谷子FT/TFL1家族的全基因组鉴定与分析

2018-09-12赵庆英杨致荣

山西农业科学 2018年9期

赵庆英，杨致荣

（山西农业大学文理学院，山西太谷 030801）

谷子（Setaria italica）是传统的优势作物，具有耐瘠薄、耐干旱、耐储藏、营养丰富、粮草兼收等特点[1]。针对日益严重的水资源短缺问题，谷子作为重要的战略储备作物，对保障干旱、贫瘠地区的粮食安全起着非常重要的作用[2]。随着人们消费水平的提高以及对食品营养与安全的重视，人们对小米的需求也逐年增加，但是小米的产量低，还不能满足现代化产业的需求。因此，提高谷子产量是谷子研究的主要方向之一。

开花是植物从营养生长到生殖生长转变的开始，是植物生长发育的重要阶段，植物在适宜的条件和时间开花，能够确保其生物量和繁殖率[3]。植物开花受到几种开花途径的共同调节，如光周期途径、春化途径、内源激素和自主途径等[4]，FT和TFL1基因是这些开花途径下游的关键基因，编码磷脂酰乙醇胺结合蛋白（PEBP）[5]，在植物从营养生长向生殖生长转变的过程中起着重要的作用[6]。在拟南芥中，FT/TFL1家族有6个成员，分别为FLOWERING LOCUS T （FT），TERMINAL FLOWER 1（TFL1），TWIN SISTER OF FT （TSF），BROTHER OF FT AND TFL1 （BFT），ARABIDOPSIS THALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOG（ATC）和 MOTHER OF FT AND TFL1（MFT），可以分为 3 个亚类，分别为FT亚类（包括FT和TSF），MFT亚类和TFL1亚类（包括TFL1，BFT和ACT基因）[6-7]。

FT是一个开花整合基因，也是诱导开花的关键基因，它能促进植物从营养生长到生殖生长的转变[7-8]。在长日照条件下，FT基因能在长日照植物（拟南芥等）的叶片维管组织伴胞中被CONSTANS（CO）基因诱导激活表达[9]，FT蛋白与一种新型的内质网膜蛋白 FT-INTERACTINGPROTEIN1（FTIP1）结合后被转运到茎顶端分生组织，与碱性亮氨酸拉链结构域（basic Leucine Zipper，bZIP）转录因子 FD结合，直接激活开花基因SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1（SOC1）和 APETALA 1（AP1）基因，控制植物的成花转变[10-11]。

在拟南芥中，FT基因过量表达导致开花时间提前[12]；在水稻中，Hd3a是FT的同源基因，在短日照条件下促进开花[11]；将日中性植物番茄中的FT同源基因SlSP3D转到拟南芥中，能使拟南芥开花时间提前，说明SlSP3D是一个开花促进基因[11]。转录因子FLC和光敏色素B1可以抑制FT基因的表达[13]。

在拟南芥中，FT的同源基因TFL1，参与维持茎尖分生组织的状态、延迟其向花器官的转变[14]，并与花序的形成有关[15]。TFL1蛋白抑制FT下游基因LEAFY（LFY）和 AP1的表达[16]，维持花序分生组织状态，抑制花芽分化[17]。tfl1拟南芥突变体叶片减少、开花提前，并且茎尖分生组织转化为顶端花；TFL1过表达，拟南芥的花期延长，次生花序数目增加[17]。

ATC和BFT过表达导致拟南芥晚花，与TFL1基因过表达具有相似的表型，MFT过表达导致开花时间略有缩短，但这些基因的功能缺失突变并没有显示出任何明显的表型[7]。MFT在种子萌发过程中也具有一定的作用[18]。TSF与FT在氨基酸水平高度相似，TSF促进开花，但只有在短日照条件下才有明显的早花表型[5]。

植物成花转变是一个复杂的过程，依赖于基因互作遗传网络的精细调控，FT/TFL1在该过程中起着重要的作用。人们对拟南芥和水稻等模式植物的FT/TFL1研究比较深入，但是在谷子中相关的研究较少。

本试验通过对谷子FT/TFL1基因家族进行生物信息学分析，初步探究FT/TFL1基因家族与成花转变的关系，旨在为深入研究谷子抽穗开花机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 筛选拟南芥、水稻和谷子FT/TFL1家族成员

