劉鑫　張恒　闞虎飛　周立帥　黃昊　宋林林　翟煥趁　張君　魯國東

(福建農(nóng)林大學(xué) 功能基因組學(xué)研究中心， 福州 350002； *通訊聯(lián)系人， E-mail： gdlufafu@163.com)

水稻泛素結(jié)合酶基因家族的生物信息學(xué)與表達(dá)分析

劉鑫張恒闞虎飛周立帥黃昊宋林林翟煥趁張君魯國東*

(福建農(nóng)林大學(xué) 功能基因組學(xué)研究中心， 福州 350002；*通訊聯(lián)系人， E-mail： gdlufafu@163.com)

劉鑫, 張恒, 闞虎飛, 等. 水稻泛素結(jié)合酶基因家族的生物信息學(xué)與表達(dá)分析. 中國水稻科學(xué)， 2016， 30(3)： 223-231.

摘要:泛素/蛋白酶體系統(tǒng)在植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成和抗病反應(yīng)等過程中起著重要的作用。近年的研究表明，某些病原菌能夠模擬寄主植物泛素/蛋白酶體系統(tǒng)組分，從而達(dá)到利用該系統(tǒng)為病原菌服務(wù)的目的。泛素結(jié)合酶是泛素化反應(yīng)過程中的第二個酶，對植物泛素/蛋白酶體系統(tǒng)的正常運行不可或缺。已有的研究表明，水稻基因組數(shù)據(jù)庫中存在48個預(yù)測的泛素結(jié)合酶基因。為了初步揭示這些泛素結(jié)合酶基因在植物抗病防御反應(yīng)中的功能，研究其與植物抗病性的關(guān)系。本研究通過生物信息學(xué)、RNA-seq和qRT-PCR的方法，分析了水稻泛素結(jié)合酶基因家族的特征及其表達(dá)模式。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明，48個水稻泛素結(jié)合酶基因可分為3個大組，總共7個亞組。蛋白結(jié)構(gòu)域分析表明，水稻泛素結(jié)合酶基因主要由一個泛素結(jié)合酶催化結(jié)構(gòu)域組成。電子表達(dá)譜分析表明，大多數(shù)水稻泛素結(jié)合酶基因能被稻瘟病菌誘導(dǎo)表達(dá)。啟動子區(qū)順式作用元件分析表明，4個抗病相關(guān)順式作用元件和1個過敏性反應(yīng)相關(guān)順式作用元件在48個水稻泛素結(jié)合酶基因的啟動子區(qū)有很高的分布。稻瘟病菌接種親和性和非親和性水稻單基因系的RNA-seq結(jié)果表明，處理36 h讀取到的水稻泛素結(jié)合酶基因為44個，其中高表達(dá)基因數(shù)量超過讀取到的泛素結(jié)合酶基因總數(shù)的50%。qRT-PCR分析結(jié)果表明稻瘟病菌的侵染在親和和非親和組合中都能誘導(dǎo)部分水稻泛素結(jié)合酶基因的表達(dá)。在非親和組合中水稻泛素結(jié)合酶基因的表達(dá)傾向于受到抑制。

