植物SUS基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化及其在玉米中的干旱誘導(dǎo)表達(dá)分析

吳 越,丁鵬鈞,陳君如,王睿蕾,張愷文,劉夢(mèng)真,韓兆雪

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

蔗糖合酶(Sucrose synthase,SUS)是植物中以基因家族形式廣泛存在的一種糖基轉(zhuǎn)移酶。在植物體內(nèi)SUS可以催化光合作用產(chǎn)物蔗糖的水解,促進(jìn)蔗糖和尿苷二磷酸(UDP)轉(zhuǎn)化為果糖和尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphate glucose,UDP-G)[1],從而進(jìn)一步參與淀粉和纖維素的合成代謝等過(guò)程,因此SUS基因在植物碳源分配及糖信號(hào)調(diào)控途徑中扮演重要角色[2]。根據(jù)已有報(bào)道,SUS基因參與了植物生長(zhǎng)發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)過(guò)程[3]。擬南芥內(nèi)的6個(gè)SUS基因存在轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式差異,敲除突變體分析發(fā)現(xiàn)它們之間存在功能冗余[4];水稻在成熟期受到高溫脅迫時(shí)SUS3基因表達(dá)增加,提高水稻高溫抗性[5];水稻中OsSUS3的大量表達(dá)可以增強(qiáng)其纖維素和胼胝質(zhì)的積累,進(jìn)而增加生物乙醇產(chǎn)量并提高抗逆性[6];當(dāng)存在氧脅迫時(shí),小麥和楊樹(shù)中SUS活性提高進(jìn)而增加細(xì)胞壁厚度、促進(jìn)纖維素積累以及提高抗逆性[7];黃瓜CsSUS3基因反義表達(dá)植株的低氧脅迫抗性顯著降低,表明CsSUS3參與黃瓜低氧脅迫響應(yīng)[8];在高鎘濃度下,玉米枝條中的蔗糖合酶活性提高,根系中蔗糖合酶活性降低[9];另外,蔗糖合酶還具有潛在的抗旱脅迫功能,例如在干旱脅迫下番茄SUS5在葉片和根中的表達(dá)顯著下調(diào)[10],黃瓜CsSUS3基因在幼根和幼葉中表達(dá)上調(diào),蔗糖合酶活性增加[11],大豆GmSusy1和GmSusy2在葉片和種子中表達(dá)量增加。

目前,SUS基因家族的系統(tǒng)發(fā)育研究已經(jīng)在擬南芥、水稻、番茄、葡萄、蘋(píng)果和芥菜等多個(gè)單物種中廣泛展開(kāi)[12-15],但對(duì)多物種中SUS基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化研究?jī)H有1篇文獻(xiàn)報(bào)道,該文獻(xiàn)主要對(duì)19個(gè)物種的100個(gè)SUS基因進(jìn)行了系統(tǒng)進(jìn)化分析,初步分析了該基因家族的進(jìn)化特征[16]。已有研究表明,多物種的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化分析更有利于探究基因家族的起源,有助于全面呈現(xiàn)物種演化過(guò)程中基因家族成員的保留、丟失和功能分化等過(guò)程。因此,為全面準(zhǔn)確地揭示植物SUS基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律及功能特征,本研究擬對(duì)包括綠藻、苔蘚、蕨類(lèi)、裸子植物和被子植物在內(nèi)的50個(gè)代表物種中的SUS基因家族進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)的生物信息學(xué)分析,推斷植物SUS家族的系統(tǒng)發(fā)育軌跡,進(jìn)一步結(jié)合RNA-seq基因表達(dá)數(shù)據(jù),以玉米SUS家族為例,分析干旱脅迫誘導(dǎo)SUS基因的表達(dá)模式,這將有助于深入理解高等植物SUS基因表達(dá)和功能分化與物種進(jìn)化的關(guān)系,進(jìn)一步為SUS基因響應(yīng)非生物脅迫的功能研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 50個(gè)物種中SUS基因家族的鑒定

從Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)中下載SUS家族的兩個(gè)保守蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域Sucrose synth(PF00862)和Glycostransf 1 (PF00534)的隱馬爾可夫模型(HMM,Hidden Markov Model),使用軟件HMMER中的hmmsearch對(duì)包含34種雙子葉植物、11種單子葉植物、1種基部被子植物、1種裸子植物、1種蕨類(lèi)植物、1種苔蘚植物和1種綠藻植物在內(nèi)的50個(gè)具有代表性的物種的候選SUS蛋白進(jìn)行鑒定[17-18],閾值設(shè)置為E=0.001;進(jìn)一步利用擬南芥內(nèi)已鑒定的6個(gè)SUS蛋白進(jìn)行Blastp檢驗(yàn)[19]。最后使用Conserved Domain Database (https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)在線數(shù)據(jù)庫(kù)將所得候選蛋白序列進(jìn)行分析,去除結(jié)構(gòu)域不完整的序列[20]。50個(gè)物種基因組序列和注釋文件從GitHub(https：//github.com/zhaotao1987)內(nèi)獲取[21-22]。

1.2 SUS基因家族的序列比對(duì)、系統(tǒng)進(jìn)化及基因共線性分析

使用MAFFT對(duì)鑒定出的SUS蛋白質(zhì)序列進(jìn)行多序列比對(duì)[23]。以來(lái)自膠球藻(Coccomyxasubellipsoidea)的SUS蛋白作外類(lèi)群[24],使用FastTree構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。使用DIAMOND進(jìn)行物種間和種內(nèi)的基因組序列比對(duì),MCScanX對(duì)共線性區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)[25],Rstudio對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)取,Gephi將共線性結(jié)果可視化。

1.3 SUS蛋白的理化性質(zhì)和亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)

使用ExPASy Compute pI/Mw、GRAVY CALCULATOR和TMHMM - 2.0等在線數(shù)據(jù)庫(kù)分析SUS候選蛋白序列的分子量、等電點(diǎn)、親疏水性及跨膜結(jié)構(gòu)域等理化性質(zhì)。使用YLoc對(duì)SUS蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)[26-27]。

1.4 干旱脅迫下玉米SUS基因的表達(dá)分析

在GEO數(shù)據(jù)庫(kù)[28]獲取玉米正常生長(zhǎng)條件與干旱條件下SUS基因的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)數(shù)據(jù)(GSE71723)[29],探究干旱脅迫下玉米SUS基因的響應(yīng)表達(dá)情況。使用FPKM(Fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped)表示SUS基因的表達(dá)水平,當(dāng)基因的|log2(fold change)|≥1且錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(FDR,False discovery rate)≤0.05時(shí)被認(rèn)定為差異表達(dá)基因。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物SUS基因家族的鑒定及系統(tǒng)發(fā)育分析

50個(gè)植物物種包括大豆、蘋(píng)果、擬南芥和棉花在內(nèi)的34種雙子葉植物、包括水稻、玉米和小麥在內(nèi)的11種單子葉植物、1種基部被子植物、1種裸子植物、1種蕨類(lèi)、1種苔蘚和1種綠藻。在50種植物內(nèi)共鑒定出283個(gè)SUS基因,對(duì)基因數(shù)目分析發(fā)現(xiàn),三個(gè)早期物種卷柏(Selaginellamoellendorffii)、小立碗蘚(Physcomitrellapaten)和膠球藻(Coccomyxasubellipsoidea)中共含有6個(gè)SUS基因,裸子植物云杉(Piceaabies)含有2個(gè),其余275個(gè)SUS基因都存在于被子植物中,其中基部被子植物無(wú)油樟(Amborellatrichopoda)中鑒定出2個(gè)SUS基因,大部分雙子葉植物和單子葉植物的SUS基因數(shù)目為5～8個(gè),雙子葉植物中基因數(shù)目大于10個(gè)的有四個(gè)物種,如桉樹(shù)(Eucalyptusgrandis)和大豆(Glycinemax)內(nèi)分別有11個(gè)和 12個(gè),薔薇科植物蘋(píng)果(Malusxdomestica)和梨(Pyrusxbretschneideri)內(nèi)分別有15個(gè)和14個(gè);單子葉植物內(nèi)SUS基因數(shù)目均不超過(guò)10個(gè),例如玉米(Zeamays)內(nèi)有6個(gè),高粱(Sorghumbicolor)內(nèi)有5個(gè)。結(jié)合物種進(jìn)化樹(shù)上顯示的基因組復(fù)制事件,我們發(fā)現(xiàn)4個(gè)SUS基因數(shù)目大于10的雙子葉植物物種均發(fā)生過(guò)全基因組二倍化或三倍化復(fù)制事件,推測(cè)其基因組經(jīng)歷全基因組多倍化擴(kuò)增出的SUS基因被大量保留下來(lái),而盡管單子葉植物中也發(fā)生了多次全基因組二倍化事件,但在物種進(jìn)化過(guò)程中很多擴(kuò)增基因發(fā)生了丟失;另外,雙子葉植物獼猴桃(Actinidiachinensis)和甜菜(Betavulgaris)內(nèi)僅有2個(gè)SUS基因,蓖麻(Ricinuscommunis)中只有1個(gè)SUS基因,這可能也與全基因組多倍化事件后的基因丟失有關(guān)[30](圖1)。

