植物OSCA1家族的起源与进化

柴利芳

摘要 OSCA（reduced hyperosmolality-induced [Ca2+]i increase channel）是高渗性门控非选择性的钙渗透阳离子通道，它在感受外源和内源的渗透变化以及调节植物生长发育中起着关键作用。目前关于OSCA1家族的研究大多集中在功能方面，而关于系统发育分析的研究较少，尤其是在植物界没有采集大量的样本并进行深入研究。通过对植物界目前已完成全基因组测序的82个物种OSCA1家族的系统发育分析来探究该家族的起源与进化。研究表明，OSCA1在被子植物中可以分为四大分支（OSCA1.2、OSCA1.5、OSCA17和OSCA1.8），且该家族在整个高等植物中为一个单系;在OSCA1家族的8个成员中均发生了基因重复事件;OSCA1家族在低等到高等植物中的数量分布大致呈现递增趋势。以上结果不仅可以完善植物界中OSCA1家族的进化历史，而且能够为进一步研究其功能提供充足的理论依据。

关键词 OSCA;通道蛋白;基因重复;系统发育

中图分类号 Q943文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）20-0001-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.001

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Origin and Evolution of OSCA1 Family in Plants

CHAI Li fang

（College of Life Science of Shanxi Normal University，Linfen，Shanxi 041000）

Abstract OSCA （reduced hyperosmolality induced [Ca2+]i increase channel） are hyperosmolarity gated non selective cation channels that permeates calcium ions. OSCA family plays a key role in sensing exogenous and endogenous osmotic changes and regulating plant growth and development. Most of the current researches on the OSCA1 family focused on functions， but few on phylogenetic analysis.There were no further studies using a large number of samples in plants.In this study， we investigated the origin and evolution of OSCA1 family in 82 species in plants that had completed genome sequencing. The results were as follows：OSCA1s in angiosperms could be divided into four branches （OSCA1.2， OSCA1.5， OSCA1.7 and OSCA1.8）， and that OSCA1s was monophyletic in the whole higher plants. There were gene duplication events occurred in all 8 members of OSCA1 family.The number of OSCA1 family in lower to higher plants showed an increasing trend in general.The above results could be not only helpful for us to know the phylogeny of OSCA1 family in plants， but also helpful for further study of its functions.

Key words OSCA;Channel protein;Gene duplication;Phylogeny

渗透变化的应答对植物生长、发育和繁殖至关重要[1]。而OSCA1是一种Ca2+渗透性阳离子通道蛋白，在高渗应激诱导中起重要作用[2]。真核细胞通过Ca2+传导通道能够产生胞质Ca2+信号。Ca2+是动植物适应反应和发育过程中的一种多功能信使。钙（Ca2+）浓度的空间和时间变化实现了所有真核生物重要的信号调节功能[3-4]。植物和动物在Ca2+通道和Ca2+结合蛋白的互补性上表现出显著差异。

OSCA1.1是由美国杜克大学裴真明教授研究小组在研究拟南芥（Arabidopsis thaliana）突变体的过程中发现的，他们发现质膜蛋白OSCA1.1是一种介导Ca2+增加的离子通道。OSCA1.1形成非选择性阳离子通道，其渗透质膜上的Ca2+被高渗激活[5]。在渗透压胁迫下，OSCA1.1对保卫细胞和根细胞的渗透性造成影响，从而影响Ca2+信号传导，减少水分蒸腾和调节根系生长。研究发现，拟南芥OSCA1家族共由8个成员组成，分别为OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3、OSCA1.4、OSCA1.5、OSCA1.6、OSCA1.7、OSCA1.8[6]。

2014年，Hou等[7]在拟南芥鉴定过程中获得了膜整合蛋白（CSC At4g22120，也被称为OSCA1.2），它是调控Ca2+渗透性的阳离子通道，并与OSCA1.1保持高度的同源性。該蛋白可以在高渗胁迫下增加细胞内Ca2+浓度，对K+和Na+具有一定的渗透性。

OSCA1是一种非常重要的蛋白，它编码植

物细胞膜中的蛋白质，感知水的可用性变化。基于该蛋白家族，笔者对物种间的系统发育关系进行更进一步的研究，构建系统进化树，并分析OSCA1家族在植物界中的分布与进化，并增加从水生植物到陆生植物、从关键低等植物到高等植物的采样，以期为后续OSCA1家族的功能验证提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 序列搜集与比对

