美洲黑楊JAZ基因家族鑒定及其對害蟲取食的表達(dá)響應(yīng)

摘要：JAZ（jasmonate ZIM-domain，JAZ）作為植物特有的基因家族，參與植物生長發(fā)育、生物脅迫、非生物脅迫、激素調(diào)控等多個途徑。為了探究美洲黑楊（Populus deltoides）JAZ基因家族的特征并預(yù)測其功能，本研究對美洲黑楊JAZ基因家族進(jìn)行了全基因組鑒定和分析。結(jié)果表明：在美洲黑楊基因組中共鑒定出13個PdJAZ家族蛋白，劃分為3個亞組。所有PdJAZ蛋白都具有ZIM和Jas結(jié)構(gòu)域，并且除PdJAZ8存在于細(xì)胞膜和細(xì)胞核中其余均位于細(xì)胞核中。對篩選出的 13 個 PdJAZ基因?qū)?yīng)的蛋白進(jìn)行理化性質(zhì)、二（三）級結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，該家族成員理化性質(zhì)上具有差異，它們的氨基酸個數(shù)在134～475個不等，分子量在1.5～4.1 ku之間，PdJAZ等電點(diǎn)均大于7且不超過10。13個基因的二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主，β-轉(zhuǎn)角占比極小。物種內(nèi)共線性分析顯示，PdJAZ基因家族存在7個共線性基因?qū)Γ琍dJAZ9基因不存在共線性關(guān)系。motif和基因結(jié)構(gòu)分析顯示，同一分支上的motif組成和內(nèi)含子外顯子結(jié)構(gòu)相似，不同分支上的差異較大，說明PdJAZ蛋白在功能上應(yīng)該具有一定的多樣性和保守性。啟動子順式作用元件分析顯示，啟動子區(qū)域含有多種植物激素和非生物響應(yīng)元件，其中脫落酸是數(shù)量最多的元件。此外，美洲黑楊PdJAZ基因在蟲害脅迫下根據(jù)取食量的不同表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式，這表明PdJAZ可能在不同程度上參與調(diào)控美洲黑楊的抗蟲性。

關(guān)鍵詞：美洲黑楊；PdJAZ基因家族；生信分析；生物脅迫

中圖分類號：S792.110.1" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）04-0073-10

收稿日期：2024-09-05

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金（編號：C2022204047、C2022204115）；國家自然科學(xué)基金（編號：32201578）；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號：22326318D）。

作者簡介：劉凌云（2000—），女，貴州遵義人，碩士研究生，研究方向?yàn)榱帜具z傳育種。E-mail：1609425419@qq.com。

通信作者：顧麗姣，博士，講師，研究方向?yàn)榱帜具z傳育種。E-mail：gulijiao1990@126.com。

JAZ蛋白（jasmonate ZIM-domain proteins）屬于TIFY家族成員，存在于所有陸生植物中，從低等的苔蘚植物到高等的雙子葉植物。值得注意的是，JAZ家族可能起源于陸生植物［1］。JAZ蛋白最初從擬南芥（Arabidopsis thaliana）中分離鑒定，Bai等通過構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)現(xiàn)，擬南芥中的 12 個JAZ基因與其他被子植物中的JAZ基因一起聚集成5個組［2］。JAZ蛋白亞家族屬于TIFY家族，TIFY蛋白家族根據(jù)保守序列結(jié)構(gòu)域分為4個亞家族，包含TIFY、ZIM-like（ZML）、PEAPOD（PPD）和JAZ蛋白亞家族［3］。JAZ 蛋白具有1個保守的 TIFY（也稱為 ZIM）結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域包含28個氨基酸，并在其靠近N端一側(cè)含有TIF［F/Y］XG保守序列，因此也稱TIFY結(jié)構(gòu)域［4］。ZIM結(jié)構(gòu)域作為1個蛋白-蛋白相互作用的結(jié)構(gòu)域，介導(dǎo)了JAZ蛋白質(zhì)之間的同源或異源相互作用、與其他蛋白間的相互作用以及與NINJA （novel interactor of JAZ）和TPL （TOPLESS）共抑制子的相互作用［5］。Jas結(jié)構(gòu)域位于JAZ蛋白C末端，具有高度保守的核心序列SLX2FX2KRX2RX5PY，該結(jié)構(gòu)域以SCFCOI1依賴的方式控制JAZ蛋白應(yīng)答JA（茉莉酸）信號的穩(wěn)定性，并且是JA-Ile/coronatine與COI1相互作用的關(guān)鍵［6］。在茉莉酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，TIFY結(jié)構(gòu)域可介導(dǎo)JAZ蛋白與NINJA（novel interactor of JAZ，NIN-JA）互作抑制JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而Jas結(jié)構(gòu)域可與MYC2（myelocytomatosis proteins，MYC）轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而抑制JA應(yīng)答基因表達(dá)［7］。