以膠球藻的SUS基因(38455)作外類(lèi)群,對(duì)SUS基因的推斷氨基酸序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖2,見(jiàn)76頁(yè)),發(fā)現(xiàn)3個(gè)早期物種包括膠球藻 (1個(gè))、小立碗蘚(4個(gè))和卷柏(1個(gè))的6個(gè)SUS基因聚為一個(gè)原始進(jìn)化枝,其余SUS基因聚類(lèi)在3個(gè)進(jìn)化枝內(nèi),分別命名為SUS Ⅰ、SUS Ⅱ和SUS Ⅲ 亞家族。SUS Ⅰ是最大的亞家族,包含來(lái)自基部被子植物(1個(gè))、單子葉植物(30個(gè))和雙子葉植物(79個(gè))的110個(gè)SUS基因;SUS Ⅱ是最小的亞家族,其包含來(lái)自單子葉植物(8個(gè))與雙子葉植物(57個(gè))的65個(gè)SUS基因;SUS Ⅲ由來(lái)自裸子植物(3個(gè))、基部被子植物(1個(gè))、單子葉植物(21個(gè))和雙子葉植物(78個(gè))的102個(gè)基因組成。3個(gè)亞家族中的單子葉和雙子葉植物來(lái)源的成員分別聚類(lèi)于不同的分枝內(nèi),其中雙子葉植物成員的進(jìn)化枝均按照真雙子葉植物-茄科-薔薇分支種類(lèi)依次分布。這表明在早期物種中,SUS基因并未分化,3個(gè)亞家族是在物種長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的。

注：圖中五角星代表玉米SUS基因。Note：The maize SUS genes are marked byasterisks.圖2 SUS基因家族的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.2 Phylogenetic tree of SUS gene family

2.2 SUS基因家族的理化特征分析

對(duì)SUS基因家族推斷蛋白的理化性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),不同亞家族SUS蛋白相對(duì)分子質(zhì)量大部分分布在90 000～100 000 kD,SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的成員平均分子量較為接近,約為93000 kD,SUS Ⅲ成員平均分子量約為101 000 kD(圖3a);SUS Ⅰ和SUS Ⅱ蛋白的等電點(diǎn)較接近,均為pI<7,為酸性蛋白,而SUS Ⅲ 中則有39.2%(40/102)的蛋白等電點(diǎn)pI>7,為堿性蛋白(圖3b)。多肽序列疏水性分析表明所有SUS蛋白均為親水性蛋白(GRAVY<1);此外,我們共鑒定出23個(gè)含有跨膜結(jié)構(gòu)域的SUS蛋白,其中SUS Ⅲ含有20個(gè),SUS Ⅰ、和SUS Ⅱ分別含有2個(gè)和1個(gè)(圖3c)。這一結(jié)果表明,SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的成員序列較保守,進(jìn)化變異較少,而SUS Ⅲ亞家族成員蘊(yùn)含著較高的序列變異性,該亞家族成員理化性質(zhì)變異較大。

