摘要：為研究玉米CBS（ZmCBS）基因家族的特征，探討其功能，對ZmCBS基因家族進行鑒定，分析其染色體定位、基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域及進化關系，并對ZmCBS家族基因在玉米組織中的表達情況及其在非生物脅迫下的表達變化進行分析?；谟衩谆蚪M數(shù)據(jù)庫，鑒定到37個CBS基因家族成員，它們不均勻地分布在玉米的8條染色體上。該家族蛋白除保守的CBS結(jié)構(gòu)域外，多數(shù)成員還包含其他結(jié)構(gòu)域，包括電壓門控的氯化物通道蛋白（voltage gated ClC）、Phox/Bemp1（PB1）結(jié)構(gòu)域、五肽重復序列（penatricopeptider repeat，PPR）和E_SET結(jié)構(gòu)域等。按照基因結(jié)構(gòu)和進化關系可分為6個亞類，且同一進化分支上的基因具有相似的外顯子結(jié)構(gòu)和CDS長度，但內(nèi)含子長度差異很大。啟動子分析結(jié)果表明，ZmCBS基因啟動子上含有響應激素和非生物脅迫的順式作用元件。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的基因表達譜分析顯示，ZmCBS基因家族部分成員在葉、花粉或胚中優(yōu)勢表達。ZmCBS3和ZmCBS14受冷脅迫誘導表達，ZmCBS14和ZmCBS22受干旱脅迫誘導表達，暗示這些基因在玉米響應外界脅迫中起重要作用。分析結(jié)果將為進一步研究ZmCBS家族基因奠定基礎。

關鍵詞：玉米；CBS基因家族；生物信息學；生物脅迫；非生物脅迫；特征分析

中圖分類號：S513.01" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）04-0041-09

收稿日期：2023-04-25

基金項目：福建省科技計劃公益類專項（編號：2022R1027002、2021R1027001）；福建省農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展超越“5511”協(xié)同創(chuàng)新工程項目（編號：XTCXGC2021002）。

作者簡介：陳子強（1988—），男，福建泰寧人，博士，助理研究員，從事玉米分子育種研究。E-mail：402253716@qq.com。

通信作者：田大剛，博士，副研究員，從事玉米分子育種研究，E-mail：tdg@fjage.org；王 鋒，博士，研究員，主要從事水稻生物技術研究，E-mail：wf@fjage.org。

胱硫醚β合成酶（cystathionine β-synthase，CBS）結(jié)構(gòu)域是廣泛存在于所有物種中的保守結(jié)構(gòu)域。其由β-α-β-β-α二級結(jié)構(gòu)組成，并進一步折疊成球狀三級結(jié)構(gòu)［1］。該結(jié)構(gòu)域最初是在古細菌蛋白中被發(fā)現(xiàn)的，隨后在人類的胱硫醚β合成酶中被發(fā)現(xiàn)［2-3］。對CBS中的CBS結(jié)構(gòu)域進行點突變會引起人類幾種遺傳性疾病，證實CBS結(jié)構(gòu)域的重要性［3］。研究表明，CBS結(jié)構(gòu)域可結(jié)合腺苷化合物，如單磷酸腺苷（AMP）、二磷酸腺苷（ADP）、三磷酸腺苷（ATP）和S-腺苷蛋氨酸，并在細胞能量感知中發(fā)揮功能［4-6］。除CBS外，CBS結(jié)構(gòu)域還存于其他蛋白中，通過與CBS結(jié)構(gòu)域蛋白（CBS domain-containing proteins，CDCPs）的其他功能區(qū)域相結(jié)合來調(diào)節(jié)生物過程。如肌苷-5′-單磷酸脫氫酶（inosine-5′-monophosphate dehydrogenase，IMPDH）結(jié)構(gòu)域，AMP激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）結(jié)構(gòu)域和電壓門控氯通道（voltage-gated chloride channels，CLC）結(jié)構(gòu)域等［7-9］。

