6種禾本科植物GEF基因家族鑒定與抗旱性分析

摘 要：

小G蛋白介導的鳥嘌呤三核苷酸磷酸/鳥嘌呤二核苷酸磷酸（GTP/GDP）信號通路對于植物抗性十分重要，鳥嘌呤核苷酸交換因子（Guanine Nucleotide Exchange Factor，GEF）可對多種小G蛋白進行調節。植物基因組中包括BIG（Brefeldin A-inhibited Guanine Nucleotide Exchange Protein）和GBF（Golgi Brefeldin A-Resistant Guanine Nucleotide Exchange Factor）兩類GEF基因，目前，這些GEF基因的系統性鑒定與表達分析尚不明確。因此，本研究采用基因家族鑒定的方法，對禾本科GEF基因家族進行比較分析。結果表明：從6種禾本科（水稻Oryza sativa、小麥Triticum aestivum、節節麥Sorghum bicolor、高粱Aegilops tauschii、谷子Setaria italica、玉米Zea mays）基因組中獲得58個GEF基因，分布于45條不同的染色體上。系統發育分析表明，禾本科GEF基因家族包含5個亞家族（BIG1/4、BIG2/3、BIG5、GNL2、GNON），并且存在單拷貝以及基因選擇性保留特性。共線性分析進一步確定禾本科GEF基因存在復雜的演化歷程。干旱表達結果顯示，GEF基因家族在不同禾本科植物、不同亞家族以及拷貝水平上均已產生抗旱性分化。本研究結果將為禾本科作物的抗旱基因篩選提供基礎。

關鍵詞：

禾本科；鳥嘌呤核苷酸交換因子；基因家族；表達分析

中圖分類號：S514

文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2024）04－0001－10

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2024.04.001

G蛋白（鳥嘌呤核苷酸結合蛋白）偶聯受體（G Protein-Coupled Receptors，GPCR）可接受細胞外配基（第一信使），從而激活GPCR及質膜內側的G蛋白，激活的G蛋白使Galpha亞基脫離以調節細胞內第二信使的產生，進而導致信號的逐級傳遞，調節植物的生長發育［1-3］。小G蛋白（Small GTP Binding Protein，SETP）作為G蛋白信號通路中的一種重要信號蛋白，普遍存在于真核細胞中，可分為大鼠肉瘤樣蛋白（Rat Sarcoms-like Protein，RAS）、RAS同源蛋白Ran（Ras Homolog Protein Ran，RAN）、RAS同源蛋白Rho（Ras Homolog Protein Rho，RHO）、RAS同源蛋白Rab（Ras Homolog Protein Rab，RAB）和ADP-核糖基化因子（ADP-ribosylation Factor，ARF）五類。研究表明，小G蛋白可參與植物對逆境的脅迫調控，如對水稻（Oryza sativa）進行非生物脅迫表達分析，顯示干旱與低溫脅迫均能誘導水稻OsRac5（RHO家族RAC亞型）的表達；干旱脅迫可導致OsRac5的表達產生組織差異［4］，如在脫落酸（ABA）模擬的干旱下，OsRac5基因的表達在水稻多種組織中上調3倍以上［4］。鳥嘌呤核苷酸交換因子（Guanine Nucleotide Exchange Factor，GEF）作為一種小G蛋白的調節因子，可促進G蛋白鳥嘌呤三核苷酸磷酸（Gunine Trinucleotide Phosphate，GTP）和鳥嘌呤二核苷酸磷酸（Gunine Dinucleotide Phosphate，GDP）的交換，調節G蛋白的功能，進而調控植物的抗逆性［5］。GEF基因包括多種結構域，除催化相關的SCE7（Sec 7 protein）結構域外，GEF還包含多種保守基序，例如，位于氨基端的DCB結構；位于羧基端的HDS1（Sec7下游同源，約130 aa）， HDS2（約160 aa）和HDS3（約120 aa）結構 ［6］。這些結構域可影響GEF蛋白的亞細胞定位、膜結合及信號感知，進一步調節GEF活性和囊泡運輸［7］。此外，酵母雙雜交實驗表明擬南芥（Arabidopsis thaliana）GNOM（GBF1/Gea1/2p同源蛋白）的DCB結構域與GNOM同源二聚化復合物的形成有關，布雷費德菌素A抑制鳥嘌呤核苷酸交換蛋白（Brefeldin A-inhibited Guanine Nucleotide Exchange Protein，BIG）與高爾基體布雷菲德菌素A抗鳥嘌呤核苷酸交換因子（Golgi brefeldin A-resistant Guanine Nucleotide Exchange Factor，GBF）兩個亞家族大多數成員都參與高爾基體的囊泡運輸，BIG2定位于再循環核內體，而GNOM參與內體再循環途徑［8］。

