油棕GDSL酯酶_脂肪酶基因的全基因组鉴定及表达分析_周丽霞.pdf
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1、研究报告Research Report油棕 GDSL 酯酶/脂肪酶基因的全基因组鉴定及表达分析周丽霞杨蒙迪李睿*中国热带农业科学院椰子研究所,海南省热带油料作物生物学重点实验室,文昌,571339*通信作者,摘要全基因组范围内挖掘并鉴定油棕脂肪酶基因(GDSL)家族成员,并对其进行生物信息学及表达分析,为今后油棕 GDSL 的功能研究奠定基础。以拟南芥 GDSL 蛋白序列为标签,在油棕全基因组数据库中BLAST 同源 GDSL 蛋白序列,并通过 CDD 和 PFAM 数据库完成 GDSL 蛋白序列的分析,剔除无保守结构的序列,最后利用生物信息学对油棕 GDSL 家族成员进行可视化分析。共获得
2、109 个油棕 GDSL 基因,其中有 90 个基因分布在油棕的 15 条染色体上,1 号染色体上含有的基因数最多,为 14 个;基因结构较为稳定,大多数基因具有 5 个外显子,少数基因的外显子数目变化较大;油棕 GDSL 基因家族 motif 保守性较高;通过预测蛋白的二级结构,发现 EgGDSL 蛋白均存在-螺旋、-转角、无规则卷曲及延伸链这 4 种结构,其中 75 个 EgGDSL 以无规则卷曲为主要结构,-螺旋为次要结构,34 个蛋白以-螺旋为主要结构,无规则卷曲为次要结构;通过热图分析发现 EgGDSL 基因在油棕不同组织中(中果皮,果仁,根,叶,茎和花)均有一定的表达,且具有显著的
3、组织和时空表达特异性。本研究首次提供了油棕 GDSL 基因家族的染色体定位、基因结构、保守 motif、氨基酸理化性质、系统进化树及基因在不同组织中的表达信息,为今后深入研究其在油棕生长发育、脂质代谢等过程的作用机理提供理论依据。关键词油棕;酯酶/脂肪酶(GDSL);生物信息学分析Genome-wide Identification and Expression Analysis of GDSL Esterasr/Li-pase Genes in Elaeis guineensisZhou LixiaYang MengdiLi Rui*Hainan Provincial Key Laborat
4、ory of Tropical Oil Crops Biology,Coconut Research Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Science,Wenchang,571339*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.004545AbstractThe aim of this study is to identify the members of GDSL gene family in the whole genome and ana-lyze them by bioinf
5、ormatics and expression pattern,which will provide foundation for the functional research ofoil palm GDSL in the future.According to the sequence of GDSL genes in Arabidopsis thaliana,homologousGDSL gene sequences were found in the whole genome database of oil palm,the GDSL protein sequences wereana
6、lyzed by CDD and PFAM database,and the sequences without conservative structure were eliminated.Finally,the GDSL gene family of oil palm was visualized by bioinformatics.A total of 109 GDSL genes were obtained,and90 genes were unevenly distributed on 15 chromosomes of oil palm,among which 14 genes w
7、ere most distributedon chromosome 1.Most genes have five exons,and the number of exons of a few genes changes greatly.EgGDSLgene family contained highly conserved motifs.By predicting the secondary structure of EgGDSL proteins,it was基金项目:本研究由海南省重点研发计划项目(No.ZDYF2022XDNY207)和中国热带农业科学院基本科研业务费专项(No.1630
8、-052021028)共同资助引用格式:Zhou L.X.,Yang M.D.,and Li R.,2023,Genome-wide identification and expression analysis of GDSL esterasr/lipase genesin Elaeis guineensis,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(14):4545-4559.(周丽霞,杨蒙迪,李睿,2023,油棕 GDSL酯酶/脂肪酶基因的全基因组鉴定及表达分析,分子植物育种,21(14):4545-4559.)分子植物育种,2023