圖3 SUS蛋白理化性質(zhì)分析Fig.3 Physicochemical properties of SUS protein

亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,SUS蛋白家族定位于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體、過(guò)氧物酶體和質(zhì)膜等,其中細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有245個(gè)SUS蛋白,包括早期進(jìn)化物種如卷柏(1個(gè))和小立碗蘚(4個(gè))的蛋白;細(xì)胞核內(nèi)預(yù)測(cè)出31個(gè)SUS蛋白,除了1個(gè)來(lái)源于無(wú)油樟,其余30個(gè)均來(lái)源于雙子葉植物;質(zhì)膜內(nèi)預(yù)測(cè)出3個(gè)SUS蛋白,1個(gè)來(lái)源于雙子葉植物甘藍(lán),另外2個(gè)分別來(lái)源于單子葉植物玉米和二穗短柄草;過(guò)氧物酶體內(nèi)預(yù)測(cè)出2個(gè)SUS蛋白,均來(lái)源于獼猴桃;線粒體內(nèi)預(yù)測(cè)出1個(gè)來(lái)源于二穗短柄草的SUS蛋白(圖3d)。這一結(jié)果表明不同物種譜系內(nèi)的SUS蛋白的亞細(xì)胞定位已產(chǎn)生分化,可能各自執(zhí)行不同的功能。

2.3 SUS基因家族的共線性分析

共線性分析在多物種基因家族分析中是了解種間和種內(nèi)基因及基因組進(jìn)化軌跡的有力方法[31]。通過(guò)對(duì)283個(gè)SUS基因進(jìn)行共線性分析發(fā)現(xiàn),其中有197(197/283,69.86%)個(gè)基因?yàn)楣簿€性同源基因,這些共線性同源基因間存在1969對(duì)共線性關(guān)系,僅存在于被子植物中。結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn)SUS Ⅰ、SUS Ⅱ和SUS Ⅲ亞家族內(nèi)分別存在962對(duì)、587對(duì)和411對(duì)共線性基因關(guān)系,大部分共線性基因?qū)Φ膬蓚€(gè)基因均位于同一亞家族內(nèi),而有9對(duì)共線性關(guān)系是由不同亞家族之間的基因產(chǎn)生的(圖4)。進(jìn)一步對(duì)這9對(duì)基因分析發(fā)現(xiàn),有8對(duì)共線性關(guān)系都是由SUS Ⅲ的菜豆(Phaseolusvulgaris)基因(Phvul.006G087300)與SUS Ⅱ的 8個(gè)基因之間產(chǎn)生的,該基因還與SUS Ⅲ的11個(gè)基因有亞家族內(nèi)部的共線性關(guān)系(圖4b);另一對(duì)則來(lái)源于SUSⅠ的紫色假雀麥(Brachypodium_distachyon)基因(Bradi1g46670)和SUS Ⅱ的香蕉(Musaacuminata)基因(GSMUA_Achr8G22470),Bradi1g46670在SUS Ⅱ內(nèi)部?jī)H有1個(gè)共線性基因,而GSMUA_Achr8G22470在SUSⅠ內(nèi)部有21對(duì)共線性基因(圖4b)。進(jìn)一步對(duì)共線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化分析發(fā)現(xiàn),SUS Ⅲ的共線性網(wǎng)絡(luò)又可細(xì)分為兩個(gè)亞群,兩個(gè)亞群內(nèi)部各自有213對(duì)和166對(duì)共線性基因,而亞群之間僅有23對(duì)共線性基因,我們推測(cè)在SUS家族分化為三個(gè)亞家族后,SUS Ⅲ在后面的進(jìn)化過(guò)程中進(jìn)一步分化為SUS Ⅲ-A和SUS Ⅲ-B兩個(gè)亞群,表明兩個(gè)亞群的成員可能發(fā)生了潛在的功能分化;結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析發(fā)現(xiàn),SUS Ⅲ亞家族內(nèi)的單子葉植物所在的進(jìn)化枝對(duì)應(yīng)于B亞群,雙子葉植物進(jìn)化枝對(duì)應(yīng)于A、B兩個(gè)亞群(圖4b),這表明雙子葉植物來(lái)源的SUS Ⅲ亞家族基因可能比同家族的單子葉植物來(lái)源的基因具有功能多樣性。