GEF基因家族在細胞發育過程中具有重要作用。例如，Rho特異性鳥嘌呤核苷酸交換因子（Ras homolog Protein Rho-guanine Nucleotide Exchange Factor，Rho-GEF）可調控GDP與GTP的交換，提高肌動蛋白構成細胞骨架的穩定性，促進細胞形態發生、趨化性和調節細胞周期長短等［9-11］。藍莓（Semen trigonellae）VcGEF3基因的表達存在組織特異性（莖和花中表達，而在根、葉、果實中不表達），其擬南芥異源表達植株的根毛長度大幅度縮短，表皮毛呈不同程度彎曲［12］。此外，GEF1、GEF4和GEF10蛋白參與擬南芥根部的生長發育和形態建成，過表達GEF4植株呈現出波浪形根毛，GEF10的過表達植株呈現出分叉的根毛表型，并嚴重影響種子萌發和幼苗生長。Siloto等[13]和尹亞紅等[14]的研究也證實了GEF基因的過表達會導致種子發芽率降低以及植株畸形。GEF基因在禾本科作物的生長發育中也起著重要的作用［15］，水稻GEF可通過激活GLUP4（葡萄糖轉運蛋白GLUT蛋白4）和Rab 5-like蛋白，形成有活性的GTP，最終影響高爾基體到蛋白質儲存泡（Protein Storage Vacuok，PSV）的蛋白的分選。此外，GEF是水稻胚乳中黃體素從高爾基體到液泡的細胞內運輸的關鍵蛋白，對維持內膜系統結構穩定性發揮作用［16-18］。

GEF基因還廣泛參與植物對激素、干旱等脅迫的響應。在擬南芥gnom突變體中，部分胚胎或根細胞中生長素輸出載體（PIN1）受到嚴重干擾，從而影響植物的發育和生長素的正常運輸［19］。在水稻的不定根形成過程中，通過圖位克隆發現gnom1突變可產生不定根缺失的致死突變體［20］。在干旱脅迫方面，擬南芥gef8（Rop-GEF亞型）突變體對ABA誘導的氣孔關閉不敏感［21］。

本研究對6種禾本科植物（水稻Oryza sativa、小麥Triticum aestivum、高粱Sorghum bicolor、節節麥Aegilops tauschii、谷子Setaria italica、玉米Zea mays）的GEF基因家族進行鑒定，通過構建系統發育樹、染色體分布、共線性、蛋白序列保守性等手段確定禾本科GEF基因家族的潛在演化特征。并通過3種模式植物（水稻、小麥、高粱）的干旱脅迫響應進行表達分析，確定GEF基因家族的潛在抗旱性分化。研究結果可加深對GEF基因功能分化的理解。

1 材料與方法

1.1 "GEF基因家族鑒定

為獲得禾本科GEF基因家族序列，通過HMMER 3.6.1軟件［13］以GEF結構域號（PF01369）檢索EnsemblPlant（http：//plants.ensembl.org）的水稻、高粱、小麥、節節麥、谷子、小米基因組，并采用PFAM網站（http：//pfam.xfam.org/）及SMART（http：//smart.embl.de/）網站進行結構域的確認［22-24］。

1.2 "GEF基因的進化分析

為明確GEF基因的進化關系，利用MEGA 7.0軟件，以鄰接法（bootstrap=1000）構建無根蛋白進化樹，用ITOL（https：//itol.embl.de/）進行美化。另外，通過MCSCAN X對GEF基因家族進行共線性分析［25］，分別分析節節麥與小麥、谷子與高粱、高粱與玉米、水稻與節節麥、水稻與谷子之間的共線性。

1.3 GEF基因的分布與結構分析

保守基序的預測采用MEME（http：//meme-suite.org/tools/meme）檢索15個motif ［26］。用TBtools 1.0完成GEF基因家族的染色體分布、保守基序可視化。采用ExPASy（https：//web.expasy.org/）進行蛋白理化性質的分析［27-28］。