在拟南芥中，有6个FT/TFL1家族成员已被报道，利用 NCBI（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）和Phytozome（https://phytozome.jgi.doe.gov/）网站在线搜索拟南芥FT/TFL1家族成员蛋白序列并下载，通过BLAST比对，得到水稻和谷子FT/TFL1家族成员的蛋白序列和启动子序列。

1.2 构建FT/TFL1家族系统发育树

通过MEGA7[19]软件对谷子、拟南芥以及水稻FT/TFL1家族成员进行蛋白序列比对，利用Neighbor-joining算法分析构建系统发育树，选择Bootstrap方法，其他参数选择默认值。

1.3 FT/TFL1家族保守序列分析

利用MEME v4.11.0（http://meme-suite.org/tools/meme）网站在线分析拟南芥、水稻和谷子的保守序列。保守位点的宽度设置为≥6和≤50，最大保守序列鉴定数目设定为10。

1.4 FT/TFL1家族启动子元件分析

利用 PlantCARE（http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）在线分析启动子元件。

1.5 FT/TFL1家族表达模式分析

利用R[20]软件的heatmap函数绘制基因表达热谱图。

2 结果与分析

2.1 FT/TFL1家族系统发育树分析

拟南芥FT/TFL1基因家族中已知的6个成员FT，TSF，MFT，TFL1，BFT 和 ATC 根据其结构和功能分为3个亚类，分别为FT亚类（包括FT和TSF），MFT亚类和 TFL1亚类（包括 TFL1，BFT和ACT 基因）[5，7，21]。

为了分析谷子FT/TFL1家族成员的系统进化关系，利用Mega 7.0软件构建了拟南芥、水稻和谷子的系统进化树。从图1可以看出，谷子FT/TFL1家族可以分为3个亚类，即FT，MFT和TFL1亚类，FT和MFT亚类对开花起促进作用，TFL1亚类抑制开花，同一亚类的基因具有相同或相似的功能，在植物开花过程中共同作用，调控植物开花。

2.2 FT/TFL1家族保守序列分析

利用MEME在线软件对拟南芥、水稻和谷子的FT，MFT和TFL1亚类的蛋白保守位点进行了分析，结果如图2所示，3个亚家族成员均有一段含有50个氨基酸残基的保守序列。FT亚家族的保守基序为X2DPDXPXPSXPX3EXLHWXVTDIPX7GXEX3YE XPXPX2GXH，MFT亚家族的保守基序为MTDPDAP SPSXPXMREX2HWXVX2IPGGTX4GX5YMXPRPXVG IH，TFL1亚家族的保守基序为EX2GXDXRSFFTLX MXDPDXPXPSX5EXLHWXVTXIPGTTDX2FGXE。FT和TFL均有一个决定其功能的关键氨基酸残基，FT蛋白的第85位是一个酪氨酸残基，对控制开花时间具有重要的作用[22]，TFL1蛋白第88位的组氨酸对于维持顶端分生组织的生长和延迟开花起主要作用，MFT蛋白的色氨酸也能促进拟南芥开花，但是相对于组氨酸和酪氨酸作用较弱，这几个主要的氨基酸残基与其他残基共同作用，调控拟南芥成花转变[23]。

2.3 FT/TFL1家族启动子序列分析

利用PlantCARE软件在线分析谷子FT/TFL1基因启动子区顺式作用元件，结果发现，除了启动子和增强子区常见的顺式作用元件CAAT-box和核心启动子元件TATA-box外，还具有光响应元件sp1和G-box，胚乳表达顺式作用元件Skn-1_motif以及与逆境胁迫相关的顺式作用元件，如脱落酸响应元件ABRE、低温响应元件LTR和厌氧诱导响应元件ARE等（表1）。说明FT/TFL1基因家族成员在胚乳表达、响应光信号和抵抗逆境过程中起重要作用。

表1 谷子FT/TFL1基因家族启动子顺式元件预测

续表1

2.4 FT/TFL1家族表达模式分析

通过NCBI和Phytozome网站检索到29个谷子FT/TFL1基因家族成员，通过Phytozome网站，统计了FT/TFL1基因家族成员在各个组织中的表达量，通过R语言中的heatmap函数绘制热图，结果发现，Seita.4G180200基因在穗中的表达量最高，Seita.4G122200基因在穗中的表达量也较高，Seita.4G122200基因在根中的表达量最高；TFL1亚家族的Seita.1G180300和Seita.7G324800基因在根中的表达量较高，Seita.4G122200的在叶中和苗中的表达量也较高。FT/TFL1家族不同成员在谷子不同组织中的表达量存在显著差异（图3）。