高莉娟,張正社,文裕,宗西方,閆啟,盧麗燕,易顯鳳,張吉宇*
(1. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730020;2. 廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530007;3. 廣西畜牧研究所,廣西 南寧 530001)
象草(Cenchrus purpureus)為禾本科蒺藜草屬多年生的C4草本植物,起源于非洲,目前在全世界熱帶和亞熱帶地區(qū)均有栽培種植[1-2]。20 世紀(jì)40 年代由印度、緬甸等低緯度地區(qū)引入我國[3]。現(xiàn)已在江西、福建、湖南、臺灣等地區(qū)廣泛栽培種植[4-5]。象草莖葉中粗蛋白含量可達(dá)10.8%,營養(yǎng)價(jià)值高,生物量大,抗逆性強(qiáng),再生能力強(qiáng),已成為世界上公認(rèn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草[6-9]。近年來,隨著生活水平的提高,人們愈加重視食物種類和安全問題,在肉類的選擇上更傾向于草食動(dòng)物產(chǎn)品,因此,進(jìn)一步提高牧草產(chǎn)量顯得至關(guān)重要[10]。
bHLH(basic-helix-loop-helix)類轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于真核生物中,該類蛋白因具有bHLH 結(jié)構(gòu)域而得名[11-12]。該結(jié)構(gòu)域大約由60 個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成,按照其功能可分為堿性區(qū)域和HLH 區(qū)域[13]。堿性區(qū)域由15~20 個(gè)氨基酸組成,分布在多肽鏈N 端,含有大量堿性氨基酸,能與DNA 結(jié)合,其保守氨基酸可識別E-box(5'-CANNTG-3')[14]。HLH 區(qū)域大約由40 個(gè)氨基酸組成,分布在C 端,依賴疏水氨基酸的互作可以促使蛋白質(zhì)形成同源或異源二聚體[15-16],這些二聚體可以與靶基因啟動(dòng)子的不同部分相結(jié)合,在真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起著十分重要的作用[17-19]。
bHLH 轉(zhuǎn)錄因子在植物形態(tài)發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。據(jù)報(bào)道,水稻(Oryza sativa)的稀穗突變體(LAX PANICLE,LAX)是屬于bHLH家族的轉(zhuǎn)錄因子,是控制植株頂端分生組織的主要調(diào)節(jié)因子[20]。研究表明,bHLH 轉(zhuǎn)錄因子在花色素生物合成過程中起著重要的調(diào)控作用。在水稻中,OSB1 和OSB2 能夠參與調(diào)控花青素的生物合成[21]。隨后在矮牽牛(Petunia hybrida)中獲得的AN1基因被證明可以參與花青素的合成[22]。bHLH 類轉(zhuǎn)錄因子參與植物對逆境響應(yīng)的研究備受關(guān)注,該家族通過激活相關(guān)基因的表達(dá),進(jìn)而提高了植物對干旱、低溫、缺素等惡劣環(huán)境的耐受性[23]。SPATULA基因首次在擬南芥(Arabidopsis thaliana)中被發(fā)現(xiàn),是一個(gè)多功能基因,主要調(diào)節(jié)擬南芥花形態(tài)建成和角果發(fā)育等多種發(fā)育過程的bHLH 蛋白。此外,SPATULA也參與控制莖尖分生組織的周圍區(qū)以及葉片、花瓣、柱頭和根的特定組織的發(fā)育[24-25]。隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展,bHLH家族的多樣性已被揭示,且植物bHLH 轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)在擬南芥[26]、水稻[27]、楊樹(Populussp.)[28]、玉米(Zea mays)[14]以及其他物種中得到鑒定,但象草bHLH家族成員分析還未見報(bào)道。
本研究通過全基因組數(shù)據(jù)庫搜索鑒定,共鑒定出229 個(gè)CpbHLH基因,并對其進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育、染色體分布、保守基序生物信息學(xué)分析,并結(jié)合本課題組前期轉(zhuǎn)錄組測序(未發(fā)表數(shù)據(jù)),分析了CpbHLHs基因在赤霉素(gibberellin,GA3)和多效唑(paclobutrazol,PAC)處理之后的表達(dá)情況。這將為深入研究象草CpbHLH基因家族生物學(xué)功能提供科學(xué)依據(jù),并有助于bHLH基因在其他植物物種中的功能研究。
