張斌，唐滿(mǎn)生*

銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族的全基因組學(xué)鑒定及表達(dá)模式分析

張斌1,2，唐滿(mǎn)生1,2*

(1.湖南科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 永州 425199；2.湖南省銀杏工程技術(shù)研究中心，湖南 永州425199)

以銀杏基因組數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)序列比對(duì)，并經(jīng)過(guò)鑒定篩選，共獲得112個(gè)ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員，對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)及表達(dá)模式分析。結(jié)果顯示：銀杏112個(gè)ERF成員在系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)上分為10個(gè)亞家族；基因結(jié)構(gòu)分析表明，大部分家族基因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅少量基因含有1～4個(gè)內(nèi)含子；基因表達(dá)分析顯示，39個(gè)基因在雄蕊中表達(dá)量較高，20個(gè)基因在幼苗中表達(dá)量較高，40個(gè)基因在胚中表達(dá)量較高；部分基因在雄蕊、胚和幼苗中具有相同的表達(dá)模式，說(shuō)明其可能具有類(lèi)似的功能。

銀杏；基因家族；生物信息學(xué)；基因結(jié)構(gòu)；基因表達(dá)

轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育、響應(yīng)生物脅迫和非生物脅迫方面發(fā)揮著重要作用。轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)結(jié)合到DNA序列的特定位置來(lái)激活或抑制下游基因的表達(dá)，間接發(fā)揮作用[1]。目前，在植物中研究較多的轉(zhuǎn)錄因子家族主要包括WRKY、MYB、MADS、AP2/ERF、bZIP、NAC和bHLH等[2-5]。ERF轉(zhuǎn)錄因子家族是植物中較大的1個(gè)家族，屬于AP2/ERF超家族，其家族成員均含有由60～70個(gè)氨基酸殘基組成的AP2/ERF保守結(jié)構(gòu)域(由3個(gè)β-折疊和1個(gè)α-螺旋組成)[6]。根據(jù)氨基酸序列上存在的AP2/ERF結(jié)構(gòu)域的數(shù)量和含有的其他結(jié)構(gòu)域，可將AP2/ERF超家族分為3個(gè)亞家族，即ERF、AP2和RAV，其中AP2家族成員包含2個(gè)重復(fù)的AP2/ERF結(jié)構(gòu)域，RAV家族成員包含1個(gè)AP2/ERF結(jié)構(gòu)域和1個(gè)B3結(jié)構(gòu)域，ERF家族成員含有1個(gè)AP2/ERF結(jié)構(gòu)域[7]。ERF家族轉(zhuǎn)錄因子可通過(guò)結(jié)合GCC-box順式作用元件，參與一些激素信號(hào)途徑(如乙烯、水楊酸和茉莉酸途徑)和植物生長(zhǎng)過(guò)程[6]；ERF轉(zhuǎn)錄因子也可調(diào)節(jié)種子生長(zhǎng)、花的發(fā)育等過(guò)程[6]，參與抵抗干旱、鹽、冷凍等非生物脅迫以及生物脅迫[8]，在植物次生代謝產(chǎn)物的合成，尤其是在藥用植物的活性成分生物合成途徑中發(fā)揮重要作用[9]。

銀杏()原產(chǎn)于中國(guó)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。董金金等[10]對(duì)銀杏MADS-box家族基因進(jìn)行了系統(tǒng)的分析；馮磊等[11]對(duì)銀杏bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了生物信息及表達(dá)模式分析；李澤宏等[12]從銀杏中克隆到1個(gè)家族基因，并對(duì)其表達(dá)模式作了分析。但是，關(guān)于銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族的全基因組學(xué)分析和鑒定的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。本研究從銀杏基因組中鑒定出ERF家族成員，并對(duì)基因家族成員的理化性質(zhì)、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系、基因和蛋白結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域以及在不同組織的表達(dá)模式進(jìn)行了分析，旨在為進(jìn)一步探究銀杏家族基因的功能提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料