植物激素在調(diào)節(jié)植物生長、發(fā)育和繁殖中具有關(guān)鍵作用［8］，JAZ在調(diào)節(jié)植物基因表達(dá)以響應(yīng)生物/非生物脅迫以及生長發(fā)育方面中起主導(dǎo)作用。例如，棉花根中一些JAZ同源基因在鹽脅迫處理后被上調(diào)［9］。冷脅迫應(yīng)答的核心轉(zhuǎn)錄因子CBF/DREB1（INDUCER OF CBF EXPRESSION-C-REPEAT BINDING FACTOR/DRE BINDING FACTOR1）的活性通過與JAZ蛋白的直接互作被JAZ蛋白（JAZ1和JAZ4）抑制。與之一致的是JAZ1和JAZ4的過表達(dá)株對冷凍反應(yīng)不敏感［10］。上述試驗(yàn)證據(jù)表明JA通過JAZ蛋白調(diào)節(jié)ICE-CBF/DREB1信號通路從而正向調(diào)節(jié)擬南芥的抗凍性。JAZ蛋白還可以通過與MYC2的互作，抑制ERF1對其下游GCC-box、DRE-box及DRE/C-repeat genes的轉(zhuǎn)錄激活活性，從而影響植株對干旱、高鹽以及高溫脅迫的耐受［11］。此外，F(xiàn)u等研究發(fā)現(xiàn)，OsJAZ1通過調(diào)節(jié)水稻中的JA和ABA（脫落酸）信號傳導(dǎo)降低水稻抗旱性［12］。水稻OsJAZ9，通過TIFY家族的系統(tǒng)命名法也稱為OsTIFY11a，可以調(diào)節(jié)水稻的耐鹽性，其通過茉莉酸信號傳導(dǎo)提高對鹽脅迫的抵抗能力［13］。最新研究報(bào)道，OsJAZ9還能與OsMYB30互作，正向調(diào)控水稻對冷脅迫的抗性［14］。JAZ蛋白可以通過負(fù)向調(diào)節(jié)MYC2，使得MYC2對RD22的轉(zhuǎn)錄激活被抑制，水稻表現(xiàn)為干旱敏感的表型［15-16］。已有研究發(fā)現(xiàn)，JAZ1蛋白可以抑制EIN3/EIL1轉(zhuǎn)錄因子的活性。而當(dāng)茉莉酸存在時，JAZ蛋白發(fā)生降解，同時激活EIN3/EIL1轉(zhuǎn)錄因子的活性，進(jìn)而促進(jìn)乙烯響應(yīng)因子ERF表達(dá)，最終促進(jìn)果實(shí)成熟［17］。JAZ1、JAZ3、JAZ4、JAZ9蛋白通過與抑制開花有關(guān)的 TOE1/TOE2 轉(zhuǎn)錄因子互作，調(diào)節(jié)植物的開花［18-19］。

美洲黑楊（Populus deltoides）是楊柳科楊屬植物，樹干高大，枝葉繁茂，速生豐產(chǎn)，適應(yīng)性強(qiáng)。因其生長迅速，易進(jìn)行無性繁殖，遺傳變異范圍廣，適合種間和種內(nèi)雜交，再生周期短，已成為遺傳改良和樹木遺傳研究的合適試驗(yàn)材料。JAZ基因家族廣泛參與了植物對生物脅迫和非生物脅迫的應(yīng)答反應(yīng)，前期對毛果楊JAZ基因家族進(jìn)行了鑒定和分析［20］，然而美洲黑楊中的JAZ基因家族未鑒定。本研究以美洲黑楊全基因組為基礎(chǔ)，通過生物信息學(xué)的分析方法，鑒定出美洲黑楊中存在的JAZ基因家族成員，分析各成員的理化性質(zhì)、亞細(xì)胞定位、染色體定位、保守基序、順式作用元件、進(jìn)化關(guān)系以及蟲害脅迫下表達(dá)模式，以期為將來解析美洲黑楊JAZ基因家族功能奠定研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 美洲黑楊PdJAZ基因家族成員的鑒定

從Phytozome數(shù)據(jù)庫（https：//phytozome.jgi.doe.gov/）下載美洲黑楊（Populus deltoides WV94 v2.1）基因組數(shù)據(jù)。利用12個擬南芥（Arabidopsis thaliana）、15 個水稻（Oryza sativa）、6 個玉米（Zea mays），17個核桃（Juglans regia）和13 個北美云杉（Picea sitchensis）的JAZ蛋白序列在美洲黑楊的基因組中進(jìn)行BLAST比對，鑒定候選PdJAZ基因，獲取PdJAZ的蛋白序列［20］ 。去除重復(fù)和冗余后，使用Pfam工具（https：//pfam.xfam.org/）以及CD-search（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）進(jìn)行TIFY（也稱為ZIM，PF06200）和JAZ（也稱為 CCT_2，PF09425）結(jié)構(gòu)域驗(yàn)證，以明確美洲黑楊中的PdJAZ蛋白，并按照其在染色體上的排列順序進(jìn)行命名。