供試象草的種莖由廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所提供,于2019 年5 月在蘭州大學(xué)榆中校區(qū)溫室內(nèi)種植,在種植后的30 d(節(jié)間發(fā)生最早期)[29],各選取27 株長勢較為一致的象草,以噴霧的方式分別均勻噴施200 mg·L-1的赤霉素(GA3)和500 mg·L-1的多效唑(PAC),噴施蒸餾水作為對照(CK),處理時(shí)間為8:00 am,在整個(gè)噴施過程中,將相鄰的植株用黑色塑料袋罩起來。在處理后的0,1,48 h 分別取各處理的莖尖,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)至少取9 個(gè)單株,液氮速凍后-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
從PlnTFDB(3.0)(http://plntfdb.bio.uni-potsdam.de/v3.0/)下載得到水稻和擬南芥bHLH 蛋白序列。象草全基因組數(shù)據(jù)來自本課題組[30],編碼序列(coding sequence,CDS)、蛋白質(zhì)序列、基因序列均下載自國家生物信息中心(National Genomics Data Center,https://bigd.big.ac.cn/)。以水稻和擬南芥bHLH序列作為查詢序列,利用BLAST 鑒定出象草基因組中的候選bHLH基因。然后,從PFAM 數(shù)據(jù)庫(http://pfam.xfam.org/)中下載bHLH(PF00010)家族基因的隱馬爾科夫模型(hidden markov model,HMM),最后利用Pfam,NCBI conserved Domains(http://www. ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/ wrpsb.cgi)和SMART(http://smart.embl-heidelberg.de/)數(shù)據(jù)庫核對以確定bHLH 結(jié)構(gòu)域(PF00010)的存在。
提取所有bHLH基因在象草基因組中的位置信息,利用在線工具M(jìn)apGene2Choromosomev2(http:/mg2c.iask.in/mg2c_v2.0/)繪制CpbHLH家族基因的染色體定位圖譜。
利用MEGA 7 軟件,使用鄰接法(neighbor-joining,NJ)對象草和水稻的蛋白序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建,其中校驗(yàn)參數(shù)Bootstrap=1000,其他參數(shù)均使用系統(tǒng)默認(rèn)值。
利用MEME(http://meme-suite.org/tools/meme;最佳匹配長度為6~50,最大基序數(shù)為10)在線工具對提取到的bHLH 蛋白序列進(jìn)行保守基序(motif)分析。使用基因結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)GSDS(http://gsds.cbi.pku. edu.cn/index.php)繪制基因結(jié)構(gòu)示意圖。
采用Trizol 試劑(北京天根生化科技有限公司)提取象草莖尖分生組織的總RNA,質(zhì)量檢測合格后,用于象草cDNA 文庫的構(gòu)建和Illumina 上機(jī)測序,該過程均由北京諾禾致源科技股份有限公司(http:// www.novogene.com/)完成。測序完成之后,利用獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(未發(fā)表)中bHLH基因在GA3和PAC 處理之后的莖尖分生組織的表達(dá)量(fragments per kilobase million,F(xiàn)PKM),繪制熱圖。
采用qRT-PCR 分析CpbHLH家族9 個(gè)基因在象草經(jīng)GA3和PAC 處理之后的表達(dá)模式。引物序列見表1,選用象草CpEE1a為內(nèi)參基因[31],PCR 反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃30 s;95 ℃5 s,60 ℃30 s,共40 個(gè)循環(huán)。每組試驗(yàn)設(shè)3 個(gè)生物學(xué)重復(fù),應(yīng)用2-ΔΔCT方法計(jì)算各基因的相對表達(dá)量[32]。
表1 實(shí)時(shí)定量PCR 引物序列Table 1 Primer sequences used in real-time quantitative PCR
為了進(jìn)一步明確CpbHLHs基因的功能及屬性,本研究利用百邁客云在線數(shù)據(jù)分析平臺(www.biocloud.net)對鑒定得到的229 個(gè)CpbHLHs基因進(jìn)行GO 分類注釋。
在象草基因組中總共鑒定得到229 個(gè)bHLH基因,根據(jù)它們在染色體上的位置分布,依次命名為CpbHLH001~CpbHLH229。
