王宙 王宏偉 王亞 楊俊芳 趙宜婷 張宏斌 曹越

摘 要：纖維素合成酶（CeSA）是能在植物細(xì)胞質(zhì)膜上合成纖維素的蛋白質(zhì)，具有與葉片形態(tài)發(fā)育相關(guān)的順式作用元件。在高等植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞的伸長(zhǎng)受到激素和環(huán)境的影響，使得植物生長(zhǎng)高度具有差異性。其中細(xì)胞壁對(duì)細(xì)胞伸長(zhǎng)起限制作用，而纖維素是細(xì)胞壁重要的組成成分，對(duì)植物的細(xì)胞形態(tài)有重要的影響。CeSA是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要調(diào)控因子。本研究通過(guò)對(duì)蓖麻（Ricinus communis）參考基因組CeSA基因的識(shí)別和生物遺傳信息學(xué)的研究，結(jié)合蓖麻基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)CeSA家族成員的基因結(jié)構(gòu)、染色體定位、理化性質(zhì)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)、信號(hào)肽與亞細(xì)胞定位、蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域、共線性分析、保守基序、啟動(dòng)子順勢(shì)作用元件及系統(tǒng)進(jìn)化進(jìn)行了鑒定和表達(dá)分析。從蓖麻參考基因組中共鑒定出8個(gè)CeSA轉(zhuǎn)錄因子，命名為RcCeSA1～RcCeSA8，分布在8條染色體上；8個(gè)RcCeSAs蛋白都是親水性蛋白，不含信號(hào)肽，蛋白亞細(xì)胞定位以在葉綠體和高爾基體上為主；在二級(jí)結(jié)構(gòu)中有70%的α-螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲；RcCeSAs基因保守性分析表明，除Motif1和Motif2外，其他Motif均為RcCeSA家族中較為保守的基序；基因啟動(dòng)子順式作用元件分析發(fā)現(xiàn)，RcCeSA1、RcCeSA4、RcCeSA7轉(zhuǎn)錄因子的啟動(dòng)子區(qū)域中存在葉片形態(tài)發(fā)育以及參與防御和應(yīng)激反應(yīng)的相關(guān)的元件，可能會(huì)在逆境條件下快速表達(dá)，發(fā)揮其潛在功能。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析表明，RcCeSA家族與大豆、向日葵的親緣關(guān)系更近。本研究結(jié)果探究了蓖麻CeSA相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物纖維素合成的分子機(jī)制功能，為進(jìn)一步研究葉片形態(tài)差異、纖維素含量及纖維素合成相關(guān)基因在蓖麻中的表達(dá)與建立植物形態(tài)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的重要作用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：蓖麻；CeSA轉(zhuǎn)錄因子；基因家族；植物纖維素合成；生物信息學(xué)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：S565.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1007-7146.2023.02.008

Gene Family Identification and Expression Analysis of CeSA Transcription Factor in Ricinus communis

WANG Zhou， WANG Hongwei， WANG Ya， YANG Junfang， ZHAO Yiting， ZHANG Hongbin， CAO Yue*

（Institute of Industrial Crops，Shanxi Agricultural University，Taiyuan 030031，China）

Abstract： Cellulose synthase A （CeSA） is a protein that can synthesize cellulose on the plasma membrane of plant cells，and has cis-acting elements related to leaf morphological development. In the process of higher plant growth and development，the elongation of cells is affected by hormones and the environment，making plant growth highly different. Among them，the cell wall plays a limiting role in the elongation length of cells，while cellulose is an important component of the cell wall and has an important impact on the cell morphology of plants. CeSA is an important regulator of plant growth and development. In this study，the gene structure，chromosome localization，physicochemical properties，secondary structure，tertiary structure，signal peptide and subcellular localization，protein transmembrane domain，collinearity analysis，conserved Motifs，promoter homeopathic elements and phylogeny of CeSA family members were identified and analyzed by the identification and biogenetic informatics of the reference genome of Ricinus communis，combined with the castor genome database. A total of 8 CeSA transcription factors were identified from the castor reference genome，named RcCeSA1～RcCeSA8，distributed on 8 chromosomes. The 8 RcCeSAs proteins were all hydrophilic proteins，did not contain signal peptides，and the protein subcellular localization was mainly on chloroplasts and Golgi apparatus. 70% of the α-spiral and irregular curling in secondary structures; The gene conservation analysis of RcCeSAs showed that Motifs except Motif1 and Motif2 were all conserved Motifs in the RcCeSA family. The analysis of gene promoter cis-acting elements found that there were leaf morphological development and related elements involved in defense and stress response in the promoter regions of RcCeSA1，RcCeSA4 and RcCeSA7 transcription factors，which may be rapidly expressed under adverse conditions and exert their potential functions. Phylogenetic tree analysis showed that the RcCeSA family was more closely related to soybean and sunflower. The results of this study explored the molecular mechanism and function of CeSA-related transcription factors in the regulation of plant cellulose synthesis in castor beans，which laid a foundation for further study of leaf morphological differences and cellulose content and the expression of genes related to cellulose synthesis in castor beans，and laid a foundation for establishing the important role of plant morphology in actual production.