9、 年,第 21 卷,第 14 期,第 4545-4559 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.14,4545-4559分子植物育种Molecular Plant Breedingfound that all EgGDSL proteins had four structures:-helix,-turn,random coil and extended chain.Amongthem,random coil was the main structure of 75 proteins,-helix was the main structure of
10、the other 34 proteins,and the proportion of-turn and extended chain was the lowest.Through the expression pattern analysis,it wasfound that EgGDSL genes were expressed in mesocarp,endosperm,root,leaf,stem and flower of oil palm,withsignificant tissue and spatial and temporal-specific expression.The
11、chromosomal distribution,gene structure,con-served motif,amino acid property,phylogenetic tree and gene expression information in different tissues ofEgGDSL gene family was provided for the first time,which laid a foundation for the further study of its mecha-nism in the process of oil palm seeding
12、development and lipid metabolism in the future.KeywordsOil palm;GDSL esterasr/lipase;Bioinformatics analysisGDSL 脂肪酶是一类非常重要的酯酶亚家族,其在动物、植物和微生物中广泛存在(Yang et al.,2019;Su et al.,2020;Zhang et al.,2021)。GDSL 是一类水解脂质的酶,该酶具有广泛的底物特异性和多重水解功能,在植物胚胎发育、种子代谢及应答逆境胁迫过程中均具有重要的调控功能(Hongetal.,2008;李志兰,2014;Ma et al.,
13、2018;Han et al.,2019)。随着分子生物学及测序技术的飞速发展,诸多植物中的 GDSL 基因被鉴定及分析。郝晓云等(2014)通过过表达棉花 GDSL 脂肪酶基因,提高了甘蓝型油菜油脂的含量。赵娟(2020)克隆了一个调控雄性育性的水稻 GDSL 脂肪酶基因 RMS2,发现其通过调控花药中脂质代谢,进而影响花药壁、花粉壁的发育过程和液泡的形态变化,因此证明了该基因可决定水稻花粉的育性。袁哈利等(2015)克隆陆地棉 GDSL 基因,并转入拟南芥中,发现转基因植株能够抑制黄萎病菌诱发的叶片细胞死亡及病菌在叶片感染处的生长繁殖。刘梦雨等(2022)获得 118 个龙眼 GDSL 酯
14、酶/脂肪酶基因成员,通过 RT-qPCR 分析发现,在外源 ABA和 MeJA 处理下,DlGDSL 基因的表达量显著上升,推测其在激素信号转导过程中具有调控作用。从而由此可见,GDSL 基因在脂质积累、器官的生长发育及抵御外界胁迫等诸多方面均发挥着重要作用。油棕(Elaeis guineensis Jacq.)是世界上生产量、消费量和国际贸易量最大的植物油品种。中国是全球最大的棕榈油消费国和进口国之一,由于油棕在中国尚未规模化种植,棕榈油完全依赖进口。2021 年中国棕榈油进口量为 4.65109kg,占中国进口食用植物油总量(1.131010kg)的 41.10%。国办发 2014 68
15、号文件和琼府办 2015 89 号文件均强调要把加快木本油料产业发展摆在重要位置。作为典型的热带作物之一,油棕在月平均温度 21 以上才能正常生长,其最佳温度介于 2528,当气温低于 18 时,油棕生长十分缓慢,果实发育不良,产量严重减少。中国热带地区地处热带北缘,冬季月均温一般在 15 17,最低温可降至 5 8 (数据来自中国气候资源数据库),持续时间达数天。低温寒害显著影响着油棕的生长和生殖器官的发育,严重制约着油棕种植面积的增加,是限制中国油棕种植业扩大的重要因素。因此,提高其产量及抗逆性,已成为油棕育种的关键目标。目前,关于油棕酯酶/脂肪酶(EgGDSL)的研究鲜有报道。本研究通过
16、生物信息学分析方法在全基因组范围内鉴定挖掘 EgGDSL 家族成员,并对该家族成员进行染色体定位、基因结构、motif、系统进化树、蛋白理化性质和不同组织中表达模式的分析,明确 Eg-GDSL 基因家族的基本特征,以期该研究成果为油棕GDSL 基因功能的分析提供数据基础。1结果与分析1.1油棕GDSL基因基本信息基于拟南芥 GDSL 的基因序列,BLAST 搜索油棕 GDSL 基因序列,并对其蛋白的保守结构域进行鉴定,最终共鉴定出 109 个油棕 GDSL 基因(表 1)。有90 个基因定位在油棕染色体上,1 号染色体上含有的基因数最大(14 个),其次为 3 号和 7 号染色体,均含有 9
17、个基因,而 13 号染色体上无 GDSL 基因分布。油棕 GDSL 基因开放阅读框(ORF)长度的变化范围较大(2913 093 bp),油棕 GDSL 基因外显子数量分布范围为 119 个,其中有 61 个 GDSL 基因的外显子数目均为 5 个,有 7 个基因含 1 个外显子,6 个基因含 2 个外显子,5 个基因含 3 个外显子,4 个基因含 4个外显子,7 个基因有 6 个外显子,1 个基因含 7 个外显子,4 个基因含 8 个外显子,8 个基因含 9 个外显子,3 个基因含 11 个外显子,2 个基因含 14 个外显子,1 个基因含 19 个外显子(表 1;图 1)。1.2油棕GDS
