辣椒DREB转录因子鉴定及其在涝害胁迫下的表达分析
2023-06-08郑佳秋王薇薇梅燚吴永成万红建潘宝贵尤春刘哲沈峰冯汝超
郑佳秋 王薇薇 梅燚 吴永成 万红建 潘宝贵 尤春 刘哲 沈峰 冯汝超
摘要: 基于辣椒全基因组序列,对辣椒脱水响应元件结合因子(DREB)基因家族进行鉴定、系统分析、染色体定位,并对涝害胁迫下其表达特性进行研究。在辣椒基因组中鉴定出40个CaDREB基因,分布在12条染色体上,编码108~452个氨基酸。系统进化树分析结果表明,辣椒DREB基因分为3大类。胁迫数据分析结果表明,在涝害胁迫下,CaDREB家族中的一些基因表达发生变化。
关键词: 辣椒;DREB;基因结构;涝害胁迫;表达分析
中图分类号: S641.3 文献标识码: A 文章编号: 1000-4440(2023)01-0148-12
Identification of DREB transcription factor in pepper and expression analysis of DREB gene under waterlogging stresses
ZHENG Jia-qiu1, WANG Wei-wei1, MEI Yi1, WU Yong-cheng1, WAN Hong-jian2, PAN Bao-gui3, YOU Chun4, LIU Zhe1, SHEN Feng1, FENG Ru-chao1
(1.Institute of Agricultural Sciences in Coastal Area of Jiangsu Province,Yancheng 224002,China;2.Zhejiang Academy of Agricultural Sciences,Hangzhou 310021,China;3.Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;4.Yancheng Vegetable Technical Guidance Station, Yancheng 224002,China)
Abstract: Based on the whole genome sequence of pepper, identification, phylogenetic analysis and chromosomal location were done for dehydration responsive element-binding factor (DREB) gene family of pepper, and its expression characteristics was studied under waterlogging stress conditions. The results showed that, 40 CaDREB genes were identified and were distributed on 12 chromosomes, encoding 108-452 amino acids. Analysis of phylogenetic tree showed that, CaDREB genes from pepper were grouped into three classes. Stress data analysis showed that, the expression of some members of the CaDREB gene family altered under waterlogging stress conditions.
Key words: pepper;DREB;gene structure;waterlogging stress;expression analysis
辣椒(Capsicum annuum L.)属于茄科(Solanaceae)辣椒属(Capsicum),原产于中南美洲热带亚热带地区,在中国有着悠久的栽培历史,年种植面积约2.13×106hm2,是中国种植面积最大的蔬菜作物之一。其漫长悠久的栽培史预示着辣椒具有较强的耐受性,能够适应各种气候环境的变化[1-2]。然而,辣椒属于旱生浅根性植物,再生能力差,极易受到水涝胁迫危害,淹水数小时便会成片死亡,经济损失严重[3],挖掘辣椒抗逆性候选基因已是当前辣椒抗逆育种的重要基础工作。有研究结果表明,脱水响应元件结合因子(DREB)在植物应答非生物胁迫抗性调控中具有重要作用[4-6]。在水稻、馬玲属和花生等作物中均有DREB基因家族的报道,但还没有全面了解辣椒属中DREB基因的结构和功能。