1.2 PdJAZ蛋白序列分析

使用Expasy（https：//web.expasy.org/protparam/）分析PdJAZ蛋白的相對分子量、等電點(diǎn)、穩(wěn)定系數(shù)、親水性和疏水性。使用Plant-mPLoc進(jìn)行蛋白亞細(xì)胞定位預(yù)測（http：//www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/）。使用SignalP-5.0（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP）預(yù)測信號肽。TMHMM-2.0（https：//services.healthtech.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/）分析蛋白質(zhì)的跨膜區(qū)。使用SOPMA在線軟件（https：//npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl？page=/NPSA/npsa_sopma.html）進(jìn)行蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測。使用SWISS-MODEL（https：//swissmodel.expasy.org/interactive）進(jìn)行蛋白質(zhì)同源建模，繪制蛋白三維結(jié)構(gòu)模型。

1.3 多序列比對和系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹構(gòu)建

將美洲黑楊PdJAZ的蛋白序列提交至DNAMAN軟件進(jìn)行多序列比對。將13個PdJAZ、12個AtJAZ、15個OsJAZ、6個ZmJAZ、17個JrJAZ和13個PsJAZ蛋白序列提交到MEGA 5.05軟件，首先進(jìn)行蛋白序列比對（Align by ClustalW），將比對結(jié)果保存為MEGA格式文件，然后使用鄰接法（neighbor-joining method），重復(fù)數(shù)1 000，構(gòu)建進(jìn)化樹。使用Adobe illustrator和Adobe Photoshop軟件對進(jìn)化樹進(jìn)行亞家族的標(biāo)注。

1.4 染色體定位和共線性分析

使用TBtools軟件中的Gene Location Visualize from GTF/GFF，利用美洲黑楊的GFF文件和PdJAZ的基因號繪制PdJAZ基因在染色體上的分布圖。使用DNAMAN軟件計(jì)算相似性。使用TBtools對美洲黑楊基因組進(jìn)行自身比對，利用Advanced Circos繪制物種內(nèi)共線性Circos圖。

1.5 美洲黑楊PdJAZ蛋白motif和基因結(jié)構(gòu)

使用MEME在線軟件（https：//meme-suite.org/meme/tools/meme）預(yù)測PdJAZ蛋白motif，保存MAST.xml文件。將美洲黑楊的GFF文件和MAST.xml共同提交至TBtools工具中的Gene Structure View（Advanced），從而繪制PdJAZ蛋白的motif分布圖和內(nèi)含子外顯子結(jié)構(gòu)圖。

1.6 啟動子順式作用元件分析

利用Tbtools軟件中的Gtf/Gff3 Sequences Extract和Fasta Extract or Filter（Quick）調(diào)取美洲黑楊PdJAZ基因上游2 000 bp啟動子序列，提交至PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）在線網(wǎng)站預(yù)測順式作用元件，篩選其中的脅迫、激素響應(yīng)等順式作用元件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.7 PdJAZ基因蟲害脅迫表達(dá)分析

以河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林木遺傳育種實(shí)驗(yàn)室保存的歐美楊為材料，在2018年開展美國白蛾（Hyphantria cunea）幼蟲取食歐美楊葉片的轉(zhuǎn)錄組測序，即河北農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室培養(yǎng)歐美楊無性系組培苗，移栽至溫室，以美國白蛾3齡幼蟲為測試?yán)ハx，對3月生的歐美楊植株頂端6張葉片套網(wǎng)紗進(jìn)行飼蟲處理，2 h后分別對葉面積損失1/4、葉面積損失1/8以及未飼蟲處理的對照組（CK）進(jìn)行取樣，用于轉(zhuǎn)錄組測序和基因表達(dá)分析［21］。本研究從表達(dá)譜數(shù)據(jù)中篩選PdJAZ基因家族的表達(dá)信息，使用Heatmap繪制熱圖分析表達(dá)模式。