Key words： Ricinus communis; CeSA transcription factor; gene family; plant cellulose synthesis;? bioinformatics

（Acta Laser Biology Sinica， 2023， 32（2）： 160-169）

纖維素合成酶是具有纖維素合成功能的執(zhí)行蛋白，近年來(lái)已引起許多蓖麻研究者的重視。纖維素不僅參與植物細(xì)胞的形態(tài)建成，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)起調(diào)控作用，還能參與到生物、非生物脅迫信號(hào)的應(yīng)答調(diào)控系統(tǒng)中。在高等植物中，纖維素合成酶在細(xì)胞膜上組裝成纖維素合酶復(fù)合體（cellulose synthase complex），從而完成纖維素的合成［1］。有研究發(fā)現(xiàn)，纖維素合成酶能改變植物細(xì)胞壁纖維素的含量及優(yōu)劣。CeSA基因最早在陸地棉（Gossypium hirsutum）和水稻（Oryza sativa）中被鑒定［2］。模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）的CeSA基因研究最為成熟［3］。擬南芥中已知的CeSA基因有10個(gè)，其中，AtCeSA1、AtCeSA3、AtCeSA6和AtCeSA10參與初生細(xì)胞壁的形成；AtCeSA4、AtCeSA7和AtCeSA8僅在次生細(xì)胞壁上表達(dá)，并與次生細(xì)胞壁的形成發(fā)生協(xié)同調(diào)控作用［4］。目前已有許多植物的CeSA基因被鑒定和分析出來(lái)［5］，其中水稻（Oryza sativa）中發(fā)現(xiàn)了11個(gè)。此外，羅布麻（Apocynum venetum）［6］、毛竹（Phyllostachys edulis）［7］、白樺（Betula platyphylla Suk.）［8］等非模式植物中的CeSA基因也已得到了證實(shí)。

蓖麻為大戟科一年生或多年生的草本植物［9］，原產(chǎn)于非洲，是經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的油料作物。其主要種植在熱帶或溫帶地區(qū)，屬于雙子葉植物，具耐鹽堿、耐貧瘠的特性。蓖麻全基因組序列的測(cè)定已于2010年完成［10］，為進(jìn)一步了解其基因的功能奠定了基礎(chǔ)。本文通過(guò)對(duì)蓖麻參考基因組CeSA基因的識(shí)別和生物遺傳信息學(xué)方法，結(jié)合蓖麻基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)CeSA基因家族成員進(jìn)行鑒定分析，旨在為CeSA轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控提供一定的理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蓖麻CeSA家族蛋白序列比對(duì)

從Phytozome（https：//phytozome-next.jgi.doe.gov）數(shù)據(jù)庫(kù)中下載蓖麻CeSA蛋白的fasta格式，并將其輸入Jalview軟件中進(jìn)行多個(gè)蛋白序列比對(duì)分析。手動(dòng)剔除結(jié)構(gòu)域缺失和不完整的序列，設(shè)置閾值，可視化序列比對(duì)結(jié)果，包括保守度高低、比對(duì)質(zhì)量高低、共有序列高低柱狀圖。