1.4 GEF基因表達特征分析

為分析GEF基因家族對干旱脅迫的表達，通過高粱、水稻、小麥功能數據庫（http：//structuralbiology.cau.edu.cn/sorghum/index.htm、http：//expression.ic4r.org/index、http：//202.194.139.32/expression/wheat.html）［29-30］ 提取ABA誘導的GEF表達矩陣，采用TBtools1.0進行表達熱圖繪制。

2 結果與分析

2.1 GEF基因家族鑒定及蛋白質理化性質分析

采用HMMER共鑒定到58個具有GEF結構域的成員（圖1），水稻、玉米、高粱、小麥、節節麥、谷子中分別有4、9、7、23、7、8個具備完整的GEF結構域的基因。其中Os04g0117300編碼的氨基酸序列最短（1794 aa）， SETIT_033867mg編碼的氨基酸序列最長（2034 aa）;水稻GEF基因家族成員的相對分子量位于73 538.2～136 053.8 Da，而玉米、高粱、小麥、節節麥、谷子的分子量分別處于105 388.6～197 136.7 Da、155 552.9～197 537.2 Da、141 826.5～197 742.7" Da、135 962.4～181 914.9 Da、131 445.6～197 695.1 Da。水稻、玉米、高粱、小麥、節節麥、谷子的等電點分別處于5.35～5.78、5.31～6.03、5.33～5.79、5.22～5.86、5.38～6.11、5.31～5.54，均處于弱酸性范圍。亞細胞定位預測結果顯示，水稻、玉米、高粱、小麥、節節麥、谷子的GEF基因家族成員均定位于細胞核（表1）。

禾本科植物GEF基因家族的染色體定位分析結果如圖2所示，58個GEF基因不均勻地分布在以下6個物種共計45條染色體上。除高粱1號染色體、谷子9號染色體具3個GEF基因外，玉米1號和9號染色體、節節麥4號染色體、水稻3號染色體、谷子4號染色體、高粱8號染色體、小麥7條染色體（2A/B、3A/B、4A/B/D）具備有2個基因外，大部分禾本科物種的GEF基因均在染色體中單獨分布，包括玉米（2、3、4、5、7）、節節麥（2、3、5、6、7）、谷子（1、2、3）、水稻（2、4）、高粱（2、4、5、10）、小麥（2D、3D、5A/B/D、6A/B/D、7A/B/D）染色體（圖1）。

2.2 GEF蛋白系統發育分析

根據擬南芥、水稻、高粱、小麥、玉米、谷子、節節麥GEF基因家族中58個GEF蛋白進行系統發育分析，構建GEF基因家族的無根系統進化樹（圖2），結果表明，GEF基因家族可以劃分為BIG和GBF兩類，進一步細分為BIG1/4、BIG2/3、BIG5、GNL2、GNON 5個亞家族。其中BIG類GEF包括35個蛋白，可分為BIG1/4、BIG2/3、BIG5三類，其中包含了1個水稻、5個玉米、4個高粱、4個節節麥、4個谷子、12個小麥BIG類GEF基因；GBF類（GNL2、GNON）GEF包括31個蛋白，包括3個水稻、4個玉米、3個高粱、3個節節麥、4個谷子、11個小麥蛋白（圖2）。

從圖2可發現在亞家族BIG2/3內，以TraesCS4B02G224700、TraesCS4D02G225300、TaresCS4A02G067400、AET4Gv2056800為代表的早熟禾亞科與稻亞科和黍亞科有著明顯的分化。基于擬南芥的基因拷貝特征，大部分禾本科植物的基因拷貝也存在相似的規律，小麥的基因拷貝量遵循1∶3的比例，水稻在BIG1/4、BIG5兩個亞家族中基因拷貝完全丟失。玉米BIG基因拷貝在BIG5亞家族中增加了1個；BIG2/3亞家族在二倍體植物中均為單拷貝，而在雙子葉植物擬南芥中則顯示出2個拷貝；GNON亞家族中，小麥、谷子、玉米的基因拷貝數均發生一定程度的擴增（圖2）。