試驗(yàn)所使用的銀杏()基因組數(shù)據(jù)以及銀杏雄株開(kāi)花期的雄蕊、雌株的胚和銀杏幼苗的表達(dá)數(shù)據(jù)均從銀杏基因組數(shù)據(jù)庫(kù)(http://gigadb. org/dataset/100209)獲取[13]。

1.2　方法

1.2.1銀杏ERF家族成員的查找與篩選

根據(jù)已報(bào)道的擬南芥ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員的氨基酸序列[8]在銀杏基因組數(shù)據(jù)庫(kù)GigaDB (http://gigadb.org/dataset/100613)中進(jìn)行檢索，將檢索得到的氨基酸序列在NCBI-CDD (https://www. ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)在線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域的預(yù)測(cè)，去除不含有ERF轉(zhuǎn)錄因子的家族保守結(jié)構(gòu)域或結(jié)構(gòu)域不完整的序列，得到具有完整保守結(jié)構(gòu)域的序列，認(rèn)定為銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員，用于生物信息學(xué)分析。

1.2.2銀杏ERF家族理化性質(zhì)及進(jìn)化樹(shù)的構(gòu)建

使用在線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)ExPASy分析銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員的理化性質(zhì)，如分子質(zhì)量、等電點(diǎn)和不穩(wěn)定系數(shù)。參考已有報(bào)道[8]，從TAIR數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.arabidopsis.org/index.jsp)下載擬南芥ERF家族成員的氨基酸序列。利用Clustal X對(duì)擬南芥和銀杏ERF家族成員的氨基酸序列進(jìn)行多重比對(duì)后存儲(chǔ)為FASTA格式文件，采用鄰接法(NJ)繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)[14]。

1.2.3保守結(jié)構(gòu)域、保守基序及基因結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)ERF家族氨基酸序列在NCBI-CDD數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)測(cè)結(jié)果，導(dǎo)出各個(gè)成員的AP2/ERF保守結(jié)構(gòu)域氨基酸序列，利用Clustal X對(duì)氨基酸序列進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合在線(xiàn)工具WebLogo(http://weblogo.berkeley. edu/logo.cgi)分析銀杏ERF家族AP2/ERF結(jié)構(gòu)域中不同氨基酸殘基的保守性[15]。使用在線(xiàn)工具GSDS (Gene Structure Display Server，http://gsds.cbi.pku.edu. cn/index.php)繪制ERF編碼基因結(jié)構(gòu)圖，分析不同基因所含有的外顯子、內(nèi)含子數(shù)量。運(yùn)用MEME在線(xiàn)工具(http://meme-suite.org/)分析氨基酸序列包含的保守基序(Motif)[16]。

1.2.4銀杏家族基因的表達(dá)

從銀杏基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中下載銀杏基因表達(dá)數(shù)據(jù)，即FPKM值，篩選出銀杏ERF家族成員的FPKM值，進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化處理，在Heml 1.0軟件中繪制基因的表達(dá)熱圖[17]。根據(jù)表達(dá)熱圖，分析家族基因在銀杏雄株開(kāi)花期的雄蕊、雌株的胚和銀杏幼苗中的表達(dá)情況。