1.2 蓖麻CeSA家族基本信息及染色體定位

利用BLASTp數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//blast.ncbi.nlm.nih.gov）對(duì)CeSA的所有轉(zhuǎn)錄因子家族成員進(jìn)行檢索，剔除重復(fù)出現(xiàn)及結(jié)構(gòu)域缺失與不完整的序列，獲得蓖麻CeSA轉(zhuǎn)錄因子家族成員，并將其蛋白質(zhì)序列導(dǎo)入Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)中驗(yàn)證。按NCBI模式植物名稱(chēng)命名方式對(duì)蓖麻CeSA家族成員進(jìn)行命名。應(yīng)用ExPASy在線軟件匯總蓖麻CeSA家族成員的基因組位置（genome position）、氨基酸數(shù)量（number of amino acid）、分子量（molecular weight）、等電點(diǎn)（isoelectric point，pI）、脂肪系數(shù)（fat factor）、不穩(wěn)定系數(shù)（instability coefficient）等理化性質(zhì)。

應(yīng)用TBtools軟件，從蓖麻基因組（Ricinus communis Bean Assembly JCVI_RCG_1.1）注釋信息中獲取蓖麻CeSA轉(zhuǎn)錄因子的染色體位置信息及蓖麻染色體的長(zhǎng)度信息，對(duì)篩選基因染色體起始位置信息進(jìn)行可視化處理，繪制染色體定位圖。

1.3 蓖麻CeSA家族基因結(jié)構(gòu)分析

采用Clustal W軟件進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)用MEGA 7.0軟件的鄰接法（neighbor-joining，NJ）構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，將進(jìn)化樹(shù)結(jié)果以樹(shù)文本復(fù)制另存為nwk格式。應(yīng)用GSDS2.0在線工具（http：//gsds.cbi.pku.edu.cn/）上傳編碼序列（coding sequence，CDS）、基因序列，并對(duì)蓖麻CeSA蛋白結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，繪制基因結(jié)構(gòu)圖。

1.4 蓖麻CeSA家族蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)、信號(hào)肽預(yù)測(cè)與亞細(xì)胞定位

應(yīng)用SOPMA軟件（https：//npsaprabi.ibcp.fr/cgibin/np sa_automat.pl？page=npsa_sopma.html）對(duì)蓖麻CeSA蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行匯總分析；利用SignalP-5.0 Server（www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）在線工具預(yù)測(cè)蓖麻CeSA蛋白家族是否含有信號(hào)肽；采用PSORT Prediction軟件（http：//psort1.hgc.jp/form. html）對(duì)蓖麻CeSA家族進(jìn)行亞細(xì)胞定位。

1.5 蓖麻CeSA家族蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

利用TMHMM Server v2.0數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）對(duì)蓖麻CeSA蛋白跨膜螺旋進(jìn)行預(yù)測(cè)；利用Phyre2數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.sbg.bio.ic.ac.uk/ phyre2/ html/page.cgi？id=index）上傳蓖麻CeSA蛋白序列，下載各序列結(jié)果進(jìn)行三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

1.6 蓖麻CeSA家族成員共線性分析

利用全基因組注釋信息，得到基因所在染色體的長(zhǎng)度；應(yīng)用TBtools軟件提取蓖麻CeSA基因家族成員的基因密度文件及簡(jiǎn)化后共線性表達(dá)文件。根據(jù)NCBI的模式植物名稱(chēng)命名方式對(duì)蓖麻CeSA家族成員進(jìn)行命名，匯總各文件信息，應(yīng)用TBtools軟件繪制共線性分析圖。

1.7 蓖麻CeSA家族保守基序分析

利用MEME（http：//meme-suite.org/tools/meme）在線工具上傳蓖麻CeSA蛋白序列，對(duì)家族中具有高相似性的基序進(jìn)行分析。將保守序列的最大鑒定數(shù)目設(shè)置為10，其余參數(shù)為預(yù)設(shè)值，對(duì)蓖麻CeSA蛋白序列進(jìn)行索引。使用TBtools軟件上傳Motif結(jié)果文件，繪制并分析其保守性。

1.8 蓖麻CeSA家族啟動(dòng)子順式作用元件分析

提取蓖麻CeSA的起始密碼子上游的2 000 bp序列以及蓖麻CeSA家族基因名稱(chēng)，并將序列轉(zhuǎn)換成大寫(xiě)，提交到PlantCARE數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/），手動(dòng)篩選需要的啟動(dòng)子信息，結(jié)合TBtools軟件繪制啟動(dòng)子區(qū)域順式作用元件圖。