2.3 GEF基因家族的保守基序分析

通過MEME軟件對以上6個禾本科植物GEF蛋白的保守基序進行分析，結果顯示，禾本科植物的GEF蛋白均含有Motif 1、Motif 7，表明這兩個基序為GEF家族關鍵基序，而Motif 12只在TaresCS6D02g157000中出現，表明TaresCS6D02g157000基因具備潛在的功能分化（圖3）。

另外，GNL2與GNON都包含Motif 2、Motif 5與Motif 8；GNON亞家族序列具備保守的Motif 6與Motif 10；BIG2/3及BIG5亞家族均含有Motif 4、Motif 8；BIG1/4亞家族和BIG5亞家族包含Motif 3、Motif 5、Motif 6、Motif 9、Motif 10、Motif 14。此外，GEF基因家族也存在亞家族分布特異性，如BIG1/4亞家族的Motif 11、Motif 13、Motif 15，以及GNL2亞家族的Motif 4、Motif 9結構（圖3）。

2.4 GEF基因家族的共線性分析

為進一步明確禾本科植物GEF基因家族的進化保守性，采用MCSCAN X軟件進行共線性分析。對3種C3和C4植物（水稻-谷子，水稻-節節麥-小麥，谷子-高粱-玉米）進行同源性比較，以確定光合類型差異、多倍化及串聯重復介導的GEF基因家族的演化機制。

研究結果表明，3個GEF基因亞家族在禾本科中均保守，除GNL2亞家族在禾本科中不具備連續的共線性外，在BIG類、GNON中均存在連續的共線性。在C3植物中，早熟禾亞科及稻亞科共有3對共線性基因對，即Osat-03：Os03g0246800-Atau-4D：AET4Gv20568000、Osat-03：Os03g0666100-Atau-4D：AET4Gv20028700、Osat-02：Os02g0326600-Atau-6D：AET6Gv20425100。在C3和C4植物間，水稻與谷子共具備4個共線性基因對，分別是Osat-02：Os02g0326600-Sita-01：SETIT016080mg、Osat-02：Os02g0326600-Sita-04：SETIT005672mg、Osat-03：Os03g0666100-Sita-09：SETIT033970mg、Osat-03：Os03g0246800-Sita-09：SETIT033867mg（圖4）。

在早熟禾亞科中，二倍體節節麥及六倍體小麥的GEF基因家族間存在27對共線性基因對，BIG2/3、BIG5、GNL2亞家族基因與小麥間存在3對共線性，BIG1/4亞家族中2個節節麥基因分別與小麥產生12對共線性，GNON亞家族中2個節節麥與小麥基因產生6對共線性（圖4）。

在黍亞科中，兩種模式C4植物中共存在9對共線性，分別涉及7個谷子和高粱GEF基因。其中，來自谷子1號染色體的SETIT016080mg基因與4號染色體的SETIT005672mg基因分別與來自高粱4號染色體的SORBI_3004G077300基因和10號染色體的SORBI_3010G195000基因形成交叉的共線性基因對。高粱基因組與串聯重復豐富的玉米基因組中存在復雜的共線性關系，例如，來自高粱1號染色體的SORBI_3001G301200基因與玉米的1號染色體Zm00001eb010810基因、9號染色體的Zm00001eb391380基因同時形成共線性；高粱4號染色體的SORBI_3004G077300基因與玉米的4號染色體Zm00001eb206130基因、9號染色體Zm00001eb388040同時形成共線性；高粱10號染色體SORBI_3010G195000基因與玉米4號染色體的Zm00001eb206130基因、玉米9號染色體Zm00001eb388040基因同時形成共線性（圖4）。

2.5 GEF基因的表達分析

為探究禾本科植物GEF基因家族的潛在功能分化，對水稻、小麥、高粱在干旱脅迫下的表達特征繪制熱圖。結果顯示，不同GEF亞家族基因存在表達差異，如GNON亞家族的表達在水稻、高粱、小麥的GEF受干旱脅迫時升高；水稻BIG2/3、高粱BIG1/4、BIG5亞家族基因同樣在干旱脅迫下上調表達（圖5）。