2　結(jié)果與分析

2.1　銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族的系統(tǒng)進(jìn)化分析

根據(jù)已知的擬南芥ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員的氨基酸序列，在銀杏數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到147條可能為AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員的氨基酸序列。進(jìn)一步采用NCBI-CDD在線(xiàn)工具對(duì)氨基酸序列上的保守結(jié)構(gòu)域進(jìn)行檢測(cè)，剔除保守結(jié)構(gòu)域中不完整的序列，最終得到112個(gè)銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員。根據(jù)下載得到的121個(gè)擬南芥ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員的氨基酸序列，運(yùn)用MEGA 7.0繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)；參考擬南芥ERF家族中的亞家族分類(lèi)方法[8]，將銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族分為10個(gè)亞族(圖1)。其中，第Ⅱ和第Ⅲ亞家族中包含的ERF轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量最多，均為20個(gè)；在第Ⅴ、第Ⅵ和第Ⅹ亞家族中包含的家族成員數(shù)量較少，第Ⅴ家族僅包含Gb 03368和Gb 31312，第Ⅵ亞家族包含Gb 10817、Gb 36136、Gb 06377、Gb 27883和Gb 06312，第Ⅹ亞家族中包含有4個(gè)成員Gb 32532、Gb 12965、Gb 12588和Gb 16683。在擬南芥中，ERF家族的第Ⅴ、第Ⅵ和第Ⅹ亞家族成員數(shù)量也較少，說(shuō)明ERF轉(zhuǎn)錄因子在植物中相對(duì)保守?？赏ㄟ^(guò)分析銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子與擬南芥ERF成員的進(jìn)化關(guān)系，推測(cè)其功能，為深入研究ERF編碼基因在銀杏中的功能提供線(xiàn)索。

圖1　銀杏ERF家族的系統(tǒng)進(jìn)化分析結(jié)果

2.2　銀杏ERF家族成員的理化性質(zhì)

利用ExPASy在線(xiàn)工具對(duì)銀杏ERF家族蛋白的理化性質(zhì)進(jìn)行了分析。銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員所含的氨基酸殘基數(shù)為140~730，平均為343；在整個(gè)家族中Gb 24891具有最大的相對(duì)分子質(zhì)量(83.17)，Gb 37057的相對(duì)分子質(zhì)量最小，為15.54，銀杏ERF家族平均相對(duì)分子質(zhì)量為38.16。銀杏ERF第Ⅱ和第Ⅲ亞族成員的相對(duì)分子質(zhì)量較低，平均相對(duì)分子質(zhì)量分別為24.19和29.93；而第Ⅵ和第Ⅹ亞家族成員的平均相對(duì)分子質(zhì)量較高，分別為54.25和57.83。預(yù)測(cè)得到的理論等電點(diǎn)為4.54~10.50，等電點(diǎn)大于7的銀杏ERF成員僅有34個(gè)(占30.4%)，其余78個(gè)(占69.6%)轉(zhuǎn)錄因子的等電點(diǎn)均小于7，說(shuō)明大部分的ERF蛋白質(zhì)分子中含有較高比例的酸性氨基酸。通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析，絕大多數(shù)的銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子的不穩(wěn)定系數(shù)大于40，為不穩(wěn)定蛋白質(zhì)；僅有5個(gè)ERF家族成員(Gb 17212、Gb 19320、Gb 17211、Gb 35015和Gb 24048)的不穩(wěn)定系數(shù)小于40，預(yù)測(cè)為穩(wěn)定蛋白質(zhì)。

2.3　銀杏ERF蛋白的保守結(jié)構(gòu)域分析

利用Clustal X對(duì)銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員的氨基酸序列進(jìn)行多重比對(duì)，發(fā)現(xiàn)112個(gè)成員中均含有1個(gè)由60～70個(gè)氨基酸殘基組成的保守區(qū)域，即AP2/ERF結(jié)構(gòu)域，在其N(xiāo)端含有3個(gè)β-折疊，C端含有1個(gè)α-螺旋(圖2-A)。利用在線(xiàn)工具WebLogo分析銀杏ERF家族所有成員AP2/ERF結(jié)構(gòu)域中氨基酸殘基的保守性，結(jié)果如圖2-B所示。G-10(Gly-10)、R-12(Arg-12)、R-14(Arg-14)、G-17(Gly-17)、E-22(Glu-22)、W-34(Trp-34)、G-36(Gly-36)和A-45(Ala-45)等8個(gè)氨基酸殘基在銀杏ERF家族中完全保守，推測(cè)這些位點(diǎn)可能在ERF家族蛋白功能中起重要作用；W-16(Trp-16)、R-24(Arg-24)、R-36(Arg-36)、L-35(Leu-35)、T-40(Thr-40)、A-44(Ala-44)、A-47(Ala-47)、V-48(Val-48)、D-49(Asp-49)、A-51(Ala-51)和G-57(Gly-57)等11個(gè)氨基酸殘基位點(diǎn)在90%以上的ERF保守結(jié)構(gòu)域中均存在，說(shuō)明ERF家族成員具有保守性。

