









摘" " 要:【目的】AP2亞家族轉(zhuǎn)錄因子具有調(diào)控植物種子、葉、花、根、莖等器官發(fā)育和響應(yīng)非生物及生物脅迫的功能。對(duì)甜橙AP2亞家族進(jìn)行基因鑒定、生物信息學(xué)分析和表達(dá)分析,為深入研究甜橙AP2亞家族基因的生物學(xué)功能提供理論基礎(chǔ)。【方法】利用生物信息學(xué)分析方法,對(duì)甜橙AP2亞家族基因進(jìn)行篩選與鑒定,通過qRT-PCR分析基因在不同組織部位以及不同非生物脅迫下的表達(dá)模式。【結(jié)果】鑒定出14個(gè)甜橙AP2亞家族基因,不均等分布在6條染色體上,其編碼蛋白均為不穩(wěn)定的親水性蛋白。甜橙AP2亞家族基因在根、莖、葉中的表達(dá)存在差異,且多數(shù)基因可以被干旱和高鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。【結(jié)論】鑒定出14個(gè)甜橙AP2亞家族基因,它們可能在甜橙響應(yīng)非生物脅迫過程中起重要作用。
關(guān)鍵詞:甜橙;AP2亞家族;基因鑒定;非生物脅迫;生物信息學(xué);表達(dá)分析
中圖分類號(hào):S666.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1009-9980(2024)08-1490-14
Identification and analysis of AP2 subfamily transcription factors in sweet orange (Citrus sinensis)
ZHAO Xinyue, XIE Jingheng, WANG Tian, YANG Li, HU Wei, SONG Jie, KUANG Liuqing, LIU Yong, LIU Dechun*
(College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, Jiangxi, China)
Abstract: 【Objective】 AP2 subfamily transcription factors have the function of regulating the development of plant seeds, leaves, flowers, roots, stems and other organs and the responding to abiotic and biotic stresses. In this study, we performed gene identification, bioinformatics analysis, and gene expression analysis of the AP2 subfamily in order to provide a theoretical basis for studying the biological functions of AP2 subfamily genes in sweet orange (Citrus sinensis). 【Methods】 The bioinformatics analysis was used to screen and identify AP2 subfamily genes in sweet orange. The gene expression patterns in various tissue and abiotic stresses were analyzed by qRT-PCR. 【Results】14 AP2 subfamily genes were identified from the sweet orange genome database using bioinformatics methods. According to the analysis of protein physicochemical properties, the AP2 subfamily proteins of sweet orange were all unstable hydrophilic proteins. These proteins were primarily localized in the nucleus, which was consistent with their function and properties as transcription factors. The results of phylogenetic tree analysis showed that AP2 subfamily proteins of sweet orange could be divided into three evolutionary branches, including the ancient clade (CsRAP2-5, CsRAP2-6, CsRAP2-9, CsRAP2-2 and CsRAP2-13), the intermediate clade (CsRAP2-1, CsRAP2-7, CsRAP2-11 and CsRAP2-14) and the modern clade (CsRAP2-2-CsRAP2-4, CsRAP2-8 and CsRAP2-10). In the phylogenetic tree of plant AP2 subfamily proteins, there were significant interspecific differences in the number of AtAP2, OsAP2, CcAP2 and CsAP2 protein members clustered in the same group. The AP2 