關(guān)鍵詞:水稻； 泛素結(jié)合酶； 泛素/蛋白酶體系統(tǒng)； 生物信息學(xué)； 稻瘟病菌； RNA-seq； qRT-PCR

植物泛素/蛋白酶體系統(tǒng)是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要途徑，在植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成和抗病反應(yīng)等過程中起著重要的作用[1]。近年的研究又表明，某些病原菌能夠模擬寄主植物泛素/蛋白酶系統(tǒng)組分，從而達(dá)到利用該系統(tǒng)為病原菌服務(wù)的目的[2]。泛素/蛋白酶體途徑主要由泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2、泛素蛋白連接酶E3、蛋白酶體和去泛素化酶(DUBs)組成。反應(yīng)的過程從泛素分子在ATP提供能量的情況下被E1激活開始，激活的泛素分子以硫酯鍵連接到E1上，E1進(jìn)一步與E2結(jié)合，通過交酯作用將泛素分子轉(zhuǎn)移到E2上，E2再與E3結(jié)合，而E3主要負(fù)責(zé)招募底物，就這樣底物被泛素標(biāo)記上了，之后被蛋白酶體降解成小段多肽。同時，在去泛素化酶的作用下，泛素分子重新回收利用[3,4]。泛素化在植物的生物和非生物脅迫響應(yīng)過程中扮演了重要角色[2-5]。

稻瘟病菌(Magnaportheoryzae)引起的稻瘟病是水稻的主要病害之一，其發(fā)生導(dǎo)致水稻產(chǎn)量大幅減少，嚴(yán)重時甚至顆粒無收[7]。Zeng等[8]的研究結(jié)果表明，Spl11是一個擁有泛素蛋白連接酶E3活性的植物細(xì)胞死亡和防御反應(yīng)的負(fù)調(diào)節(jié)子，非親和及親和的水稻-稻瘟病菌互作都能誘導(dǎo)Spl11的表達(dá)。Park等[9]的研究表明，稻瘟病菌效應(yīng)蛋白AvrPiz-t通過作用于RING型E3泛素連接酶APIP6來抑制病原相關(guān)分子模式(PAMPs)觸發(fā)的PTI反應(yīng)。蔣春苗等[10]從疣粒野生稻中克隆到一個泛素結(jié)合酶基因OmE2，并證明這個基因受白葉枯病菌誘導(dǎo)表達(dá)。這些研究說明，泛素/蛋白酶體系統(tǒng)在水稻抗病防御中有著重要的作用,但目前已有的研究多集中于E3泛素連接酶的功能。胡婷麗等[11]綜述了不同類型E3泛素連接酶介導(dǎo)的泛素化在植物抗病中的作用。楊玖霞等[12]近來對E3泛素連接酶在植物抗病分子機理方面的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行了專題論述。相比之下，對于泛素結(jié)合酶E2在植物抗病防御反應(yīng)中功能的研究則很少。我們前期的研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)水稻的一個泛素結(jié)合酶基因能夠增強水稻對稻瘟病菌的抗性，相應(yīng)的RNAi株系對稻瘟病菌的抗性減弱[13]。而已有研究表明，水稻基因組數(shù)據(jù)庫中存在48個預(yù)測的泛素結(jié)合酶基因,其中只有39個含有有活性的半胱氨酸位點[14,15]。擬南芥AtUBC1和AtUBC2基因參與開花抑制基因FLC的激活并抑制開花[16]。過表達(dá)擬南芥AtUBC32基因使植株對鹽脅迫的響應(yīng)敏感度下降[17]。在擬南芥中過表達(dá)綠豆VrUBC1基因、花生AhUBC2基因或大豆GmUBC2基因能增強植株的抗旱性[18-20]。在擬南芥中異位表達(dá)野生稻OgUBC基因增強了植株對灰葡萄孢及紫外線UV-B輻射的抗性[21]。為了初步探討水稻泛素結(jié)合酶基因在水稻抗病反應(yīng)中扮演的角色，本研究通過生物信息學(xué)、RNA-seq及qRT-PCR的方法對該家族基因的特征及表達(dá)模式進(jìn)行了初步研究。

1材料與方法

1.1水稻泛素結(jié)合酶基因序列的獲取

根據(jù)Hansol等[14]的補充材料信息，從TIGR數(shù)據(jù)庫(http://rice.plantbiology.msu.edu/)中下載到48個水稻泛素結(jié)合酶基因的堿基序列和氨基酸序列[14,22]。