1.9 蓖麻、擬南芥、大豆、向日葵、玉米、水稻、小麥和高粱CeSA家族的系統(tǒng)發(fā)育分析

采用Clustal W方法，對(duì)蓖麻、水稻、擬南芥、玉米、向日葵、大豆、小麥和高粱CeSA蛋白序列進(jìn)行多重比對(duì)；通過(guò)MEGA 7.0軟件，使用NJ法對(duì)比對(duì)結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，將進(jìn)化樹(shù)結(jié)果另存為nwk格式，利用iTOL（http：//itol.embl.de）在線工具上傳nwk格式樹(shù)文本，并對(duì)各物種樹(shù)進(jìn)行美化。

1.10 蓖麻CeSA家族進(jìn)化選擇壓力分析

通過(guò)BLAST建庫(kù)和KaKs_Calculator 2.0軟件對(duì)蓖麻CeSA基因核苷酸的非同義替換率（non-synonymous substitution rate，Ka）與同義替換率（synonymous substitution rate，Ks）進(jìn)行計(jì)算，獲取基因的Ka/Ks比率，并進(jìn)行選擇壓力分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓖麻CeSA家族蛋白序列比對(duì)

蓖麻CeSA家族成員比對(duì)結(jié)果顯示，有8條符合閾值的蓖麻CeSA家族蛋白序列，可以看出RcCeSA6、RcCeSA7間相似性較高。這與蓖麻CeSA家族聚類(lèi)中顯示的互為旁系同源基因結(jié)果相吻合。蛋白多序列比對(duì)結(jié)果表明，蓖麻CeSA家族蛋白相互存在序列相似性（圖1）。

2.2 蓖麻CeSA家族基本信息及染色體定位

從蓖麻全基因組注釋文件中獲取CeSA基因在染色體上的起始位置信息及染色體長(zhǎng)度信息，繪制基因染色體定位圖。分析結(jié)果表明（從上至下，從左至右編號(hào)是第1號(hào)～第8號(hào)），每條染色體上均存在1個(gè)RcCeSA轉(zhuǎn)錄因子（圖2）。對(duì)RcCeSAs蛋白的理化性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：RcCeSAs蛋白的基因的長(zhǎng)度為8 681～1 135 961 bp；蛋白氨基酸數(shù)量為828～1 458個(gè)；分子質(zhì)量大小為93 849.07～162 509.53 Da；理論等電點(diǎn)為6.12～8.86，除RcCeSA3、RcCeSA6和RcARF7外，其余CeSAs蛋白質(zhì)pI均大于7；不穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表明，RcCeSA4、RcCeSA5和RcCeSA7蛋白是不穩(wěn)定蛋白（不穩(wěn)定系數(shù)>40）；親水性平均值顯示，蓖麻各個(gè)CeSA蛋白親水性均為負(fù)值，表明RcCeSAs蛋白均為親水性蛋白（表1）。

