大白菜脱水素基因的鉴定和特征分析.pdf
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1、Hans Journal of Agricultural Sciences 农业科学农业科学,2023,13(9),857-864 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjas https:/doi.org/10.12677/hjas.2023.139120 文章引用文章引用:李利斌,刘明毓,孟昭娟,曹齐卫,孔令霞,白林红,杨宗辉.大白菜脱水素基因的鉴定和特征分析J.农业科学,2023,13(9):857-864.DOI:10.12677/hjas.2023.139120 大白菜脱水素基因
2、的鉴定和特征分析大白菜脱水素基因的鉴定和特征分析 李利斌李利斌1*,刘明毓,刘明毓2*,孟昭娟,孟昭娟1,曹齐卫,曹齐卫1,孔令霞,孔令霞3,白林红,白林红4,杨宗辉,杨宗辉1#1山东省农业科学院蔬菜花卉研究所,国家蔬菜改良中心山东分中心,山东省设施蔬菜生物学重点实验室,农业部黄淮地区蔬菜科学观测实验站(山东),山东 济南 2山东省东平县种业发展中心,山东 泰安 3山东省郓城县陈坡乡政府,山东 菏泽 4山东省农业农村发展研究中心,山东 济南 收稿日期:2023年8月22日;录用日期:2023年9月20日;发布日期:2023年9月27日 摘摘 要要 植物脱水素在非生物逆境响应过程中具有重要功能。
3、但植物脱水素在非生物逆境响应过程中具有重要功能。但在我国重要蔬菜作物大白菜中缺乏研究。本文利在我国重要蔬菜作物大白菜中缺乏研究。本文利用生物信息学的方法,鉴定出用生物信息学的方法,鉴定出12个大白菜脱水素基因,对它们的个大白菜脱水素基因,对它们的结构特征、遗传进化和顺式调控元件进结构特征、遗传进化和顺式调控元件进行了预测。结果显示,大白菜的脱水素基因在基因组中非行了预测。结果显示,大白菜的脱水素基因在基因组中非均衡分布,大部分基因含有两个外显子,所有均衡分布,大部分基因含有两个外显子,所有的大白菜脱水素可划分为两个不同的类群,其中的大白菜脱水素可划分为两个不同的类群,其中BrDhn4单独为一个
4、类群。顺式元件预测表明,大白菜脱单独为一个类群。顺式元件预测表明,大白菜脱水素基因含有多个响应环境和激素信号的顺式元件,可能在非生物逆境以及植物激素响应中具有一定功水素基因含有多个响应环境和激素信号的顺式元件,可能在非生物逆境以及植物激素响应中具有一定功能。能。关键词关键词 大白菜大白菜,脱水素脱水素,结构结构,进化进化,顺式元件顺式元件 Identification and Charaterization of Chinese Cabbage Dehydrin Genes Libin Li1*,Mingyu Liu2*,Zhaojuan Meng1,Qiwei Cao1,Lingxia Ko
5、ng3,Linhong Bai4,Zonghui Yang1#1Vegetable Science Observation and Experiment Station in Huang-Huai Region of Ministry of Agriculture (Shandong),Key Lab for Biology of Greenhouse Vegetables of Shandong Province,Shandong Branch of China National Vegetable Improvement Center,Vegetable Research Institut
6、e of Shandong Academy of Agricultural Science,Jinan Shandong 2Dongping County Seed Industry Development Center,Shandong Province,Taian Shandong 3Chenpo Town Government of Yuncheng County,Shandong Province,Heze Shandong *共一作者。#通讯作者。李利斌,刘明毓 等 DOI:10.12677/hjas.2023.139120 858 农业科学 4Agricultural and Ru
7、ral Development Research Center of Shandong Province,Jinan Shandong Received:Aug.22nd,2023;accepted:Sep.20th,2023;published:Sep.27th,2023 Abstract Plant dehydrins play important roles in the process of abiotic stress responses.However,the de-hydrin knowledge about the important vegetableChinese cabb
8、age is scarce.In this paper,12 dehydrin genes were identified in the Chinese cabbage genome through the bioinformatics me-thod.Also,their structure,phylogeny and the cis-elements of them were analyzed.The results in-dicated that Chinese cabbage dehydrin genes are unevenly distributed in the genome,a