3 討論與結論

在生物進化歷程中，分子網絡的復雜性逐漸增加［31］，基因家族拷貝的復雜化、可變剪切的豐富化是最重要的影響因素之一［31］。通過基因家族鑒定并開展比較分析有助于對基因家族拷貝特性進行深入理解 ［32］。尹亞紅等［14］藍莓進行基因家族鑒定獲得32個GEF基因，并分為3個亞組。這些藍莓GEF基因可編碼6個VvRobpGEF、1個VvrabGEF全長蛋白［33］。其次，擬南芥中存在14個RopGEF［34］、1個AtRabGEF ［35］。在本研究中，從6種主要禾谷類作物中獲得58個GEF基因，分布于GNON、GNL2、BIG5、BIG2/3、BIG1/4等5個亞家族。與前人在擬南芥對GEF基因進行的研究［36］相比，禾本科植物出現豐富的數量差異，例如水稻GEF基因收縮，而小麥、玉米等GEF基因產生擴張。禾本科GEF基因家族成員在數量上存在豐富的縮減或擴增，這一現象類似植物細胞色素P450（CYP）基因家族，可能由禾本科植物適應性差異導致［37-38］。

現有GEF基因相關的研究主要在擬南芥和水稻中報道，不同物種間的基因家族易產生功能差異，例如王溪唯等［40］對薔薇科MADS-box基因家族進行鑒定，發現許多MADS-box基因在對照組和脅迫組間出現顯著表達差異，這可能與基因功能分化有關。曹春燕［41］將14個擬南芥的GEF氨基酸蛋白序列進行同源比對，得到了5個亞組，與本研究的結果相似。蛋白功能區往往具備保守性，這些保守的基序可能暗示蛋白的功能差異［42］。我們發現GEF蛋白均含有Motif 1、Motif 7，表明這兩個基序均屬于GEF家族關鍵基序。

表達模式分析是推斷植物基因潛在功能的方法之一［42］。本研究比較了小麥、高粱、水稻GEF基因的表達分析，發現不同GEF基因亞家族成員的表達模式存在一定差異。王一帆等［43］發現，擬南芥RABE1C可參與干旱脅迫響應，并在ABA調控的氣孔運動中起正調控作用，進而影響植物的抗旱能力。本研究中發現，GNON亞家族較其他GEF亞家族的表達量上調更多，這表明GEF調節因子可能主要分布于GNON亞家族。在GNON亞家族中，水稻的不同拷貝對于干旱脅迫的響應程度不同，Os02g0326600基因的表達量明顯高于Os03g0666100，說明GEF基因家族成員在響應干旱中存在功能分化。

（責任編輯：胡吉鳳）

參 考 文 獻：

[1] Nielsen E.The small GTPase superfamily in plants：a conserved regulatory module with novel functions ［J］.Annual Review of Plant Biology，2020，71（1）：247-272.

［2］ Sternberg H，Buriakovsky E，Bloch D，et al.Formation of self-organizing functionally distinct Rho of Plants domains involves a reduced mobile population ［J］.Plant Physiology，2021，187（4）：2485-2508.

［3］ Premont R T，Claing A，Vitale N，et al.Beta2-Adrenergic receptor regulation by GIT1，a G protein-coupled receptor kinase-associated ADP ribosylation factor GTPase-activating protein ［J］.Journal Impact Factor，1998，95（24）：14082-14089.

［4］ 林群婷，梁衛紅，李輝，等.水稻Rop基因OsRac5的表達特性 ［J］.植物生理學報，2013，49（12）：1400-1406.

［5］ Sandrine E M.Rho GTPases in cell biology ［J］.Nature，2002，420（6919）：629-635.

［6］ Mouratou B，Biou V，Joubert A，et al.The domain architecture of large guanine nucleotide exchange factors for the small GTP-binding protein Arf ［J］.BMC Genomics，2005，6（1）：20.

［7］ Elena M，Richard A C，Jonathan G.Crystal structure of ARF1·Sec7 complexed with Brefeldin A and its implications for the guanine nucleotide exchange mechanism ［J］.Journal of Molecular Cell Biology，2003，12（6）：1403-1411.

［8］ Grebe M，Gadea J，Steinmann T.A conserved domain of the Arabidopsis GNOM protein mediates subunit interaction and cyclophilin 5 binding ［J］.Plant Cell，2000，12（3）：343-356.

［9］ Yusuke S，David R，Alisa F Z.Fluorescence intensity-based eIF2B’s guanine nucleotide-exchange factor activity assay ［J］.Methods in Molecular Biology，2022，1476（2428）：187-196.

