煙草IMK基因家族的鑒定與表達分析

陳千思，劉萍萍，李澤鋒，楊小寧，武明珠，鄭慶霞，周會娜

中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

類受體激酶（Receptor-like kinase，RLK）是真核生物中保守的蛋白激酶，通過信號轉導途徑感受植物細胞膜外信號，并將信號傳遞到植物細胞核［1］，參與激活生長［2-3］、發育［4-5］、應激反應［6-8］和抗病［9-11］等過程。RLK 通常由氨基末端的膜定位信號、細胞外的配體結合結構域、跨膜結構域和細胞質激酶結構域構成［12］。對多種RLK 的功能研究表明，配體結合域在感知細胞外的刺激中起著重要作用，而胞質激酶結構域是通過磷酸化下游底物來實現對下游的調控［13］。在模式植物擬南芥中，多項研究表明，RLK 通過多種信號傳導途徑［14-16］參與調節不同類型的生物學過程［17-21］。其中，一類命名為花序分生組織類受體激酶（Inflorescence meristem receptor-like kinase，IMK），屬于LRR 類受體激酶［22］。擬南芥基因組中共有2個IMK 基因，分別為IMK2（AT3G51740）和IMK3（AT3G56100）。擬南芥中，IMK2 蛋白能與另外一種非典型的LRR 類受體激酶SCM 互作并參與根的上皮細胞排布；IMK3 主要在莖頂端和根尖表達，在胚中也能檢測到，編碼的蛋白質具有體外激酶活性且能與MADS-box 蛋白AGL24 互作并使其磷酸化。

在煙草中，前期研究發現NtIMK 的表達與干旱響應高度相關，暗示IMK 基因除了參與調控生長發育外，還可能參與了對逆境的響應過程［23］。然而，煙草中IMK 蛋白家族的相關研究還未見報道。本研究中利用生物信息學手段分析、鑒定了NtIMK 家族成員，研究了NtIMKs 在不同組織器官和不同激素處理前后的表達模式，旨在為進一步探討NtIMK 在生長發育及逆境脅迫中的功能提供基礎，并為煙草重要性狀的分子調控機制研究提供潛在的理論參考和基因信息。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

材料：栽培煙草品種K326（Nicotiana tabacum L.）種植于國家煙草基因研究中心人工氣候室，溫度為26～28 ℃，相對濕度60%，光周期為16 h 光照/8 h 黑暗［24］。

試劑：6-芐氨基腺嘌呤（6-Benzylaminopurine，6-BA，Lot No.B3408）、赤霉素（Gibberellin，GA，Lot No.48870）、3-吲哚乙酸（3-Indoleacetic acid，IAA，Lot No.I2886）、茉莉酸甲酯（Methyl jasmonate，MeJA，Lot No.392707）、水楊酸（Salicylic acid，SA，Lot No.S7401）購于美國西格瑪奧德里奇公司；獨腳金內酯（Strigolactones，GR24，Lot No.41012ES03）購于翌圣生物科技（上海）有限公司；MS Medium（Lot No.MS9043）購于北京密碼子生物科技有限公司；Agar（Lot No.A7921）購于美國西格瑪奧德里奇公司；植物RNA快速提取試劑盒（Lot No.RN3802）購于北京艾德萊生物科技有限公司；反轉錄試劑盒Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit（Lot No.04897030001）和qPCR試劑盒FastStart Essential DNA Green Master（Lot No.06924204001）購于瑞士羅氏公司。

儀器：Biometra Tone 96 PCR 儀器（德國Biometra 公司）；LightCycler96 實時定量PCR 儀（Lot No.05815916001，瑞士羅氏公司）；移液器（德國艾本德公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙草IMK 家族基因的檢索和鑒定

在擬南芥種質信息數據庫（http://www.arabidopsis.org/）中下載擬南芥IMK2 和IMK3 蛋白質序列。在煙草基因組數據庫（ftp://ftp.solgenomics.net/genomes/Nicotiana_tabacum/）普 通煙草K326 的蛋白質序列中進行同源搜索，獲得煙草品種K326 的IMK 蛋白質的氨基酸序列。利用TBtools 軟 件（https://github.com/CJ-Chen/TBtools/releases）比對獲得的NtIMK 蛋白質的氨基酸序列。

