四倍體小麥GPAT基因家族比較分析

師毅君，王康君，郭明明，張廣旭，譚一羅，李曉峰，何茂盛，徐大勇，樊繼偉

（連云港市農業科學院，江蘇 連云港 222000）

甘油-3-磷酸酰基轉移酶（glycerol-3-phosph-ateacyltransferase, GPAT）是三酰甘油（Triacylglycerol, TAG）生物合成的關鍵酶，催化并限制其第一步反應的速度，是細胞膜、表皮蠟質、種內油脂等重要組分，對植物生長發育及抗逆能力具有重要影響［1］。具體而言，GPATs分為兩類：一類為sn-1型GPAT，負責將脂肪酰基從酰基-酰基載體蛋白（-acyl-ACP）或酰基輔酶A（-acyl-CoA）向sn-1轉移；另一類屬于sn-2型GPAT，具有磷酸酶活性［2-4］。目前，已在多種植物中鑒定到GPAT基因家族成員，如擬南芥［5］、棉花［6］、玉米［7］、青稞［8］、大麥［9-10］等，其中，擬南芥GPAT家族包含10個成員［5］，ATS1和AtGPAT9 屬于sn-1型GPAT，AtGPAT1~8 為陸生植物特有的sn-2型GPAT，這些酶參與磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol, PG）［11-12］、植物膜脂、植物油脂、角質和軟木脂［4,13］等多種脂質的生物合成［14］。研究發現，GPAT在植物響應冷、熱等脅迫中起著關鍵作用［15］，例如，在不同抗冷性水稻中，GPAT核苷酸和推導氨基酸序列差異與抗冷性差異正相關［16］。番茄LeGPAT基因表達受低溫誘導，過表達可以提高甘油-3-磷酸酰基轉移酶含量而增強植株的耐冷性，抑制表達則可以增強耐熱性并影響番茄的育性［17］。百合LpGPAT基因也被證明與低溫脅迫有關［18］。在水稻品種J9516的葉綠體類囊體膜磷脂分子中，不飽和PG含量較高的植株能抵御低溫誘導的光抑制作用［16］。反之，GPAT酶通過提高質體中類囊體膜脂的飽和度來增加植物對高溫的耐受性。顏坤等［19-21］研究發現，高溫脅迫下，轉入GPAT基因的煙草類囊體膜上脂質飽和度增加，其光合速率較野生型的變化慢。

四倍體小麥分為硬粒小麥和野生二粒小麥，是栽培小麥的近緣物種，近年來，隨著其基因組測序的完成，已逐漸成為新的研究熱點，許多其他關于GPAT基因及其功能的類似研究已經被報道［14,22］。然而，人們對該基因家族在四倍體小麥中的作用知之甚少，特別是它們在冷或熱脅迫中的潛在作用。為了解四倍體小麥中GPAT基因家族進化及其功能，本研究通過比較基因組學系統分析硬粒小麥和野生二粒小麥GPAT基因家族的結構特性，進化關系等內容，為深入探索麥類作物GPAT基因家族的功能提供更多的信息。

1 材料與方法

1.1 四倍體小麥GPAT基因家族成員的鑒定及理化性質分析

從植物參考基因組數據庫EnsemblPlants（https://plants.ensembl.org/index.html）下載硬粒小麥、野生二粒小麥以及擬南芥的基因組數據，包括基因組序列文件、注釋文件、蛋白序列文件。利用從Uniportswissport（https://www.uniprot.org/）下載擬南芥GPAT蛋白序列，在Pfam網站（http://pfam-legacy.xfam.org/）下載GPAT蛋白保守結構域（PF01553）的隱馬爾可夫模型，使用TBtools（https://github.com/CJ-Chen/TBtools）軟件［23］在硬粒小麥和野生二粒小麥蛋白質庫進行BLASTP和HMMER搜索，得到包含結構域模型的蛋白序列。將HMMER和BLASTP的結果去冗余后，將序列提交到NCBI-CDD（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/）數據庫對其結構域進行鑒定，保留包含有完整結構域的基因。通過網站ExPASY（https://www.expasy.org/）來分析硬粒小麥和野生二粒小麥GPAT基因家族成員分子量、等電點等理化性質，并用網站WoLFPSORT（https://wolfpsort.hgc.jp/）來預測其家族成員的亞細胞定位信息。

1.2 四倍體小麥GPAT基因家族系統發育分析

使用軟件MEGA 11.0軟件內置muscle對硬粒小麥、野生二粒小麥、擬南芥的所有GPAT基因進行多序列對比分析，使用鄰接法Neighbor-joiningTree構建GPAT基因家族系統進化樹，Bootstrap值取1000。通過網站ITOL（https://itol.embl.de/）進行美化。

1.3 四倍體小麥GPAT基因家族基因結構和保守結構域分析

硬粒小麥、野生二粒小麥和擬南芥GPAT基因結構分析使用TBtools軟件中Visualize Gene Structure（Basic）工具，根據其基因組注釋gff3文件提取內含子和外顯子信息；通過網站MEME（http://memesuite.org/）預測蛋白的保守結構域（Motif設為10）；通過網站NCBI-CDD（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi）確認GPAT家族成員的保守結構域。使用TBtools軟件的GeneStructureView工具將上述結果進行合成及可視化。