植物特有的DREB基因是AP2/ERF基因家族的一个分支,家族中每个成员都包含一个AP2结构域,在应对非生物胁迫中具有重要作用[7]。根据AP2结构域的数量和不同的保守域,AP2/ERF基因家族分为ERF、DREB、AP2、RAV 和 Soloist[8]。ERF 和 DREB都含有1个AP2结构域,它们的区别在于AP2结构域上氨基酸第14和19位点,ERF亚家族中是丙氨酸(A)和天冬氨酸(D),而DREB亚家族中则为缬氨酸(V)和谷氨酸(E)[9]。DREB最早在耐盐和盐敏感的拟南芥植株中被发现,定名为 DREB1/DRBF-1 [10]。目前已经在拟南芥、稻属[8]、小麦属 [11-12]、玉米 [13-14]、大豆 [15]、高粱[16]、辣椒[17]、花生[18]和油菜 [19]等作物上鉴定出DREB基因,其中拟南芥中鉴定出56个DREB基因,数量最多。DREB特异结合的顺式作用元件DRE核心序列是5′-TACCGACAT-3′,在拟南芥和水稻中DRE结合的DREB1A基序是5′-ACCGAC-3′或者5′-GCCGAC-3′,物种间具有保守性,这有助于通过基因工程提高植物的耐受性[20]。DREB基因除了DRE元件结合位点外还有几个保守基序,如N端的核定位信号(NLS)、丝氨酸/苏氨酸的富集区。DREB1中NLS在N端一直都是保守的,如“PKRPAGRTKFRETRHP”,在C端LWSY区域是保守的。
DREB三个亚族中DREB1的结构、功能和分子机制的研究较全面,但DREB2 和 DREB3的研究较少。有研究结果表明冷胁迫可以诱导DREB1基因,而DREB2基因则与盐、干旱和热胁迫相关[21-22],但需要翻译后修饰和磷酸化来激发DREB2基因活性。AtDREB1A、OsDREB1A和OsDREB1B响应冷胁迫,而OsDREB2A与干旱和高盐胁迫相关[23-24]。研究发现冷应激和干旱可诱导小麦TaDREB1、WCBF2和WDREB2表达,WDREB2同时响应盐胁迫。大豆中鉴定的DREB基因大多与干旱和盐胁迫相关。干旱和盐胁迫可快速诱导辣椒中CaDREB-LP1表达。DREB不仅表现为胁迫特异性,还表现出组织表达特异性,如盐胁迫下AhDREB1在根中大量表达,但在茎和叶片中表达较弱[25]。非生物胁迫下GmDREBa和GmDREBb在叶片中表达量较高,而GmDREBc则在根部大量表达[26]。DREB调控植物响应非生物胁迫的分子机制分为2种,第一种是DREB基因激活对应激产生特异反应的基因,直接调控它们的表达水平,第二种是DREB基因调控其他的TFs进一步诱导它们自己的靶基因产生应激。因此DREB能够同时诱导多个胁迫敏感基因,调控植物应对非生物胁迫[27]。
辣椒富含维生素C和辣椒素,营养价值丰富[28],辣椒在全球各地广泛种植,种植面积和消费量已使其成为世界第三大蔬菜。研究辣椒抗逆育种栽培,有利于提高辣椒产量和品质。DREB基因可以不依赖于ABA途径而发挥作用,因此在提高植物非生物胁迫耐力上具有重要作用。本研究基于辣椒全基因组序列,鉴定辣椒中DREB基因家族,分析系统发育关系及不同组织和涝害胁迫下的表达模式,系统地分析辣椒中DREB结构和功能,了解DREB基因在辣椒中的进化模式,为进一步探索其功能、创制抗逆新种质资源奠定基础。
1 材料与方法
1.1 CaDREB基因家族的鉴定
从数据库中(www.uniprot.org)下载拟南芥、稻属、番茄、马铃薯的DREB蛋白序列,用蛋白质家族数据库(http://pfam.xfam.org)鉴定已下载的DREB蛋白质序列中的AP2结构域序列,用这些结构域进一步鉴定辣椒基因组中的候选DREB蛋白。通过BLAST在辣椒的基因组(http://peppersequence.genomics.cn/page/species/index.jsp)中找到中国栽培辣椒遵辣-1。利用hmmer3在EMBL-EBI (http://pfam.xfam.org)上发现候选DREB中保留了1个重要的AP2结构域,根据辣椒注释库(http://peppersequence.genomics.cn/page/species/index.jsp)进行注释。