綜合系統(tǒng)發(fā)育分析和共線性分析可推測(cè)出植物SUS基因家族的進(jìn)化軌跡(圖5,見(jiàn)77頁(yè))[32],結(jié)果表明,SUS基因家族在蕨類(lèi)植物到種子植物的進(jìn)化過(guò)程中由一次復(fù)制事件分化為兩個(gè)亞家族,分別是SUS Ⅲ和SUSⅠ&Ⅱ的共同祖先,SUSⅠ&Ⅱ的共同祖先在挪威云杉(Piceaabies)中可能已丟失;在被子植物分化以前,SUSⅠ&Ⅱ的共同祖先由一次復(fù)制事件擴(kuò)增為SUSⅠ和SUS Ⅱ亞家族,SUS Ⅱ在基部被子植物無(wú)油樟中可能已丟失;并且SUS Ⅲ在雙子葉植物中可能具有繼續(xù)分化為SUS Ⅲ-A和SUS Ⅲ-B的趨勢(shì)。

2.4 玉米SUS基因家族的干旱脅迫響應(yīng)表達(dá)模式分析

為探究SUS基因在植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫中的生物學(xué)功能,以玉米為例,分析了正常生長(zhǎng)和干旱脅迫下玉米三個(gè)組織(葉、雄穗和雌穗)在四個(gè)發(fā)育時(shí)期(V12、V14、V18和R1)內(nèi)SUS基因家族成員的表達(dá)情況。

玉米SUS基因家族包含SUSⅠ-Ⅲ 3個(gè)亞家族,共有6個(gè)成員,每個(gè)亞家族各有2個(gè)成員。同正常生長(zhǎng)條件(WW)相比,干旱脅迫(DS)處理下玉米中4個(gè)SUS基因表達(dá)水平呈現(xiàn)差異,亞家族之間的基因表達(dá)具有明顯不同的表達(dá)模式,同一亞家族內(nèi)的兩個(gè)基因呈現(xiàn)出相似的表達(dá)模式,尤其SUSⅡ內(nèi)的兩個(gè)基因在不同組織的不同發(fā)育時(shí)期均具有極為相似的表達(dá)趨勢(shì)和表達(dá)水平。SUS Ⅰ有一個(gè)差異表達(dá)基因(Zm00001d045042),干旱脅迫下,Zm00001d045042在葉片的R1時(shí)期表達(dá)上調(diào)(|log2(Fold change)|=1.82143,FDR=1.88×10-4);SUSⅡ中兩個(gè)基因均呈現(xiàn)差異表達(dá),其中Zm00001d029087在雌穗的R1時(shí)期受干旱誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)(|log2(Fold change)|=1.47467,1.88×10-4),在Tassel_V12表達(dá)上調(diào)(1.80696,9.37×10-4),Zm00001d029091在Ear_R1表達(dá)上調(diào)(1.7783,4.55×10-3),在Ear_V12表達(dá)上調(diào)(1.93171,3.65×10-4);SUSⅢ有一個(gè)基因差異表達(dá),Zm00001d014876在Ear_R1表達(dá)下調(diào)(-1.85212,3.56×10-4),在Leaf_R1表達(dá)上調(diào)(1.03997,1.88×10-4)(圖6,見(jiàn)78頁(yè)),玉米SUS基因在干旱脅迫下的表達(dá)水平變化表明其響應(yīng)干旱脅迫調(diào)節(jié),有潛在的抗旱功能。另外,SUSⅢ的兩個(gè)基因的表達(dá)模式不同,Zm00001d014876在R1和V18兩個(gè)時(shí)期有表達(dá)高峰,而Zm00001d051837在各個(gè)時(shí)期都只有低水平的表達(dá),這暗示了SUSⅢ中可能發(fā)生的功能分化或冗余。

3 討 論

隨著植物全基因組序列的公開(kāi),越來(lái)越多SUS基因家族從不同單物種中得到鑒定,然而基于多物種進(jìn)行系統(tǒng)分析SUS基因家族的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究整合物種進(jìn)化、氨基酸序列、基因共線性關(guān)系以及玉米SUS家族的基因結(jié)構(gòu)和干旱誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜分析,對(duì)50個(gè)物種內(nèi)鑒定出的283個(gè)SUS基因進(jìn)行了綜合分析。

注：綠色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅠ基因,橙色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅡ基因,黃色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅢ-A基因,深黃色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅢ-B基因,棕色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅢ的其它基因,藍(lán)色節(jié)點(diǎn)代表原始進(jìn)化枝的基因。Note：Each node represents a gene of the SUS family.Green nodes represent genes of SUSⅠ,orange nodes represent genes of SUSⅡ,yellow nodes represent genes of SUSⅢ-A subgroup,dark yellow nodes represent genes of SUSⅢ-B subgroup,brown nodes represent the other SUSⅢ genes,and blue nodes represent genes of the ancestor clade.圖4 SUS基因家族的共線性關(guān)系Fig.4 Synteny analysis of SUS gene family