1.2.2 煙草IMK 基因亞家族的生物信息學分析

通過MUSCLE 軟件對獲得的煙草IMK 蛋白和2 個擬南芥IMK 蛋白進行氨基酸序列比對。通過MEGAX 軟件采用鄰接法生成IMK 蛋白家族的系統進化樹，其中，校驗參數（Bootstrap）設置為1 000，其余均為默認參數。通過MEME 在線網站（http://meme-suite.org/tools/meme）對IMK蛋白進行保守基序分析。利用在線軟件GSDS 2.0（http://gsds.cbi.pku.edu.cn/）對基因結構進行分析，并繪制基因結構分布圖。通過TMHMM 軟件（http://www.cbs.dtu.dk/services/TMFMM/）對NtIMK蛋白家族進行跨膜結構域預測。

1.2.3 不同組織的表達模式分析

在煙草生長到盛花期時，對第5 葉位葉片、葉芽、第10 葉位葉片、第15 葉位葉片、莖節、莖、側根、須根、花、花蕾這10 個不同部位組織分別進行取樣。樣品剪下后，迅速液氮冷凍，-80 ℃冰箱保存。樣品經液氮研磨成粉末，使用植物RNA 快速提取試劑盒和反轉錄試劑盒進行RNA 抽提和反轉錄，將反轉錄的cDNA 稀釋至400 ng/μL。通過選取基因特異引物，利用qRT-PCR 方法，取1 μL cDNA 用于基因定量分析的模板，用煙草EF1α基因（GenBank ID：NM001326165）作為內參，3 次技術重復。依照qRT-PCR 試劑盒（Lot No.06924 204001，瑞士羅氏公司）說明書上的操作步驟和反應程序，在qRT-PCR 儀器上運行PCR 程序和收集熒光信號。數據結果采用2-ΔΔCT方法進行分析，待測基因的相對表達量參照同一基因在第5 葉位葉片中的表達量。各個組織及處理獨立進行3 次生物學重復，每組生物學重復為獨立樣本并單獨提取RNA。

1.2.4 不同激素處理后的表達模式分析

煙草K326 種子用體積分數為70%的酒精浸泡60 s，無菌水清洗2～3 次，然后用質量體積分數為5%的次氯酸鈉表面消毒15～20 min（晃蕩），無菌水洗3 遍，取出種子放在濾紙上晾干水分，將消毒的種子平鋪于MS 固體培養基上（培養基pH=5.8，瓊脂濃度0.8%），進行煙草無菌苗培養。待長出幼苗后，將幼苗轉移到培養盒中繼續無菌培養，直到長到5 葉期時備用。挑取長勢一致的煙草無菌苗，用配好的質量體積分數為10%的6 種激素（6-BA、GA、GR24、IAA，meJA 和SA）［25-26］母液分別浸泡無菌苗3 h 和24 h，相應的未處理葉片作為對照，剪下葉片后迅速液氮冷凍，-80 ℃冰箱保存。通過qRT-PCR 方法對6 個NtIMK 基因的表達情況進行分析。RNA 提取、cDNA 的制備、qRT-PCR 體系及反應程序同章節1.2.3。

2 結果與分析

2.1 普通煙草中NtIMK 基因鑒定

為了鑒定煙草中的IMK 基因，利用擬南芥已報道的2 個IMK 類型蛋白IMK2（AT3G56100.1）和IMK3（AT3G51740.1）的氨基酸序列在煙草基因組數據庫中比對搜索煙草品種K326 的IMK 蛋白序列，得到6 個編碼IMK 蛋白的基因（表1）。氨基酸比對分析結果顯示，這6 個IMK 蛋白的氨基酸序列一致性在61%～97%之間。其中Nitab4.5_0011886g 0020.1 與Nitab4.5_0000230g0240.1，Nitab 4.5_00003 75g0060.1 與 Nitab4.5_0003402g0040.1，Nitab4.5_0002854g0020.1與Nitab4.5_0004167g0030.1 兩兩之間的序列一致性分別高達97%、92%和94%，暗示IMK 基因可能存在功能冗余。

表1 NtIMK 蛋白質的氨基酸序列比對Tab.1 Amino acid sequence alignment of NtIMK protein （%）

2.2 煙草IMK 基因亞家族的聚類、基因結構和motif 分析

使用MUSCLE 軟件對6 個煙草IMK 蛋白和2個擬南芥IMK 蛋白進行氨基酸序列比對，在MEGAX 中通過鄰接法生成了IMK 蛋白家族的系統進化樹（圖1A）。由圖1A 可見，6 個煙草IMK 蛋白可以分為2 類，其中2 個與擬南芥IMK3 距離較近（IMK3 類），4 個與擬南芥IMK2距離較近（IMK2 類）。基因結構分析顯示，這6 個煙草IMKs基因均含有2 個外顯子和1 個內含子，且外顯子長度較為一致，只有內含子長度變異較大，進一步暗示這些基因可能存在功能冗余（圖1A）。