通过一系列的进化分析探索了植物中OSCA1家族的进化历史。首先，通过双向BLAST的方法在GeneBank（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov）数据库中搜索OSCA1蛋白。为了计算OSCA1在植物中不同进化阶段的拷贝数目及变化情况，根据已完成的基因组测序物种的分布情况，选择其中的82个物种，它们涵盖了藻类植物、苔藓植物、蕨类植物、被子植物及其大部分内部支系的四大分支（表1），剔除过短的序列和歧义位点过多的序列，经过整理和分析，保留了高质量的且具有类群代表性和拷贝数代表性的序列。

在进行多序列比对时，先使用CLUSTALW生成原始矩阵，再用Bioedit对最初的比对结果进行手工调整。在获得相对可靠的矩阵后，再产生一棵树，并重复上面的操作，进行反复调整，直至序列比对比较可靠、合理。

1.2 系統发育分析

考虑到数据量较大，在系统发育分析中，主要使用MEGA7.0软件，用邻接法（neighbor joining，NJ）和最大简约法（maximum parsimony，MP）构建系统发育树。其中NJ树3个参数的设置：①test of phylogeny（建树检验方法），是用来检验建树质量的。默认的检验方法是步长检验（bootstrp method），步长测试需要设定检查次数，通常为100的倍数，该研究的默认设置为1 000。②substitution model，它是选择遗传距离时使用的计算模型。理论上应尝试各种模型，并根据测试结果选择最合适的模型计算。实际上，可尝试选择更简单的距离模型，比如p-distance，该研究中，氨基酸矩阵使用p-distance模型。③缺口/缺失数据处理，大多数树构建方法需要删除多序列比对中具有多个空位的列。但是根据遗传距离测量的不同方法，删除原则也不同。如果遗传距离是通过序列之间不同残基的数量来衡量的，则需要选择完全缺失。该研究中，选择部分删除（partial deletion），删除程度设定为50%。MP树最早源于形态性状方面的研究，现在已扩展到分子序列的进化分析中。最大简约法对所有可能的拓扑结构进行计算，能够计算出所需替代数最小的拓扑结构，并将其作为最优树，适用于亲缘关系较近的序列。该研究使用TBR模型，支持率以自展（bootstrap）法获得，重复取样1 000次。BS值只显示50%以上的支持率。

2 结果与分析

2.1 OSCA1的系统发育分析

用NJ法对植物OSCA1进行系统发育分析，结果如图1所示。因亲源关系较远，其中基部类群的绿藻门单独聚为一支，且与高等植物无支持率，在其物种内部发生了一次基因重复事件。通过对在绿藻门中分布的OSCA1的分析，可以看出，OSCA1是一类非常重要的蛋白，它会发生多次重复事件，并且将保留每次迭代产生的新基因。苔藓植物小立碗藓（Physcomitrella patens）和蕨类植物江南卷柏（Selaginella moellendorffii）也都分别发生了基因重复事件。基因树与物种树大致相符。

用MP法对植物OSCA1进行系统发育分析，结果如图2所示。可以看出，OSCA1在被子植物中广泛分布，分别有基因重复事件的发生，且在整个植物界只有一个大分支，这与NJ树的结果基本保持一致。

为更明显直观地分析植物OSCA1的系统发育关系，分别对OSCA1.1～OSCA1.6、OSCA1.7和OSCA1.8这三大分支进行进一步分析。

2.2 OSCA1.1～OSCA1.6的系统发育分析

植物OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3、OSCA1.4、OSCA1.5和OSCA1.6的系统发育分析见图3。OSCA1.2和OSCA1.5在被子植物中广泛分布，数量不一，而OSCA1.3、OSCA1.4和OSCA1.6仅在真双子叶植物的十字花科植物中分布。在单子叶植物的禾本科和棕榈科起源之前分别发生了一次基因重复事件。

OSCA1.2在锦葵科棉属、杨柳科杨属以及十字花科萝卜与芸薹属起源之前分别发生了基因重复事件，在蔷薇科植物中，苹果（Malus domestica）和梨（Pyrus bretschneideri）发生了一次基因重复事件。OSCA1.5在锦葵科棉属和杨柳科杨属起源之前分别发生了重复事件。OSCA1.6仅在真双子叶植物的十字花科中有分布，其中，在芸薹属植物白菜（Brassia rapa）、欧洲油菜（Brassica napus）、甘蓝（Brassica oleracea）和萝卜（Raphanus sativus）起源之前发生了基因重复事件。

