辣椒果胶裂解酶基因家族的生物信息学分析

赵铮 史帅朋 石明军 魏兵强

摘要：为了解辣椒果胶裂解酶（Pectin lyase like，PLL）基因家族成员数量、理化结构及可能参与的生物学过程，以期为全面鉴定和认识辣椒CaPLLs基因家族的生物学功能提供研究基础。利用全基因组扫描方法和在线生物信息学工具对辣椒CaPLLs基因家族进行了鉴定和分析。结果在辣椒参考基因组的9条染色体上共鉴定出28个CaPLLs基因家族成员，且分别隶属于5个亚族；CaPLLs家族成员的氨基酸序列长度介于183～762 aa，分子量范围为19.65～84.31 kDa，等电点范围为5.39～9.44。保守基序及结构域分析表明，CaPLLs家族成员共有10个保守基序，所有成员均含有Pec_lyase_C结构域。有多种与激素、胁迫应答和生长发育相关的顺式作用元件存在于CaPLLs基因的启动子区域中。由此可见，这28个CaPLLs基因家族成员同一亚家族基因之间高度保守。

关键词：辣椒；果胶裂解酶；基因家庭；生物信息学

中图分类号：S641.3               文献标志码：A               文章编号：2097-2172（2024）05-0415-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.05.005

Bioinformatics Analysis of Pectin Lyase Gene Family in Peppers

ZHAO Zheng， SHI Shuaipeng， SHI Mingjun， WEI Bingqiang

（College of Horticulture， Gansu Agriculture University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： To understand the number of members of the pectin lyase like（PLL） gene family of pepper， their physicochemical structures， and the biological processes in which they may be involved， the CaPLLs gene family was identified and analyzed using genome-wide scanning and online bioinformatics tools. A total of 28 CaPLLs gene families were identified on nine chromosomes in the reference genome of pepper， belonging to five subfamilies. The length of the amino acid sequence of CaPLLs gene family ranged from 183 to 762 aa， molecular mass ranged from 19.65 to 84.31 kDa， and isoelectric points ranged from 5.39 to 9.44. The analysis of conserved motifs and structural domains showed that there were 10 conserved motifs in CaPLLs family， and all of them contained the Pec_lyase_C domain. A variety of cis-acting elements related to hormones， stress responses， and growth were predicted to be present in the promoter sequences of CaPLLs gene. In this study， 28 members of the CaPLLs gene family were identified， and highly conserved among genes in the same subfamily.

Key words： Pepper; Pectin lyase like; Gene family; Bioinformatics

植物細胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶组成，而果胶由1，4连接的α-D半乳糖醛酸（GalpA）残基组成，甲酯化程度高。植物细胞壁中的果胶是一种异构酶，包括4种类型：同聚半乳糖醛酸（Homogalacturonan， HG）、木聚糖（0Xylo galacturonan， XGA）、鼠李糖半乳糖醛酸I（RhamnogalacturonanI， RG-I）以及鼠李糖半乳糖醛酸II（Rhamnogalacturonan II， RG-II）［1 - 2 ］。果胶主要存在于初级细胞壁和中间层，不仅可以为高等植物初级细胞壁提供结构完整性与机械强度［3 ］，而且在快速生长的细胞中调节细胞壁的结构、性质和发育过程［4 ］。

果胶降解需要几种酶的共同作用，可分为两大类，分别是从果胶中去除甲氧基的甲基酯酶，以及裂解半乳糖酸单元之间键的解聚酶（水解酶和裂解酶）［5 ］。其中果胶裂解酶（Pectate lyase like，PLL）属于多糖裂解酶家族1（PL1），可以通过β-消除作用裂解HG半乳糖醛酸单元之间的α-1，4糖苷键［6 ］。在胡萝卜软腐欧文氏菌（Erwinia carotovora）和芽孢杆菌（Bacillus sp.）的培养物中初次发现PLL活性的存在［7 ］。接着，在真菌、植物花粉及花柱中也发现了一些类似的果胶裂解酶［8 ］。高等植物中果胶裂解酶基因PLL，最先是在番茄的花粉中被克隆，得到了2个序列类似于欧文氏杆菌的果胶裂解酶基因，随后陆续在其他植物中也鉴定到了PLL基因。有研究表明，番茄PLL基因在成熟的花药和花粉中表达［9 - 10 ］，PLL基因在植物的分泌组织发育、花瓣脱落、侧根发生和叶片衰老花粉发育和花粉管萌发等过程中均有被报道，但关于辣椒中的果胶裂解酶基因的数目以及其调控模式还未见报道。

