張 程 張 展 楊佳寶 孟晚秋 曾令露 孫 黎,*

向日葵DGATs基因家族的鑒定及表達(dá)分析

張 程1張 展2楊佳寶1孟晚秋1曾令露1孫 黎1,*

1新疆石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 新疆石河子 832003;2兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 新疆巴州 841007

二?；视王；D(zhuǎn)移酶(Diacylglycerol acyltransferase, DGAT)在植物油脂代謝和抗逆過程中發(fā)揮重要作用。為探究基因在向日葵(L.)中的進(jìn)化及在油脂積累和非生物脅迫應(yīng)答中的功能, 本研究以擬南芥基因?yàn)榛A(chǔ)序列, 通過同源比對從向日葵基因組中獲得18個(gè)同源基因序列, 并對其染色體分布、基因結(jié)構(gòu)、蛋白保守結(jié)構(gòu)域、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系、組織特異性表達(dá)以及非生物脅迫下的表達(dá)模式進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)果表明, 向日葵基因可分為4個(gè)亞族(、、和), 且同一亞族成員具有相似的基因結(jié)構(gòu)和蛋白保守基序;基因的啟動子區(qū)富含逆境和植物激素響應(yīng)相關(guān)元件; 片段復(fù)制是導(dǎo)致該基因家族擴(kuò)張的主要因素; qRT-PCR結(jié)果表明,和主要在種子發(fā)育的早、中期表達(dá), 與種子油脂快速積累密切相關(guān), 而亞家族基因主要在莖、葉和花中表達(dá)。鹽、低溫、干旱和ABA處理后, 多數(shù)基因在向日葵根、莖和葉中呈現(xiàn)誘導(dǎo)表達(dá), 推測其可能在對逆境脅迫的響應(yīng)中起重要作用。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究向日葵基因的功能奠定了基礎(chǔ)。

向日葵; DGAT基因家族; 非生物脅迫; 基因表達(dá)

向日葵(L)是我國重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物, 主要種植在東北和西北地區(qū), 抗逆性強(qiáng), 耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿[1-2]。葵花籽油中含有大量人體所必需的不飽和脂肪酸, 占總脂肪酸含量的90%左右, 主要是油酸(18:1)和亞油酸(18:2), 具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和保健作用[3]。植物油脂主要以三酰甘油(Triacylglycerol, TAG)的形式儲存于種子中。TAG在植物體內(nèi)主要通過Kennedy途徑合成, 二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶(DGAT, EC2.3.1.20)是催化二酰甘油(Diacylglycerol, DAG)和脂酰-CoA合成TAG的關(guān)鍵酶[4]。在進(jìn)化過程中, DGAT家族產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)上不相關(guān)的4個(gè)亞家族, 即DGAT1、DGAT2、DGAT3和WSD/DAGT (WSD)[5]。DGAT1、DGAT2是主要亞型, 在大多數(shù)真核生物中廣泛存在, 已經(jīng)從蓖麻[6]、玉米[7]、油菜[8]、煙草[9]、油桐[10]和橄欖[11]等植物中鑒定出來并進(jìn)行了功能研究。相較于和,和基因的研究報(bào)道較少[5]。

研究發(fā)現(xiàn),在油料作物發(fā)育的胚中高表達(dá),其表達(dá)水平與種子發(fā)育過程中的油脂積累相關(guān)[12]。擬南芥的失活導(dǎo)致突變體的種子油含量降低[13]。玉米的激活(通過插入苯丙氨酸)增加了玉米胚的含油量[7]。通過將擬南芥在煙草葉中的瞬時(shí)表達(dá)證實(shí)了其具有合成TAG的功能[14]。麻瘋樹和的過量表達(dá)分別導(dǎo)致油脂產(chǎn)量增加25.0%和29.6%[15]。DGAT3是一種植物胞質(zhì)可溶性的金屬酶[16], 最早在花生中發(fā)現(xiàn)[17]。在煙草中特異表達(dá)亞麻薺顯著增強(qiáng)了種子中不飽和脂肪酸的積累[18]。WS/DAGT最早在醋酸鈣不動桿菌()中發(fā)現(xiàn)[19], 是一種雙功能酶, 具有TAG和蠟質(zhì)合成功能, 并且其蠟質(zhì)合成酶活性遠(yuǎn)大于TAG合成酶活性。擬南芥AtWSD1具有較高水平的蠟質(zhì)合成酶活性, 其DGAT酶活性比蠟質(zhì)合成酶活性低約10倍[20]。同時(shí)AtWSD1還參與表皮蠟的合成, 在防止植物脫水和耐鹽堿過程中發(fā)揮著重要作用[21-22]。