1.2水稻泛素結(jié)合酶基因系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建

48個水稻OsUBC基因的蛋白氨基酸序列通過MEGA 5.05軟件的ClustalW算法比對，其中(gap-open)和(gap-extension penalties)值分別設(shè)置為10和0.1。比對完的序列用鄰接法，bootstrap 10 000次抽樣來構(gòu)建系統(tǒng)樹。

1.3水稻泛素結(jié)合酶基因的結(jié)構(gòu)域分析

結(jié)構(gòu)域分析由Pfam 27.0 (http://pfam.xfam.org/) 在線完成[23]。輸入的是蛋白氨基酸序列，參數(shù)設(shè)置如下：Cut-off選Use E-value，E-value值為默認(rèn)的1.0。

1.4水稻泛素結(jié)合酶基因的電子表達(dá)譜

電子表達(dá)譜數(shù)據(jù)來自NCBI中的GEO Profiles(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geoprofiles/)數(shù)據(jù)庫中的microarray結(jié)果，人工統(tǒng)計分析。

1.5水稻泛素結(jié)合酶基因啟動子區(qū)順式作用元件聚類分析

起始密碼子上游1 500 bp的序列來自TIGR數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用的是水稻基因組瀏覽網(wǎng)頁(http://rice.plantbiology.msu.edu/cgi-bin/gbrowse/rice/)，找到相應(yīng)基因位點后，縮放到合適大小，然后點擊Go按鈕，在下載出來的序列中尋找對應(yīng)基因的起始密碼子序列并手動截取起始密碼子上游1500 bp的序列。啟動子區(qū)的順式作用元件分析在PLACE網(wǎng)站(http://www.dna.affrc.go.jp/PLACE/signalscan.html)完成[24,25]。聚類分析由Cluster 3.0和Java TreeView軟件共同完成[26]。

1.6稻瘟病菌接種水稻后的轉(zhuǎn)錄組分析

稻瘟病菌菌株Guy11孢子懸浮液，濃度為1×105個/mL，噴霧接種到3葉1心期的Pid2和Pid3單基因系上。于接種后36 h取樣，提取植物總RNA，將符合要求的樣品送至北京六合華大基因科技股份有限公司進(jìn)行測序。RPKM(reads per kb per million reads)代表的是每百萬reads中來自于某基因每千堿基長度的reads數(shù)[27]。

1.7稻瘟病菌侵染情況下水稻泛素結(jié)合酶基因的表達(dá)分析

將濃度約為1×105個/mL的Guy11孢子懸浮液接種到3葉1心期的Pid2和Pid3單基因系水稻幼苗上，于接種前(即0 h), 及接種后1 h，3 h，6 h，12 h，24 h取樣。提取植物總RNA，反轉(zhuǎn)錄，稀釋到合適濃度進(jìn)行qRT-PCR定量分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計運用SPSS軟件進(jìn)行，顯著性分析采用的是最小顯著差數(shù)法(LSD)，顯著性水平0.05。

2結(jié)果與分析

2.1水稻泛素結(jié)合酶基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

系統(tǒng)進(jìn)化樹分析結(jié)果表明水稻泛素結(jié)合酶主要分為3個大組，其中Ⅰ大組包含4個亞組(Ⅰ-a，Ⅰ-b，Ⅰ-c，Ⅰ-d)，Ⅱ大組包括3個亞組(Ⅱ-a，Ⅱ-b，Ⅱ-c)，Ⅲ大組可分成2個亞組——Ⅲ-a和Ⅲ-b(圖1)。第Ⅱ-a亞組中只有2個基因，可能在進(jìn)化過程中由同一個基因復(fù)制而來。

2.2蛋白結(jié)構(gòu)域分析

蛋白結(jié)構(gòu)域分析結(jié)果表明，除了OsUBC38之外，其余47個水稻泛素結(jié)合酶基因都含有一個大的泛素結(jié)合酶催化結(jié)構(gòu)域(UBCc domain)。除此之外，還零星分布有Low complexity結(jié)構(gòu)域。