CpbHLH基因染色體定位(圖1)分析表明,229 個(gè)CpbHLH基因分布在象草基因組上的14 條染色體上,其中B01 號染色體上分布最多,有23 個(gè)基因,占總的CpbHLH基因的10.0%。其次為B03 號和A07 號,分別占總個(gè)數(shù)的9.2%(21)、8.7%(20)。B07 號染色體上分布的基因最少,只有5 個(gè)基因,占總個(gè)數(shù)的2.2%。在象草A03 號、A04 號、A05 號、B06 號染色體的 底端,以及A02 號、A06 號、B04 號、B05 號 染色體頂端 發(fā)現(xiàn)了CpbHLH基因的基因簇。
圖1 象草CpbHLH 基因在染色體上的定位Fig.1 Chromosomal locations of C. purpureus bHLH gene family
通過對CpbHLH 蛋白序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹分析發(fā)現(xiàn),可以分為11 個(gè)亞族(圖2a)。比較每個(gè)CpbHLH基因的內(nèi)含子/外顯子結(jié)構(gòu),對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(圖2b)顯示,CpbHLH基因中外顯子數(shù)目為1(CpbHLH046,CpbHLH003等)~12(CpbHLH051)個(gè)不等,大多數(shù)基因(90%)含有1~6 個(gè)外顯子,長度在300 kb 以上。內(nèi)含子的數(shù)目差異較大,數(shù)目最多的是CpbHLH129和CpbHLH018,為11 個(gè),有11 個(gè)CpbHLH基因不存在內(nèi)含子。
圖2 象草CpbHLH 轉(zhuǎn)錄因子的保守基序分析Fig.2 The conserved motifs analysis of C. purpureus bHLH transcription factors
為了進(jìn)一步揭示CpbHLH 蛋白在象草中的功能多樣性,使用MEME 軟件進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)域預(yù)分析。結(jié)果分析表明:CpbHLH 蛋白結(jié)構(gòu)較為保守,總共鑒定得到10 個(gè)比較保守的Motif(Motif1~10),其中Motif1 和Motif2 最為保守,是各組共有基序(圖2c)。除共有基序外,各組基序還具有一定特異性,如Motif6 僅在Ⅵ亞組中存在,Motif9 只在I 和Ⅵ亞組中存在。
利用象草中229 條和水稻中的167 條bHLH 蛋白序列,進(jìn)行象草和水稻中的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系分析。結(jié)果表明(圖3),與水稻的22 個(gè)亞家族相比較,象草的229 個(gè)CpbHLHs成員分布在18 個(gè)亞家族中,其中兩個(gè)物種都是C 亞類的成員數(shù)量最多。其次為B 亞族,含有24 個(gè)CpbHLH基因。G 亞族中CpbHLH成員數(shù)量較少,僅為2 個(gè)。其中Q、H、K、F 亞族中不包含CpbHLH基因。
圖3 象草與水稻bHLH 轉(zhuǎn)錄因子的系統(tǒng)進(jìn)化分析Fig.3 Phylogenetic analysis of bHLH transcription factors in C. purpureus and O. sativa
通過前期用赤霉素與多效唑處理不同時(shí)間后,對象草莖尖的轉(zhuǎn)錄組測序,得到RNA-seq 數(shù)據(jù),分析得到CpbHLH基因在不同處理下的表達(dá)量(圖4)。結(jié)果顯示,赤霉素與多效唑處理后的不同時(shí)間點(diǎn),bHLH基因均顯示出高表達(dá)水平,因此可以推測在莖尖分生組織中表達(dá)的CpbHLH基因,其功能可能具有相似性。CpbHLH在GA3處理1 和48 h 以及PAC 處理1 和48 h 后分別有55、65 和51、56 個(gè)CpbHLH基因差異表達(dá)。
圖4 象草CpbHLH 基因在GA3和PAC 處理1 和48 h 之后的表達(dá)分析Fig.4 Expression analysis of bHLH gene in C. purpureus after GA3 and PAC treatments for 1 and 48 hour