2 結(jié)果與分析

2.1 美洲黑楊PdJAZ基因家族的鑒定和基本特征分析

使用美洲黑楊的基因組數(shù)據(jù)初步篩選獲得PdJAZ的蛋白序列，經(jīng)去除冗余和查找，對TIFY和Jaz結(jié)構(gòu)域進(jìn)行驗(yàn)證，篩選出13個PdJAZ蛋白序列，按照其在染色體上的排列順序命名為PdJAZ1～PdJAZ13。對這13個基因的基因號、染色體定位、編碼序列（CDS）長度、氨基酸數(shù)量、相對分子量、等電點(diǎn)、亞細(xì)胞定位、內(nèi)含子、外顯子、信號肽、跨膜數(shù)量、不穩(wěn)定系數(shù)、親水性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1），13個PdJAZ基因的編碼序列（CDS）長度在405～1 179 bp 之間，氨基酸數(shù)量在134～475個不等，蛋白質(zhì)分子量在1.5～4.1 ku之間，氨基酸數(shù)量和蛋白分子量的平均值分別為 279.3個、2.9 ku，PdJAZ1～PdJAZ13的等電點(diǎn)均大于7，介于7.54～9.96之間，外顯子個數(shù)在2～9個之間，內(nèi)含子個數(shù)在1～8個之間，信號肽和跨膜數(shù)量都為0，即該蛋白序列不存在跨膜，不穩(wěn)定系數(shù)都在45以上，其中PdJAZ13最大，值為77.64，親水性預(yù)測均為負(fù)值，表明美洲黑楊中的13個JAZ基因編碼的蛋白都是疏水性蛋白質(zhì)。亞細(xì)胞定位預(yù)測結(jié)果顯示，除PdJAZ8在細(xì)胞膜和細(xì)胞核中都有分布外，其余均在細(xì)胞核。

由表2可知，利用SOPMA對13個美洲黑楊PdJAZ蛋白二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。美洲黑楊PdJAZ蛋白的二級結(jié)構(gòu)主要為α-折疊和無規(guī)則卷曲。其中PdJAZ1的α-折疊占比最高，達(dá)到了27.15%，占比最低的是PdJAZ10，為6.89%；而PdJAZ10的無規(guī)則卷曲占比最高，達(dá)到88.27%，最低的是PdJAZ1，為65.16%；β-轉(zhuǎn)角只有PdJAZ1存在氨基酸，占比為1.81%，其余的12個蛋白占比都為0。

2.2 PdJAZ蛋白多序列比對和系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

對美洲黑楊中的13個候選基因進(jìn)行了序列比對，發(fā)現(xiàn)了這13個候選基因均具有JAZ基因保守的ZIM和Jas結(jié)構(gòu)域（圖1）。為了進(jìn)一步分析PdJAZ蛋白的進(jìn)化特點(diǎn)，使用鄰接法對美洲黑楊、擬南芥、水稻、玉米、核桃和北美云杉中的JAZ蛋白進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析（圖2），所有JAZ被劃分成3個不同的亞家族，美洲黑楊的13個PdJAZ在3個亞家族中均有分布。其中組Ⅰ中含有3個PdJAZ，組Ⅱ和組Ⅲ均為5個，并且組Ⅰ、組Ⅱ、組Ⅲ中均有美洲黑楊、擬南芥、水稻、核桃和北美云杉的JAZ分布，這表明該家族在進(jìn)化過程中具有較高的保守性。

2.3 PdJAZ基因染色體定位和物種內(nèi)共線性分析

染色體定位結(jié)果（圖3）顯示，12個基因共定位在10條染色體上，PdJAZ13未定位在染色體上，其中，第1和第3條染色體上分布基因較多，均分布有2個基因，其余染色體均具有1個基因（圖3）。利用TBtools分析了PdJAZ在美洲黑楊中的線性關(guān)系，PdJAZ1和PdJAZ5、PdJAZ2和PdJAZ6、PdJAZ2和PdJAZ4、 PdJAZ4和PdJAZ6、PdJAZ7和PdJAZ8、

PdJAZ8和PdJAZ10、PdJAZ10和PdJAZ11共7對基因存在共線性關(guān)系，PdJAZ9不存在線性關(guān)系（圖4）。

2.4 氨基酸序列相似性分析

利用在線ClustalW工具對篩選出的13個美洲黑楊的PdJAZ蛋白進(jìn)行多重序列比對編制成表3，發(fā)現(xiàn)它們彼此的氨基酸相似性在7.40%～88.00%之間。其中，PdJAZ8和PdJAZ13的氨基酸相似性最低，僅為7.40%。而PdJAZ9和PdJAZ13的氨基酸相似性最高，高達(dá)88.00%。

2.5 美洲黑楊PdJAZ蛋白三維結(jié)構(gòu)分析

通過美洲黑楊PdJAZ蛋白三維結(jié)構(gòu)（圖5）可以發(fā)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)相似度的基因和系統(tǒng)進(jìn)化樹中的基因分布相同，組Ⅰ中PdJAZ2、PdJAZ4、PdJAZ6結(jié)構(gòu)都不具備相似性；組Ⅱ中PdJAZ10和PdJAZ11蛋白的三級結(jié)構(gòu)相似，而其余PdJAZ7、PdJAZ8和PdJAZ12三級結(jié)構(gòu)則不具備相似性；組Ⅲ中只有PdJAZ3不具備相似性，PdJAZ1和PdJAZ5相似，PdJAZ9和PdJAZ13相似。

