摘要：植物水通道蛋白位于生物膜上，是可高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的膜內(nèi)在蛋白，參與植物的多種逆境脅迫應(yīng)答過程。為了研究藜麥水通道蛋白基因家族CqAQP的相關(guān)功能，基于藜麥全基因組信息，采用生物信息學(xué)方法鑒定藜麥CqAQP基因家族成員。藜麥CqAQP家族共有55個(gè)成員，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育分析分為4個(gè)亞家族：NIP、PIP、SIP和TIP。CqAQP散布在除了8、9、12號(hào)的其他染色體上；亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)家族成員主要位于細(xì)胞膜和液泡膜。CqAQP基因含有2～6個(gè)外顯子，1～5個(gè)內(nèi)含子。片段重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)是CqAQP基因家族的主要擴(kuò)增途徑。CqAQP基因啟動(dòng)子區(qū)包括非生物脅迫響應(yīng)、激素響應(yīng)以及與生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的順式作用元件；基于轉(zhuǎn)錄組水平的組織和非生物脅迫表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn)，藜麥CqAQP基因組織差異性表達(dá)明顯，且大部分CqAQP基因?qū)}、干旱、熱和低磷脅迫有響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：藜麥；水通道蛋白；基因家族分析；非生物脅迫；基因表達(dá)

中圖分類號(hào)：S188；S519.01" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2025）04-0277-10

收稿日期：2024-02-20

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（農(nóng)業(yè)良種工程品種培育）（編號(hào)：2023LZGC011）；煙臺(tái)市校地融合發(fā)展項(xiàng)目（編號(hào)：SM21JY05）。

作者簡(jiǎn)介：曹 萌（1998—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事植物遺傳育種研究。E-mail：caomeng123@s.ytu.edu.cn。

通信作者：尹海波，博士，副教授，主要從事植物遺傳育種研究。E-mail：yhb@ytu.edu.cn。

在植物各組織中廣泛存在的水通道蛋白（aquaporin，AQP）位于質(zhì)膜和液泡膜上，主要參與跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)水分子，屬于膜內(nèi)在蛋白MIP（major intrinsic protein）家族［1］。水通道蛋白不僅能進(jìn)行水分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，還能對(duì)其他小分子有效轉(zhuǎn)運(yùn)，如甘油、CO2、尿素、硅酸等物質(zhì)［2］。水通道蛋白可以通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控和蛋白修飾等方式影響其介導(dǎo)水分子運(yùn)輸?shù)淖饔茫虼似鋵?duì)于植物的水分運(yùn)輸、細(xì)胞滲透勢(shì)的調(diào)節(jié)和逆境脅迫的響應(yīng)具有重要意義。第1個(gè)植物水通道蛋白AtTIP1；1在擬南芥中被分離出來［3］，為后續(xù)該類蛋白在植物中的發(fā)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。依據(jù)亞細(xì)胞定位及其在細(xì)胞內(nèi)的功能，將AQP分為4個(gè)亞家族［4］，即質(zhì)膜內(nèi)在蛋白（plasma membrane intrinsic protein，PIP）、液泡膜內(nèi)在蛋白（tonoplast membrane intrinsic protein，TIP）、類Nodulin（NOD26）膜內(nèi)在蛋白（NOD26-like membrane intrinsic protein，NIP）和小分子堿性膜內(nèi)在蛋白（small and basic membrane intrinsic protein，SIP）。水通道蛋白具有1個(gè)對(duì)底物特異性識(shí)別的保守沙漏結(jié)構(gòu)，含6個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu)和5個(gè)親水短環(huán)。