本研究結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),選取了9 個(gè)在莖尖分生組織中相對表達(dá)量較高的CpbHLHs,進(jìn)行赤霉素和多效唑處理之后的表達(dá)分析(圖5)。研究結(jié)果顯示,CpbHLH019、CpbHLH025、CpbHLH030、CpbHLH158在GA3處理之后的表達(dá)模式相似,在處理48 h 之后的表達(dá)量均高于1 h,且高于對照。CpbHLH013、CpbHLH055赤霉素處理1 h 之 后 的 表 達(dá) 量 高 于48 h,但CpbHLH002、CpbHLH017、CpbHLH156在GA3處 理 之 后 均 低 于 對 照。CpbHLH002、CpbHLH013、CpbHLH019在PAC 處 理48 h 后 表 達(dá) 量 高 于 處 理1 h 且 高 于 對 照。CpbHLH017、CpbHLH025、CpbHLH055、CpbHLH156在PAC 處理1 h 后的表達(dá)量均高于處理48 h 和對照,僅CpbHLH158經(jīng)PAC 處理之后表達(dá)量低于對照。
圖5 CpbHLH 各成員在GA3和PAC 處理下的表達(dá)模式Fig.5 Expression pattern of CpbHLH genes under GA3 and PAC treatment
通過GO 功能對229 個(gè)CpbHLHs基因進(jìn)行分類,發(fā)現(xiàn)可以將這些基因劃分成47 個(gè)功能組(圖6)。根據(jù)功能組的不同,又分為生物過程(biological process,20 個(gè)亞類),細(xì)胞組分(cellular component,15 個(gè)亞類)和分子功能(molecular function,13 個(gè)亞類)3 大類,分別占41.67%、31.25%、27.08%。在生物過程中,主要的亞類是“細(xì)胞過程”(cellular process),“代謝過程”(metabolic process);在細(xì)胞組分中,“細(xì)胞”(cell),“細(xì)胞組分”(cell part)和“細(xì)胞器”(organelle)是主要的亞類;在分子功能類別中,“結(jié)合”(binding)和“核酸結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性”(nucleic acid binding transcription factor activity)占比最多。
圖6 象草bHLH 基因的GO 分類Fig.6 GO classification of CpbHLH genes
bHLH基因家族成員可以參與調(diào)控植物對逆境脅迫響應(yīng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等,在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用[33-34]。到目前為止,關(guān)于模式植物:擬南芥以及水稻等bHLH 轉(zhuǎn)錄因子家族相關(guān)研究已經(jīng)較為成熟,象草作為一種優(yōu)質(zhì)牧草,其推廣種植具有重要意義,而其關(guān)于bHLH家族的研究卻未有相關(guān)報(bào)道[35]。
本研究在象草基因組中總共鑒定得到229 個(gè)bHLH基因。根據(jù)染色體定位分析,大多數(shù)CpbHLHs基因被定位到象草染色體的頂端和底端,該結(jié)果與二穗短柄草(Brachypodium distachyon)中的研究結(jié)果相似[36],說明CpbHLHs基因進(jìn)行了一定程度的收縮與擴(kuò)張,這些基因更容易在染色體的頂端或底端被圖位克隆[23]。
基因進(jìn)化過程中結(jié)構(gòu)變異起著重要作用,其中內(nèi)含子會隨著生物體內(nèi)基因組的進(jìn)化而進(jìn)化,而進(jìn)化主要體現(xiàn)在其種類和含量上[37]。Xu 等[38]研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)含子、外顯子會通過獲得與丟失,插入或刪除等方式來進(jìn)化。本研究發(fā)現(xiàn)229 個(gè)CpbHLHs基因的外顯子個(gè)數(shù)為1~12,內(nèi)含子個(gè)數(shù)為0~11,說明CpbHLHs基因在進(jìn)化過程中出現(xiàn)了外顯子、內(nèi)含子的插入或丟失,導(dǎo)致CpbHLHs基因中外顯子與內(nèi)含子的個(gè)數(shù)差異甚大,該現(xiàn)象在一定程度上影響CpbHLHs基因發(fā)揮其生物學(xué)功能。使用在線軟件MEME 對象草229 條bHLH基因的保守基序進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)CpbHLHs基因存在10 個(gè)具有高度保守性的氨基酸基序,且同一亞家族中的大多數(shù)保守基序相似。表明每個(gè)亞家族中編碼蛋白的功能是穩(wěn)定的,幾乎所有的CpbHLHs 蛋白均包含Motif1 和Motif2,且總是相鄰,共同構(gòu)成bHLH 結(jié)構(gòu)域,所有這些bHLH 保守基序在同一亞家族的獨(dú)特性及保守性也是對CpbHLHs基因家族的進(jìn)化分類的佐證。同時(shí)推測,除bHLH 結(jié)構(gòu)域外的其他保守基序也是每個(gè)亞家族發(fā)揮其相應(yīng)功能的關(guān)鍵。總之,對bHLH的基因結(jié)構(gòu)以及保守基序的分析,為bHLH基因的進(jìn)化與分類提供了參考依據(jù)。它們在bHLH 中數(shù)量的變化也從側(cè)面反映出bHLH 蛋白功能的分化,進(jìn)一步證明bHLH 蛋白在植物生長發(fā)育的各個(gè)階段所表現(xiàn)出的功能多樣性。