2.3電子表達(dá)譜分析

電子表達(dá)譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計選取了生物脅迫因素1個，即稻瘟病菌的侵染；非生物脅迫因素1個，即鹽脅迫；激素處理因素3個，即脫落酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素；激發(fā)子1個，即寡聚糖幾丁質(zhì)。結(jié)果如表1所示，從中可以看出，除了OsUBC9、OsUBC14、OsUBC15和幾個數(shù)據(jù)不可用的基因外，其他都能被稻瘟病菌的侵染誘導(dǎo)表達(dá)，這說明水稻泛素結(jié)合酶很可能在抵抗稻瘟病菌的侵染過程中發(fā)揮重要的作用。

2.4啟動子區(qū)順式作用元件的分析

啟動子區(qū)的順式作用元件分析選取抗病相關(guān)順式作用元件9個(S000042，S000056，S000232，S000390，S000391，S000430，S000443，S000447, S000453)；激發(fā)子相關(guān)順式作用元件3個(S000142，S000200，S000492)；苯丙氨酸解氨酶相關(guān)順式作用元件3個(S000137，S000400，S000444)；過敏性反應(yīng)相關(guān)順式作用元件1個(S000198)。值得一提的是，4個抗病相關(guān)順式作用元件(S000390，S000430，S000447，S000453)和1個過敏性反應(yīng)相關(guān)順式作用元件S000198在水稻泛素結(jié)合酶基因的啟動子區(qū)有很高的分布(圖2)。這說明水稻泛素結(jié)合酶很可能參與了稻瘟病菌侵染過程中的抗病防御反應(yīng)。

2.5稻瘟病菌接種水稻后的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析

2.5.1RNA-seq測序質(zhì)量報告

測序結(jié)果中， clean reads數(shù)占總數(shù)據(jù)的98.02%。以reads數(shù)量作為橫坐標(biāo)，識別到的基因百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，進(jìn)行測序飽和度的測驗。結(jié)果表明，隨著reads數(shù)的增多，識別到的基因百分?jǐn)?shù)增長速度趨于平緩，說明識別到的基因數(shù)趨于飽和，測序數(shù)據(jù)可用于后續(xù)的分析(圖3)。

2.5.2RNA-seq數(shù)據(jù)中水稻泛素結(jié)合酶基因的表達(dá)情況分析

RNA-seq數(shù)據(jù)中讀取到水稻泛素結(jié)合酶基因44個。根據(jù)一般的標(biāo)準(zhǔn)，RPKM值在0.1到3.75之間的為低表達(dá)基因，3.75到15之間的為中等表達(dá)基因，大于15的為高表達(dá)基因[27]。RNA-seq讀取到的水稻泛素結(jié)合酶基因中超過50%的基因?qū)儆诟弑磉_(dá)基因。值得一提的是OsUBC16在Pid2(親和組合)和Pid3(非親和組合)中的RPKM值分別為558.43和675.23，差別明顯。OsUBC17的RPKM值則在Pid2中為150.60，高于Pid3中的124.43。相比之下，OsUBC18和OsUBC25在Pid2和Pid3中未表現(xiàn)出太大差別(圖4)。

2.6稻瘟病菌誘導(dǎo)情況下幾個水稻泛素結(jié)合酶基因表達(dá)情況分析

為了進(jìn)一步驗證RNA-seq數(shù)據(jù)的可靠性，選取了OsUBC16、OsUBC17、OsUBC18和OsUBC25來做qRT-PCR分析。結(jié)果表明Guy11接種Pid2單基因系水稻能誘導(dǎo)OsUBC16、OsUBC18的表達(dá)。接種24 h后，OsUBC16基因的表達(dá)顯著高于0 h。非親和組合中，OsUBC16、OsUBC17在接種后1 h就被顯著誘導(dǎo)表達(dá)，3 h之后OsUBC16的表達(dá)就開始受到抑制，而12 hOsUBC17的表達(dá)達(dá)到一個高峰值。OsUBC25基因的表達(dá)量在接種后1 h開始就受到極顯著的抑制(圖5)。

圖1水稻泛素結(jié)合酶基因家族系統(tǒng)進(jìn)化樹

Fig. 1. Phylogenetic tree of rice UBC gene family.