2.3 蓖麻CeSA家族基因結(jié)構(gòu)分析、保守基序及序列分析

通過(guò)對(duì)RcCeSAs家族成員的基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)RcCeSAs家族成員的基因在系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中都是成對(duì)出現(xiàn)的，如RcCeSA1/RcCeSA8、RcCeSA3/RcCeSA5等（圖3a）。蓖麻的8個(gè)CeSAs基因可以劃分為3個(gè)亞族，劃分在同一亞族中，說(shuō)明該基因的家族成員親緣關(guān)系更接近。由此可推測(cè)，RcCeSAs家族進(jìn)化發(fā)生了適應(yīng)性變異。在RcCeSAs家族成員的基因結(jié)構(gòu)中，RcCeSA1和RcCeSA5這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子只存在下游非編碼區(qū)，RcCeSA6和RcCeSA7只存在上游非編碼區(qū)，而剩下的4個(gè)轉(zhuǎn)錄因子均不存在上、下游非編碼區(qū)域；CDS是編碼蛋白產(chǎn)物的序列，絕大多數(shù)RcCeSAs的CDS數(shù)量都維持在9個(gè)以上或者更多；所有的RcCeSAs轉(zhuǎn)錄因子均含有內(nèi)含子，其中值得注意的是，RcCeSA8內(nèi)含子較長(zhǎng)，內(nèi)含子與外顯子之間存在的高度保守的一致序列，使得該轉(zhuǎn)錄因子相對(duì)其他轉(zhuǎn)錄因子的保守序列數(shù)量更高，因而具有更高的保守性。通過(guò)保守基序?qū)Ρ吐镃eSA家族的氨基酸序列進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與蓖麻CeSA相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子共包含10種保守基序，并命名為Motif1～Motif10（圖3b）?；虻母鞅Ｊ鼗蚍治鲲@示：除Motif7和Motif8外，其他Motif各為50個(gè)氨基酸；Motif1～Motif10存在于8個(gè)蓖麻CeSA氨基酸序列中，可見(jiàn)其分布范圍最廣，說(shuō)明具有很強(qiáng)的保守性；除此以外，Motif1和Motif2重復(fù)出現(xiàn)在RcCeSA8氨基酸序列中，可推測(cè)其在蓖麻CeSA氨基酸序列中更為保守（圖3c）。

2.4 蓖麻CeSA家族蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)、信號(hào)肽與亞細(xì)胞定位

對(duì)蓖麻CeSAs家族成員蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其二級(jí)結(jié)構(gòu)中存在α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、延伸鏈和無(wú)規(guī)則卷曲（表2）。在這些結(jié)構(gòu)中，α-螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲占據(jù)70%，這都有助于對(duì)蛋白質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)象；而在整個(gè)蛋白質(zhì)中，延伸鏈比例其次，β-轉(zhuǎn)角比例最低。對(duì)蛋白序列進(jìn)行信號(hào)肽和亞細(xì)胞定位分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在8種編碼蛋白中未檢測(cè)到信號(hào)肽，這說(shuō)明蓖麻CeSAs蛋白不屬于分泌蛋白，蓖麻CeSA家族主分布在葉綠體與高爾基體上，其作用與基因的生物學(xué)功能相關(guān)聯(lián)。

2.5 蓖麻CeSA家族蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域與三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

利用TMHMM Server v. 2.0在線工具繪制蓖麻CeSA家族中8個(gè)成員的蛋白跨膜螺旋（圖4），結(jié)果顯示，除RcCeSA5蛋白在C端存在跨膜螺旋結(jié)構(gòu)域的缺失，僅有2個(gè)跨膜螺旋結(jié)構(gòu)域外，其余成員蛋白在C端都包含6個(gè)完整的跨膜結(jié)構(gòu)域。RcCeSA8可能因?yàn)榘l(fā)生突變，相應(yīng)功能發(fā)生變化，從而導(dǎo)致N端跨膜結(jié)構(gòu)改變，其余成員均有相似的N端和C端跨膜結(jié)構(gòu)域，且組成跨膜結(jié)構(gòu)域的氨基酸數(shù)量與位置均相似，可推斷其家族成員蛋白具有相同的結(jié)構(gòu)和功能。利用Phyre2對(duì)蓖麻CesAs蛋白進(jìn)行三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，由圖5可知，除RcCeSA5蛋白外，其余蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)在空間結(jié)構(gòu)上具有極高的相似度，可推斷大部分家族成員蛋白具有相似的生物學(xué)功能。

2.6 蓖麻CeSA家族成員共線性分析

使用TBtools軟件繪制蓖麻CeSA基因家族中8個(gè)成員間的共線性分析圖譜（Chr1～ Chr10分別為蓖麻的10條染色體），結(jié)果顯示，共線性關(guān)系（同源基因?qū)Γ┰诒吐镃eSA家族成員中僅有1對(duì)，即位于7號(hào)染色體上的RcCeSA1與位于2號(hào)染色體上的RcCeSA7（圖6）。大多數(shù)蓖麻CeSA家族成員之間無(wú)與之對(duì)應(yīng)的共線性的基因。表達(dá)譜分析表明，RcCeSA基因有不均勻的表達(dá)量，其中，RcCeSA3的表達(dá)水平相對(duì)較低。