注：虛線框代表推測(cè)存在的亞家族共同祖先和可能出現(xiàn)的進(jìn)一步分化結(jié)果。Note：The dashed box represents the potential common ancestor of the subfamily and possible further differentiation results.圖5 植物SUS基因家族進(jìn)化軌跡Fig.5 The evolutionary track of the plant SUS gene family

系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明,植物SUS基因家族在三個(gè)早期物種膠球藻、小立碗蘚和卷柏中未出現(xiàn)明顯的亞家族結(jié)構(gòu)分化,從裸子植物挪威云衫開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分化,SUS祖先基因最先進(jìn)化出SUS Ⅲ亞家族,到基部被子植物無(wú)油樟中出現(xiàn)SUS Ⅰ亞家族的分化,而單子葉和雙子葉植物中又進(jìn)化出SUS Ⅱ亞家族,這可能表明SUS基因家族的結(jié)構(gòu)分化是從裸子植物和被子植物的共同祖先中開(kāi)始出現(xiàn)的,每一次新的結(jié)構(gòu)分化可能伴隨著物種的分化而產(chǎn)生。此外,三個(gè)亞家族中的單子葉和雙子葉植物來(lái)源的成員分別呈現(xiàn)明顯的分簇聚類(lèi),這與文獻(xiàn)[16]報(bào)道中10種雙子葉植物和5種單子葉植物SUS基因家族進(jìn)化的分簇聚類(lèi)模式一致;有趣的是,我們發(fā)現(xiàn)SUSⅠ中所有雙子葉植物的基因僅聚類(lèi)在一個(gè)進(jìn)化枝內(nèi),而SUSⅡ和SUS Ⅲ內(nèi)雙子葉植物的基因聚類(lèi)在兩個(gè)分枝內(nèi),這可能暗示了SUS Ⅰ中雙子葉植物的基因功能更趨于保守,而SUS Ⅱ和SUS Ⅲ中的雙子葉植物的基因產(chǎn)生了潛在的功能分化;然而,三個(gè)亞家族內(nèi)的雙子葉植物的基因進(jìn)化枝存在明顯不同,其中SUS Ⅱ內(nèi)的雙子葉植物的兩個(gè)基因進(jìn)化分枝的物種類(lèi)別不同,其中一個(gè)分枝內(nèi)沒(méi)有鑒定出茄科植物(馬鈴薯、番茄、辣椒、雙峰貍藻、獼猴桃)和真雙子葉植物(蓮和甜菜)中的SUS基因,這表明這些基因可能在物種進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了丟失,而其它雙子葉植物基因進(jìn)化分枝的物種均由真雙子葉植物、茄科和薔薇譜系的物種構(gòu)成。