利用MEME 軟件對這些IMK 蛋白的保守Motif 進行分析，結果如圖1B 所示，共鑒定出12 個分布于IMK 蛋白上的保守Motif，所有IMK 蛋白均包含這12 個保守的Motif。其中不同類型IMK 蛋白的主要區別在于重復motif 12（GSIP motif）個數的差異。煙草IMK2 類蛋白均含有2 個重復的motif 12，而IMK3 類蛋白包含3 個重復的motif 12，暗示motif 12 在這2 類IMK 蛋白的功能分化過程中可能起著重要作用。進一步分析每個motif中氨基酸的保守性（圖1C），結果表明motif 10、motif 11 和motif 12 富含Leu，表明煙草IMKs 屬于LRR 類受體激酶。

圖1 NtIMKs 的進化樹（A）、保守基序分布（B）和氨基酸保守性（C）Fig.1 Phylogenetic analysis of NtIMKs (A),distributions of conserved motifs of NtIMKs (B) and amino acid conservation analysis of motifs (C)

2.3 跨膜結構域和翻譯后修飾位點分析

通過TMHMM 軟件對NtIMK 蛋白家族進行了跨膜結構域預測，結果顯示 Nitab4.5_0011886g0020.1 與Nitab4.5_0000230g0240.1 存 在2個跨膜結構域，而其他4 個則可能存在3 個跨膜結構域，說明NtIMK 蛋白也可能是膜蛋白（圖2A）。此外，對煙草IMKs 的翻譯后修飾位點進行分析，結果表明，在擬南芥IMK2 鑒定出的11 個修飾位點中，僅2 個位點在煙草所有IMKs 蛋白中均存在且保守，包含一個N-glycosylation（天冬酰胺糖基化）和T-phosphorylation（蘇氨酸磷酸化）。類受體激酶通常通過自身磷酸化狀態的變化來行使功能，因此推斷這2 個位點可能在IMKs 蛋白發揮功能過程中起著重要作用，其中蘇氨酸磷酸化位點可能是其激酶活性位點（圖2B）。

圖2 NtIMK 蛋白質的跨膜結構域（A）和翻譯后修飾位點（B）分析Fig.2 Analysis of transmembrane domains (A) and modified sites after translation (B) in NtIMK proteins

2.4 不同組織表達模式分析

通過選取基因特異引物（表2），利用qRT-PCR的方法對這些基因在葉、莖、莖節、花、花蕾、側根和須根中的表達情況進行了分析（圖3）。結果發現，6 個IMKs 基因家族成員均在側根和花蕾中高表達，其中Nitab4.5_0002854g0020、Nitab4.5_0000375g0060 和Nitab4.5_0003402g0040 在花蕾表達最高，Nitab4.5_0004167g0030、Nitab4.5_0011 886g0020 和Nitab4.5_0000230g0240 則在側根中的表達高于其他組織。Nitab4.5_0011886g0020 和Nitab4.5_0000230g0240 除了在氨基酸序列高度相似外，在不同組織中表達模式相似，除了在花蕾、莖和側根中高表達外，在莖節、第10 葉位和第15葉位葉片中也高表達，暗示其除了具有花蕾和側根的發育功能外，可能還在葉和莖中發揮功能。另外一對高度同源的基因對Nitab4.5_0000 375g0060 和Nitab4.5_0003402g0040 在不同組織中表達模式相似，均在側根中表達最高，在第15 葉位葉片中表達量最低。表達模式分析結果說明，不同的煙草IMKs成員表現出不同的組織特異性，并且氨基酸序列一致性高的基因其表達模式也較為相似。

表2 引物序列及用途Tab.2 Sequences of primers and their usage

圖3 NtIMKs 在不同組織的表達模式Fig.3 Expression patterns of NtIMKs in different tissues

2.5 不同激素處理后的表達模式分析

煙草IMKs 基因家族成員對6 種激素（包括6-BA、GA、GR24、IAA、meJA 和SA）響應的分析結果見圖4，與對照相比，GR24 和SA 處理后Nitab4.5_0011886g0020 的表達量顯著上調；GA、GR24 和IAA 處理后，Nitab4.5_0000230g0240 的 表達量顯著上調；GA 處理后，Nitab4.5_0000375g0060的表達量顯著上調，但在6-BA 和meJA 處理后該基因的表達量顯著下調；GA、IAA 和SA 處理后，Nitab4.5_0002854g0020 的表達量顯著上調；GA 和IAA 處理時，Nitab4.5_0003402g0040 的表達量顯著上調，但在6-BA 處理時，該基因的表達值顯著下調；GA、IAA 和SA 處理后，Nitab4.5_0004167g0030的表達量顯著上調。