2.7 蓖麻CeSA家族啟動(dòng)子順式作用元件分析

本文對(duì)RcCeSAs轉(zhuǎn)錄因子家族的潛在功能進(jìn)行研究，分析蓖麻CeSA啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件，發(fā)現(xiàn)該啟動(dòng)子序列中，除了基本轉(zhuǎn)錄元件外，這個(gè)序列還包含了許多其他的作用元件，包括光響應(yīng)元件（BOX4、G-box、SP1、GT1-motif）、激素應(yīng)答元件（ABRE、TGA-element、TGACG-motif、CGTCA-motif）、關(guān)于葉片形態(tài)發(fā)育元件（HD-Zip1、HD-Zip3）以及涉及防御和壓力反應(yīng)的順式作用元件（TC-rich repeats）等。由于細(xì)胞壁的主要成分為纖維素，而細(xì)胞壁在植物抵御生物、非生物脅迫過(guò)程中扮演重要角色，故可推測(cè)，RcCeSA1、RcCeSA3、RcCeSA5以及RcCeSA7能有效地應(yīng)對(duì)逆境脅迫。同樣，RcCeSAs家族在植物生長(zhǎng)發(fā)育、激素響應(yīng)、葉片形態(tài)發(fā)育和脅迫等方面也發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，具體元件位置及功能信息如圖7所示。

2.8 蓖麻CeSA家族的系統(tǒng)發(fā)育分析

蓖麻CeSA家族聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)（圖8a），各轉(zhuǎn)錄因子間相互存在同源性，大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子同源性相對(duì)較高，如RcCeSA6與RcCeSA7互為旁系同源系列。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中包括蓖麻（8個(gè)）、擬南芥（10個(gè)）、大豆（25個(gè)）、向日葵（13個(gè)）、高粱（12個(gè)）、水稻（11個(gè)）、小麥（13個(gè)）和玉米（18個(gè)）CeSA基因家族的共110個(gè)CeSA蛋白成員（圖8b）。不同的顏色區(qū)域表示了不同的亞族。從進(jìn)化樹(shù)的結(jié)果可以看出，蓖麻的8個(gè)CeSA成員可以分為9個(gè)亞家族，蓖麻CeSA基因在各亞族中均有分布，表明各物種間CesA基因家族具有直系同源關(guān)系。其中，RcCeSA1與Gm03G126000，RcCeSA4與Gm16G081000，RcCeSA2與Ha01g0002191、At5G17420，RcCeSA5與At5G09870、Ha04g0119891，以及RcCeSA7與Gm05G187300、Gm08G145600互為親緣關(guān)系較好的直系同源基因，說(shuō)明蓖麻的CeSA轉(zhuǎn)錄因子在進(jìn)化過(guò)程中與大豆、向日葵及擬南芥同源關(guān)系更為親近；值得注意的是，進(jìn)化樹(shù)中蓖麻、向日葵、大豆大多聚集在同一分支下，推測(cè)是由于進(jìn)化樹(shù)中的雙子葉植物（大豆、擬南芥、蓖麻、向日葵）與單子葉植物（高粱、玉米、水稻、小麥）大多不能聚集在同一分支下的緣故，說(shuō)明CeSA轉(zhuǎn)錄因子家族成員在進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)了單雙子葉的分化。

2.9 蓖麻CeSA家族進(jìn)化選擇壓力分析

遺傳上利用Ka/Ks對(duì)蛋白編碼基因進(jìn)行篩選，判斷基因是否有選擇壓力。若Ka/Ks>1，則認(rèn)為有正選擇效應(yīng)；若Ka/Ks=1，則認(rèn)為存在中性選擇；若Ka/Ks<1，則認(rèn)為有純化選擇作用。使用KaKs_Calculator 2.0軟件對(duì)蓖麻CeSA復(fù)制基因?qū)M(jìn)行進(jìn)化選擇壓力分析，剔除不符合閾值的基因?qū)?。結(jié)果如表3所示，所有基因?qū)Φ腒a值均小于Ks值，所有Ka/Ks值均小于1，說(shuō)明蓖麻CeSA基因家族在進(jìn)化過(guò)程中受到了純化選擇作用，以減少片段重復(fù)后的有害突變。