subfamily proteins of sweet orange were more closely related to the homologous proteins of Clementine orange than the homologous proteins of Arabidopsis and rice. The protein conserved motif analysis showed that the AP2 subfamily proteins contained conserved elements of Motif 3, Motif 4, Motif 2, Motif 5 and Motif 1. In addition, each group in the orange AP2 subfamily protein phylogenetic tree had its specific conserved elements. These results indicated that the members of the same subgroup of AP2 subfamily proteins in sweet orange were highly conserved, which also would reflect the reliability of the phylogenetic analysis results. The number of introns and exons of AP2 subfamily genes in sweet orange was 5-9 and 6-10. The promoter sequences of AP2 subfamily genes in sweet orange contained cis-acting elements such as endogenous hormone response, growth and development and abiotic stress response, indicating that the subfamily genes might have the function of regulating plant growth and development in response to plant hormones, light and abiotic stresses. The results of collinearity comparative analysis showed that sweet orange had more AP2 subfamily homologous gene pairs with Arabidopsis and apple compared with rice and maize. These results indicated that compared with monocots, the AP2 subfamily genes of sweet orange had more homologous genes and closer relatives with dicots. The prediction of protein secondary structure showed that the AP2 subfamily proteins of sweet orange had the highest proportion of α-helix and random coil. The tssue-specific expression analysis showed that AP2 subfamily genes were expressed in three tissues: leaves, stems and roots, with higher expression levels of the CsRAP2-3 and CsRAP2-6 in the roots and higher expression levels of the CsRAP2-7 in the stems. In order to further verify the response of AP2 subfamily genes to abiotic stresses in sweet orange, the qRT-PCR was used to detect the expression pattern of AP2 subfamily genes in the leaves of sweet orange under simulated drought (20% PEG6000), high salt (250 mmol·L-1 NaCl), abscisic acid (100 μmol·L-1 ABA) and low temperature (4 ℃) stresses. The results showed that the expressions of the CsRAP2-1, CsRAP2-2, CsRAP2-8 and CsRAP2-10 were generally down-regulated under simulated drought, high salinity, ABA and low temperature treatments. The expression of the CsRAP2-12 was down-regulated after high-salt, ABA and low-temperature treatments, and down-regulated at 1-12 hours after simulated drought treatment, but the expression level was higher at 24 h than