in drought-resistant and high-temperature environments.

L.; bZIP transcription factor; bioinformatics analysis; drought stress; high temperature stress; gene expression

S519

A

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.10.006

2022-02-15；

2022-03-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 31701459）；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院專項(xiàng)（黔農(nóng)科院院專項(xiàng)(2016)019號）；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年基金項(xiàng)目（黔農(nóng)科院青年科技基金[2022]22號）。

周 宇（1997—），男，碩士研究生，研究方向：作物遺傳育種。*通信作者（Corresponding author）：楊成龍（YANG Chenglong），E-mail：yangchenglong208@163.com。