過去對CBS結(jié)構(gòu)域在植物中的研究也有一些報道。前人通過全基因組分析已經(jīng)從擬南芥、水稻、小麥、大豆中鑒定了34、59、66、71個CDCPs［1，10］。其中部分成員被證實在一些植物生長發(fā)育以及響應生物和非生物脅迫過程中發(fā)揮著重要功能。擬南芥AtCBSX1和AtCBSX2在花（尤其是花藥）中高表達，其在葉綠體中通過激活硫氧還蛋白-Trx系統(tǒng)中的硫氧還蛋白（thioredoxins，Trx）來幫助調(diào)節(jié)細胞中的H2O2水平，進而調(diào)控花藥的開裂［5，11］。AtCBSX3定位于線粒體，并調(diào)控線粒體內(nèi)NADP-Trx系統(tǒng)中的Trx成員［5］。敲除AtCBSX3會引起花藥內(nèi)壁次生壁增厚，造成花藥不裂，表現(xiàn)出雄性不育［12］。Mou等發(fā)現(xiàn)，水稻接種稻瘟病菌、外源施用水楊酸（SA）或茉莉酸甲酯（MeJA）均可導致OsCBSX3轉(zhuǎn)錄本上調(diào)，過表達OsCBSX3賦予水稻對稻瘟病菌的抗性［13］。OsCBSX4在模式植物煙草中過表達時表現(xiàn)出抗氧化、抗鹽和抗重金屬的特性［14］。大豆GmCBS14在結(jié)節(jié)感染區(qū)和維管束中特異性表達，并調(diào)節(jié)大豆結(jié)節(jié)生物固氮能力［6］。另外研究發(fā)現(xiàn)，一些含有其他功能域的CDCPs在非生物（鹽、干旱、高溫或低氮等）脅迫過程中同樣發(fā)揮了重要作用，如OsCBSCBSPB4、GmCBSDUF3和GmCBS21［15-17］。

目前，玉米是全球第一大谷物，也是我國種植面積位居第一的糧食作物，對國家糧食安全尤其是飼料糧安全至關重要［18］。然而，隨著環(huán)境條件的日益惡化，其受到的非生物脅迫更加頻繁、嚴重。因此，對玉米非生物脅迫相關基因功能以及脅迫應答機制的研究具有重要意義。以往的研究表明，CDCPs在植物生長發(fā)育以及響應生物和非生物脅迫過程中發(fā)揮著重要作用［5，11-17］。但目前尚未對玉米CBS（ZmCBS）基因家族成員進行鑒定，其功能研究尚未見報道。本研究采用生物信息學方法對ZmCBS基因家族進行鑒定，分析其染色體定位、基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域及進化關系，并對ZmCBS家族基因在玉米組織中的表達情況及其在非生物脅迫下的表達變化進行分析，了解ZmCBS家族基因的特征，以期為研究ZmCBS基因的功能奠定基礎。

1 "材料與方法

1.1 試驗時間與地點

本試驗于2023年2月在福建省農(nóng)業(yè)科學院遺傳工程重點實驗室內(nèi)完成。

1.2 ZmCBS基因家族成員的鑒定及理化性質(zhì)分析

通過NCBI數(shù)據(jù)庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/protein）獲取ZmCBS蛋白序列。使用Cluster X（v2.0）生成多序列比對，刪除冗余的序列。利用NCBI中的Batch CD-Search（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/Bwrpsb/bwrpsb.cgi）驗證CBS結(jié)構(gòu)域是否存在。最后，將篩選出的基因按照基因在染色體上的位置進行命名。

將所得ZmCBS基因家族蛋白序列提交在線網(wǎng)站ProtParam（https：//web.expasy.org/protparam/）上，分析各ZmCBS蛋白的氨基酸數(shù)量、分子量、等電點等理化性質(zhì)。

1.3 ZmCBS基因家族成員染色體定位

在NCBI數(shù)據(jù)庫中獲取ZmCBS基因家族各成員在染色體上的位置信息及玉米各染色體長度信息，利用TBtools工具繪制ZmCBS家族基因的染色體定位圖。

1.4 ZmCBS基因結(jié)構(gòu)、蛋白結(jié)構(gòu)域及系統(tǒng)發(fā)育分析

從NCBI數(shù)據(jù)庫下載ZmCBS基因家族成員基因組信息文件（GFF3格式）和編碼序列，并分析CBS基因的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)，通過TBtools處理得到可視化圖形。