9、nd most of them have 2 exons.They are divided into two phylogeny groups,and BrDhn4 is singly as one group.Whats more,Chinese cabbage dehdrin genes each have several different cis-elements res-ponsive to different hormones and environmental stimuli,which suggests they may be involved in multiple abio
10、tic stress and hormone responses.Keywords Chinese Cabbage,Dehydrin,Structure,Phylogeny,Cis-Element Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 脱水素是植物种
11、子胚胎晚期丰富性蛋白(LEA)的一类,最初是在水稻和棉花种子中发现的。后来发现,脱水素在植物的营养器官和脱水组织中也普遍表达1。这类蛋白的一个共同特征是含有一个由富含赖氨酸的 15 个氨基酸残基组成的保守的结构域 EKKGIMDKIKEKLPG,为脱水素的特征结构域,叫 K 结构域,一般位于碳末端附近2。它是脱水素行使其功能的结构基础,可以形成一个两亲-螺旋3 4,有助于与细胞膜的连接和在抗菌中发挥作用5 6。另外,有的脱水素成员还含有一个富含丝氨酸残基的片段 S片段,它被磷酸化后可将脱水素转运到向细胞核7 8;有的成员还有一个位于氮末端的 Y 片段T/VDEYGNP,可与植物和细菌分子伴侣的
12、核苷酸结合位点相匹配,发挥分子伴侣的功能9 10。根据这三个保守区段的位置和数目的不同,将脱水素分为五个亚类:YnSKn、YnKn、SKn、Kn 和 KnS 11。最近研究表明,苔藓脱水素 PpDHNA 中含有 D-segment:EGD(R/K)AKDA,可能在减轻极端胁迫方面具有重要功能12。在一些脱水素中如拟南芥的 COR47 和杜鹃脱水素中含有 11 个氨基酸残基组成的 F-区段 DRGLFDFLGKK,具有乳酸脱氢酶保护的功能,可提高其冷胁迫的耐性13 14。脱水素一般受 ABA 的诱导表达,在非生物逆境如干旱、盐、低温、重金属胁迫下大量累积15 16 17。它们可定位在细胞不同的部
13、位,但主要定位在细胞质和细胞核中18。脱水素是植物细胞中的一类保护性物质,体外分析的结果显示 YSKn 类脱水素可以结合脂肪颗粒,KnS 可与金属离子结合,能够清楚羟自由基,防止脂膜过氧化,或者对冷敏感的酶具有保护作用19 20 21。越来越多的证据表明,脱水素在植物耐受非生物逆境过程中具有重要功能,不同类型的脱水素可能具有不同的功能22 23 24。尽管脱水素的研究在拟南芥25 26、大麦27、小麦28、水稻29 30、短柄草31、玉米32、Open AccessOpen Access李利斌,刘明毓 等 DOI:10.12677/hjas.2023.139120 859 农业科学 大豆33、
14、松树34、柑橘35、油菜36等植物上取得了很大进展,但是目前在我国重要蔬菜大白菜中只有一个脱水素基因报道37。大白菜基因组测序和数据库的建立,为解析大白菜功能基因提供了极大便利38 39。本文利用比较基因组学和生物信息学的方法,从大白菜的基因组中鉴定出 12 个脱水素基因,并对这 12 个脱水素基因的遗传进化、编码蛋白的特征以及其顺式调控元件进行了分析,为下一步研究大白菜脱水素基因的功能和利用脱水素基因改良大白菜的抗逆性奠定基础。2.材料与方法材料与方法 利用拟南芥中的脱水素基因序列在 Genbank 中搜索比对大白菜的基因组序列和 EST 序列(http:/blast.ncbi.nlm.ni
15、h.gov/Blast.cgi),寻找大白菜的脱水素基因序列,并对鉴定出的大白菜脱水素基因进行进化分析和编码蛋白的结构分析,对它们在亚细胞组分中的定位进行预测,对脱水素基因启动子及上游序列(1500 bp)中的顺式调控元件进行分析。遗传进化分析利用 MEGA4.1 来进行进化树的构建,采用Bootstrap Test-Neighbor Joining 方法,重复 500 次运算。蛋白结构分析通过 PlantsP Feature Scan(http:/plantsp.genomics.purdue.edu/html/feature_scan.html)来进行。顺式调控元件分析在 PlantCAR
16、E(http:/bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)中进行在线分析。3.结果与分析结果与分析 3.1.大白菜脱水素基因的鉴定和特征分析大白菜脱水素基因的鉴定和特征分析 本文通过生物信息学分析从白菜基因组中鉴定出 12 个脱水素基因,按照它们在染色体上的分布顺序分别命名为 BrDhn1 到 BrDhn12,其中一个已被报道的基因 COR25 在本文中命名为 BrDhn6(见表 1)。脱水素基因的编码蛋白序列分析表明,BrDhn1 编码的脱水素除含有一个 K 结构域外,其它特征不明显,BrDhn4 编码 KS 类型,BrDhn3
17、、BrDhn10、BrDhn11 和 BrDhn12 编码 YnSKn类型的脱水素,其余脱水素基因编码 SKn 类型的脱水素。这些脱水素基因编码区大小从 288 bp 到 816 bp 不等,BrDhn4 只有一个外显子,而BrDhn3有3个外显子,其余脱水素基因都含有2个外显子(见图1)。染色体分布分析显示,BrDhn1、BrDhn4、BrDhn5 和 BrDhn9 分别位于 1 号、3 号、6 号和 8 号染色体,BrDhn2 和 BrDhn3 位于 2 号染色体,BrDhn6、BrDhn7 和 BrDhn8 三个基因位于 7 号染色体,BrDhn10、BrDhn11 和 BrDhn12