that before treatment. Except for these five genes, the expression levels of the other 9 AP2 subfamily genes in sweet orange showed an upward trend after drought treatment. The CsRAP2-3, CsRAP2-4, CsRAP2-6, CsRAP2-7, CsRAP2-9, CsRAP2-11 and CsRAP2-13 were induced by high salt stress. After ABA treatment, only the expression of the CsRAP2-7 showed an upward trend. Except for the CsRAP2-13, the expression levels of the other 13 genes showed a down-regulated trend after low temperature treatment. These results indicated that the expression of most AP2 subfamily genes in sweet orange increased under drought and high salt stress, and decreased under ABA and low temperature treatments. 【Conclusion】 The AP2 subfamily genes of sweet orange were identified and analyzed in detail at the genome-wide level. The tissue expression characteristics of this subfamily genes and their responses to abiotic stress were studied, which would provide a basis for the subsequent study of the function of these genes in regulating the citrus responses to abiotic stresses.
Key words: Citrus; AP2 subfamily; Gene identification; Abiotic stress; Bioinformatics; Expression analysis
AP2/ERF(APETALA2/Ethylene responsive factor)家族轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子,以AP2保守結(jié)構(gòu)域?yàn)樘卣鳌P2/ERF家族轉(zhuǎn)錄因子主要分為AP2(APETALA2)、ERF(Ethylene-responsive-element-bindingprotein)、CBF/DREB(Dehydration responsive element binding)、RAV(Related to ABI3/VP)和Soloist 5個(gè)亞家族[1]。其中AP2亞家族轉(zhuǎn)錄因子蛋白序列含有2個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域;ERF和CBF/DREB亞家族均只含有1個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域;RAV亞家族轉(zhuǎn)錄因子含有1個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域和1個(gè)B3結(jié)構(gòu)域;Soloist亞家族僅含有單一AP2結(jié)構(gòu)域,但其序列和結(jié)構(gòu)與其他四個(gè)亞家族成員不同,因此獨(dú)立分為1個(gè)亞家族[2]。AP2亞家族成員根據(jù)核定位和氨基酸序列以及其他保守基序進(jìn)一步細(xì)分為euAP2、basalANT和euANT三個(gè)分支[3]。AP2亞家族轉(zhuǎn)錄因子可以與下游基因啟動(dòng)子上富含T/A的元件結(jié)合,并通過第二個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域直接激活下游基因表達(dá)[4]。據(jù)報(bào)道,AP2亞家族基因主要參與響應(yīng)非生物脅迫和調(diào)節(jié)植物各器官生長發(fā)育[5]。例如:杜丹(Paeonia × suffruticosa Andr.)PoBBM在體細(xì)胞胚胎發(fā)育中具有重要作用,在種子、愈傷組織和葉中的表達(dá)量最高[6];大豆(Glycine max)GmBBM7調(diào)控體細(xì)胞胚胎發(fā)生和根系生長,并可以通過激素途徑增加愈傷組織的形成率和形成密度[7];小麥(Triticum aestivum L.)TaAP2-10正向調(diào)節(jié)小麥條銹病的抗性[8];辣椒(Capsicum annuum L.)CaAIL1通過與下游基因啟動(dòng)子中的不同順式元件結(jié)合來抑制負(fù)免疫調(diào)節(jié)因子,從而正向調(diào)節(jié)辣椒對(duì)青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum infection,RSI)的免疫力[9];雜交楓香(Liquidambar styraciflua\times Liquidambar