表1水稻泛素結(jié)合酶基因家族電子表達(dá)譜

Table 1. Expression pattern of rice UBC gene family in silico.

基因 Gene 表達(dá)誘導(dǎo)因素Expressioninducingfactors稻瘟病菌侵染Blastfungusinfection鹽脅迫Salinitystress脫落酸Abscisicacid赤霉素Gibberellin細(xì)胞分裂素Cytokinin寡聚糖幾丁質(zhì)ChitinoligosaccharideOsUBC1++++++OsUBC2++++++OsUBC3++nn+nOsUBC4++++++OsUBC5++++++OsUBC6++++++OsUBC7++nn+nOsUBC8++++++OsUBC9nn++++OsUBC10++++++OsUBC11++++++OsUBC12++nn+nOsUBC13++nn+nOsUBC14nn++n+OsUBC15nnnnnnOsUBC16++++++OsUBC17++++++OsUBC18++++++OsUBC19++++++OsUBC20NNNNNNOsUBC21NNNNNNOsUBC22NNNNNNOsUBC23NNNNNNOsUBC24++++++OsUBC25NNNNNNOsUBC26++++++OsUBC27++++++OsUBC28++++++OsUBC29++++++OsUBC30++++++OsUBC31++nn+nOsUBC32++++++OsUBC33++++++OsUBC34++++++OsUBC35NNNNNNOsUBC36NNNNNNOsUBC37++nn++OsUBC38++++++OsUBC39NNNNNNOsUBC40++++++OsUBC41++nn+NOsUBC42++++++OsUBC43++++++OsUBC44++++++OsUBC45++++++OsUBC46++++++OsUBC47++nn+NOsUBC48++++++

“+”代表可誘導(dǎo)表達(dá)，“n”代表無相關(guān)數(shù)據(jù)，“N”表示無數(shù)據(jù)可用。

‘+’ ， Inducible; ‘n’ , No related data; ‘N’ , Unavailable.

圖2水稻泛素結(jié)合酶基因啟動子區(qū)順式作用元件聚類分析

Fig. 2. Cluster analysis of cis-element in the promoter region of rice UBC genes.

圖3水稻RNA-seq測序飽和度分析

Fig. 3. Saturation analysis of rice RNA-seq data.

3討論

Zeng等[3]早在2006年就強調(diào)泛素/蛋白酶體系統(tǒng)可能在植物和微生物互作的過程中發(fā)揮了重要的作用，并且提供了很多間接的證據(jù)。而后在2010年Dielen等[2]發(fā)表在《分子植物病理學(xué)》上的一篇綜述更是強調(diào)“植物防御反應(yīng)的每一步都涉及到泛素/蛋白酶體系統(tǒng)”。同時，作者還提到“泛素/蛋白酶體系統(tǒng)不光是寄主植物用來防御的武器，也是一些病原菌攻擊的靶標(biāo)，從而抑制這個系統(tǒng)的正常運行或者利用這個系統(tǒng)為病原菌服務(wù)”。因此，我們不難提出設(shè)想：病原菌在侵染植物的過程中擾亂了寄主植物的泛素/蛋白酶體系統(tǒng)，從而也打破了寄主植物細(xì)胞體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，從而有利于病菌的侵染；還有一種模式就是：病原菌分泌效應(yīng)蛋白進(jìn)入寄主植物細(xì)胞中，模擬寄主植物泛素/蛋白酶體系統(tǒng)的組分，從而利用寄主的泛素蛋白酶體系統(tǒng)以利于病菌的成功侵染。

圖4四個水稻泛素結(jié)合酶基因在Pid2和Pid3單基因系水稻中表達(dá)情況比較

Fig. 4. Expression comparison of four rice ubiquitin-conjugating enzyme gene in Pid2 and Pid3 monogenic lines.