［10］ Alan H.Rho GTPases and the actin cytoskeleton ［J］.Science，1998，279（5350）：509-523.

［11］ Aittaleb M，Boguth C A，Tesmer J J，et al.Structure and function of heterotrimeric G protein-regulated Rho guanine nucleotide exchange factors ［J］.Molecular Pharmacology，2010，77（13）：111-125.

［12］ Denninger P，Reichelt A，Schmidt V A F，et al.Distinct RopGEFs successively drive polarization and outgrowth of root hairs ［J］.Current Biology，2019，29（11）：1854-1865.

［13］ Siloto R M，Truksa M，Brownfield D，et al.Directed evolution of acyl-CoA：diacylglycerol acyltransferase：development and characterization of Brassica napus DGAT1 mutagenized libraries ［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2009，47（6）：456-461.

［14］ 尹亞紅，馬芮，李可.藍莓GEF基因家族鑒定與功能分析 ［J］.植物生理學報，2023，59（3）：515-526.

［15］ Zou Z，Yang L，Wang D，et al.Gene structures，evolution and transcriptional profiling of the WRKY gene family in castor bean Ricinus communis L.［J］.PLoS One，2016，11（2）：243-256.

［16］ Fukuda M，Wen L，Satoh C M，et al.A guanine nucleotide exchange factor for Rab5 proteins is essential for intracellular transport of the proglutelin from the Golgi apparatus to the protein storage vacuole in rice endosperm ［J］.Plant Physiology，2013，162（2）：663-674.

［17］ Krishnan H B，Franceschi V R，Okita T W，et al.Immunochemical studies on the role of the Golgi complex in protein-body formation in rice seeds ［J］.Planta，1986，169（4）：471-480.

［18］ Yamagata H，Tanaka K.The site of synthesis and accumulation of storage proteins ［J］.Plant Cell Physiology，1986，27（3） ：135-145.

［19］ Geldner N，Friml J，Stierhof Y，et al.Auxin transport inhibitors block PIN1 cycling and vesicle trafficking ［J］.Nature，2001，413（6854）：425-428.

［20］ 劉士平，王璐. ARF-GEF基因家族的研究進展 ［J］.遺傳，2009，31（10）：982-992.

［21］ Distéfano A M，Scuffi D，García-Mata C，et al.Phospholipase Dδ is involved in nitric oxide-induced stomatal closure ［J］.Planta，2012，236（6）：1899-1907.

［22］ Potter S C，Luciani A，Eddy S R，et al.HMMER web server：2018 update ［J］.Nucleic Acids Research，2018，46（1）：200-204.

［23］ El-Gebali S，Mistry J，Bateman A，et al.The Pfam protein families database in 2019 ［J］.Nucleic Acids Research，2019，47（1）：427-432.

［24］ Letunic L，Bork P.20 years of the SMART protein domain annotation resource ［J］.Nucleic Acids Research.2018，48（1）：493-496.

［25］ Wang Y P，Tang H B，Debarry J D，et al.MCScanX：a toolkit for detection and evolutionary analysis of gene synteny and collinearity ［J］.Nucleic Acids Research，2012，40（7）：259-270.

［26］ Chen C J，Hao C，Yi Z，et al.TBtools：an integrative toolkit developed for interactive analyses of big biological data ［J］.Molecular Plant，2020，13（8）：1194-1202.

［27］ Artimo P，Jonnalagedda M，Arnold K，et al.ExPASy：SIB bioinformatics resource portal ［J］.Nucleic Acids Research，2012，40（1）：597-603.

［28］ Bailey T L，Bodeb M，Buske A，et al.MEME SUITE：tools for motif discovery and searching ［J］.Nucleic Acids Research，2009，37（5）：202-208.

［29］ Tian T，Qi Y，Zhang L W，et al.SorghumFDB：sorghum functional genomics database with multidimensional network analysis ［J］.Database，2000，25（1）：9-25.

［30］ Sheng W M，Meng W，Jian H W，et al.WheatOmics：a platform combining multiple omics data to accelerate functional genomics studies in wheat ［J］.Molecular Plant，2021，14（2）：1965-1968.

［31］ Marshall E，Costa L M，Gutierrez M J.Cysteine-rich peptides（CRPs） mediate diverse aspects of cell-cell communication in plant reproduction and development ［J］.Journal of Experimental Botany，2011，62（5）：1677-1686.