formosana)AIL1、AIL5在從愈傷組織到體細(xì)胞胚胎發(fā)生過程中起著重要作用[10];擬南芥(Arabidopsis thaliana)AtANT和AtAIL6調(diào)節(jié)發(fā)育中的花器官的生長和形態(tài)建成[11];AtAIL5、AtAIL6和AtAIL7在擬南芥ant突變體中具有改變花器官定位和生長的功能,從而導(dǎo)致萼片融合和花瓣數(shù)量減少[12];鹽穗木(Halostachys caspica)HcTOE3正向調(diào)節(jié)植物冷凍脅迫的耐受性,且通過上調(diào)冷響應(yīng)基因和脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路基因的轉(zhuǎn)錄水平來提高植物冷凍耐受性[13];牡丹(Paeonia lactiflora Pall.)PlTOE3直接調(diào)控色氨酸脫羧酶基因表達(dá),增強(qiáng)牡丹耐高溫性[14]。
甜橙是中國乃至全球第一大柑橘種類,探究甜橙非生物脅迫的響應(yīng)機(jī)制,對(duì)促進(jìn)甜橙的經(jīng)濟(jì)效益提升具有重要意義。在本研究中采用生物信息學(xué)的方法鑒定和分析了甜橙AP2亞家族的14個(gè)基因,并采用熒光定量PCR(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)分析甜橙AP2亞家族基因在不同組織部位和非生物脅迫下的基因表達(dá)差異。研究為后續(xù)驗(yàn)證甜橙AP2亞家族基因響應(yīng)非生物脅迫的功能奠定了基礎(chǔ)。
1 材料和方法
1.1 甜橙AP2亞家族基因鑒定與分析
甜橙(Citrus sinensis)基因組數(shù)據(jù)來源于柑橘基因組數(shù)據(jù)庫(http://citrus.hzau.edu.cn/index.php)[15]。擬南芥AP2亞家族序列來源于擬南芥(Arabidopsis thaliana)數(shù)據(jù)庫(https://www.arabidopsis.org/)。利用以下方法鑒定AP2亞家族基因。首先,從Pfam數(shù)據(jù)庫(https://pfam-docs.readthedocs.io/en/latest/searching-pfam.html)下載AP2結(jié)構(gòu)域序列(PF00847)[16]。其次,使用TBtools(v1.09867+),以PF00847為模型從甜橙基因組搜索出AP2亞家族候選基因。利用CDD數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd)驗(yàn)證序列中雙AP2結(jié)構(gòu)域的存在,確定甜橙AP2亞家族基因。利用ExPASy網(wǎng)站(https://www.expasy.org/)對(duì)甜橙AP2亞家族蛋白進(jìn)行二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測和理化性質(zhì)分析[17]。利用WOLF-PSORT(https://wolfpsort.hgc.jp/)對(duì)該家族蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位分析[18]。
1.2 甜橙AP2亞家族蛋白系統(tǒng)進(jìn)化分析
水稻(Oryza sativa)、克里曼丁橘(C. clementina)和蘋果(Malus pumila)AP2亞家族蛋白序列來源于基因組數(shù)據(jù)庫(https://asia.ensembl.org/index.html)[19]。通過MEGA X軟件中的鄰接法(Neighbor-joining)進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建,參數(shù)設(shè)置默認(rèn)[20]。并通過Evolview(https://www.evolgenius.info/help/)進(jìn)行美化。
1.3 甜橙AP2亞家族蛋白結(jié)構(gòu)與基序分析
利用Jalview軟件對(duì)甜橙AP2亞家族蛋白的雙AP2域進(jìn)行可視化。使用MEME(https://meme-suite.org/meme/)對(duì)甜橙AP2亞家族蛋白的基序進(jìn)行分析,其中基序最大值為10[21]。
1.4 甜橙AP2亞家族基因啟動(dòng)子順式作用元件分析與miRNA預(yù)測
利用Tbtools提取甜橙AP2亞家族基因起始密碼子上游2 kb序列,具體參照馬青齡等[16]的方法。
1.5 甜橙AP2亞家族基因染色體定位和共線性分析
利用TBtools進(jìn)行甜橙內(nèi),擬南芥、水稻和甜橙;克里曼丁橘、蘋果和甜橙的AP2亞家族基因之間的共線性可視化分析。
1.6 甜橙AP2亞家族基因表達(dá)分析
將甜橙幼苗置于霍格蘭(Hoagland)營養(yǎng)液中,在光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)一周。再將植株分別置于含有20% PEG6000、250 mmol·L-1 NaCl、100 μmol·L-1 ABA和4 ℃的霍格蘭(Hoagland)營養(yǎng)液中進(jìn)行模擬干旱、高鹽、ABA和低溫處理,在0、1、3、6、12和24 h后分別采集葉片。樣品RNA提取采用試劑盒法(普洛麥格,中國),利用FastKing gDNA Dispelling RT SuperMix試劑盒(天根,中國)合成cDNA第一鏈。利用Primer軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)熒光PCR定量引物(表1)。反應(yīng)體系 20 μL:2×FastReal qPCR PreMix(SYBR GREEN)(天根,中國)10 μL,模板 1 μL,上、下游引物各0.5 μL,ddH2O 8 μL。反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃ 2 min;95 ℃ 5 s,60 ℃ 15 s,循環(huán)40次。用2-△△CT方法計(jì)算相對(duì)表達(dá)量。利用SPSS軟件進(jìn)行差異顯著性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 甜橙AP2亞家族基因鑒定與分析