圖4 不同激素處理后煙草IMKs 的表達模式Fig.4 Expression modes of NtIMKs treated by different hormones

3 討論

擬南芥中最大的RLKs 家族LRR RLK 大約有235 個成員，在發育、病原體抗性和激素感知中具有多種作用。研究表明，LRR RLKs 在與激素和非生物應激反應有關的多種信號轉導途徑中發揮作用。ABA 是非生物脅迫響應的關鍵介質，可以調節干旱、鹽和滲透脅迫反應基因的表達。擬南芥RPK1 基因（Receptor-like protein kinase 1 gene）突變體對ABA 不敏感，且干旱脅迫響應基因表達大幅下調。油菜素內酯（BRs）是植物必需的多羥基化甾體類激素，對植物生長發育至關重要。被命名為第一個BR 信號轉導基因的BRI1 基因（Brassinosteroid insensitive 1 gene）與其相關受體激酶BAK1 異源二聚化而參與BR 的感知和信號傳導。BAK1 相關受體激酶1（BARK1）的過表達促進了根系的生長，表明BARK1 在BR 介導的根系發育中發揮作用［1］。BAK1/SERK3 受IAA 和鄰氨甲酰苯甲酸（NPA）調控，RLK902 受NPA 調控，但IMK2 和IMK3 不受激素調節，IMK2 受NPA 和甘露醇調節，IMK3 受鹽和甘露醇調節［27］。擬南芥中，IMK2 蛋白能與另外一種非典型的LRR 類受體激酶SCM 互作并參與根的上皮細胞排布；IMK3 主要在莖頂端和根尖表達，在胚中也能檢測到，編碼的蛋白質具有體外激酶活性且能與MADS-box 蛋白AGL24 互作并使其磷酸化［28］。

利用序列分析、序列比對等生物信息學相關方法，從普通煙草基因組中鑒定出了6 個IMK 家族成員。這些煙草IMK 基因結構和其編碼的蛋白質序列均相對保守，主要分為2 類，一類與擬南芥IMK2 相近。激素處理后的基因表達模式分析結果顯示，大多數煙草IMKs 能響應不同的激素，其中4 個煙草IMKs 均被GA 和IAA 誘導上調表達，表明Nitab4.5_0000230g0240、Nitab4.5_0002854g0020、Nitab4.5_0003402g0040 和 Nitab4.5_0004167g0030均可能參與了GA 和IAA 介導的調控反應。Nitab4.5_0000375g0060還被6-BA和meJA抑制下調表達。組織表達模式分析結果說明，大部分的煙草IMKs 在側根和花蕾中呈現高表達，這與擬南芥中IMK2 和IMK3 較為相似，暗示煙草IMKs 基因可能在側根和花發育過程中起關鍵作用，不同的煙草IMKs 成員也表現出不同的組織特異性，同源基因對Nitab4.5_0000375g0060 和Nitab4.5_00034 02g0040 在不同組織中表達模式相似，均在側根中表達量最高，在15 葉位煙葉中表達量最低，表明這些基因在煙草中可能存在功能冗余。表達模式分析結果表明，不同類型的IMKs成員表現出不同的組織特異性，表明它們可能在煙草不同組織發育或逆境響應過程中發揮重要作用。IMK 可能負調控GA 和IAA 激素介導的生理反應，但這些煙草IMKs如何參與激素介導的生理反應，還有待深入研究。

4 結論

在普通煙草基因組中共鑒定出6 個IMK 家族成員，鑒定出的IMKs 大多數可以響應不同的激素。其 中，Nitab4.5_0000230g0240、Nitab4.5_0002854g 0020、Nitab4.5_0003402g0040 和Nitab4.5_0004167g 0030 均被GA 和IAA 誘導上調表達，表明這4 個基因均可能參與了GA 和IAA 介導的調控反應。此外，6 個IMKs 基因家族成員均在側根和花蕾中高表達，表明IMKs 基因可能在側根和花發育過程中發揮關鍵作用。