A為AP2/ERF保守結(jié)構(gòu)域氨基酸序列的多重比對(duì)結(jié)果；B為利用AP2/ERF保守結(jié)構(gòu)域氨基酸序列生成的WebLogo分析結(jié)果。

2.4　銀杏ERF家族基因的基因結(jié)構(gòu)分析

利用在線(xiàn)工具GSDS對(duì)銀杏ERF家族112個(gè)成員的基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示。大部分的基因不含有內(nèi)含子，有19個(gè)基因成員含有1個(gè)內(nèi)含子，4個(gè)基因成員含有2個(gè)內(nèi)含子，5個(gè)基因含有3個(gè)內(nèi)含子，僅有2個(gè)基因含有4個(gè)內(nèi)含子。其中，含有3個(gè)內(nèi)含子的基因主要分布在第IV、VII、VIII亞家族中，含有4個(gè)內(nèi)含子的2個(gè)ERF家族成員Gb 10817、Gb 12965分別屬于第VI、第X亞家族。通過(guò)分析不同亞家族的基因長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)第II和第III亞家族中的大部分基因長(zhǎng)度相近，但短于其他家族成員的基因長(zhǎng)度。

I，Ⅱ，…，X分別表示銀杏ERF家族的10個(gè)亞家族，粗線(xiàn)部分代表外顯子。

2.5　銀杏ERF編碼基因的表達(dá)分析

利用Heml 1.0軟件繪制基因表達(dá)熱圖(圖4)。結(jié)果顯示：112個(gè)銀杏家族基因在不同的組織中表達(dá)水平存在差異，39個(gè)基因成員在銀杏雄株開(kāi)花期的雄蕊中的表達(dá)水平較高；20個(gè)基因在銀杏幼苗中的表達(dá)水平較高；40個(gè)基因在銀杏雌株的胚中表達(dá)量較高；剩余的13個(gè)家族基因在3個(gè)不同組織中的表達(dá)水平一致，且總體表達(dá)量較低?；虮磉_(dá)的組織差異性，說(shuō)明不同的家族基因具有不同的生物學(xué)功能。有部分基因表現(xiàn)出類(lèi)似的組織表達(dá)模式，如和的表達(dá)水平在雄蕊、幼苗、胚中依次降低，說(shuō)明這些基因可能具有類(lèi)似的生物學(xué)功能。

圖4　銀杏不同組織ERF編碼基因的表達(dá)分析結(jié)果

3　結(jié)論與討論

本研究利用生物信息學(xué)手段，從銀杏全基因組中鑒定出112個(gè)ERF轉(zhuǎn)錄因子家族成員，并對(duì)其理化性質(zhì)、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系、保守結(jié)構(gòu)域及保守氨基酸殘基、基因結(jié)構(gòu)、保守基序以及在不同組織中的表達(dá)模式進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)擬南芥ERF家族在進(jìn)化樹(shù)上的分類(lèi)，可將銀杏ERF家族112個(gè)成員分為10個(gè)亞家族，與桃[9]、黃瓜[10]、馬鈴薯[12]中ERF家族包含的亞家族數(shù)量一致。進(jìn)一步對(duì)銀杏ERF家族成員AP2/ERF保守結(jié)構(gòu)域中的氨基酸進(jìn)行多重比對(duì)發(fā)現(xiàn)，Gly-10、Arg-12、Arg-14、Gly-17、Glu-22、Trp-34、Gly-36和Ala-45共8個(gè)氨基酸殘基是完全保守的。而在擬南芥AP2/ERF結(jié)構(gòu)域上存在7個(gè)保守的氨基酸殘基(Gly-4、Arg-6、Glu-16、Trp-28、Leu-29、Gly-30)[8]，在桃中只有3個(gè)完全保守的氨基酸殘基(Gly-4、Leu-28和Gly-29)[9]，說(shuō)明家族基因在不同物種中存在一定的差異。有研究[18-20]表明，內(nèi)含子在植物進(jìn)化過(guò)程中起重要作用，可通過(guò)轉(zhuǎn)錄后不同剪切方式產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)錄本，以增強(qiáng)植物的適應(yīng)性；在植物基因組擴(kuò)張的初級(jí)階段，出現(xiàn)了大量的內(nèi)含子，隨著時(shí)間的推移逐漸減少。由此推斷，越高級(jí)的植物物種，其基因組中的內(nèi)含子數(shù)量越少。銀杏是著名的活化石森林樹(shù)種，起源于2.5億年前，現(xiàn)存的銀杏與2.5億年前的形態(tài)性狀非常相似，說(shuō)明其在進(jìn)化中十分保守，這可能是其基因組中內(nèi)含子數(shù)量相對(duì)較少的原因。