1.2 CaDREB基因家族的多序列比对、系统发育树分析和染色体定位
外显子-内含子结构模式图由GSDS(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)绘制。通过ClustalX软件对遵辣-1基因组和拟南芥、水稻中鉴定的DREB/ERF进行氨基酸序列比对,再用MEGA 6.0软件采用邻接法(NJ),校验参数Bootstrap重复1 000次,构建系统进化树[29],依据已知的拟南芥中DREB的分组将辣椒中的DREB进行分类。结合辣椒基因组数据库中获得的辣椒DREB基因位置信息,利用Mapmark 3.0进行染色体定位,在线(http://chibba.agtec.uga.edu/duplication/index/locus)分析这些基因的串联重复和片段重复特征。比对“遵辣-1”辣椒基因组中的所有基因 (参数:E值为1×10-5), 利用MCScanX系统参数分析整个基因组中的串联重复和片段重复特征[30]。
1.3 试验材料和RT-PCR分析
耐涝辣椒材料涮椒(Capsicum chinense Jacq. )和涝敏感辣椒栽培种0453(Capsicum annuum L.)种子由江苏沿海地区农业科学研究所蔬菜花卉研究室提供。辣椒种子用55 ℃温水处理20 min后,放在28 ℃水中浸泡6 h,取出种子用濕纱布包好,置于30 ℃黑暗光照培养箱中进行催芽,每天用自来水冲洗1次,大约4 d种子露白,播于穴盘中育苗,放在塑料大棚中进行生长,培养条件为昼温20~28 ℃、夜温10~18 ℃。于六叶一心期进行涝胁迫处理,水层高于土层表面2 cm左右,于试验开始时及开始后第2 d、4 d、6 d、10 d分别对辣椒根、茎、叶取样,通过荧光定量法分析DREB基因在辣椒组织中的表达情况。
采用RNA提取试剂盒(ISINOGENE/R1002L),参考说明书分别提取辣椒根、茎、叶的总RNA。参照逆转录试剂盒(Applied Biological Masterials Inc/G492)说明书合成cDNA。CaDREB基因特异引物由Prime5软件设计。
采用实时定量PCR检测CaDREB基因在涝害胁迫下的时空表达,用qPCR试剂盒(品牌及型号:Applied Biological Masterials Inc/MasterMix-S),在荧光定量PCR仪(品牌及型号:Thermo Fisher/7300 Plus Read-Time PCR System)上检测基因的表达量。总反应体系为10 μl:5.00 μl EvaGreen 2×qPCR Master MiX混合液,1.00 μl Template DNA,0.25 μl上游引物(10 μmol/L),0.25 μl下游引物(10 μmol/L),3.50 μl Nuclease-free H2O。PCR条件为二步法:95 ℃变性10 min;之后每一步95 ℃变性15 s,63 ℃退火延伸30 s,40次循环。每次在延伸阶段读取荧光值。循环结束后制作熔解曲线。基因表达水平的计算参照2-△△Ct法[31]。
2 结果与分析
2.1 CaDREB基因的鉴定
从通用蛋白质资源库(Uniprot)中下载42个已知DREB蛋白,其中15个来自拟南芥,16个来自稻属,4个来自番茄,7个来自马铃薯。用这42个DREB蛋白中的AP2结构域通过BLAST鉴别出136个辣椒蛋白质含有AP2结构域,这136个蛋白质包含116个DREB/ERF 蛋白, 17个AP2蛋白, 1个RAV蛋白,1个包含3个AP结构域的蛋白质,1个包含2个AP2结构域和1个RRM_DME域的蛋白质。利用hmmer3 在 EMBL-EBI中发现 116个 DREB/ERF 基因编码蛋白质中每个蛋白质都包含一个典型的AP2结构域。基于多序列比较和系统发育分析,从上述基因群中分离出40个辣椒DREB(CaDREB),针对这一家族开展研究。CaDREB基因编码的蛋白质有108~452个氨基酸,其中CaDREB2-12编码的蛋白质最长,有452个氨基酸,CaDREB1-10编码的蛋白质最短,有108个氨基酸(表1)。
2.2 CaDREB基因的结构分析