目前為止, DGAT基因家族已在煙草[23]、棉花[24]、花生[25]、玉米[26]、油棕[27]和大豆[28]等植物中進(jìn)行了研究報(bào)道。目前在向日葵中關(guān)于DGAT全基因家族的鑒定尚未報(bào)道, 本研究從向日葵基因組中鑒定出18個(gè)HaDGATs基因, 并對其基因結(jié)構(gòu)、編碼蛋白的理化性質(zhì)和進(jìn)化關(guān)系等進(jìn)行了分析。采用實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù), 初步探索了表達(dá)與種子油脂合成之間的關(guān)系, 并且分析了在干旱、低溫、鹽脅迫和脫落酸(ABA)響應(yīng)中的表達(dá)譜, 研究結(jié)果為深入探究基因在向日葵油脂合成及抵御非生物脅迫中的功能奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)以油用向日葵“T303”品系為試驗(yàn)材料,種植于石河子大學(xué)農(nóng)試場試驗(yàn)田(85°94′N, 44°27′E)。2周后采集根、莖、葉和子葉, 待油葵開花后采集花樣品, 并在第0天進(jìn)行人工自花授粉, 套袋做標(biāo)記。分別在花后第10、17、24、31和38天采集向日葵發(fā)育中的籽粒, 液氮速凍后于–80℃凍存?zhèn)溆谩?/p>

選取生長3周左右(25℃±1℃, 16 h/8 h)的向日葵幼苗, 進(jìn)行如下處理: 鹽脅迫處理, 將幼苗分別用0、100和300 mmol L–1NaCl處理24 h后取樣; 低溫脅迫, 將幼苗放入4℃光照培養(yǎng)箱0、12和24 h后取樣; 干旱脅迫, 使用15% PEG-6000對幼苗分別處理0、1、3、6、12和24 h后取樣; ABA處理, 將幼苗浸泡在100 μmol L–1ABA中, 分別于0、1、3、6、12和24 h后取樣, 分別取根、莖、葉樣品, 液氮速凍后于–80℃凍存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 HaDGATs家族成員鑒定及理化性質(zhì)分析

從Ensembl Plants (http://plants.ensembl.org/ index.html)下載向日葵基因組數(shù)據(jù), 以擬南芥4個(gè)序列, 即()、()、()和()為探針在向日葵基因組中進(jìn)行比對, 去除重復(fù)后以-value≤1e–10作為篩選條件得到候選序列。使用Pfam (http://pfam.xfam.org/)、CDD (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)和SMART (http://smart.embl.de/)數(shù)據(jù)庫查看候選序列是否具有完整的二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶功能結(jié)構(gòu)域,最終確定的序列進(jìn)行后續(xù)分析, 并依據(jù)其在染色體上的先后順序進(jìn)行命名。使用在線網(wǎng)站ExPASy (https://web.expasy.org/protparam/)預(yù)測HaDGATs蛋白理化性質(zhì)。利用TMHMM (http://www.cbs.dtu.dk/ services/TMHMM/)進(jìn)行蛋白跨膜區(qū)預(yù)測。