將ZmCBS家族所有成員的蛋白序列導入NCBI中的Batch CD-Search網(wǎng)站，分析ZmCBS家族蛋白保守基序，并通過TBtools處理得到可視化圖形。

采用MEGA-X軟件的鄰接法（neighbor-joining，NJ）構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，bootstrap設置為 1 000［19］。采用iTOL v6在線網(wǎng)站（http：//itol.embl.de/）對系統(tǒng)發(fā)育樹進行美化。

1.5 ZmCBS基因家族成員啟動子順式元件分析

下載ZmCBS家族基因上游2 000 bp的啟動子序列，通過PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）分析啟動子的順式作用元件［20］。使用Tbtools對順式作用元件在基因上的位置進行可視化處理。

1.6 ZmCBS基因家族成員表達模式分析

從Maize GDB（https：//qteller.maizegdb.org/）網(wǎng)站下載玉米ZmCBS基因家族成員在初生根、成熟葉、6～7節(jié)間、花絲、成熟花粉、胚（20 DAP）和胚乳（12 DAP）等組織中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以及玉米正常情況下和受冷、熱、鹽、干旱脅迫的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，使用TBtools工具繪制轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZmCBS基因家族的鑒定及理化性質(zhì)分析

從NCBI上得到的ZmCBS基因家族蛋白的氨基酸序列，去除同一基因的冗余序列和不同轉(zhuǎn)錄本，隨后利用NCBI中的Batch CD-Search工具檢驗CBS候選基因，刪除不具有CBS保守結(jié)構(gòu)域的序列，最終得到37個ZmCBS基因。根據(jù)它們在染色體上的排列順序，將其命名為ZmCBS1～ZmCBS37。ZmCBS家族蛋白的氨基酸數(shù)量為114～893個，分子量為12.92～94.86 ku。18個ZmCBS蛋白的等電點偏酸性（4.64～7.10），19個ZmCBS蛋白的等電點偏堿性（7.11～10.52）（表1）。

2.2 ZmCBS基因家族染色體定位

為了進一步了解ZmCBS基因家族各成員在染色體上的具體分布，根據(jù)ZmCBS在染色體的位置信息（表1），利用TBtools處理得到可視化圖形。圖1顯示，除了第7、第9條染色體無基因分布外，ZmCBS在其余染色體上均有分布，其中第1、第2、第3條染色體上各有7個基因，第4、 第8條染色體上各有4個基因，第5、第6、第8條染色體上分別有5、1、2個基因。

2.3 ZmCBS基因結(jié)構(gòu)、蛋白結(jié)構(gòu)域及進化關系分析

為了了解玉米CBS基因家族各成員的系統(tǒng)進化關系和蛋白保守結(jié)構(gòu)域，使用NJ法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，并利用Batch CD-Search網(wǎng)站分析了ZmCBS家族蛋白保守基序。從圖2可以看出，ZmCBS基因家族蛋白大致分為6個亞家族（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ），每個亞家族都有明顯的特征。Ⅰ組包括9個ZmCBS蛋白，它們除了CBS結(jié)構(gòu)域外，還存在1個氯化物通道蛋白（ClC）結(jié)構(gòu)域；Ⅱ組包括11個ZmCBS蛋白，它們僅含有CBS結(jié)構(gòu)域（ZmCBS20含有2個CBS結(jié)構(gòu)域）；Ⅲ組包括5個ZmCBS蛋白，它們由2個CBS結(jié)構(gòu)域和1個Phox/Bemp1（PB1）結(jié)構(gòu)域構(gòu)成；Ⅳ組只有2個ZmCBS蛋白，其僅含有1個CBS結(jié)構(gòu)域；Ⅴ組僅有1個ZmCBS蛋白，由1個五肽重復序列（pentatricopeptide repeat，PPR）和CBS結(jié)構(gòu)域構(gòu)成；Ⅵ組有9個CBS蛋白，它們是蔗糖非發(fā)酵4相關蛋白（sucrose nonfermenting 4-like protein）（表1），這類蛋白存在1～2個CBS結(jié)構(gòu)域，其中ZmCBS13、ZmCBS14、ZmCBS32和ZmCBS36還含有一個SET結(jié)構(gòu)域。