通过分析CaDREB基因结构进化情况,发现CaDREB基因内含子较少。组Ⅰ中除了CaDREB1-6有一个比较长的和一个短的内含子外其他基因都没有内含子。组Ⅱ中一个分支上的5个基因(CaDREB2-8、CaDREB2-7、CaDREB2-2、CaDREB2-10、CaDREB2-1)都有内含子,其他分支上,除CaDREB2-5和CaDREB2-12外其他基因都没有内含子,表明在辣椒DEREB基因家族演变过程中分支上共同经历了内含子增加事件。在组Ⅲ中除了CaDREB3-4 有一个相对短的内含子,CaDREB3-3有一个相对长的内含子,其他基因没有内含子,表明辣椒中DREB基因家族在演变过程中经历了数个内含子损益的事件(图1)。
2.3 CaDREB基因的系统发育树和保守序列分析
为了解CaDREB基因的序列特征,采用ClustalX和DNAMAN 6.0软件对辣椒40个CaDREB基因的AP2结构域进行多重序列比对(图2)。DREB蛋白质AP2第14位保守结构域是缬氨酸,第19位是谷氨酸[8]。本研究发现辣椒3个CaDREB亚组中只有CaDREB3中的第14位是保守的缬氨酸(V),CaDREB1和CaDREB2在組内相对保守,分别是赖氨酸(K)和色氨酸(W)。第19位氨基酸在各组内部是相对保守的:CaDREB1中是异亮氨酸(I),CaDREB32中是精氨酸(R),CaDREB3 中是亮氨酸(L)。依据DREB在拟南芥和水稻中的分类,辣椒中40个DREB基因分成3类:23个CaDREB1基因, 12个 CaDREB2 基因和5个 CaDREB3 基因(图3)。40个DREB基因的保守基序是YRG、WLG 和 RAYD,这些结构在CaDREB1 和CaDREB2中是保守的,而RADY未出现在 CaDREB3中,CaDREB1、CaDREB2和CaDREB3的每一组都有一个唯一的序列结构(图4)。
2.4 CaDREB基因家族的染色体定位和串联重复分析
40个DREB基因中,35个DREB基因不均匀地分散在辣椒的12条染色体上,另外5个基因不能定位在任何一条染色体上。这些基因倾向聚集在染色体1、3、4、6 和 9上,每条染色体上的基因数量大约在4~6个,在染色体2、7、8、10、11和12上每条染色体上定位1个基因。CaDREB3中只有CaDREB3-1和CaDREB3-2基因定位在有注释的染色体上(图5)。
一些DREB基因趋向聚集在一些染色体上,已形成3个聚集群。这些聚集群不均匀地分散在整个基因组中,集中在3条染色体上,每一个聚集群中大约有3~4个基因,最大的聚集群在1号染色体上,包含CaDREB1-3、CaDREB1-4、CaDREB1-5和 CaDREB1-6。本研究未发现在辣椒基因组中有片段重组。
2.5 CaDREB基因在不同组织中的表达分析
用RNA-seq数据库分析高等植物基因的不同表达水平非常便利[32]。本研究从遵辣-1 RNA序列数据库中分析40 个DREB基因在辣椒蕾、花、根、茎和叶中的表达水平。其中CaDREB3-2、CaDREB1-10、CaDREB2-9和CaDREB2-3基因在任何组织中都没有表达,其余36个 CaDREB基因表达量因基因和组织的不同而变化(图6),表现出组织特异性。大多数第1类DREB基因集中在茎中高量表达,如基因CaDREB1-6、CaDREB1-9、CaDREB1-19、 CaDREB1-20、CaDREB1-13、CaDREB1-3和CaDREB1-18只在茎中表达,表现茎的表达特异性。CaDREB2-4、CaDREB2-5和CaDREB1-8在叶片中高量表达,在其他组织中的表达量很弱。CaDREB1-16、CaDREB1-14、CaDREB2-11、CaDREB3-3和CaDREB3-5表现为根表达特异性。CaDREB1-17、CaDREB1-23、CaDREB2-1和CaDREB2-10在蕾中表达量最高,CaDREB1-1和CaDREB3-4在花中表达量最高,而第3类DREB基因中只有CaDREB3-4在花和蕾中表达量均较高,推测它们与作物的生殖生长相关性较大。
2.6 CaDREB基因的表达模式分析