系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果表明,CpbHLHs可以劃分為18 個(gè)亞家族。與已報(bào)道的水稻、擬南芥及蘋果(Malus pumila)[39]中的bHLH基因家族的結(jié)果比較,象草中發(fā)現(xiàn)的bHLH基因數(shù)量多于其他已報(bào)道的植物,這種情況可能與象草的四倍體進(jìn)化事件有關(guān)[2,30]。在植物中,Pires 等[40]對源自藻類和陸生植物的500 多個(gè)bHLH 蛋白序列進(jìn)行分析,將其分為26 個(gè)亞家族;白菜(Brassica campestris)中的203 個(gè)bHLH 蛋白可被劃分為24 個(gè)亞家族[41];番茄(Solanum lycopersicum)中的152 個(gè)bHLH 蛋白可以劃分為24 個(gè)亞家族[42]。與水稻相比,CpbHLHs家族成員并沒有分布在所有亞類中,有4 個(gè)亞類中沒有CpbHLH家族的成員,推測這可能是象草在進(jìn)化的過程中發(fā)生了基因的丟失。此外,CpbHLH家族在G 亞類中的成員數(shù)量最少,僅為2 個(gè),說明該亞類內(nèi)的成員進(jìn)化速度相對緩慢,推測這些基因在功能上相對比較保守,可能對象草的生長發(fā)育有著重要的調(diào)控作用[43]。象草在C 亞類中的bHLH成員數(shù)量最多,這與水稻、擬南芥[27]的聚類結(jié)果相似,該亞類轉(zhuǎn)錄因子的功能主要被預(yù)測為逆境響應(yīng)和參與依賴脫落酸(abscisic acid,ABA)的信號傳導(dǎo)[44]。本研究中,赤霉素處理后最大表達(dá)量基因CpbHLH055與多效唑處理1 h 后最大表達(dá)量基因CpbHLH076都為C 亞類,qRT-PCR 分析9 個(gè)隨機(jī)挑選的CpbHLH基因在赤霉素與多效唑不同處理時(shí)間后的莖尖分生組織中的差異表達(dá),這為bHLH 蛋白參與到赤霉素和多效唑誘導(dǎo)的生物學(xué)途徑提供了證據(jù)。且其中CpbHLH017、CpbHLH025、CpbHLH030、CpbHLH055、CpbHLH156均為C 亞類。徐秀榮等[43]對 毛 竹(Phyllostachys edulis)bHLH 家 族 成 員 的C 亞 類 的4 個(gè) 基 因pebHLH072、pebHLH102、pebHLH112和pebHLH123在干旱和鹽脅迫過程中的表達(dá)變化的研究結(jié)果支持了這一推測。說明該亞類內(nèi)的成員可能對象草的生長發(fā)育有著非常重要的調(diào)控作用。
研究表明,水稻bHLH家族基因OsbHLH013、OsbHLH016、OsbHLH165參與調(diào)控花青素的合成;OsbHLH35可被干旱和鹽脅迫誘導(dǎo)而上調(diào)表達(dá),它可在水稻種子萌發(fā)階段改變ABA 代謝基因的表達(dá),降低ABA水平,提高種子的發(fā)芽率;基因OsbHLH001受冷脅迫誘導(dǎo)而上調(diào)表達(dá),但不被ABA 或NaCl 所誘導(dǎo);OsbHLH096參 與 缺 磷 脅 迫 反 應(yīng)[45-47]。系 統(tǒng) 發(fā) 育 分 析 顯 示(圖3),CpbHLH家 族 基 因CpbHLH016、CpbHLH227與OsbHLH013、OsbHLH016、OsbHLH165聚集在一起,歸屬于U 亞族;CpbHLH139與OsbHLH35聚集在一起,歸屬于V 亞組,CpbHLH100與OsbHLH001聚集在一起,歸屬于R 亞族;CpbHLH193、CpbHLH045、CpbHLH044與OsbHLH096聚在一起,歸屬于C 亞族;通過同源基因功能相似性方法,預(yù)測到這些CpbHLH家族基因與水稻同源性基因具有相似功能。通過GO 分類發(fā)現(xiàn),與分子功能和細(xì)胞組分相比,生物學(xué)過程的GO 分類數(shù)較多,共有20 個(gè)分類。說明CpbHLH 轉(zhuǎn)錄因子在參與多個(gè)生物學(xué)過程調(diào)控中發(fā)揮較為重要的作用,表明CpbHLH家族具有功能多樣性,這些結(jié)果可為將來CpbHLH基因功能的進(jìn)一步分析提供依據(jù)。
本研究對CpbHLH基因家族進(jìn)行分析,共鑒定篩選出229 個(gè)CpbHLH基因家族成員,并對其進(jìn)行了生物信息學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)各基因?qū)Τ嗝顾?、多效唑處理之后的響?yīng)也不同。因此,bHLH基因在象草體內(nèi)的調(diào)控機(jī)理還需要驗(yàn)證,進(jìn)一步為象草的生長發(fā)育提供重要的信息。