內(nèi)含子和外顯子的結(jié)構(gòu)，以及內(nèi)含子類型與數(shù)量也是一個基因家族典型的進化印跡［1］?；蚪Y(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，同一進化分支上的基因內(nèi)含子與外顯子數(shù)量相近且結(jié)構(gòu)組成相似，但內(nèi)含子長度和數(shù)量差異很大，如Ⅰ組的ZmCBS27和ZmCBS37，Ⅲ組的ZmCBS24和ZmCBS10，以及Ⅵ組的ZmCBS13和ZmCBS36（圖2）。

2.4 ZmCBS家族基因啟動子順式作用元件分析

對ZmCBS1～ZmCBS37的啟動子區(qū)域進行啟動子順式作用元件分析，分析結(jié)果如圖3所示。ZmCBS1～ZmCBS37啟動子區(qū)域普遍存在茉莉酸甲酯、脫落酸（abscisic acid）、光（light）和缺氧 （anaerobic induction）等響應元件。除此之外，一些基因啟動子還存在其他與外界響應相關的調(diào)控元件。Ⅰ、Ⅱ組大多數(shù)成員都含有干旱響應元件（drought-inducibility responsiveness）和低溫響應元件（low-temperature responsiveness）。Ⅲ組成員含有干旱響應元件和防御及應激響應元件（defense and stress responsiveness），此外防御及應激響應元件也存在于Ⅱ、Ⅳ組的很多成員中。在Ⅵ組的很多成員中存在胚乳表達相關元件（endosperm-expressed element）。這預示著ZmCBS1～ZmCBS37在響應外界脅迫過程中發(fā)揮著不同的調(diào)控作用。

2.5 ZmCBS基因表達模式分析

基于玉米發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)［21］，分析ZmCBS基因的組織表達特性。結(jié)果顯示，Ⅰ組成員ZmCBS16，Ⅱ組ZmCBS15，以及Ⅲ組ZmCB23和ZmCB33在成熟的花粉中表達量明顯高于其他組織；而Ⅰ組ZmCBS5和ZmCBS18，Ⅱ組ZmCBS8、ZmCBS25、ZmCBS9和ZmCB22，Ⅲ組ZmCBS1和ZmCBS10及Ⅴ組ZmCBS11在成熟的葉片中表達量最高；在胚中表達量最高的為Ⅱ組的ZmCBS3、ZmCBS9、ZmCBS19和ZmCBS29，Ⅳ組的ZmCBS30，及Ⅵ組的ZmCBS32，這些基因都只含有1個CBS結(jié)構(gòu)域；在莖（6～7節(jié)間）和花絲中表達量最高的為Ⅱ組ZmCBS34和Ⅰ組ZmCBS26；另外，ZmCBS6、ZmCBS27、ZmCBS14、ZmCBS26和ZmCBS37在根、節(jié)間、葉和花絲等營養(yǎng)器官中均具有較高的表達水平（圖2和圖4）。上述ZmCBS家族成員差異表達模式表明，ZmCBS家族可能在調(diào)控玉米不同組織器官發(fā)育過程中執(zhí)行功能。

基于玉米受冷和熱以及干旱和鹽脅迫的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)［22-23］，對ZmCBS家族基因進行分析。從圖5可以看出，除ZmCBS26，其他成員的表達水平受熱脅迫后均有不同程度下調(diào)。ZmCBS3和ZmCBS14受冷脅迫后表達水平明顯增加（圖5-A）。干旱脅迫明顯上調(diào)了ZmCBS22和ZmCBS14基因的表達，鹽脅迫對ZmCBS家族基因的影響不明顯（圖5-B）。從這些結(jié)果推測，大多數(shù)ZmCBS基因?qū)崦{迫更加敏感，少數(shù)基因在干旱和低溫脅迫過程中發(fā)揮功能。