1.3 HaDGATs系統(tǒng)進(jìn)化、基因結(jié)構(gòu)和蛋白保守基序分析

使用MEGA 7.0軟件采用NJ (Neighbor-Joining tree)法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹, EvolView (https://www. evolgenius.info/evolview/)在線網(wǎng)站對進(jìn)化樹進(jìn)行美化。使用MEME (http://alternate.meme-suite.org/tools/ meme)在線網(wǎng)站分析候選基因的保守基序(Motif)。結(jié)合基因組數(shù)據(jù)庫GFF3文件, 提取基因結(jié)構(gòu)信息。使用GSDS (http://gsds.gao-lab.org/)在線繪保守基序和基因結(jié)構(gòu)圖。

1.4 HaDGATs染色體定位、順式作用元件和復(fù)制事件分析

MapGene2Chromosome V2 (http://mg2c.iask.in/ mg2c_v2.0/)繪制基因染色體定位圖。選取起始密碼子上游約2000 bp序列提交至PlantCARE (http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)在線網(wǎng)站預(yù)測基因啟動子區(qū)的順式作用元件。

基因復(fù)制事件通過多序列比對, 以基因比對相似率大于75%作為篩選標(biāo)準(zhǔn)[29]。使用TBtools軟件中Simple Ka/Ks Caculator計(jì)算Ka (非同義替換率)和Ks (同義替換率), 通過Ka/Ks比值來探究基因在進(jìn)化過程中所承受的選擇壓力[30]。使用T = Ks/2r計(jì)算分離時(shí)間, r為植物核基因分離速率, 雙子葉植物r每個(gè)位點(diǎn)每年發(fā)生1.5×10–8個(gè)同義替換。

1.5 向日葵種仁油脂提取

采集不同發(fā)育階段(花后第10、17、24、31和38天)的油用向日葵“T303”的籽粒, 去殼取種仁, 采用索氏抽提法提取總油脂, 具體步驟及含油量計(jì)算參考李培江等[31]的方法。

1.6 熒光定量PCR分析

使用FastPure Plant Total RNA Isolation Kit (南京諾唯贊生物科技股份有限公司)提取總RNA。使用PrimeScriptReverse Transcriptase (大連TaKaRa公司)合成cDNA。使用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)qRT-PCR引物(表1), 以向日葵(AF107577)基因?yàn)閮?nèi)參。使用ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix (南京諾唯贊生物科技股份有限公司)進(jìn)行qRT-PCR反應(yīng)。反應(yīng)程序: 95℃預(yù)變性30 s, 95℃變性10 s, 60℃退火30 s, 72℃延伸20 s, 40個(gè)循環(huán)。每個(gè)PCR反應(yīng)重復(fù)3次。采用2–??CT法對定量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[32], 然后使用ImageGP (http://www.ehbio.com/ImageGP/index.php/Home/Index/PHeatmap.html)在線網(wǎng)站繪制熱圖。

表1 qRT-PCR引物序列

2 結(jié)果與分析

2.1 HaDGATs家族成員鑒定及系統(tǒng)進(jìn)化分析

通過序列比對, 在向日葵基因組中共獲得18個(gè)HaDGATs基因(表2)。所編碼氨基酸長度在330～666 aa之間; 蛋白相對分子量范圍為35.6～74.7 kD, 等電點(diǎn)范圍為7.11～9.85。親疏水性和跨膜區(qū)分析發(fā)現(xiàn), HaDGAT1-1、HaDGAT1-2和HaDGAT1-3是疏水性蛋白, 具有8～9個(gè)跨膜區(qū); HaDGAT2-1和HaDGAT2- 2也是疏水性蛋白, 均具有2個(gè)跨膜區(qū); HaDGAT3是親水可溶性蛋白, 沒有跨膜區(qū); HaWSDs均為疏水性蛋白, 其中HaWSD7～HaWSD9含有１個(gè)跨膜區(qū), 其他HaWSDs蛋白不具有跨膜結(jié)構(gòu)。