2.6 美洲黑楊PdJAZ蛋白基因結(jié)構(gòu)和motif分析

為了更深入解析PdJAZ之間的進(jìn)化關(guān)系，對PdJAZ蛋白進(jìn)行了基因結(jié)構(gòu)和motif的分析（圖6），基因的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，13個基因中具有5個外顯子和4個內(nèi)含子的基因有4個，具有7個外顯子和6個內(nèi)含子的基因有3個，具有6個外顯子和5個內(nèi)含子的基因有3個，具有2個外顯子和1個內(nèi)含子的基因有2個，而含有9個外顯子和8個內(nèi)含子的基因只有1個。利用MEME 網(wǎng)站對基因編碼蛋白進(jìn)行motif分析（圖6），PdJAZ蛋白的保守基序具有一定的多樣性。所有蛋白的保守基序數(shù)目為3～8個不等，大多數(shù)PdJAZ蛋白含有4～8個保守基序。其中，PdJAZ12僅含有3個保守基序，有6個蛋白含有4個保守基序，這說明PdJAZ蛋白在功能上應(yīng)該具有一定的多樣性。此外，處于同一進(jìn)化分支上的PdJAZ基因結(jié)構(gòu)和motif組成高度相似。

2.7 美洲黑楊PdJAZ啟動子順式作用元件分析

為了分析PdJAZ參與的生物學(xué)過程，對美洲黑楊PdJAZ上游2 000 bp區(qū)域的啟動子序列進(jìn)行了分析（圖7），共獲得133個順式作用元件，包括植物激素及植物生長調(diào)節(jié)劑響應(yīng)元件、非生物脅迫響應(yīng)元件等，其中，植物激素響應(yīng)元件的數(shù)量最多，有 106個。美洲黑楊的PdJAZ啟動子含有多種植物激素及植物生長調(diào)節(jié)劑響應(yīng)元件，包括脫落酸（ABA）、赤霉素（GA）、茉莉酸（MeJA）、水楊酸（SA）、生長素（IAA）等，其中脫落酸是數(shù)量最多的響應(yīng)元件。該基因家族的啟動子中也含有干旱響應(yīng)元件、應(yīng)激和防御響應(yīng)元件以及低溫響應(yīng)元件等非生物脅迫響應(yīng)元件。這些結(jié)果表明，美洲黑楊PdJAZ基因家族成員與激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與響應(yīng)環(huán)境脅迫密切相關(guān)。

2.8 PdJAZ在美國白蛾幼蟲取食楊樹葉片的表達(dá)模式分析

為研究美洲黑楊PdJAZ基因在蟲害脅迫下的特異性表達(dá)情況，對歐美楊植株進(jìn)行2 h飼蟲處理后，轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖8），未經(jīng)歷飼蟲處理的對照組中PdJAZ10基因的表達(dá)量為對照組中最高，而PdJAZ13的表達(dá)量則為0；在啃食面積達(dá)1/4

的葉片中，PdJAZ6基因的表達(dá)量為全組最高，接近900；PdJAZ4和PdJAZ5的表達(dá)量在2個啃食面積中均較高，而PdJAZ13則均為最低。PdJAZ3、PdJAZ9和PdJAZ13蟲害脅迫下表達(dá)量變化不明顯。相較于對照組，當(dāng)葉片遭受啃食后，PdJAZ10、PdJAZ3呈現(xiàn)下調(diào)表達(dá)模式，而其余基因均呈現(xiàn)上調(diào)表達(dá)趨勢。在上調(diào)表達(dá)基因中，除PdJAZ13外，與對照相比，1/4葉片損失條件下基因上調(diào)表達(dá)值是對照的1.84～1 221.58，1/8葉片損失條件下基因上調(diào)表達(dá)值是對照的1.16～729.04，上調(diào)倍數(shù)前5的PdJAZ基因?yàn)镻dJAZ2、PdJAZ9、PdJAZ1、PdJAZ5和PdJAZ4，表明它們在蟲害脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。

3 討論

JAZ基因家族在不同物種中的成員數(shù)量不盡相同。例如，擬南芥中有12個JAZ基因，水稻中有15個，玉米中有6個，核桃中有17個，北美云杉中有13個［20］。研究表明，JAZ作為茉莉酸信號途徑的抑制子，通過抑制茉莉酸響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，從而調(diào)控相關(guān)的生理活動過程，包括花青素積累、植物防御反應(yīng)、開花時間調(diào)控、雄蕊發(fā)育、低溫脅迫響應(yīng)等［22］。雖然前人對JAZ基因家族進(jìn)行了大量研究，但還未對楊樹中的JAZ家族成員進(jìn)行全面的鑒定和分析，本研究以美洲黑楊的全基因組序列為背景，開展JAZ基因家族全基因組鑒定以及蟲害脅迫下表達(dá)模式分析。