3 討論

在全球范圍內(nèi)，蓖麻的耕地不斷縮小，能源短缺。研究者為改良蓖麻的性狀，致力于培育高產(chǎn)高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)蓖麻品種，為實(shí)現(xiàn)蓖麻的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供方向［11］。在作物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境脅迫等方面，轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮了重要的調(diào)控作用。相關(guān)全基因組分析是當(dāng)前對(duì)特定物種基因家族最基礎(chǔ)的研究手段。本文對(duì)蓖麻CeSA家族進(jìn)行了全基因組水平上的鑒定，為進(jìn)一步研究其功能和建立分子標(biāo)記技術(shù)提供了依據(jù)。

本文研究結(jié)果表明，在蓖麻全基因組內(nèi)共鑒定出8個(gè)CeSA轉(zhuǎn)錄因子，均勻分布在8條染色體上；除RcCeSA3、RcCeSA6和RcARF7外，其余CeSAs蛋白質(zhì)pI均大于7；蛋白不穩(wěn)定系數(shù)和親水性平均值表明，RcCeSAs蛋白均為不穩(wěn)定和親水性較好的蛋白；α-螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲占據(jù)二級(jí)結(jié)構(gòu)的70%；CeSA在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控纖維素的合成，編碼序列中有無(wú)內(nèi)含子及其在基因結(jié)構(gòu)中的位置造成了CeSA基因間的差異［12］。已有研究顯示，鐵皮石斛中含有較多的內(nèi)含子［13］。本研究基因結(jié)構(gòu)分析顯示，蓖麻CeSA基因家族成員的內(nèi)含子也較多，轉(zhuǎn)錄時(shí)出現(xiàn)可剪接突變的概率較高；RcCeSAs蛋白亞細(xì)胞定位在葉綠體上，此結(jié)果與小麥CeSA基因家族編碼蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位的分析相一致［14］。對(duì)于蓖麻基因組來(lái)說(shuō)，Motif1～Motif10存在于8個(gè)蓖麻CeSA氨基酸序列中，可以看出其具有很強(qiáng)的保守性。植物細(xì)胞壁除了人們認(rèn)為的機(jī)械支持和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓δ芡?，還可以對(duì)各種逆境脅迫做出響應(yīng)。在蓖麻CeSA啟動(dòng)子順勢(shì)作用元件中存在參與防御和應(yīng)激的反應(yīng)元件，有4個(gè)RcCeSA基因?qū)Ρ吐閼?yīng)對(duì)生物及非生物脅迫有明顯響應(yīng)。蛋白跨膜螺旋預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，RcCeSA成員均有相似的N端和C端跨膜結(jié)構(gòu)域，且組成跨膜結(jié)構(gòu)域的氨基酸數(shù)量與位置均相似，可推斷其具有相同的結(jié)構(gòu)和功能。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)研究結(jié)果表明，RcCeSA家族分為5個(gè)亞家族，蓖麻與大豆、向日葵的CeSA蛋白在進(jìn)化上同源關(guān)系更為親近。

總之，本文借助生物信息學(xué)中的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索與分析，結(jié)合生物工具的繪圖功能，對(duì)蓖麻CeSA轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)行鑒定分析，為發(fā)掘新的與植物纖維發(fā)育相關(guān)基因、加快蓖麻纖維發(fā)育分子機(jī)制研究以及培育高質(zhì)量纖維育種奠定了基礎(chǔ)［21-22］。深入研究葉片形態(tài)差異與纖維素含量及纖維素合成相關(guān)基因在蓖麻中的表達(dá)情況，為今后建立在植物形態(tài)上的應(yīng)用帶來(lái)新的展望。

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收稿日期：2022-12-30；修回日期：2023-01-31。

基金項(xiàng)目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物育種工程項(xiàng)目（YZGC050）；呂梁市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2021NYGG-2-89）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)特優(yōu)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展科技支撐工程項(xiàng)目（TYGC-32）；山西省青年科學(xué)研究項(xiàng)目（20210302124364）。

作者簡(jiǎn)介：王宙，碩士研究生。

* 通信作者：曹越，副研究員，主要從事蓖麻栽培育種及技術(shù)推廣工作。E-mail： caoyue1001@163.com。