構(gòu)建向日葵、擬南芥和紅花()等11個(gè)植物DGAT蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖1)發(fā)現(xiàn), 植物DGAT家族可分為4個(gè)亞家族, 分別為DGAT1、DGAT2、DGAT3和WSD。從進(jìn)化分枝來看, DGAT1與DGAT2聚為一簇, DAGT3和WSD分別聚為一簇。在同一亞族內(nèi), 單雙子葉植物形成了不同的分枝。向日葵與同屬菊科的紅花和黃花蒿()親緣關(guān)系更近, 十字花科的擬南芥與甘藍(lán)型油菜()聚成一簇。擬南芥、玉米和大豆等植物的DGAT在4個(gè)亞組中都有分布, 說明DGAT家族基因的分化時(shí)間較早。

2.2 HaDGATs基因結(jié)構(gòu)和蛋白保守基序分析

為探究基因在進(jìn)化上的保守性, 結(jié)合基因組注釋文件分析了向日葵和擬南芥的基因結(jié)構(gòu)(圖2)。在亞家族中,、、和都含有16個(gè)外顯子和15個(gè)內(nèi)含子;亞家族中,、都具有9個(gè)外顯子, 8個(gè)內(nèi)含子,具有8個(gè)外顯子和7個(gè)內(nèi)含子;和均含有2個(gè)外顯子, 1個(gè)內(nèi)含子;亞家族中,和的外顯子數(shù)量在5～8之間, 內(nèi)含子數(shù)量在4～7之間。表明, 同一亞族中的和外顯子與內(nèi)含子數(shù)量基本一致, 不同亞族之間的外顯子與內(nèi)含子數(shù)量差異較大。

表2 向日葵HaDGATs基因基本信息

圖1 向日葵和其他植物DGAT家族蛋白系統(tǒng)發(fā)育樹

Ha: 向日葵; At: 擬南芥; Gm: 大豆; Ah: 花生; Bn: 甘藍(lán)型油菜; Sb: 高粱; Os: 水稻: Eg: 油棕: Aa: 黃花蒿; Ct: 紅花; Zm: 玉米。

Ha:; At:; Gm:; Ah:; Bn:; Sb:; Os:; Eg:; Aa:; Ct:; Zm:.

圖2 向日葵HaDGATs基因結(jié)構(gòu)

分析比較擬南芥AtDGATs和向日葵HaDGATs蛋白的保守基序發(fā)現(xiàn)(圖3), DGAT1的Motif 1中包含脂肪酸結(jié)合位點(diǎn)(FGXXXXYKWW), Motif 2中含有亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu); DGAT2的Motif 1包含脂肪酸結(jié)合位點(diǎn)VPVFCFG, Motif 2中含有DGAT2典型的保守序列YFP和EPHS; DGAT3的Motif 1中包含脂肪酸結(jié)合蛋白特征序列HVXYYXX, Motif 4中含有脂肪酸結(jié)合蛋白特征序列CKKSGXIALLEEFQRAMTG; WSD的Motif 3中存在WS/DGAT蛋白家族特有的保守序列HHXXXDG。

圖3 向日葵HaDGATs蛋白的保守基序

2.3 HaDGATs染色體定位與順式作用元件分析

由圖4-A可見, 18個(gè)向日葵成員不均勻地分布在10條染色體上, 其中10號染色體上分布最多, 為4個(gè); 12號染色體有3個(gè); 4號、6號和16號染色體各有2個(gè); 3號、5號、14號、15號和17號染色體只有1個(gè)基因。

啟動子區(qū)含有大量激素響應(yīng)、生長發(fā)育和脅迫應(yīng)答相關(guān)的順式作用元件(圖4-B)。、、、、、、和的啟動子區(qū)含有低溫響應(yīng)元件LTR;、、、、和含有干旱相關(guān)元件MBS;、、、和含有防御和脅迫應(yīng)答元件TC-rich。同時(shí),還擁有大量脫落酸、茉莉酸甲酯和水楊酸響應(yīng)元件。