在對美洲黑楊、擬南芥、水稻、玉米、核桃和北美云杉的進(jìn)化樹分析中，JAZ基因被劃分為3個亞組。美洲黑楊JAZ基因比較均勻的分布在3個亞組中，單子葉植物中的玉米JAZ只分布在了組Ⅰ這1個亞組之中，而水稻JAZ在3個亞組中均有分布，只是在組 Ⅰ中分布較多，這可能是由于雙子葉植物和

單子葉植物在進(jìn)化過程中表現(xiàn)出來的區(qū)別。目前已知的JAZ蛋白具有2個保守的ZIM和Jas結(jié)構(gòu)域，本課題組前期結(jié)果發(fā)現(xiàn)13個PtJAZ中也均有TIFY、JAZ結(jié)構(gòu)域，基因成員篩選方式以及驗(yàn)證都相同，與本研究PdJAZ數(shù)目一致。所以具有ZIM和Jas這2個結(jié)構(gòu)域是鑒定JAZ蛋白的基礎(chǔ)，這也表示出這些亞家族中蛋白質(zhì)的保守和特異性功能，與之前的研究［23］一致。

啟動子順式元件的分析可以為基因的組織特異性表達(dá)和應(yīng)激反應(yīng)模式提供思路，本研究在美洲黑楊JAZ基因家族中發(fā)現(xiàn)多個激素響應(yīng)元件，PdJAZ的啟動子中含有豐富的ABA和MeJA響應(yīng)元件，本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)PtJAZ基因啟動子順式作用元件中包含ABA響應(yīng)元件和MeJA響應(yīng)元件，這表明美洲黑楊PdJAZ可能是整合ABA和JA信號通路的關(guān)鍵基因，而這一猜想在白樺中得到證實(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)MeJA和ABA處理后JAZ基因上調(diào)，同時JA和ABA具有相同的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)［24］。此外，白樺中JAZ基因啟動子區(qū)富含光響應(yīng)元件，說明JAZ基因與白樺的生長發(fā)育密切相關(guān)［25］，Song等在香椿JAZ家族中檢測到50個順式啟動子元件， 這些元件與環(huán)境脅迫、激素反應(yīng)、光反應(yīng)、啟動子、位點(diǎn)結(jié)合和其他功能有關(guān)［26］，基因PdJAZ1～PdJAZ13之間的各元件含量及種類均不

相同，而且部分基因的差異較為明顯，表明美洲黑楊JAZ基因家族不同成員能夠?qū)Σ煌に匕l(fā)生響應(yīng)且響應(yīng)程度不同，從而造成不同基因的功能分化。在基因結(jié)構(gòu)方面，盡管內(nèi)含子的數(shù)量和長度存在差異，但所有美洲黑楊JAZ家族基因都至少含有1個內(nèi)含子，而缺乏內(nèi)含子的JAZ基因僅在玉米［4］、水稻［27］和小麥［28］中發(fā)現(xiàn)，這可能反映了單子葉植物和雙子葉植物之間的進(jìn)化差異。功能研究表明，JAZ家族基因能夠廣泛參與植物生長發(fā)育，JAZ蛋白是調(diào)節(jié)JA和其他激素之間串?dāng)_的重要樞紐蛋白，是多種激素信號通路，因而在植物生長發(fā)育動態(tài)調(diào)節(jié)中以及在應(yīng)對環(huán)境脅迫中具有重要作用［22］。GhJAZ10基因在棉花的器官和纖維中有較高表達(dá)，能夠參與植物花器官和纖維的發(fā)育以及對干旱脅迫的響應(yīng)［29］，Huang等發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)JAZ中存在一些非生物響應(yīng)元件，例如干旱響應(yīng)元件以及低溫響應(yīng)元件，結(jié)果表明，IbJAZs可能參與了甘薯（Ipomoea batatas）生長發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)的調(diào)控［20］。而美洲黑楊PdJAZ基因?qū)Ω珊得{迫的響應(yīng)元件較少，這可能說明PdJAZ基因?qū)顦涓珊得{迫影響較小或者說在不同程度上參與了干旱脅迫的響應(yīng)。