辣椒（Capsicum annuum L.）原产于中南美洲热带地区，在墨西哥栽培甚盛，于16世纪后期引入中国，如今中国各地都有栽培并且呈逐年增大的趋势［11 ］。随着辣椒全基因组测序的完成，加快了辣椒的基础研究［12 ］。本研究采用参考基因组扫描方法，鉴定了辣椒CaPLLs家族成員，并分析了基因结构、染色体定位和顺式作用元件，以及蛋白的理化性质、保守基序等，旨在为全面鉴定和认识辣椒CaPLLs基因家族的生物学功能提供基础。

1   材料与方法

1.1   辣椒CaPLLs基因家族鉴定

辣椒的蛋白及基因序列来自茄科基因组数据库（Sol Genomics Network）。从pfam［Pfam is now hosted by InterPro（xfam.org）］数据库中下载果胶裂解酶保守结构域（Pectate_lyase_C），隐马尔可夫模型作为查询序列。利用HMMER3.0以PF00544为参考序列，查询其在辣椒中的候选果胶裂解酶基因家族成员，合并结果并删除冗余序列。设截断值E-value <10-5，以保证蛋白质序列的可靠性。去冗余后的序列用pfam和SMART［SMART： Main page（embl-heidelberg.de）］进一步筛选，最终确定辣椒果胶裂解酶基因家族成员。利用在线软件ProtParam（Expasy - ProtParam tool）对CaPLLs家族成员的蛋白质序列长度、分子量及等电点等理化性质进行分析［11 ］。

1.2   进化树、 染色体定位、 保守基序及结构域的分析

查找比对拟南芥、水稻和番茄的果胶裂解酶基因家族，并在各自数据库中下载相对应的蛋白序列。利用MEGA7.0构建上述3个物种和辣椒的系统进化树，构建方法为邻接法（neighbor-joining， NJ）［13 ］。将Bootstrap的重复次数设置1000，剩余设置选择默认选项。利用EvloView（https：//evolgenius.info/evolview-v2/#login）进行可视化分析［14 ］。

利用Mapchart对CaPLLs进行染色体定位及作图。利用MEME在线网站（https：//meme-suite.org/）对辣椒CaPLLs蛋白的氨基酸保守基序进行分析，模体基序长度设置为最小15 aa，最大150 aa，保守序列数目不超过10［15 ］。利用CDD在线网址（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml）分析CaPLLs蛋白的结构域，并利用TBtools对其保守基序和结构域进行可视化作图。

1.3   基因结构及顺式作用元件的分析

利用GSDS2.0（https： //www. ncbi. nlm. nih. gov/ Structure/cdd/cdd.shtml）分析基因结构。利用TBtool工具提取CaPLLs编码序列（coding sequence，CDS）的起始密码子上游2 000 bp序列作为启动子序列，启动子中的顺式作用元件预测在PlantCARE在线数据库（https： //bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/ plantcare/html/）中进行分析［16 ］。

2   结果与分析

2.1   辣椒CaPLLs基因家族鉴定

辣椒参考基因组中共有28个CaPLLs成员被鉴定出来（表1），采用染色体顺序与位置命名法，将其命名为CaPLL1～CaPLL28。CaPLLs的编码序列（CDS）长度为552～2 289 bp。CaPLLs基因家族编码的氨基酸序列长度介于183～762 aa，分子量变化范围为19.65～84.31 kDa，其中最大的是CaPLL5，最小的是CaPLL27。等电点介于5.39～9.44，CaPLL8的等电点最高（9.44），CaPLL27的等电点最低（5.39）。CaPLLs的不稳定系数除CaPLL7、CaPLL26、CaPLL18外，其余均小于40，表明其蛋白质相对稳定。此外蛋白质亲水性平均系数（GRAVY）范围为-0.482（CaPLL20）～-0.166（CaPLL27），说明它们可能为亲水蛋白。除此之外，预测到所有CaPLLs均定位于细胞外。

2.2   CaPLLs系统进化分析

选用辣椒、拟南芥、水稻和番茄PLL蛋白序列共同构建系统进化树（图1）。根据物种间PLL基CaPLLs基因家族成员，并且其同一亚家族基因之间高度保守。

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收稿日期：2024 - 04 - 24

基金项目：甘肃农业大学省级大学生创新创业训练计划项目（S202310733050）。

作者简介：赵   铮（2003 —），女，河南许昌人，本科在读，专业方向为园艺。Email： 3107078996@qq.com。

通信作者：魏兵强（1980 —），男，甘肃秦安人，研究员，博士，主要从事蔬菜遗传与分子育种工作。Email： bqwei@gsau.edu.cn。