3 結(jié)論與討論

CBS基因家族是由一類含有保守的CBS結(jié)構(gòu)域的CDCPs構(gòu)成，這類家族幾乎存在于所有物種中。到目前為止，對CDCPs的研究主要集中在人類或其他動物［24-26］。植物CDCPs報道較少，其主要是通過與Trxs相互作用來維持氧化還原穩(wěn)態(tài)，但相關作用機制仍需進一步探討［3］。近年來，隨著基因組學和生物信息學的發(fā)展，相繼從擬南芥、水稻、小麥和大豆中鑒定出CDCPs［1，10，27］。這些蛋白根據(jù)序列中的其他結(jié)構(gòu)域可進一步分成多個亞類：CBSX，僅含單個CBS結(jié)構(gòu)域；CBSDUF21，攜帶CBS和1個未知功能結(jié)構(gòu)域（DUF21）；CBSClC，CBS+ClC；CBSPPR，CBS+PPR；CBSCBSPB， CBS+CBS+PB1；CBSIMPDH，CBS+IMPDH等［10，27］。本研究中，從玉米基因組中鑒定出37個CBS基因，并分析了這些CDCPs的進化關系和保守結(jié)構(gòu)域?；谏鲜龅姆诸惙椒?，大致將其分為6類（圖2）。分類結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)CBSDUF21亞類的CDCPs存在，可能是因為玉米該亞類成員在Batch CD-Search驗證CBS結(jié)構(gòu)域中被剔除。從基因結(jié)構(gòu)上看，同一進化分支上的基因內(nèi)含子與外顯子數(shù)量相近且結(jié)構(gòu)組成相似，但內(nèi)含子長度和數(shù)量差異很大（圖2），推測內(nèi)含子的插入可能促進了玉米CBS基因家族的進化［28］。上述分析結(jié)果推測，CBS各成員間基因、蛋白序列和保守結(jié)構(gòu)域的差異驅(qū)動了CBS基因家族功能的分化。

之前的研究顯示，植物CBS家族基因在很多生物過程中都發(fā)揮了重要功能，包括花藥發(fā)育過程，對生物和非生物脅迫的抗性［5，6，11-17］。一些CDCPs的表達具有組織特異性，或者因植物受外界脅迫發(fā)生變化。例如，AtCBSX1、AtCBSX2和AtCBSX3在花粉中高表達，并且參與了擬南芥的花粉發(fā)育［5，11-12］?；赪alley等的玉米轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)Ⅱ組ZmCBS15以及Ⅲ組ZmCB23和ZmCB33在成熟的花粉中表達量明顯高于其他組織（圖4），這暗示除CBX亞類成員外，CBSClC和CBSCBSPB亞類成員也可能參與了玉米花粉發(fā)育過程。此外，一些只含CBS結(jié)構(gòu)域的成員（ZmCBS3、ZmCBS9、ZmCBS19、ZmCBS29、ZmCBS30和ZmCBS32）在胚中表達量最高（圖4），暗示它們在胚發(fā)育過程中可能發(fā)揮功能。

研究表明，擬南芥受冷脅迫下，AtCBSDUF3、AtCBSCLC7、AtCBSCBSPB4、AtCBSCBSPB5在根脅迫24 h時表達上調(diào)；在鹽脅迫下，氧化脅迫誘導部分CBS基因在根部脅迫3 h時表達，而在芽中幾乎所有差異表達的CBS基因在氧化脅迫下均上調(diào)表達；

在干旱脅迫下，所有CDCPs在根中不同時間點的表達量相當，而在莖中幾乎全部的CDCPs在干旱脅迫 24 h 時表達上調(diào)［27］。郭富燁等發(fā)現(xiàn)，小麥在5 ℃低溫下大多數(shù)CBS基因表達量并沒有明顯的變化，但是在-10、-25 ℃下，TaCBS8s、TaCBSCBS1s和TaCBS10s表達量均有明顯的升高［1］。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米B73受外界脅迫后，只有少部分CDCPs的表達發(fā)生了顯著改變，推測這與取樣的時間和組織相關。其中，ZmCBS3和ZmCBS14的表達水平受冷脅迫顯著增加，ZmCBS22和ZmCBS14的表達水平受干旱脅迫顯著增加（圖5-A和圖5-B），暗示這些基因在干旱和低溫脅迫過程中發(fā)揮功能。此外啟動子元件分析結(jié)果顯示，玉米CBS基因的啟動子區(qū)域存在多種與環(huán)境響應密切相關的調(diào)控元件（圖3），如茉莉酸甲酯、脫落酸、光、缺氧、干旱和低溫等響應元件［29-31］。這些結(jié)果都預示著ZmCBS基因可能與生長發(fā)育和非生物脅迫響應相關基因的表達調(diào)控有關。

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