SUS基因家族的共線性分析表明,有197個(gè)(197/283,69.86%)基因?yàn)楣簿€性同源基因,這些具有共線性的基因僅存在于40種被子植物中。基因間的共線性關(guān)系主要集中在三個(gè)亞家族內(nèi)部,跨不同亞家族的基因共線性關(guān)系僅有9對(duì),我們推測(cè)三個(gè)亞家族可能具有各自獨(dú)立的進(jìn)化模式,這與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系表明的SUS基因家族呈現(xiàn)出的三個(gè)亞家族的進(jìn)化模式一致;其中SUS Ⅰ內(nèi)含有最多的共線性基因?qū)?962/1969,48.86%),SUS Ⅱ和SUS Ⅲ含有數(shù)目接近的共線性基因?qū)?。SUSⅠ的雙子葉植物的52個(gè)基因之間形成747個(gè)共線性基因?qū)?不同雙子葉植物的基因之間具有廣泛的共線性關(guān)系,而且單子葉植物和雙子葉植物之間的共線性基因?qū)σ草^多(163對(duì)),暗示SUSⅠ內(nèi)基因的進(jìn)化十分保守;然而,SUS Ⅱ內(nèi)雙子葉植物的49個(gè)基因之間形成了521個(gè)共線性基因?qū)?SUS Ⅲ內(nèi)雙子葉植物的63個(gè)基因之間僅形成了362個(gè)共線性基因?qū)?。有趣的?我們發(fā)現(xiàn)SUS Ⅲ成員的共線性網(wǎng)絡(luò)中明顯呈現(xiàn)出兩個(gè)獨(dú)立的共線性亞群SUS Ⅲ-A和SUS Ⅲ-B,而系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖2)分析表明,SUS Ⅲ亞家族成員分別聚類(lèi)為單子葉植物和雙子葉植物的兩個(gè)進(jìn)化枝,其中雙子葉植物的基因進(jìn)化枝又包括兩個(gè)亞組,而其中的一個(gè)雙子葉植物的進(jìn)化枝亞組與單子葉植物的進(jìn)化枝成員形成SUS Ⅲ-B共線性子網(wǎng)絡(luò),另一個(gè)雙子葉植物的進(jìn)化枝亞組單獨(dú)形成SUS Ⅲ-A共線性子網(wǎng)絡(luò)(圖4),這表明兩個(gè)雙子葉植物的進(jìn)化枝亞組可能在物種進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)了更多的序列變異,暗示SUS Ⅲ的兩個(gè)雙子葉植物的亞組成員在物種進(jìn)化過(guò)程中具有繼續(xù)分化的趨勢(shì),而且,與SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族相比,SUS Ⅲ內(nèi)各成員也表現(xiàn)出更大差異的理化性質(zhì)(圖3)。

注：(a)正常和干旱條件下玉米SUS基因在各組織不同發(fā)育時(shí)期的表達(dá)水平;(b)玉米SUS基因內(nèi)含子-外顯子結(jié)構(gòu);(c)干旱條件下玉米SUS基因差異表達(dá)熱圖。Note：(a)Expressions profiles of maize SUS gene in three tissues of maize at four developmental stages under well-watered and drought-stressed conditions;(b)The intron-exon structure of SUS genes in maize;(c) Heatmap of expression levels of maize SUS genes under drought stress.圖6 玉米SUS基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)模式Fig.6 Maize SUS gene structure and expression pattern

玉米干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表達(dá)分析進(jìn)一步揭示了玉米SUS基因在干旱脅迫下的表達(dá)模式。共有4個(gè)玉米SUS基因受干旱誘導(dǎo)差異表達(dá),這表明SUS基因在玉米干旱應(yīng)答中起作用,這與關(guān)于禾本科作物抗旱脅迫研究類(lèi)似。干旱脅迫處理后,大麥HvSs3轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平升高[33],高粱蔗糖合酶基因SbSusy1、SbSusy3、SbSusy4和SbSusy5能提高高粱幼苗的抗旱性,SbSusy2在干旱脅迫處理后表達(dá)下調(diào)[34];而且SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的2個(gè)成員在玉米不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期分別表現(xiàn)出相似的表達(dá)趨勢(shì)或模式,而SUSⅢ內(nèi)的兩個(gè)基因的表達(dá)模式差異較大;基因結(jié)構(gòu)分析表明,SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的2個(gè)成員分別具有相似的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)特征,而SUS Ⅲ內(nèi)的兩個(gè)成員結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較大差異,這充分說(shuō)明了基因結(jié)構(gòu)決定了基因表達(dá)的模式,進(jìn)一步?jīng)Q定基因的功能。該結(jié)果也說(shuō)明SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族成員的結(jié)構(gòu)和表達(dá)具有各自的保守性,這兩個(gè)亞家族可能來(lái)自于古老的被子植物祖先經(jīng)過(guò)全基因組復(fù)制而產(chǎn)生,進(jìn)一步產(chǎn)生了某些程度的功能分化;而SUS Ⅲ成員表現(xiàn)出更多的趨異特征,保守性較SUSⅠ、Ⅱ相比更弱,這也與三個(gè)亞家族各自的進(jìn)化特征相一致。

現(xiàn)有的蔗糖合酶基因研究表明,蔗糖合酶基因廣泛參與植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng),在抗低溫、低氧、重金屬、干旱響應(yīng)中都發(fā)揮作用。本研究初步研究了植物蔗糖合酶家族的進(jìn)化,并揭示其在玉米中發(fā)揮的干旱功能,為進(jìn)一步研究玉米抗旱功能提供了依據(jù)。