［32］ 楊啟航，王希胤.禾本科植物基因家族數據庫的構建研究 ［J］.種子科技，2022，40（19）：1-3.

［33］ Philippe A，Catherine T.Putative Vitis vinifera Rop-and Rab-GAP-，GEF-，and GDI-interacting proteins uncovered with novel methods for public genomic and EST database analysis ［J］.Journal of Experimental Botany，2009，61（1）：65-74.

［34］ Berken A，Thomas C，Wittinghofer A，et al.A new family of Rho GEFs activates the Rop molecular switch in plants ［J］.Nature，2005，436（26）：1176-1180.

［35］ Falbel T G，Koch L M，Nadeau J A，et al.SCD1 is required for cytokinesis and polarized cell expansion in Arabidopsis thaliana ［J］.Development，2003，130（18）：4011-4024.

［36］ Guo L，Mishra G，Markham J E，et al.Connections between sphingosine kinase and phospholipase D in the abscisic acid signaling pathway in Arabidopsis ［J］.Journal of Biological Chemistry，2012，287（11）：8286-8296.

［37］ 馬錦繡.小麥pPLA基因家族鑒定與生物信息學分析 ［J］.分子植物育種，2023，23（2）：22-44.

［38］ Fang Y P，Jiang J M，Du J L，et al.Cytochrome P450 superfamily：evolutionary and functional divergence in sorghum（Sorghum bicolor） stress resistance ［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2021，69（37）：10952-10961.

［39］ 鄭家瑞，李云洲.植物誘導抗性研究進展 ［J］.山地農業生物學報，2022，41（2）：51-58.

［40］ 王溪唯，陳璨，王大瑋，等.云南栘［木衣］MADS-box基因家族鑒定與表達分析 ［J］.生物工程學報，2023，39（7）：2897-2913.

［41］ 曹春燕.擬南芥RopGEFs與磷脂酸相互作用及GEF8在ABA信號介導的氣孔運動中的功能研究［D］.南京：南京農業大學，2018.

［42］ Gu Y，Li S，Lord E M，et al.members of a novel class of Arabidopsis Rho guanine nucleotide exchange factors control Rho GTPase-dependent polar growth ［J］.Plant Cell，2006，18：366-381.

［43］ 王一帆，王韞慧，李金紅，等.植物ARF家族小G蛋白研究進展及大豆ARF家族初步分析 ［J］.植物生理學報，2022，58（12）：2227-2237.

Genome-wide Identification and Expression Analysis of the GEF Gene Family under Drought Stress in Six Gramineae Plants

Shen Chen，Fang Yuanpeng，Xie Xin*

（Key Laboratory of Agricultural Microbiology， College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang 550025， Guizhou， China）

Abstract：

The small G protein-mediated guanine trinucleotide phosphate/guanine dinucleotide phosphate（GTP/GDP） signaling pathway plays a critical role in plant resistance，with the guanine nucleotide exchange factor（GEF） controlling various diminutive G proteins.Studies have shown that plant genomes contained at least two types of GEF genes，BIG（Brefeldin A-inhibited guanine nucleotide exchange protein） and GBF（Golgi brefeldin A-resistant guanine nucleotide exchange factor）.However，the systematic identification and expression analysis of these GEF genes remained unresolved.Consequently，this study conducted a comparative examination of GEF gene clusters in the grass family through gene family identification.The findings demonstrated that 58 GEF genes were obtained from the genomes of six Gramineae species（Oryza sativa，Triticum aestivum，Sorghum bicolor，Aegilops tauschii，Setaria italica，and Zea mays），and these genes were located on 45 different chromosomes.Phylogenetic analysis indicated that the Gramineae GEF gene family was categorized into five subfamilies（BIG1/4，BIG2/3，BIG5，GNL2，GNON） with distinct single copy and selective retention patterns.The covariance analysis revealed a intricate complex evolutionary history of the GEF genes within the grass family，while the results of drought-induced expression further confirmed the divergence of the GEF gene family in terms of drought resistance across different gramineae，subfamilies，and species.These findings will be valuable in identifying drought resistance genes in graminaceous crops.

Keywords：

Gramineae； Guanine nucleotide exchange factor； gene family； expression analysis