*，**分別表示表達(dá)量顯著和極顯著上調(diào)。

*，** indicate significantly or extremely significantly upregulated expression levels，respectively.

圖5接種稻瘟病菌后水稻泛素結(jié)合酶基因的表達(dá)量變化

Fig. 5. Expression level of rice ubiquitin-conjugating enzyme genes after Magnaporthe oryzae inoculation.

從48個水稻泛素結(jié)合酶基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹來看，水稻泛素結(jié)合酶家族基因在進(jìn)化過程中存在復(fù)制事件，即同一家族的兩個基因存在片段重復(fù)或者串聯(lián)重復(fù)。例如：OsUBC25和OsUBC26在堿基序列上存在片段重復(fù)，但是功能方面是否有冗余還有待進(jìn)一步論證。另外，水稻泛素結(jié)合酶家族基因在進(jìn)化過程中存在功能的分化現(xiàn)象。在水稻泛素結(jié)合酶基因家族中存在9個泛素結(jié)合酶變體(UEV, ubiquitin E2 variants)[28,29]。這些UEV是否還有泛素結(jié)合酶活性暫且沒有報道，但是半胱氨酸-巰基位點作為泛素結(jié)合酶與泛素分子的結(jié)合位點在E2發(fā)揮功能的過程中至關(guān)重要。由此可見，至少這9個UEV可能趨于行使泛素結(jié)合酶以外的功能。而水稻泛素結(jié)合酶家族基因在進(jìn)化中的復(fù)制事件則說明在進(jìn)化過程中不斷有新的泛素結(jié)合酶呈現(xiàn)。

從電子表達(dá)譜來看，水稻泛素結(jié)合酶大多數(shù)能被稻瘟病菌的侵染誘導(dǎo)表達(dá)。從啟動子區(qū)順式作用元件來看，4個抗病相關(guān)順式作用元件和1個過敏性反應(yīng)相關(guān)順式作用元件在水稻泛素結(jié)合酶基因的啟動子區(qū)有較高的分布。本實驗室前期的研究結(jié)果也表明，稻瘟病菌和JA處理能夠誘導(dǎo)OsUBC26的表達(dá)[13]。這也讓我們更有理由相信水稻的泛素結(jié)合酶參與了稻瘟病菌侵染信號途徑的響應(yīng)，并且很可能與JA信號途徑有關(guān)。E等[15]的研究也表明水稻泛素結(jié)合酶的表達(dá)至少能被IAA，6-BA，GA，ABA中的兩種誘導(dǎo)。雖然Hansol等[14]對40個水稻E2s和17個水稻ARM-U-box E3s的互作模式做了探討，但是，在水稻中E2和E3的互作網(wǎng)絡(luò)還鮮有報道，大多數(shù)水稻泛素蛋白連接酶的底物還處于未知階段。目前，可以確定的是水稻泛素結(jié)合酶參與了水稻與稻瘟病菌的互作過程。