18、位于 9 号染色体。亚细胞定位预测结果表明,BrDhn1、BrDhn2 和 BrDhn7 编码蛋白定位在细胞核或者细胞质中,BrDhn4 和 BrDhn5 编码蛋白定位在细胞质或者细胞核中,其余脱水素只定位到细胞核中。Table 1.Chinese cabbage dehydrin genes and their characters 表表 1.大白菜脱水素基因及其特征 Gene Chromo-some Locus Exons Cds(bp)Type Subcellular localization BrDhn1 A01 130221-130836 2 450 Unidentified Nuc
19、lear,cytosol BrDhn2 A02 14031452-14032176 2 585 SK2 Nuclear,cytosol BrDhn3 A02 27801269-27805365 3 579 Y2SK2 Nuclear BrDhn4 A03 19885050-19885337 1 288 KS Cytosol,nuclear BrDhn5 A06 8221432-8222743 2 816 SK3 Cytosol,nuclear BrDhn6 A07 9172941-9173693 2 663 SK2 Nuclear BrDhn7 A07 14744193-14744913 2
20、585 SK2 Nuclear,cytosol BrDhn8 A07 20893371-20894088 2 588 SK2 Nuclear 李利斌,刘明毓 等 DOI:10.12677/hjas.2023.139120 860 农业科学 Continued BrDhn9 A08 4847473-4848338 2 774 SK6 Nuclear BrDhn10 A09 4131765-4132388 2 435 Y2SK2 Nuclear BrDhn11 A09 25451005 25452016 2 405 YSK2 Nuclear BrDhn12 A09 32069086-3206996
21、1 2 552 Y3SK2 Nuclear Figure 1.Intron-exon structure of Chinese cabbage dehydrin genes 图图 1.大白菜脱水素基因的内含子外显子结构 3.2.大白菜脱水素基因的进化分析大白菜脱水素基因的进化分析 为了寻找大白菜脱水素基因的功能线索,在得到大白菜的脱水素序列后,本文对它们的遗传进化进行了分析(见图 2)。结果表明,大白菜的脱水素基因可划分为两类,其中大白菜的 BrDhn4 比较特殊,单独划为一类,其余脱水素为一大类。序列比对分析显示,BrDhn1 和 At4g39130 同源,编码蛋白的序列一致性为70.20%
22、;BrDhn2、BrDhn7和BrDhn8 与 AtERD14 同源,其编码蛋白的序列一致性分别为 77.40%(BrDhn2 Vs AtERD14)、75.98%(BrDhn7 Vs AtERD14)和 78.92%(BrDhn7 Vs AtERD14),而 BrDhn2 和 BrDhn7 编码蛋白的序列一致性为 78.43%;BrDhn3 和 BrDhn10 与 AtRAB18 同源,其编码蛋白的序列一致性分别为 80.10%和77.37%;BrDhn4 和 At1g54410 直系同源,其编码蛋白的序列一致性为88.78%;BrDhn5 和BrDhn6 与 AtCOR47同源,其编码蛋白
23、的序列一致性分别为 62.72%和 54.58%;BrDhn9 与 At4g38410 同源,序列一致性为 66.67%,BrDhn11 与 AtXERO1 同源,其编码蛋白的序列一致性为 69.92%;BrDhn12 与 At2g21490 同源,其编码蛋白的序列一致性为 69.79%。已知拟南芥的脱水素基因大多受 ABA 的诱导表达,并且在冷胁迫和水分胁迫响应过程中具有重要功能22。作者认为大白菜的脱水素基因也具有类似的表达模式和功能。4.大白菜脱水素基因的顺式元件分析大白菜脱水素基因的顺式元件分析 顺式调控元件在基因的表达调控中具有重要作用。为了探讨大白菜的脱水素基因可能受哪些因子调控,
24、本文对 12 个脱水素基因的启动子部分及上游序列进行了顺式元件分析(见表 2)。结果显示,BrDhn1-3,5-8,11,12 可应答 ABA 信号,BrDhn1-4,7,9,10,12 可应答茉莉酸甲酯,BrDhn1,2,5,9-12 可应答乙烯信号,BrDhn3,5-9,11,12 可应答赤霉素信号,BrDhn3-6,8,9 可响应热胁迫,BrDhn5-9,11,12 可响应冷胁迫,BrDhn4-8,10,12 可响应干旱胁迫,BrDhn1,2,4-8 可进行防卫应答,BrDhn-8,11 可应答水杨酸信号。综上,推测大白菜的脱水素基因可能在发育及生物逆境响应过程中具有重要功能。目前,有关
25、脱水素在大白菜发育和生物逆境响应中的功能研究还未见报道,值得深入探讨。李利斌,刘明毓 等 DOI:10.12677/hjas.2023.139120 861 农业科学 Figure 2.Phylogeny of Chinese cabbage dehydrins 图图 2.大白菜脱水素的遗传进化分析 Table 2.Cis-elements of Chinese cabbage dehydrin genes 表表 2.大白菜脱水素基因的顺式元件 Gene ABRE/CE3 CGTCA-motif ERE/EIRE GARE-motif/P-box HSE LTR MBS/DRE TC-rich
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