谷子FT/TFL1家族的全基因組鑒定與分析

趙慶英，楊致榮

（山西農業大學文理學院，山西 太谷 030801）

谷子（Setaria italica）是傳統的優勢作物，具有耐瘠薄、耐干旱、耐儲藏、營養豐富、糧草兼收等特點[1]。針對日益嚴重的水資源短缺問題，谷子作為重要的戰略儲備作物，對保障干旱、貧瘠地區的糧食安全起著非常重要的作用[2]。隨著人們消費水平的提高以及對食品營養與安全的重視，人們對小米的需求也逐年增加，但是小米的產量低，還不能滿足現代化產業的需求。因此，提高谷子產量是谷子研究的主要方向之一。

開花是植物從營養生長到生殖生長轉變的開始，是植物生長發育的重要階段，植物在適宜的條件和時間開花，能夠確保其生物量和繁殖率[3]。植物開花受到幾種開花途徑的共同調節，如光周期途徑、春化途徑、內源激素和自主途徑等[4]，FT和TFL1基因是這些開花途徑下游的關鍵基因，編碼磷脂酰乙醇胺結合蛋白（PEBP）[5]，在植物從營養生長向生殖生長轉變的過程中起著重要的作用[6]。在擬南芥中，FT/TFL1家族有6個成員，分別為FLOWERING LOCUS T （FT），TERMINAL FLOWER 1（TFL1），TWIN SISTER OF FT （TSF），BROTHER OF FT AND TFL1 （BFT），ARABIDOPSIS THALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOG（ATC）和 MOTHER OF FT AND TFL1（MFT），可以分為 3 個亞類，分別為FT亞類（包括FT和TSF），MFT亞類和TFL1亞類（包括TFL1，BFT和ACT基因）[6-7]。

FT是一個開花整合基因，也是誘導開花的關鍵基因，它能促進植物從營養生長到生殖生長的轉變[7-8]。在長日照條件下，FT基因能在長日照植物（擬南芥等）的葉片維管組織伴胞中被CONSTANS（CO）基因誘導激活表達[9]，FT蛋白與一種新型的內質網膜蛋白 FT-INTERACTINGPROTEIN1（FTIP1）結合后被轉運到莖頂端分生組織，與堿性亮氨酸拉鏈結構域（basic Leucine Zipper，bZIP）轉錄因子 FD結合，直接激活開花基因SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1（SOC1）和 APETALA 1（AP1）基因，控制植物的成花轉變[10-11]。

在擬南芥中，FT基因過量表達導致開花時間提前[12]；在水稻中，Hd3a是FT的同源基因，在短日照條件下促進開花[11]；將日中性植物番茄中的FT同源基因SlSP3D轉到擬南芥中，能使擬南芥開花時間提前，說明SlSP3D是一個開花促進基因[11]。轉錄因子FLC和光敏色素B1可以抑制FT基因的表達[13]。

在擬南芥中，FT的同源基因TFL1，參與維持莖尖分生組織的狀態、延遲其向花器官的轉變[14]，并與花序的形成有關[15]。TFL1蛋白抑制FT下游基因LEAFY（LFY）和 AP1的表達[16]，維持花序分生組織狀態，抑制花芽分化[17]。tfl1擬南芥突變體葉片減少、開花提前，并且莖尖分生組織轉化為頂端花；TFL1過表達，擬南芥的花期延長，次生花序數目增加[17]。

ATC和BFT過表達導致擬南芥晚花，與TFL1基因過表達具有相似的表型，MFT過表達導致開花時間略有縮短，但這些基因的功能缺失突變并沒有顯示出任何明顯的表型[7]。MFT在種子萌發過程中也具有一定的作用[18]。TSF與FT在氨基酸水平高度相似，TSF促進開花，但只有在短日照條件下才有明顯的早花表型[5]。

植物成花轉變是一個復雜的過程，依賴于基因互作遺傳網絡的精細調控，FT/TFL1在該過程中起著重要的作用。人們對擬南芥和水稻等模式植物的FT/TFL1研究比較深入，但是在谷子中相關的研究較少。

本試驗通過對谷子FT/TFL1基因家族進行生物信息學分析，初步探究FT/TFL1基因家族與成花轉變的關系，旨在為深入研究谷子抽穗開花機制提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 篩選擬南芥、水稻和谷子FT/TFL1家族成員

在擬南芥中，有6個FT/TFL1家族成員已被報道，利用 NCBI（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）和Phytozome（https://phytozome.jgi.doe.gov/）網站在線搜索擬南芥FT/TFL1家族成員蛋白序列并下載，通過BLAST比對，得到水稻和谷子FT/TFL1家族成員的蛋白序列和啟動子序列。

1.2 構建FT/TFL1家族系統發育樹

通過MEGA7[19]軟件對谷子、擬南芥以及水稻FT/TFL1家族成員進行蛋白序列比對，利用Neighbor-joining算法分析構建系統發育樹，選擇Bootstrap方法，其他參數選擇默認值。

1.3 FT/TFL1家族保守序列分析

利用MEME v4.11.0（http://meme-suite.org/tools/meme）網站在線分析擬南芥、水稻和谷子的保守序列。保守位點的寬度設置為≥6和≤50，最大保守序列鑒定數目設定為10。

1.4 FT/TFL1家族啟動子元件分析

利用 PlantCARE（http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）在線分析啟動子元件。