qRT-PCR的結(jié)果說明不同水稻泛素結(jié)合酶在水稻響應(yīng)稻瘟病菌侵染的過程中扮演了不同的角色。這可以從水稻泛素結(jié)合酶基因的表達(dá)模式在稻瘟病菌與水稻的親和互作和非親和互作中表現(xiàn)出很大的差別看出來。這些差別說明在稻瘟病菌侵染的過程中水稻泛素結(jié)合酶之間可能存在系統(tǒng)的調(diào)控。已有的研究表明泛素結(jié)合酶E2主要決定泛素鏈的長度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的泛素鏈標(biāo)記的蛋白分子將行使不同的功能，例如以K48相連的泛素鏈標(biāo)記的蛋白分子主要被送往26S蛋白酶體進(jìn)行降解，而以K63相連的泛素鏈標(biāo)記的蛋白分子則主要在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起作用[30]。因此，我們可以推測那些在稻瘟病菌侵染初期就被誘導(dǎo)高表達(dá)的水稻泛素結(jié)合酶基因很可能在水稻抗病防御反應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起了作用，而被誘導(dǎo)表達(dá)較晚的水稻泛素結(jié)合酶基因則可能主要在水稻啟動防御反應(yīng)方面起了作用，例如通過泛素化途徑降解掉一些防御反應(yīng)相關(guān)的抑制蛋白，從而啟動水稻的抗病防御反應(yīng)。

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Bioinformatic and Expression Analysis of Rice Ubiquitin-conjugating Enzyme Gene Family

LIU Xin, ZHANG Heng, KAN Hu-fei, ZHOU Li-shuai, HUANG Hao, SONG Lin-lin, ZHAI Huan-chen,ZHANG Jun, LU Guo-dong*

(TheFunctionalGenomicsCenter,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China；*Corresponding author， E-mail：gdlufafu@163.com)

LIU Xin, ZHANG Heng, KAN Hufei, et al. Bioinformatic and expression analysis of rice ubiquitin-conjugating enzyme gene family. Chin J Rice Sci, 2016, 30(3): 223-231.

Abstract:The ubiquitin/proteasome system plays an important role in plant growth and development, morphogenesis and disease resistance. Recent studies have shown that some pathogens can mimic the host plant ubiquitin/proteasome system components to achieve their own purposes. Ubiquitin-conjugating enzyme is the second enzyme in the ubiquitination process and is indispensable for the plant ubiquitin/proteasome system. Previous studies showed that there are 48 predicted ubiquitin-conjugating enzyme genes in rice genome. In order to preliminarily elucidate the functions of rice ubiquitin-conjugating enzyme genes in plant disease resistance, bioinformatic, RNA-seq and qRT-PCR methods were used to analyze characteristics and expression patterns of rice ubiquitin-conjugating enzyme gene family. Phylogenetic tree analyses indicate that the 48 rice ubiquitin-conjugating enzyme genes can be divided into 3 groups, 7 sub-groups in total. Protein domain analysis showed that ubiquitin-conjugating enzyme genes mainly consist of a big ubiquitin-conjugating enzyme catalytic domain. Expression analysis in silico suggested that most of the rice ubiquitin-conjugating enzymes can be induced by blast fungus infection. Plant cis-acting elements analysis indicated that four pathogen resistance cis-acting elements and one hypersensitivity reaction cis-acting element have high distribution in the promoter region of the 48 rice ubiquitin-conjugating enzyme genes. RNA-seq data from compatible and incompatible monogenic rice after rice blast fungus infection showed that 44 rice ubiquitin-conjugating enzyme genes were expressed at 36 hours after treatment, among which more than 50% were highly expressed genes. qRT-PCR analysis showed that expression of some ubiquitin-conjugating enzyme genes can be induced by the inoculation of rice blast fungus both in compatible and incompatible monogenic rice. However, in incompatible rice the expression of rice ubiquitin-conjugating enzyme genes tends to be inhibited after rice blast fungus inoculation.

Key words:rice; ubiquitin-conjugating enzyme; ubiquitin/proteasome system; bioinformatics; Magnaporthe oryzae; RNA-seq; qRT-PCR

DOI:10.16819/j.1001-7216.2016.5177

收稿日期:2015-11-30； 修改稿收到日期: 2016-03-16。

基金項目:國家科技支撐計劃資助項目(2013BAD19B03)。

中圖分類號:Q755； S511.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-7216(2016)03-0223-09

中國水稻科學(xué)(Chin J Rice Sci),2016,30(3):223-231

http://www.ricesci.cn