植物在生長(zhǎng)過程中，會(huì)遭到很多生物或非生物脅迫。AQP在植物種子萌發(fā)、氣孔開閉等生長(zhǎng)發(fā)育過程和防御逆境中發(fā)揮調(diào)控作用［5］。在擬南芥中，AtTIP3：1和AtTIP3：2在種子吸水萌發(fā)方面有重要作用［6］，其亞細(xì)胞定位于液泡膜和細(xì)胞質(zhì)膜，液泡對(duì)植物的內(nèi)在環(huán)境起著調(diào)節(jié)作用，參與植物體對(duì)水分的吸收、產(chǎn)物代謝和細(xì)胞內(nèi)的循環(huán)。在干旱環(huán)境中，黃瓜CsPIP1；2和 CsPIP2；4通過下調(diào)表達(dá)起到防御作用［7］；在鹽脅迫后，擬南芥ATPIP2；7作出植物防御反應(yīng)［8］。過量表達(dá)棉花GhPIP1；4可明顯增強(qiáng)植株的抗旱和耐鹽性［9］，過量表達(dá)天山雪蓮SikPIP3煙草的抗寒性明顯高于野生型煙草［10］，芹菜水孔蛋白基因AgPIP2；1在干旱、高溫、低溫等脅迫時(shí)表達(dá)量顯著提升［11］。由此可見，AQP對(duì)植物生長(zhǎng)和非生物脅迫的反應(yīng)起著重要作用。

藜麥?zhǔn)且环N古老的栽培作物，藜麥種子含有豐富的氨基酸、維生素和礦物元素，是一種單體可以滿足人類營(yíng)養(yǎng)需求的谷物［12］。耐鹽堿、耐干旱、耐低溫等為藜麥的優(yōu)良特性［13-14］。目前，關(guān)于藜麥水通道蛋白CqAQP基因家族研究的報(bào)道還比較少。本研究對(duì)藜麥55個(gè)CqAQP基因的特征和表達(dá)進(jìn)行分析，以期為今后開展CqAQP基因功能的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 藜麥AQP基因家族的鑒定及理化性質(zhì)分析

本試驗(yàn)采用了BLASTP和隱馬爾可夫模型（HMM）2種方式篩選AQP基因。從Chenopodium DB（https：//www.cbrc.kaust.edu.sa/chenopodiumdb/）和Tair（https：//www.arabidopsis.org/）分別下載AQP蛋白序列。使用HMMER v3.0對(duì)HMM（PF00230）文件進(jìn)行檢索，得到候選蛋白。以擬南芥AQP蛋白質(zhì)序列為查詢項(xiàng)，E值限定為1×10-10。去除冗雜序列后，通過SMART（http：//smart.embl-heidelberg.de/）和 NCBI中的Batch CD-Search 工具（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd）對(duì)CqAQP蛋白進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域鑒定。結(jié)果篩選出55個(gè)CqAQP基因。使用Expasy（http：//www.expasy.org/）預(yù)測(cè)CqAQP蛋白的分子量（MW）、等電點(diǎn)（pI）、蛋白質(zhì)不穩(wěn)定指數(shù)和總平均親水性（GRAVY），亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)工具Plant-mPLoc（http：www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/）預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位。

1.2 藜麥AQP蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

利用SPOMA網(wǎng)站，進(jìn)行CqAQP蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

1.3 系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建

為了分析進(jìn)化關(guān)系，通過MEGA 7.0中的neighbor-joining（NJ）模型，bootstrap值（自展值）為 1 000 的方法對(duì)擬南芥和藜麥AQP蛋白序列構(gòu)建無(wú)根進(jìn)化樹。

1.4 藜麥AQP家族成員保守基序及基因結(jié)構(gòu)分析

從數(shù)據(jù)庫(kù)Chenopodium DB下載GFF文件，使用在線網(wǎng)站MEME進(jìn)行保守基序分析，最大基序數(shù)為10，利用TBtools分析CqAQP基因，確定其外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。

1.5 CqAQP基因染色體定位及共線性分析

利用共線性掃描工具包MCScanX對(duì)藜麥進(jìn)行共線性分析，運(yùn)用TBtools工具繪制circos圖。

1.6 藜麥AQP基因家族啟動(dòng)子順式作用元件分析

使用在線網(wǎng)站PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/），對(duì)CqAQP基因上游2 000 bp的啟動(dòng)子序列進(jìn)行順式作用元件分析。