圖4 向日葵HaDGATs染色體分布(A)及啟動子順式作用元件(B)分析

2.4 HaDGATs復(fù)制事件分析

基因復(fù)制事件分析發(fā)現(xiàn)(表3和圖5-A), 向日葵中共存在8個(gè)重復(fù)基因?qū)? 其中5對為片段重復(fù), 3對串聯(lián)重復(fù)。8個(gè)基因?qū)Φ腒a/Ks比值均小于1, 說明它們經(jīng)歷了純化選擇, 暗示在進(jìn)化上相對保守, 這有助于維持功能的穩(wěn)定性。從分化時(shí)間來看,基因?qū)Φ姆只瘯r(shí)間較早, 分別為37.70 Mya和35.02 Mya (百萬年前)。

此外, 將向日葵、擬南芥和紅花的進(jìn)行共線性分析發(fā)現(xiàn)(圖5-B), 在18個(gè)向日葵中, 2個(gè)基因與擬南芥存在共線性關(guān)系, 11個(gè)基因與紅花存在共線性關(guān)系。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 3個(gè)在紅花中分別具有2個(gè)直系同源基因, 表明基因家族在菊科多倍化事件中顯著擴(kuò)張。

2.5 HaDGATs在向日葵不同組織中的表達(dá)及種子不同發(fā)育時(shí)期油脂含量分析

組織表達(dá)分析結(jié)果表明(圖6), 18個(gè)HaDGATs基因在向日葵不同組織(根、莖、葉、子葉、花和不同發(fā)育時(shí)期的種子)中的表達(dá)存在差異。、、主要在種子發(fā)育的第17天和第21天表達(dá), 這與向日葵種子油脂主要在17 d、21 d快速積累高度一致(圖7)。則主要在莖、葉、子葉和花中表達(dá)。

表3 向日葵HaDGATs家族成員基因復(fù)制事件和發(fā)散時(shí)間分析

(圖5)

A: 向日葵種內(nèi)共線性分析; B: 向日葵與擬南芥、紅花種間基因共線性分析。

A: collinearity analysis ofin sunflower; B: collinearity analysis ofamong sunflower,, and safflower.

圖6 HaDGATs在向日葵不同組織的表達(dá)模式

DAF: 開花后天數(shù)?；虻南鄬Ρ磉_(dá)量以根的表達(dá)量作為對照。

DAF: days after flowering. The relative expression levels ofgenes are compared with the relative expression in roots.

2.5 HaDGATs在向日葵不同組織中的表達(dá)及種子不同發(fā)育時(shí)期油脂含量分析

組織表達(dá)分析結(jié)果表明(圖6), 18個(gè)HaDGATs基因在向日葵不同組織(根、莖、葉、子葉、花和不同發(fā)育時(shí)期的種子)中的表達(dá)存在差異。、、主要在種子發(fā)育的第17天和第21天表達(dá), 這與向日葵種子油脂主要在17 d、21 d快速積累高度一致(圖7)。則主要在莖、葉、子葉和花中表達(dá)。

2.6 HaDGATs在非生物脅迫和外源ABA處理下的表達(dá)

qRT-PCR分析表明,在鹽、低溫、干旱脅迫和外源ABA處理下的表達(dá)模式不同(圖8-A)。不同濃度的NaCl脅迫處理24 h后, 6個(gè)基因(、、、、和)在根和莖中的表達(dá)量顯著下調(diào), 但大部分s在根和莖中的表達(dá)上調(diào)。100 mmol L-1NaCl脅迫后,和在葉中的表達(dá)量與對照相比顯著上調(diào)。

低溫(4℃)脅迫處理下(圖8-B),、和在根和莖中的表達(dá)受到抑制,～在莖中表達(dá)量與對照相比顯著上調(diào); 脅迫12 h時(shí),和的根中表達(dá)量顯著上調(diào); 脅迫24 h時(shí),、、、、、、和在葉中的表達(dá)量顯著上升。

100 μmol L-1ABA處理下(圖9-A),以及大部分在莖中表達(dá)上調(diào);、、、和在葉中的表達(dá)量顯著提高; 此外,和在根中表達(dá)顯著上調(diào)。

15% PEG-6000模擬干旱脅迫下(圖9-B),、和的表達(dá)量顯著下調(diào);在根、莖、葉中呈現(xiàn)不同程度的表達(dá)上調(diào)。其中,、、、、和在莖中表達(dá)上調(diào);、、和主要在根中表達(dá)上調(diào);在干旱脅迫1 h時(shí), 在葉中的表達(dá)量達(dá)到峰值。

圖7 向日葵種子發(fā)育不同時(shí)期的油脂含量分析

不同字母表示數(shù)值有顯著差異(< 0.05)。

Different lowercase letters indicate there are significantly different at< 0.05.