18、L蛋白理化性质分析通过分析 109 个 EgGDSL 蛋白的理化性质发现4546油棕 GDSL 酯酶/脂肪酶基因的全基因组鉴定及表达分析Genome-wide Identification and Expression Analysis of GDSL Esterasr/Lipase Genes in Elaeis guineensis图 1 油棕 GDSL 基因内含子/外显子结构Figure 1 The intron-exon structures of GDSL genes in oil palm4547分子植物育种Molecular Plant Breeding表 1 油棕 GDSL 基
19、因家族基本信息Table 1 Basic information of EgGDSL gene family基因GeneEgGDSL01EgGDSL02EgGDSL03EgGDSL04EgGDSL05EgGDSL06EgGDSL07EgGDSL08EgGDSL09EgGDSL10EgGDSL11EgGDSL12EgGDSL13EgGDSL14EgGDSL15EgGDSL16EgGDSL17EgGDSL18EgGDSL19EgGDSL20EgGDSL21EgGDSL22EgGDSL23EgGDSL24EgGDSL25EgGDSL26EgGDSL27EgGDSL28EgGDSL29EgGDSL30
20、EgGDSL31EgGDSL32EgGDSL33EgGDSL34EgGDSL35EgGDSL36EgGDSL37EgGDSL38EgGDSL39EgGDSL40EgGDSL41EgGDSL42EgGDSL43EgGDSL44EgGDSL45EgGDSL46基因号Gene IDLOC105038538LOC105039341LOC105046599LOC105058891LOC105038476LOC105038486LOC105038495LOC105038503LOC105038522LOC105038530LOC105051057LOC105053802LOC109505856LOC114
21、914022LOC105040046LOC105034532LOC105038701LOC105038827LOC105039089LOC105039102LOC105040008LOC105040009LOC105042051LOC105040497LOC105040662LOC105040663LOC105040664LOC105040665LOC105040666LOC105040975LOC105042068LOC105043202LOC105042621LOC105042878LOC105043183LOC105043539LOC105044030LOC105044031LOC105
22、045061LOC105045133LOC105045238LOC105045002LOC105045109LOC105046117LOC105046187LOC105047666CDS 号CDS IDXM_010914381.3XM_010915476.3XM_010925246.3XM_010941956.3XM_010914283.3XM_029263805.1XM_029263810.1XM_010914330.3XM_019845960.2XM_010914369.3XM_010931336.3XM_010935097.3XM_029261434.1XM_029263800.1XM_
23、019848295.2XM_010909738.3XM_010914575.1XM_010914734.1XM_010915086.3XM_010915100.3XM_010916374.3XM_010916375.3XM_010919157.2XM_010917046.3XM_010917304.3XM_010917305.2XM_010917306.3XM_010917307.3XM_010917308.2XM_010917742.1XM_010919169.3XM_029264020.1XM_019849876.2XM_010920230.3XM_010920633.2XM_010921
24、117.1XM_010921804.3XM_010921805.3XM_010923223.3XM_010923289.3XM_010923443.3XM_010923142.2XM_029264379.1XM_010924625.3XM_010924708.3XM_010926700.3染色体Chr.Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.1Chr.2Chr.2Chr.2Chr.2Chr.2Chr.2Chr.2Chr.2Chr.3Chr.3Chr.3Chr.3Chr.3Chr.3Chr.3Chr
25、.3Chr.3Chr.4Chr.4Chr.4Chr.4Chr.4Chr.4Chr.4Chr.5Chr.5Chr.5Chr.5Chr.5Chr.5Chr.5Chr.6开放阅读框(bp)ORF(bp)1 2062 1452 1241 5181 1911 2184891 1971 1851 5301 1071 0771 8421 1829961 1521 1491 2121 0718791 0921 1101 9831 1221 0861 0481 1071 1431 2181 0681 1852 7031 0561 3831 0951 1161 1671 0772 2261 9051 0801 1
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