鑒定出甜橙AP2亞家族成員14個(gè)。根據(jù)染色體位置與擬南芥同源基因的相似性進(jìn)行命名(CsRAP2-1~CsRAP2-6、CsRAP2-7、CsRAP2-8~CsRAP2-14)。甜橙AP2亞家族基因的CDS序列長度為915(CsRAP2-9)~2181(CsRAP2-10)bp。氨基酸數(shù)目為316(CsRAP2-5)~691(CsRAP2-10)aa;蛋白分子質(zhì)量為36.830(CsRAP2-1)~75.314(CsRAP2-10)kDa ;等電點(diǎn)為5.33(CsRAP2-6)~9.06(CsRAP2-13);不穩(wěn)定系數(shù)為40.42(CsRAP2-10)~63.45(CsRAP2-13),親水性為-0.954(CsRAP2-6)~-585.000(CsRAP2-8),表現(xiàn)為不穩(wěn)定的親水蛋白;該家族的亞細(xì)胞定位大多位于細(xì)胞核,這與AP2亞家族作為轉(zhuǎn)錄因子的功能和特性一致(表2)。
2.2 甜橙AP2亞家族蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建及多序列比對(duì)
為了分析甜橙AP2亞家族蛋白的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,構(gòu)建了擬南芥、水稻、克里曼丁橘和甜橙的AP2亞家族蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖1)。結(jié)果顯示,甜橙AP2亞家族蛋白分為古代進(jìn)化支(CsRAP2-5、CsRAP2-6、CsRAP2-9、CsRAP2-12和CsRAP2-13)、中間進(jìn)化支(CsRAP2-1、CsRAP2-7、CsRAP2-11和CsRAP2-14)和現(xiàn)代進(jìn)化支(CsRAP2-2~CsRAP2-4、CsRAP2-8和CsRAP2-10)。根據(jù)進(jìn)化樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類,14個(gè)甜橙AP2亞家族蛋白可以分為10組,用不同的顏色繪制。同一組的蛋白結(jié)構(gòu)同源性較高,可能有相似功能。聚在同一組中的擬南芥AP2、水稻AP2、克里曼丁橘AP2和甜橙AP2蛋白成員數(shù)量的差異表明4個(gè)物種之間AP2亞家族蛋白存在明顯的種間差異。甜橙AP2亞家族蛋白與克里曼丁橘的親緣關(guān)系較近,與擬南芥和水稻的關(guān)系較遠(yuǎn)。
為了進(jìn)一步分析和鑒定甜橙AP2亞家族蛋白中雙AP2結(jié)構(gòu)域重復(fù)序列的特征,進(jìn)行了多序列比對(duì)(圖2)。比對(duì)結(jié)果揭示了氨基酸殘基S-3、R-6、G-7、V-8、R-12、T-14、R-16、E-18、H-20、W-22、D-23、G-35、Q-37、G-41、D-44、A-49、A-50、Y-53、D-54、A-56、A-57、K-59、G-62、N-68、F-69、Y-74、M-81、E-88、L-93、R-94、R-95、R-103、G-104、S-106、Y-108、R-109、G-110、V-111、H-115、R-119、W-120、A-122、R-123、G-125、G-129、K-131、Y-134、L-135、G-136、E-143、A-144、A-145、A-147、Y-148、D-149、A-151、G-157、A-160、V-161、T-162、N-163、F-164、Y-168在甜橙AP2亞家族基因蛋白中完全保守。在兩個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域中皆含有3個(gè)精氨酸(R)、4個(gè)甘氨酸(G)、1個(gè)纈氨酸(V)、1個(gè)谷氨酸(E)、1個(gè)色氨酸(W)、1個(gè)天冬氨酸(D)、4個(gè)丙氨酸(A)、1個(gè)賴氨酸(K)、1個(gè)天冬酰胺(N)、1個(gè)苯丙氨酸(F)和1個(gè)酪氨酸(Y)。
2.3 甜橙AP2亞家族蛋白保守結(jié)構(gòu)域、基因結(jié)構(gòu)和保守基序分析
為了分析甜橙AP2亞家族基因結(jié)構(gòu)和遺傳性,揭示該基因家族的進(jìn)化規(guī)律,使用TBtools軟件對(duì)該家族基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。結(jié)果表明,甜橙AP2亞家族基因包含5~9個(gè)內(nèi)含子和6~10個(gè)外顯子。甜橙AP2亞家族蛋白可分為10個(gè)亞組,且同一亞組的內(nèi)含子與外顯子的數(shù)量基本相等。