圖8 向日葵HaDGATs在鹽(A)和低溫(B)脅迫下的表達(dá)

圖9 向日葵HaDGATs在外源ABA (A)和干旱(B)處理下的表達(dá)

3 討論

DGAT是TAG生物合成的“Kennedy途徑”中唯一的限速酶[33]。該酶在油脂合成中的作用已在許多植物中被廣泛研究[6-11], 可通過超表達(dá)基因的遺傳操作來實(shí)現(xiàn)植物油產(chǎn)量和質(zhì)量的提升[18]。

本研究通過同源序列比對, 從向日葵基因組數(shù)據(jù)庫中獲得了18個(gè)HaDGATs基因, 包括4個(gè)亞族(3個(gè)、2個(gè)1個(gè)和12個(gè))基因。同一亞族具有相似的外顯子-內(nèi)含子數(shù)目和保守的Motif, 但不同亞族成員之間的基因結(jié)構(gòu)和保守Motif差異較大, 推測同一亞族內(nèi)的基因具有相似的生物學(xué)功能。4個(gè)DGAT亞家族基因在多個(gè)單、雙子葉植物中均有分布, 表明DGTA家族成員之間的分化早于物種分化。

在生物進(jìn)化過程中, 基因復(fù)制事件及功能分化是基因組和物種演化的重要驅(qū)動力[34]。在向日葵中發(fā)現(xiàn)5對片段重復(fù)和3對串聯(lián)重復(fù), 這可能是向日葵家族擴(kuò)張的主要原因, 也是向日葵適應(yīng)環(huán)境的一種生存策略。同時(shí)這些重復(fù)基因都受到了純化選擇, 表明在進(jìn)化上相對保守, 這有助于維持功能的穩(wěn)定性。此外, 向日葵與紅花之間存在多個(gè)DGAT直系同源基因, 表明在這些物種分化前就已經(jīng)在多倍化事件中顯著擴(kuò)張。

早期關(guān)于的研究主要集中在[35-36],并證實(shí)了其在植物花粉和種子發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用[37]。擬南芥在發(fā)育中的種子中表達(dá)量較高, 與種子TAG的積累密切相關(guān)[38]。紫蘇在種子發(fā)育的早期大量表達(dá), 過表達(dá)顯著提高了擬南芥種子含油率[39]。陸地棉基因的表達(dá)量與棉籽油積累量呈正相關(guān)[24]。本研究發(fā)現(xiàn),、和在種子發(fā)育的早、中期大量表達(dá), 其表達(dá)模式與種子油脂快速積累的時(shí)期一致, 說明它們在種子油脂合成中起著關(guān)鍵作用。而向日葵亞家族基因主要在莖、葉和花等器官中表達(dá), 推測它們可能參與了這些組織中脂質(zhì)的積累以及角質(zhì)層蠟質(zhì)的形成。植物角質(zhì)層在防止水分過度散失、抵御紫外輻射和防止病蟲害入侵方面具有重要作用[24]。擬南芥已被證明參與莖的表皮蠟合成, 在擬南芥干旱脅迫適應(yīng)中發(fā)揮重要作用[20-21]。()在擬南芥的花中大量表達(dá), 其編碼產(chǎn)物可能起到潤滑劑的作用, 使花瓣在萼片和花藥之間延伸時(shí)不受抑制地生長[40]。向日葵的4個(gè)亞家族成員呈現(xiàn)不同的組織表達(dá)模式, 暗示s基因出現(xiàn)了功能分化, 推測向日葵的脂質(zhì)積累過程可能受到精細(xì)而嚴(yán)格的調(diào)控。