1.4 四倍體小麥GPAT基因家族共線性分析

根據硬粒小麥、野生二粒小麥和擬南芥全基因組及注釋文件，使用TBtools對其進行可視化的共線性關系分析，以此發現三者GPAT基因家族間的同源基因對。

2 結果與分析

2.1 GPAT基因家族成員的鑒定結果及理化性質分析

利用擬南芥GPAT蛋白序列，在硬粒小麥和野生二粒小麥蛋白質庫進行BLASTP和HMMER搜索鑒定，最終確定硬粒小麥和野生二粒小麥各有33個GPAT基因家族成員。由表1可知，GPATs蛋白質成員的氨基酸長度為149（TdGPAT19）~589（TtGPAT1），分子量為16.22 kDa（TdGPAT19）~62.76 kDa（TtGPAT1），等電點為5.92（TdGPAT5）~11.39（TdGPAT7），但絕大多數蛋白（56個）的pI大于8，說明大多數GPATs蛋白富含堿性氨基酸，屬堿性蛋白。亞細胞定位結果顯示：有40.9%成員定位在質膜，25.7%成員定位在葉綠體，12.1%成員定位在內質網，10.6%成員定位在細胞液，6%成員定位在線粒體，1.5%成員定位在細胞壁，1.5%成員定位在細胞核，1.5%成員定位在液泡，結果暗示GPATs蛋白成員參與不同過程。

2.2 GPAT基因家族系統發育分析

為解讀GPAT基因家族成員進化關系，以擬南芥、硬粒小麥和野生二粒小麥構建系統發育樹（圖1），將76個GPAT基因家族成員大致劃分為3類：其中GroupⅠ（5個）約占6.57%，GroupⅡ（16個）約占21.05%，GroupⅢ（55個）約占72.36%，Group Ⅲ中又分為3個小類（Ⅲ-a有21個、Ⅲ-b有8個、Ⅲ-c有26個），3個植物GPAT基因家族成員在3個大類中的分布見表2。

圖1 擬南芥、硬粒小麥、野生二粒小麥GPAT基因家族進化分析

表2 GPAT基因家族成員在系統發育樹的分布情況

2.3 基因結構和保守結構域分析

為了進一步研究GPAT蛋白質的結構域，以此推測相同結構域可能具備的功能，利用MEME在線軟件對GPAT成員蛋白序列進行分析，如圖2A所示，同一分組的大多數家族成員具有相似的Motif構成，GroupⅠ和GroupⅡ的Motif缺失較為嚴重，而GroupⅢ幾乎涵蓋所有Motif，所有家族成員均含有Motif-2，推測該Motif可能具有特別的生物學功能。其中，Group Ⅰ除硬粒小麥GPAT蛋白成員外其他成員僅含有Motif-2。GroupⅡ所有GPAT蛋白成員均含有Motif-1、Motif-2，部分GPAT蛋白成員有Motif-3、Motif-5、Motif-7、Motif-9。

圖2 GPAT蛋白質保守基序（A）、保守蛋白結構功能域（B）和基因結構分析（C）

同時，從圖2-B可知，GPAT家族成員中共檢測到7個保守蛋白結構功能域，其分組與系統發育樹的聚類分析相似，在保守結構域方面進一步支持了GPAT基因家族分類。其中，GroupⅠ家族成員蛋白結構域較為保守，在組內成員中均發現PLN02349結構域；GroupⅡ組內成員保守結構域多樣性較高，鑒定到PLN02833、LPLAT_LPCAT1-like、LPLAT結構域；GroupⅢ中發現PLN02177、PLN02499、PLN02588結構域。

硬粒小麥與野生二粒小麥GPAT基因家族結構大致可以分為2類，這與大麥和青稞在基因結構方面表現相似［8,10］。如圖2C所示，GroupⅠ和GroupⅡ內基因的內含子較多，大多在7~12個之間，硬粒小麥中TtGPAT2、TtGPAT6、TtGPAT30、TtGPAT32，野生二粒小麥中TdGPAT2、TdGPAT11、TdGPAT31、TdGPAT32的內含子最多，由12個內含子組成；GroupⅢ內的基因結構較為簡單，插入的內含子較少，大部分在1~3個之間。

2.4 共線性分析

對擬南芥、硬粒小麥和野生二粒小麥進行共線性分析，結果表明：硬粒小麥和擬南芥基因組中僅有2個基因存在共線性關系，硬粒小麥和野生二粒小麥的共線性基因對數目為66個，說明四倍體小麥組間關系較為親密（圖3）。

圖3 GPAT基因在擬南芥、硬粒小麥和野生二粒小麥間的共線性分析

3 討論

本研究從硬粒小麥和野生二粒小麥中各鑒定到33個小麥GPAT基因家族成員，在數量上超過了大麥、青稞等其他禾本科作物。理化性質結果表明：GPAT成員氨基酸長度為149（TdGPAT19）~589（TtGPAT1），分子量為16.22 kDa（TdGPAT19）~62.76 kDa（TtGPAT1），等電點為5.92（TdGPAT5）~11.39（TdGPAT7），但絕大多數蛋白（56個）的pI大于8，說明大多數GPATs蛋白富含堿性氨基酸，這與其他物種相似。

系統進化分析表明，四倍體小麥GPAT家族成員可分為3個分支，與擬南芥、玉米、大麥等其他物種研究結果相似［6-7,10］，硬粒小麥和野生二粒小麥GPAT家族成員分布在3個分支的基因數量幾乎一致，表明四倍體小麥組間相似性較高。結合基因結構分析，GroupⅠ和GroupⅡ內大部分成員含7~12個內含子，GroupⅢ內大部分成員僅含1~3個內含子，表明相同亞家族中GPAT基因有著相似的基因結構，且其進化進程和基因功能也具有一定的相似性。共線性分析顯示，硬粒小麥基因與擬南芥的共線性較低，但是與野生二粒小麥的共線性關系較高，說明四倍體小麥之間親緣關系更近。