表達(dá)分析表明，PdJAZ基因參與了蟲害脅迫的響應(yīng)，但對于林木中JAZ抗蟲相關(guān)的研究較少，更多是在農(nóng)學(xué)植物，例如，香椿（Toona sinensis）中TciJAZ1/3/11在葉片和嫩莖中的表達(dá)顯著上調(diào)，可能具有抗蟲功能［26］；研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因棉（Gossypium hirsutum）的不育表型及其抗蟲性狀都是因GhJAZ24蛋白過表達(dá)引起的，而GhJAZ24為棉的天然蛋白［30］；褐飛虱危害會導(dǎo)致水稻赤霉素的代謝途徑被激活從而顯著抑制水稻的生長，而2個GA代謝酶GA2ox3和GA2ox7可以把有活性的GA轉(zhuǎn)變成沒有活性的GA，并參與褐飛虱危害誘導(dǎo)的水稻生長抑制，研究發(fā)現(xiàn)JA正調(diào)控GA2ox3和GA2ox7介導(dǎo)的生長抑制，該研究為培育高產(chǎn)又抗蟲的水稻品種提供了重要理論基礎(chǔ)［31］。除此以外 Mao等發(fā)現(xiàn)通過阻礙JAZ3蛋白的降解會導(dǎo)致JA信號與抗蟲反應(yīng)衰減，同時具有抗蟲作用的次生代謝化合物硫代葡萄糖苷卻隨著植物的生長而積累，在某種程度上提高了植物的組成型抗蟲能力［32］。以上JAZ對植物抗蟲的影響與本文研究結(jié)果一致，本研究PdJAZ基因參與美洲黑楊對蟲害脅迫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)PdJAZ13沒有表現(xiàn)出很好的抗蟲表達(dá)情況，而PdJAZ4和PdJAZ6表現(xiàn)出很好的抗蟲表達(dá)情況。在楊樹PtJAZ基因家族中，PtJAZ6基因在蟲害脅迫下表達(dá)模式較好，可能參與調(diào)控抗蟲性［20］。這些研究結(jié)果說明JAZ可能是調(diào)控抗蟲性的重要基因。

這些研究結(jié)果將有助于深入了解美洲黑楊中PdJAZ基因的生物學(xué)功能，為進(jìn)一步鑒定其在生物脅迫的功能提供了理論依據(jù)，同時為了解美洲黑楊JAZ基因家族提供了一定的理論指導(dǎo)，為進(jìn)一步解析PdJAZ基因的功能提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究從美洲黑楊基因組中共鑒定出13個PdJAZ基因家族成員，亞細(xì)胞定位表明13個PdJAZ基因除PdJAZ8在細(xì)胞膜和細(xì)胞核中均有分布，其余都定位于細(xì)胞核中，并且均不存在跨膜，信號肽數(shù)量為0；PdJAZ家族成員的二級結(jié)構(gòu)以α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主，且均具有ZIM和Jas保守結(jié)構(gòu)域；系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明，美洲黑楊與其他植物JAZ基因可分為3個亞組，PdJAZ基因在3個亞組中均有分布；啟動子順式作用元件分析說明美洲黑楊JAZ基因參與植物激素調(diào)控；蟲害表達(dá)分析結(jié)果顯示PdJAZ基因的確可以響應(yīng)生物脅迫，其中PdJAZ2、PdJAZ9、PdJAZ1、PdJAZ5和PdJAZ4可能是響應(yīng)蟲害脅迫的重要基因。研究結(jié)果為后續(xù)進(jìn)行PdJAZ基因的功能驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］Zheng Y C，Chen X J，Wang P J，et al. Genome-wide and expression pattern analysis of JAZ family involved in stress responses and postharvest processing treatments in Camellia sinensis［J］. Scientific Reports，2020，10（1）：2792.

［2］Bai Y H，Meng Y J，Huang D L，et al. Origin and evolutionary analysis of the plant-specific TIFY transcription factor family［J］. Genomics，2011，98（2）：128-136.

［3］Shrestha K，Huang Y H. Genome-wide characterization of the Sorghum JAZ gene family and their responses to phytohormone treatments and aphid infestation［J］. Scientific Reports，2022，12（1）：3238.

［4］Han Y，Luthe D. Identification and evolution analysis of the JAZ gene family in maize［J］. BMC Genomics，2021，22（1）：256.

［5］Xu D B，Ma Y N，Qin T F，et al. Transcriptome-wide identification and characterization of the JAZ gene family in Mentha canadensis L.［J］. International Journal of Molecular Sciences，2021，22（16）：8859.

［6］魏 昕，劉雨恒，劉宇陽，等. 植物JAZ蛋白家族研究進(jìn)展［J］. 植物生理學(xué)報(bào)，2021，57（5）：1039-1046.

［7］黃小芳，畢楚韻，陳其俊，等. 甘薯基因組JAZ基因家族的鑒定與分析［J］. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)，2021，40（11）：3685-3693.

［8］Pieterse C M J，van der Does D，Zamioudis C，et al. Hormonal modulation of plant immunity［J］. Annual Review of Cell and Developmental Biology，2012，28：489-521.

［9］Yao D X，Zhang X Y，Zhao X H，et al. Transcriptome analysis reveals salt-stress-regulated biological processes and key pathways in roots of cotton （Gossypium hirsutum L.）［J］. Genomics，2011，98（1）：47-55.

［10］Hu Y R，Jiang L Q，Wang F，et al. Jasmonate regulates the INDUCER OF CBF EXPRESSION-C-REPEAT BINDING FACTOR/DRE BINDING FACTOR1 cascade and freezing tolerance in Arabidopsis［J］. Plant Cell，2013，25（8）：2907-2924.