使用MEME預(yù)測14個(gè)甜橙AP2亞家族蛋白的10個(gè)保守基序(圖3)。結(jié)果表明,甜橙AP2亞家族都含有Motif 3(VPKKSRDTPGQRSSQYRGVTRHRWTGRYEAHLWD)、Motif 4(KQVYLGGYDKEEAAA)、Motif 2(RAYDLAALKYWGPDTTINFPVSDYEKELEEMKNLTKZEYVASLRRKSSGF)、Motif 5(RGASKYRGVTR)和Motif 1(HQNGRWEARIGRVFGNKYLYLGTFSTZEEAAEAYDIAAIKYRGLNAVTNF)。甜橙AP2亞家族蛋白的古代進(jìn)化支(CsRAP2-5、CsRAP2-6、CsRAP2-9、CsRAP2-2和CsRAP2-13)都含有Motif 7,Motif 6只存在于古代進(jìn)化支成員(CsRAP2-5、CsRAP2-9、CsRAP2-2和CsRAP2-13),現(xiàn)代進(jìn)化支(CsRAP2-2~CsRAP2-4、CsRAP2-8和CsRAP2-10)都有Motif 9和Motif 8。研究結(jié)果表明,甜橙AP2亞家族蛋白同一亞組的成員高度保守,這也反映出構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化分析結(jié)果可靠。
2.4 甜橙AP2亞家族啟動(dòng)子順式作用元件分析與miRNA的預(yù)測
通過PlantCARE網(wǎng)站對(duì)甜橙AP2亞家族啟動(dòng)子的順式作用元件進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果顯示(圖4),甜橙AP2亞家族基因啟動(dòng)子上存在激素響應(yīng)、防御與應(yīng)激響應(yīng)、脫落酸響應(yīng)、厭氧誘導(dǎo)、晝夜節(jié)律調(diào)控、分生組織表達(dá)相關(guān)、干旱響應(yīng)等元件。例如,植物激素調(diào)控元件中的生長素響應(yīng)元件Ⅰ(TGA-element)和脫落酸響應(yīng)元件Ⅲ(ABRE);逆境防御響應(yīng)元件Ⅱ(TC-rich repeats)、干旱誘導(dǎo)元件Ⅷ(MBS)、損傷響應(yīng)元件Ⅹ(WUN-motif);植物生長發(fā)育相關(guān)元件包括參與晝夜節(jié)律調(diào)控的順式調(diào)控元件Ⅴ(circadian)和分生組織表達(dá)相關(guān)的元件Ⅶ(CAT-box);光響應(yīng)元件Ⅸ(G-box、MRE、Box4、GATA-motif、G-Box、GT1-motif、TCT-motif和AE-box)。該家族基因的啟動(dòng)子中都至少含有6個(gè)光響應(yīng)元件,其中CsRAP2-5和CsRAP2-14最多,含有18個(gè)光響應(yīng)元件。綜上所述,該亞家族基因可能與脅迫響應(yīng)和激素應(yīng)答有關(guān),并參與植物生長發(fā)育過程。
microRNA(miRNA)可能在植物中參與轉(zhuǎn)錄基因表達(dá)調(diào)控。通過在線網(wǎng)站分析了甜橙AP2亞家族基因可能被靶向的miRNA,包括對(duì)果實(shí)成熟和變色、開花時(shí)間和植物耐鹽性有調(diào)控作用的miR172[22],參與調(diào)控植物根系生長發(fā)育和抗逆(干旱、鹽堿和高溫)的miR164[23],以及參與調(diào)節(jié)幼苗生長、氣孔密度和耐旱性的miR393[24](表3)。以上結(jié)果表明這幾個(gè)miRNA可能靶向甜橙AP2亞家族基因表達(dá)來調(diào)控植物生長發(fā)育和響應(yīng)激素、非生物脅迫。
2.5 甜橙AP2亞家族基因染色體定位和共線性分析
染色體定位分析表明,甜橙AP2亞家族基因分別定位于1號(hào)(CsRAP2-1~CsRAP2-5)、3號(hào)(CsRAP2-6)、4號(hào)(CsRAP2-8、CsRAP2-9)、6號(hào)(CsRAP2-10~CsRAP2-12)、7號(hào)(CsRAP2-7、CsRAP2-13)和8號(hào)染色體(CsRAP2-14)。共線性分析結(jié)果顯示,一共有4個(gè)片段存在重復(fù)(CsRAP2-7和CsRAP2-11、CsRAP2-7和CsRAP2-14、CsRAP2-11和CsRAP2-14、CsRAP2-12和CsRAP2-13),說明在甜橙AP2亞家族基因的進(jìn)化過程中存在基因復(fù)制(圖5)。
物種間共線性分析表明,甜橙與擬南芥之間有10個(gè)同源基因?qū)Γ植荚?、4、6、7、8號(hào)染色體上;甜橙與蘋果之間有37個(gè)同源基因?qū)Γ植荚?、3、4、6、7、8號(hào)染色體上;甜橙與水稻之間有7個(gè)同源基因?qū)Γ植荚?、4、7、8號(hào)染色體上;甜橙與玉米之間有6個(gè)同源基因?qū)Γ植荚?、4、7、8號(hào)染色體上。甜橙AP2亞家族基因中有4個(gè)基因(CsRAP2-7、CsRAP2-9、CsRAP2-1和CsRAP2-12)能在其他物種中都找到同源基因(圖5),可能在植物進(jìn)化過程中有重要作用。與水稻和玉米相比,甜橙與擬南芥、蘋果的AP2亞家族同源基因?qū)Ω啵f明AP2亞家族基因在物種間分化時(shí)較保守。
2.6 甜橙AP2亞家族蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測
通過ProtParam在線分析工具預(yù)測甜橙AP2亞家族成員的二級(jí)結(jié)構(gòu)(表4)。結(jié)果表明,甜橙AP2亞家族基因均含有α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲和延伸鏈4種構(gòu)型,其中α-螺旋占比在14.15%(CsRAP2-5)~34.50%(CsRAP2-9)之間;延伸鏈占比在7.55%(CsRAP2-9)~19.09%(CsRAP2-7)之間;β-轉(zhuǎn)角占比在3.25%(CsRAP2-4)~8.15%(CsRAP2-7)之間;無規(guī)則卷曲占比在40.95%(CsRAP2-7)~69.43%(CsRAP2-4)之間。α-螺旋和無規(guī)則卷曲比例最高。