为研究CaDREB基因在涝害胁迫下的响应情况,将耐涝材料涮椒和涝敏感栽培种0453在六叶一心期时进行涝胁迫处理,水层高于土层表面2 cm左右,于试验开始时及开始后第2 d、4 d、6 d、10 d分别对根、茎、叶用荧光定量方法分析DREB在辣椒组织中的表达情况。从图7中看出,在涝害胁迫下随处理时间延长,第Ⅰ类的CaDREB1-4和CaDREB1-5基因在辣椒叶片、茎和根部表达量逐渐上升,但在耐涝材料涮椒和涝敏感材料0453中表达量没有明显差异,而CaDREB1-18在涝胁迫第2 d时在辣椒茎和根部表达量快速上调随后下降,第6 d时表达量再次上调,第10 d时在耐涝材料涮椒茎和根部表达量明显高于栽培椒0453。第Ⅱ类的CaDREB2基因表达量在不同组织和不同处理时间中整体均较低,而CaDREB2-8表现出组织表达特异性,在叶片和茎部表达量较低,但在耐涝材料涮椒根部表达量呈上升趋势,在胁迫第2 d表达量达到最高峰,胁迫期间在根部的表达量均表现出耐涝材料涮椒高于栽培椒0453,与盐胁迫下转基因烟草中AhDREB1的表达量相一致[25]。第Ⅲ类的CaDREB3-5基因表达量在耐涝材料涮椒茎和根部随处理时间的延长上调,在胁迫第10 d时表达量明显高于涝敏感材料0453,推测CaDREB1-18、CaDREB2-8和CaDREB3-5这3个基因与植物耐涝性相关(图7)。
3 讨论
植物在逆境胁迫下,通过激活对应激产生特异性反应的基因来响应逆境[33-40],这些基因有直接编码重要抗逆性蛋白质的功能基因,也有编码调节蛋白的基因,在调节蛋白的基因中转录因子占比很大。许多植物通过转录因子启动基因的表达,主要受顺式元件和反式因子的调控。DREB类转录因子在植物应答逆境时能接受逆境信号并启动逆境应答基因的表达[26]。本研究基于辣椒全基因组序列,鉴定出DREB基因并探讨了其染色体定位、结构特性、系统进化树、结构域、非生物胁迫下的表达情况。
本研究在辣椒中鉴定出40个CaDREB基因,依据拟南芥和水稻中DREB的分类方法,将这40个DREB基因分成3大类:CaDREB1(23个)、CaDREB2(12个) 和CaDREB3(5个)。关于拟南芥的研究发现,DREB亚组的第14位氨基酸残基都为缬氨酸(V),但第19位氨基酸残基不都为谷氨酸(E)[41]。本研究在多序列比对中发现,在AP2结构域氨基酸第14位上只有CaDREB3 中是保守的缬氨酸(V),而CaDREB1是赖氨酸(K),CaDREB2是色氨酸(W),第19位氨基酸在各组内部是相对保守的,可见该位点的保守性并不是绝对的,且其在不同物种中的保守性也有些差异。40个DREB基因的保守基序包含YRG、WLG 和 RAYD,但 RAYD没有出现在CaDREB3中。40个DREB只中有35个DREB基因不均匀地分散在辣椒的12条染色体上,聚集趋向发生在CaDREB1和CaDREB2 2个亚组,最大的聚集群在1号染色体上,包含CaDREB1的4个基因,未发现重组片段。Kong等[42]研究认为,在多基因家族进化中内含子和外显子结构起主要作用。本研究的内含子和外显子结构分析揭示了CaDREB基因含有少量的内含子,最多有1~2个内含子,这与菠萝[43]和大麦[44]中的报道相一致。Jeffares等[45]提出,能快速響应各种胁迫的基因内含子数量较少,CaDREB家族的这种基因结构推测将有助于辣椒在应对胁迫时能快速激活基因响应应激。
本研究发现,大多数的CaDREB1基因集中在茎中高量表达,如基因CaDREB1-6、CaDREB1-19 只在茎中表达,而CaDREB3基因中只有CaDREB3-4在花和蕾中表达,且在花中高量表达,表现出组织表达特异性,这与在大豆中的研究结果相一致[26]。部分CaDREB基因能够被不同组织器官(叶、茎和根)差异性调节,表明它们参与了不同非生物胁迫响应和植物激素通路。通过荧光定量PCR研究发现,在涝害胁迫下CaDREB基因在不同组织和不同处理时间中表现出差异表达,其中第2类CaDREB基因在涝胁迫处理期间,在叶片、茎和根部的整体表达量均较低,而CaDREB1-18、CaDREB2-8和CaDREB3-5基因表达量在耐涝材料涮椒茎和根部随处理时间的延长明显上调且高于涝敏感栽培椒0453,推测这3个基因与植物耐涝性相关,需要进一步验证这些基因在植物非生物胁迫中的功能。
本研究基于辣椒全基因组数据库鉴定出40个CaDREB转录因子基因,分布在12条染色体上,参考拟南芥将系统进化树分为3类,各亚组内氨基酸序列相对保守。序列分析结果显示CaDREB基因内含子较少(1~2个)。CaDREB基因表达具有组织特异性,涝害胁迫下的表达模式分析结果表明,有3个基因在耐涝材料涮椒的茎部和根部表达量均明显上调。这些信息将为深入探究CaDREB基因在辣椒上的功能提供基础。
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(责任编辑:张震林)