［11］Kazan K. Diverse roles of jasmonates and ethylene in abiotic stress tolerance［J］. Trends in Plant Science，2015，20（4）：219-229.

［12］Fu J，Wu H，Ma S Q，et al. OsJAZ1 attenuates drought resistance by regulating JA and ABA signaling in rice［J］. Frontiers in Plant Science，2017，8：2108.

［13］Wu H，Ye H Y，Yao R F，et al. OsJAZ9 acts as a transcriptional regulator in jasmonate signaling and modulates salt stress tolerance in rice［J］. Plant Science，2015，232：1-12.

［14］Lv Y，Yang M，Hu D，et al. The OsMYB30 transcription factor suppresses cold tolerance by interacting with a JAZ protein and suppressing β-amylase expression［J］. Plant Physiology，2017，173（2）：1475-1491.

［15］曹碧婷. 白菜中miR398/CSD1調(diào)控抗熱和油菜中JAZ5基因調(diào)控抗旱性狀的機(jī)制［D］. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2022：54-68.

［16］Ye H Y，Du H，Tang N，et al. Identification and expression profiling analysis of TIFY family genes involved in stress and phytohormone responses in rice［J］. Plant Molecular Biology，2009，71（3）：291-305.

［17］Zhu Z Q，An F Y，F(xiàn)eng Y，et al. Derepression of ethylene-stabilized transcription factors （EIN3/EIL1） mediates jasmonate and ethylene signaling synergy in Arabidopsis［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2011，108（30）：12539-12544.

［18］黃思源. 番茄JAZ家族基因生物信息學(xué)分析及SlJAZ2在抗病中的功能研究［D］. 海口：海南大學(xué)，2021：27-44.

［19］Zhai Q Z，Zhang X，Wu F M，et al. Transcriptional mechanism of jasmonate receptor COI1-mediated delay of flowering time in Arabidopsis［J］. Plant Cell，2015，27（10）：2814-2828.

［20］Yang G X，Wang S J，Long L X，et al. Genome-wide identification and expression analysis of PtJAZ gene family in poplar （Populus trichocarpa）［J］. BMC Genomic Data，2023，24（1）：55.

［21］Yu X Y，Lu B，Dong Y，et al. Cloning and functional identification of PeWRKY41 from Populus×euramericana［J］. Industrial Crops and Products，2022，175：114279.

［22］Kazan K，Manners J M. JAZ repressors and the orchestration of phytohormone crosstalk［J］. Trends in Plant Science，2012，17（1）：22-31.

［23］Heidari P，F(xiàn)araji S，Ahmadizadeh M，et al. New insights into structure and function of TIFY genes in Zea mays and Solanum lycopersicum：a genome-wide comprehensive analysis［J］. Frontiers in Genetics，2021，12：657970.

［24］Kim J A，Bhatnagar N，Kwon S J，et al. Transcriptome analysis of ABA/JA-dual responsive genes in rice shoot and root［J］. Current Genomics，2018，19（1）：4-11.

［25］薛 昭，張捷睿，曹孝雙，等. 白樺JAZ基因家族的全基因組鑒定及生物信息學(xué)分析［J］. 分子植物育種，2023：1-10（2023-04-25）［2024-09-05］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.S.0230921.1827.008.html.

［26］Song H Y，Duan Z H，Wang Z，et al. Genome-wide identification，expression pattern and subcellular localization analysis of the JAZ gene family in Toona ciliata［J］. Industrial Crops and Products，2022，178：114582.

［27］Bisht N，Anshu A，Singh P C，et al. Comprehensive analysis of OsJAZ gene family deciphers rhizobacteria-mediated nutrient stress modulation in rice［J］. International Journal of Biological Macromolecules，2023，253（3）：126832.

［28］Wang Y K，Qiao L Y，Bai J F，et al. Genome-wide characterization of JASMONATE-ZIM DOMAIN transcription repressors in wheat （Triticum aestivum L.）［J］. BMC Genomics，2017，18（1）：152.

［29］閆文慶，倪云霞，賈 敏，等. 芝麻JAZ基因家族鑒定及分析［J］. 分子植物育種，2024：1-12（2024-01-25）［2024-09-05］.https：//link.cnki.net/urlid/46.1068.S.20240124.1712.004.

［30］Mo H J，Chang H M，Zhao G，et al. iJAZ-based approach to engineer lepidopteran pest resistance in multiple crop species［J］. Nature Plants，2024，10（5）：771-784.

［31］Jin G C，Qi J F，Zu H Y，et al. Jasmonate-mediated gibberellin catabolism constrains growth during herbivore attack in rice［J］. Plant Cell，2023，35（10）：3828-3844.

［32］Mao Y B，Liu Y Q，Chen D Y，et al. Jasmonate response decay and defense metabolite accumulation contributes to age-regulated dynamics of plant insect resistance［J］. Nature Communications，2017，8：13925.