2.7 甜橙AP2亞家族基因的組織特異性表達(dá)分析
對(duì)甜橙AP2亞家族在甜橙根、莖和葉中的表達(dá)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,CsRAP2-1、CsRAP2-2、CsRAP2-5、CsRAP2-7、CsRAP2-9、CsRAP2-11、CsRAP2-12和CsRAP2-14在莖中表達(dá)量較高。CsRAP2-4、CsRAP2-10在莖中表達(dá)量最低。CsRAP2-3和CsRAP2-6在根中表達(dá)量較高。CsRAP2-2主要在根和莖中表達(dá)(圖6)。CsRAP2-3、CsRAP2-6和 CsRAP2-8主要在根中表達(dá)。綜上,甜橙AP2亞家族基因在不同組織部位中的表達(dá)存在差異。
2.8 甜橙AP2亞家族基因在非生物脅迫下的表達(dá)分析
14個(gè)甜橙AP2亞家族基因在不同非生物脅迫處理下的表達(dá)量差異較大(圖7)。模擬干旱處理后,CsRAP2-1、CsRAP2-2、CsRAP2-8和CsRAP2-10在葉中的表達(dá)總體呈下調(diào)趨勢。處理6 h時(shí),CsRAP2-3、CsRAP2-5、CsRAP2-6、CsRAP2-9、CsRAP2-11和CsRAP2-14在葉中的表達(dá)量顯著上升。CsRAP2-7在處理3 h時(shí)表達(dá)量顯著上升,隨后陡然下降。
在鹽處理下,CsRAP2-5和CsRAP2-14的表達(dá)量與處理前差異不顯著。在處理6 h時(shí),CsRAP2-4、CsRAP2-6、CsRAP2-7、CsRAP2-11和CsRAP2-13在葉中的表達(dá)量顯著上升并達(dá)到峰值。CsRAP2-1、CsRAP2-2、CsRAP2-8和CsRAP2-12在葉中的表達(dá)量在處理后總體呈下調(diào)趨勢。CsRAP2-10在葉中的表達(dá)量先下調(diào),在12 h上升達(dá)到峰值。
ABA處理后,CsRAP2-1、CsRAP2-2、CsRAP2-4、CsRAP2-6、CsRAP2-8、CsRAP2-10~CsRAP2-14在葉中的表達(dá)總體呈下調(diào)趨勢,表達(dá)量低于處理前。CsRAP2-3和CsRAP2-5在葉中的表達(dá)量先顯著下調(diào),然后在6 h時(shí)上升且表達(dá)量接近處理前。CsRAP2-9的表達(dá)量與處理前差異不顯著。在12 h時(shí),CsRAP2-7在葉中的表達(dá)量顯著上升并達(dá)到峰值。
在低溫處理后,CsRAP2-13的表達(dá)量先下調(diào),在處理3 h時(shí)上調(diào)后又下調(diào),并在12 h上升達(dá)到峰值,表達(dá)量總體呈現(xiàn)“M”形雙峰變化趨勢。除CsRAP2-13外,其他13個(gè)基因的表達(dá)量基本呈下調(diào)趨勢。
3 討 論
甜橙AP2亞家族轉(zhuǎn)錄因子在植物體內(nèi)廣泛存在,目前已在擬南芥[1]、山核桃[25]、馬尾松[26]、菠蘿[27]、鐵皮石斛[28]和油棕[29]等植物中分別鑒定到18、30、7、24、14、34個(gè)成員。筆者在本研究中共鑒定出14個(gè)甜橙AP2亞家族基因,相較于Ito等[30]提出的存在13個(gè)甜橙AP2亞家族基因,基于柑橘基因組數(shù)據(jù)庫的搜索還包括了一個(gè)新基因CsRAP2-1。蛋白理化性質(zhì)分析和亞細(xì)胞定位預(yù)測表明,甜橙AP2亞家族均為不穩(wěn)定的親水性蛋白,且主要定位于細(xì)胞核,這與該家族作為轉(zhuǎn)錄因子的特征相符,且與梔子AP2亞家族的分析一致[31]。系統(tǒng)進(jìn)化樹顯示,甜橙AP2亞家族可分為古代進(jìn)化支(CsRAP2-5、CsRAP2-6、CsRAP2-9、CsRAP2-12和CsRAP2-13)、中間進(jìn)化支(CsRAP2-1、CsRAP2-7、CsRAP2-11和CsRAP2-14)和現(xiàn)代進(jìn)化支(CsRAP2-2~CsRAP2-4、CsRAP2-8和CsRAP2-10),這與蠟梅AP2亞家族分類相近[32]。在植物AP2亞家族蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹中,聚在同一組中的擬南芥AP2、水稻AP2、克里曼丁橘AP2和甜橙AP2蛋白成員數(shù)量存在明顯的種間差異。甜橙AP2亞家族蛋白與克里曼丁橘的親緣關(guān)系較近,與擬南芥和水稻的關(guān)系較遠(yuǎn)。蛋白基序預(yù)測表明,甜橙AP2亞家族皆包含Motif 3、Motif 4、Motif 2、Motif 5和Motif 1。另外,甜橙AP2亞家族蛋白進(jìn)化樹中每個(gè)組都有特異性的保守元件,證明了系統(tǒng)進(jìn)化樹分析的可信度。甜橙AP2亞家族基因包含5~9個(gè)內(nèi)含子和6~10個(gè)外顯子,這與擬南芥中AP2亞家族基因的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)相似[1]。甜橙AP2亞家族基因啟動(dòng)子序列含有內(nèi)源激素響應(yīng)、生長發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)等順式作用元件,這與山核桃中AP2亞家族基因啟動(dòng)子的預(yù)測分析類似[25]。蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測顯示,甜橙AP2亞家族蛋白的α-螺旋和無規(guī)則卷曲比例最高,α-螺旋平均比例為25.48%,無規(guī)則卷曲比例為55.92%,這個(gè)比例與梔子中AP2亞家族的比例相近[31]。