據(jù)報(bào)道,除參與TAG的生物合成, 還參與非生物脅迫的響應(yīng)[41-42]。與野生型相比, 擬南芥突變體對低溫和鹽脅迫均表現(xiàn)出顯著的敏感性, 其種子發(fā)芽率大大降低, 幼苗生長受到顯著影響[43]。干旱條件下, 甘藍(lán)型油菜的過表達(dá)可以增加種子的含油量[44]。擬南芥多個(gè)基因在干旱、鹽脅迫和ABA處理后表達(dá)量顯著升高[21]。本研究發(fā)現(xiàn),的啟動子區(qū)含有多個(gè)與激素響應(yīng)和逆境脅迫相關(guān)的調(diào)控元件, 表明其可能參與非生物脅迫與激素響應(yīng)。對向日葵幼苗進(jìn)行鹽、低溫、干旱脅迫和ABA處理后,呈現(xiàn)出差異性表達(dá)。s在脅迫和激素處理后均出現(xiàn)不同程度的表達(dá)上調(diào), 說明其在向日葵應(yīng)對逆境響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。

4 結(jié)論

本研究利用生物信息學(xué)方法, 在向日葵基因組中獲得了18個(gè)HaDGATs家族基因, 并對其蛋白理化性質(zhì)、染色體定位、保守序列、基因結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系和順式作用元件等進(jìn)行了分析。組織表達(dá)譜與種子油脂積累結(jié)果分析表明,、和在向日葵種子油脂合成過程中發(fā)揮重要作用。同時(shí)基因響應(yīng)激素與逆境脅迫, 推測其參與向日葵逆境響應(yīng)的調(diào)控。本研究在中篩選出參與油脂合成與逆境響應(yīng)相關(guān)的基因, 為家族基因的功能研究奠定基礎(chǔ), 同時(shí)也為其他作物的遺傳轉(zhuǎn)化提供有價(jià)值的基因資源。

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Genome-wide identification and relative expression analysis of DGATs gene family in sunflower

ZHANG Cheng1, ZHANG Zhan2, YANG Jia-Bao1, MENG Wan-Qiu1, ZENG Ling-Lu1, and SUN Li1,*

1College of Life Science, Shihezi University, Shihezi 832003, Xinjiang, China;2Bingtuan Xingxin Vocational and Technical College, Bazhou 841007, Xinjiang, China

Diacylglycerol acyltransferase (DGAT) plays an important role in plant oil metabolism and stress resistance. To explore the evolution ofgene insunflower (L.) and its function in oil biosynthesis and response to abiotic stresses, 18 homologous gene sequences ofwere obtained from the sunflower genome database by alignment withgenes. Then, chromosome distribution, gene structure, conserved protein motifs, phylogenetic relationship, tissue-specific expression of, and their expressing patterns under abiotic stresses were systematically investigated. The results showed that sunflowergenes were divided into four subfamilies (,,, and), and the members of the same subfamily shared similar gene structures and conserved motifs. The promoter regions ofharbored multiple-elements related to environmental stresses and plant hormone response. The main factor foramplification was fragment duplication. The qRT-PCR indicated that,, andwere mainly expressed in the early and middle stages of sunflower seed development, which coincided with the rapid accumulation period of oil in seeds, whilesubfamily genes were mainly expressed in stems, leaves, and petals. Most ofgenes could be induced by NaCl, low temperature, drought, and ABA treatments in sunflower roots, stems, and leaves, indicating that they might play essential roles in dealing with various abiotic stresses. The results revealed thathad functional differentiation in regulating lipid biosynthesis and abiotic stresses. This study provides an important foundation for further understanding the function of sunflowergenes.

sunflower; DGAT gene family; abiotic stresses; gene expression

10.3724/SP.J.1006.2023.14217

本研究由國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31760064, 31360052)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31760064, 31360052).

通信作者(Corresponding author):孫黎, E-mail: sunlishz@126.com

E-mail: 2020002371@qq.com

2021-11-23;

2022-05-05;

2022-05-24.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220523.1818.018.html

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