對(duì)銀杏家族基因在不同組織中的表達(dá)分析結(jié)果表明：39個(gè)基因在雄蕊中表達(dá)水平較高；20個(gè)基因在幼苗中表達(dá)水平較高；40個(gè)基因在胚中表達(dá)水平較高；13個(gè)基因在3個(gè)不同組織中的表達(dá)水平總體較低，并且有部分基因具有相同的表達(dá)模式。說(shuō)明ERF家族基因在功能上有特異性，但同源性較高且表達(dá)模式一致的基因可能具有類(lèi)似的生物學(xué)功能。

一般來(lái)自不同物種的同源基因可能在功能上是保守的。有研究表明，第Ⅴ亞族擬南芥基因()在桑樹(shù)中表達(dá)可以提高葉片表面的蠟質(zhì)含量，減少水分的散失，增強(qiáng)耐旱性[21]；而第VIII亞族的擬南芥家族基因在茉莉酸防御反應(yīng)中起負(fù)調(diào)控作用[22]；第IX亞族的和則是抗病基因，參與植物防御反應(yīng)[23]。由此推斷，與它們?cè)谶M(jìn)化樹(shù)上關(guān)系較近的銀杏家族基因可能具有類(lèi)似的功能。

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Bioinformatics and expression analysis of ERF transcription factor family in

ZHANG Bin1,2, TANG Mansheng1,2*

(1.College of Chemistry and Bioengineering, Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou, Hunan 425199, China; 2.Hunan Provincial Engineering Research Center for, Yongzhou, Hunan 425199, China)

Based on thegenome database, a total of 112 ERF transcription factor family members were obtained through blast, identification and screening, and bioinformatics and expression pattern analysis were performed. The results showed that 112 ERF members were classified into 10 groups on the phylogenetic tree. Gene structure analysis showed that only a small number of genes contain 1-4 introns. Gene expression analysis showed that 39genes were highly expressed in stamens, and 20 genes were highly expressed in seedlings, and 40 genes were highly expressed in embryos. Some genes have the same expression pattern in stamens, embryos and seedlings, suggesting that they may have similar functions.

;gene family; bioinformatics; gene structure; gene expression

Q943.2；S792.95

A

1007-1032(2020)05-0519-08

張斌，唐滿(mǎn)生．銀杏ERF轉(zhuǎn)錄因子家族的全基因組學(xué)鑒定及表達(dá)模式分析[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2020，46(5)：519-526．

ZHANG B, TANG M S. Bioinformatics and expression analysis of ERF transcription factor family in[J]. Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences), 2020, 46(5): 519-526.

http://xb.hunau.edu.cn

2019-11-04

2019-12-23

湖南省自然科學(xué)基金(2019JJ50201)；湖南科技學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(17XKY012)

張斌(1981—)，男，湖南永州人，博士，講師，主要從事植物發(fā)育生物學(xué)研究，zhangbin27104@163.com；*通信作者，唐滿(mǎn)生,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事環(huán)境污染防治研究，manshengtang@sina.com

責(zé)任編輯：毛友純

英文編輯：柳正