組織特異性表達(dá)分析表明,CsRAP2-6主要在根中表達(dá)。CsRAP2-6同源基因擬南芥AtWRI1主要在根中表達(dá),與本研究結(jié)果一致。而AtWRI1在擬南芥中通過調(diào)控生長素響應(yīng)基因表達(dá)維持根系生長素含量,最終調(diào)控?cái)M南芥根系發(fā)育[33]。因此,CsRAP2-6基因也可能在甜橙根系發(fā)育中起重要作用。CsRAP2-7主要在莖中表達(dá)。這與CsRAP2-7同源基因煙草NtTOE3在莖中表達(dá)量較高的結(jié)果一致[34]。但是,CsRAP2-7在玉米中的同源基因ZmRAP2-7主要在根中表達(dá),刺激根發(fā)育[35],這與本研究結(jié)果不同。CsRAP2-3在甜橙根中表達(dá)量最高,但CsRAP2-3在擬南芥中的同源基因AtAIL6卻在花中的表達(dá)量最高,并且調(diào)節(jié)發(fā)育中的花器官生長和形態(tài)建成[11]。這些結(jié)果說明AP2亞家族基因在不同物種中的組織部位表達(dá)存在差異。
前人研究表明,AP2亞家族的基因主要參與響應(yīng)非生物脅迫和調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育,如花器官形成、胚胎發(fā)生和根系發(fā)育[5]。筆者在本研究中從甜橙AP2亞家族成員啟動(dòng)子區(qū)域中鑒定出內(nèi)源激素響應(yīng)、生長發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)等順式作用元件,表明甜橙AP2亞家族可能在甜橙響應(yīng)非生物脅迫過程中起重要作用。同時(shí)研究分析了這些基因在非生物脅迫下葉中的表達(dá)模式。結(jié)果表明,CsRAP2-1、CsRAP2-2、CsRAP2-8和CsRAP2-10在模擬干旱、高鹽、ABA和低溫處理下,表達(dá)量總體上都呈下調(diào)趨勢。CsRAP2-12的表達(dá)量在高鹽、ABA和低溫處理后下調(diào)表達(dá),在模擬干旱處理1~12 h下調(diào)表達(dá),但在24 h時(shí)表達(dá)量高于0 h。除這5個(gè)基因外,其余9個(gè)甜橙AP2亞家族基因的表達(dá)量在干旱處理后均呈上調(diào)趨勢。CsRAP2-3、CsRAP2-4、CsRAP2-6、CsRAP2-7、CsRAP2-9、CsRAP2-11和CsRAP2-13均被高鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)。ABA處理后,只有CsRAP2-7的表達(dá)量呈上調(diào)趨勢。除CsRAP2-13外,其他13個(gè)基因的表達(dá)量在低溫處理后都呈下調(diào)趨勢。這些結(jié)果說明,多數(shù)甜橙AP2亞家族基因在干旱和高鹽脅迫下表達(dá)量上升,在ABA和低溫處理下表達(dá)量下降。CsRAP2-2同源基因擬南芥AtANT在高鹽脅迫下表達(dá)量顯著降低[36],與本研究結(jié)果一致。且AtANT與SCABP8/CBL10(SOS3-LIKE CALCIUM BINDING PROTEIN 8)啟動(dòng)子結(jié)合,負(fù)調(diào)節(jié)擬南芥耐鹽性,因此CsRAP2-2也可能在甜橙中負(fù)調(diào)節(jié)耐鹽性。CsRAP2-7同源基因煙草NtTOE3也可被高鹽、干旱和ABA誘導(dǎo)表達(dá)。不同的是,NtTOE3對(duì)低溫敏感,這種現(xiàn)象在CsRAP2-7同源基因鹽穗木HcTOE3同樣存在,且相較4 ℃低溫處理,冰凍脅迫(?2 ℃)更能強(qiáng)烈誘導(dǎo)HcTOE3[13],而CsRAP2-7在低溫處理下的表達(dá)量與處理前沒有明顯變化[34]。CsRAP2-2同源基因擬南芥AtANT在干旱和ABA處理后表達(dá)量都顯著上升[37],而CsRAP2-2在這兩個(gè)處理后表達(dá)量都顯著降低。這些結(jié)果說明不同植物的AP2亞家族基因?qū)Ψ巧锩{迫的響應(yīng)存在差異。
目前有關(guān)甜橙AP2亞家族基因的研究還沒有較多報(bào)道,筆者在本研究中鑒定和分析甜橙AP2亞家族基因,對(duì)該亞家族基因在不同組織部位和非生物脅迫下的表達(dá)進(jìn)行分析。研究結(jié)果為后續(xù)研究這些基因調(diào)控甜橙非生物脅迫的功能提供了依據(jù)。
4 結(jié) 論
研究鑒定和分析了甜橙14個(gè)AP2亞家族基因,均編碼不穩(wěn)定的親水性蛋白。甜橙AP2亞家族基因在不同組織部位中的表達(dá)存在差異。14個(gè)成員中,8個(gè)基因在模擬干旱脅迫下表達(dá)上升,7個(gè)基因在高鹽脅迫下表達(dá)上升,大多數(shù)基因在ABA和低溫脅迫下表達(dá)下調(diào),推測該家族基因可能在甜橙響應(yīng)非生物脅迫過程中起重要作用。
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收稿日期:2024-05-05 接受日期:2024-06-03
基金項(xiàng)目:江西省自然科學(xué)基金-杰出青年基金(20224ACB215006);國家自然科學(xué)基金(32360735);江西省柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(JXARS-07-栽培崗位)
作者簡介:趙鑫悅,女,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)楦涕倏鼓娣肿訖C(jī)制。E-mail:1340791660@qq.com
*通信作者Author for correspondence. E-mail:ldc873380800@163.com