1.5 FT/TFL1家族表達模式分析

利用R[20]軟件的heatmap函數繪制基因表達熱譜圖。

2 結果與分析

2.1 FT/TFL1家族系統發育樹分析

擬南芥FT/TFL1基因家族中已知的6個成員FT，TSF，MFT，TFL1，BFT 和 ATC 根據其結構和功能分為3個亞類，分別為FT亞類（包括FT和TSF），MFT亞類和 TFL1亞類（包括 TFL1，BFT和ACT 基因）[5，7，21]。

為了分析谷子FT/TFL1家族成員的系統進化關系，利用Mega 7.0軟件構建了擬南芥、水稻和谷子的系統進化樹。從圖1可以看出，谷子FT/TFL1家族可以分為3個亞類，即FT，MFT和TFL1亞類，FT和MFT亞類對開花起促進作用，TFL1亞類抑制開花，同一亞類的基因具有相同或相似的功能，在植物開花過程中共同作用，調控植物開花。

2.2 FT/TFL1家族保守序列分析

利用MEME在線軟件對擬南芥、水稻和谷子的FT，MFT和TFL1亞類的蛋白保守位點進行了分析，結果如圖2所示，3個亞家族成員均有一段含有50個氨基酸殘基的保守序列。FT亞家族的保守基序為X2DPDXPXPSXPX3EXLHWXVTDIPX7GXEX3YE XPXPX2GXH，MFT亞家族的保守基序為MTDPDAP SPSXPXMREX2HWXVX2IPGGTX4GX5YMXPRPXVG IH，TFL1亞家族的保守基序為EX2GXDXRSFFTLX MXDPDXPXPSX5EXLHWXVTXIPGTTDX2FGXE。FT和TFL均有一個決定其功能的關鍵氨基酸殘基，FT蛋白的第85位是一個酪氨酸殘基，對控制開花時間具有重要的作用[22]，TFL1蛋白第88位的組氨酸對于維持頂端分生組織的生長和延遲開花起主要作用，MFT蛋白的色氨酸也能促進擬南芥開花，但是相對于組氨酸和酪氨酸作用較弱，這幾個主要的氨基酸殘基與其他殘基共同作用，調控擬南芥成花轉變[23]。

2.3 FT/TFL1家族啟動子序列分析

利用PlantCARE軟件在線分析谷子FT/TFL1基因啟動子區順式作用元件，結果發現，除了啟動子和增強子區常見的順式作用元件CAAT-box和核心啟動子元件TATA-box外，還具有光響應元件sp1和G-box，胚乳表達順式作用元件Skn-1_motif以及與逆境脅迫相關的順式作用元件，如脫落酸響應元件ABRE、低溫響應元件LTR和厭氧誘導響應元件ARE等（表1）。說明FT/TFL1基因家族成員在胚乳表達、響應光信號和抵抗逆境過程中起重要作用。

表1 谷子FT/TFL1基因家族啟動子順式元件預測

續表1

2.4 FT/TFL1家族表達模式分析

通過NCBI和Phytozome網站檢索到29個谷子FT/TFL1基因家族成員，通過Phytozome網站，統計了FT/TFL1基因家族成員在各個組織中的表達量，通過R語言中的heatmap函數繪制熱圖，結果發現，Seita.4G180200基因在穗中的表達量最高，Seita.4G122200基因在穗中的表達量也較高，Seita.4G122200基因在根中的表達量最高；TFL1亞家族的Seita.1G180300和Seita.7G324800基因在根中的表達量較高，Seita.4G122200的在葉中和苗中的表達量也較高。FT/TFL1家族不同成員在谷子不同組織中的表達量存在顯著差異（圖3）。

3 結論與討論

植物FT/TFL1基因是植物由營養生長向生殖生長轉變的關鍵基因，通過對FT/TFL1基因家族進行生物信息學分析，為深入研究谷子FT/TFL1基因家族對成花轉變的調控奠定了基礎。

通過生物信息學分析發現，谷子FT/TFL1家族可以分為3個亞類，分別為FT亞類，MFT亞類和TFL1亞類，其中，FT亞類和MFT亞類對開花起促進作用，TFL1亞類抑制開花，3個亞類的基因相互協調，共同調控谷子開花。

谷子、水稻和擬南芥的FT，MFT和TFL1亞類的蛋白序列高度保守，均具有一段含有50個氨基酸殘基的保守序列，FT蛋白第85位的酪氨酸殘基、TFL1蛋白第88位的組氨酸殘基分別對調控擬南芥開花和維持頂端分生組織的生長具有重要作用。

通過對谷子FT/TFL1基因家族起始密碼子上游約1 500 bp左右的啟動子順式作用元件分析發現，它主要有光響應元件sp1、胚乳表達順式作用元件Skn-1_motif以及與逆境相關的元件，如低溫響應元件LTR等。說明FT/TFL1基因家族成員在胚乳表達、響應光信號和抵抗逆境過程中起重要作用。

通過對谷子表達模式分析發現，Seita.4G122200基因在根、葉和苗中的表達量都最高，Seita.4G180200基因在穗中的表達量最高，FT/TFL1家族在不同組織中的表達量存在顯著差異。

綜上所述，本研究通過對谷子FT/TFL1家族的生物信息學分析，初步探究了谷子FT/TFL1家族在谷子開花途徑中的作用，結果為以后研究FT/TFL1家族成員控制谷子開花的具體調控機制提供了理論依據。