在十字花科起源之前发生了基因重复事件，其中OS CA1.2重复产生OSCA1. OSCA1.5重复产生OSCA1.6，OSCA1.3和OSCA1.4也来自于同一个祖先。OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3和OSCA1.4这4个成员中，OSCA1.1与OSCA1.2、OSCA1.3与OSCA1.4可能来自于一次重复事件，它们可能都来源于OSCA1.2。在菊分支和蔷薇分支分开之前发生了一次基因重复事件，出现了OSCA1.2和OSCA1.5这两大分支，在十字花科起源之前由2个成员演变为6个，即OSCA1.2演变为OSCA1.1、OSCA1.2、OSCA1.3和OSCA1.4，OSCA1.5演变为OSCA1.5和OSCA1.6。

2.3 OSCA1.7的系统发育分析

植物OSCA1.7的系统发育分析见图4。OSCA1.7在被子植物中广泛分布。其中，在真双子叶植物茄科、大戟科木薯属、锦葵科棉属起源之前分别发生了基因重复事件。藜科植物藜麦（Chenopodium quinoa）、傘形科植物胡萝卜（Daucus carota）、木棉科植物榴莲（Durio zibethinus）和豆科植物花生（Arachis hypogaea）中分别发生了一次基因重复事件。

2.4 OSCA1.8的系统发育分析

植物OSCA1.8的系统发育分析见图5。OSCA1.8也在被子植物中广泛分布。其中，在真双子叶植物杨柳科杨属起源之前发生了基因重复事件。在睡莲科植物莲（Nelumbo nucifera）和旋花科植物牵牛花（Pharbitis nil）中分别发生了一次基因重复事件。

3 讨论

OSCA1编码植物叶片和根细胞膜中的蛋白质，作为离子通道，在干旱期能够允许Ca2+进入细胞。OSCA1家族在功能上与拟南芥的渗透胁迫反应相关，是植物渗透感受机制的重要成分。基因重复事件在进化过程中起重要作用，为植物提供了丰富的遗传原料，以应对环境胁迫机制的演变，从而促进植物进化。通过对82个物种的OSCA1家族进行系统发育分析，可以得出在该家族的8个成员中均有基因重复事件的发生。

OSCA1.1与OSCA1.2、OSCA1.3与OSCA1.4、OSCA1.5与OSCA1.6两两之间分别聚为一支。OSCA1.1、OSCA1.3、OSCA1.4、OSCA1.6仅在十字花科中分布，在十字花科起源之前发生了多个基因重复事件，其中，OSCA1.2重复产生OSCA1.1、OSCA1.5重复产生OSCA1.6，因此可以看作是十字花科起源之前的一次重复事件造成的OSCA1.1与OSCA1.2、OSCA1.3与OSCA1.4、OSCA1.5与OSCA1.6的基因重复。禾本科植物单独聚为一支，且位于基因树的基部，这可能与禾本科植物基因的快速进化有关。OSCA1.7与OSCA1.8分别单独聚为一支。

从小立碗藓开始，整个高等植物中只有一支OSCA 且支持率都高达100%。通过OSCA1各成员在植物中的分布情况以及相关基因重复事件的发生可以得出，OSCA1在被子植物中可能最多有四大分支（即OSCA1.2、OSCA1.5、OSCA1.7和OSCA1.8）。

古多倍化也称为全基因组加倍，是物种进化的重要机制之一，对物种进化有推动作用[8-9]。全基因组加倍也可能对基因组的进化有推进作用[10-11]。此前有研究表明，真双子叶植物的祖先在115百万～130百万年前经历了一次全基因组三倍化事件[12]，此后十字花科植物经历了2次十字花科作物共有的加倍（brassicaceae common duplication，BCD），分别称为BCD-β、BCD-α，随后萝卜与芸薹属作物共同经历了一次芸薹属全基因组三倍化[13]。该研究中的基因重复事件可能与这些全基因组加倍事件相关。

该研究通过对82个物种的OSCA1家族进行取样，结果表明，OSCA1家族在藻类植物中已有分布，且其在低等到高等植物中的数量分布大致呈现递增趋势。

参考文献

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