1.7 CqAQP基因表達(dá)模式分析

下載NCBI中Sequence Read Archive（SRA）的藜麥轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果，登錄號(hào)：SRP226463、SRP116149和SRS1538629。將TPM（每百萬(wàn)讀取轉(zhuǎn)錄本）形式的RNA-Seq數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化并進(jìn)行l(wèi)og2轉(zhuǎn)換，使用TBtools生成熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 藜麥AQP基因的鑒定與分析

通過同源比對(duì)及鑒定，共篩選出55個(gè)藜麥AQP基因（表1），分為4個(gè)亞家族，包括19個(gè)NIP基因、16個(gè)PIP基因、3個(gè)SIP基因、17個(gè)TIP基因。根據(jù)其在染色體上的分布分別命名為CqNIP1～CqNIP19，CqPIP1～CqPIP16，CqSIP1～CqSIP3，CqTIP1～CqTIP17。其中，19個(gè)CqNIP基因分布在1、2、4、6、7、11、13、14、16號(hào)染色體上，16個(gè)CqPIP基因分布在0、1、3、4、5、10、13、15、16、17、18號(hào)染色體上，3個(gè)CqSIP基因分布在1、4、7號(hào)染色體上，17個(gè)CqTIP基因分布在0、1、2、4、7、11、13、14、15、16、17、18號(hào)染色體上。藜麥AQP基因所編碼的蛋白質(zhì)氨基酸數(shù)量為121～600 aa，對(duì)應(yīng)的等電點(diǎn)為4.90～9.82，相對(duì)分子質(zhì)量為12 800.94～66 095.98 u，不穩(wěn)定系數(shù)為19.96～48.73，親水平均系數(shù)為 -0.046～0.984。NIP、PIP和SIP亞家族均定位于細(xì)胞膜中，預(yù)測(cè)CqNIP5、CqNIP12和CqSIP3定位于細(xì)胞膜和液泡中；TIP亞家族定位于液泡中，CqTIP8、CqTIP10定位于細(xì)胞膜和液泡中。

2.2 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)是重復(fù)規(guī)律的構(gòu)象，有4種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)單元，分別為α-螺旋、延伸鏈、β-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)則卷曲。CqNIP1、CqNIP4、CqNIP5、CqNIP7、CqNIP10、CqNIP11、CqPIP14、CqSIP1、CqSIP2、CqSIP3、CqTIP6、CqTIP9、CqTIP17以α-螺旋為主要組成成分。只有CqNIP8以延伸鏈為主要組成成分，其余41個(gè)成員的主要成分為無(wú)規(guī)則卷曲，β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)散布在CqAQP蛋白序列中。

2.3 藜麥AQP蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化分析

本研究采用35個(gè)擬南芥AQP蛋白序列和55個(gè)藜麥AQP蛋白序列一起構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹（圖1），對(duì)藜麥AQP蛋白的進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行分析。根據(jù)擬南芥的相關(guān)研究，55個(gè)藜麥AQP基因可以分為四大類：NIP、PIP、SIP、TIP，55個(gè)藜麥AQP基因在4個(gè)亞族的分布情況與擬南芥一致。

2.4 藜麥AQP保守基序和基因結(jié)構(gòu)分析

對(duì)不同藜麥亞家族AQP成員蛋白保守基序（motif）分析發(fā)現(xiàn)（圖2），大多數(shù)CqAQP含有motif2、

motif3、motif4、motif6和motif8。motif一致性較高的為相同亞家族，一些獨(dú)有的motif存在于不同亞家族之間，如僅PIP亞族含有motif5和motif10，靠近C末端的motif1存在于SIP亞族外的所有亞族，同時(shí)motif9僅存在于SIP亞族和PIP亞族。在相同亞家族中，motif的位置和種類保守性較高，特定的motif存在于不同的亞家族中的概率較高，體現(xiàn)了各亞家族功能的保守性。為了解CqAQP的基因結(jié)構(gòu)，從藜麥基因組中提取全部CqAQP基因的序列，分析其內(nèi)含子和外顯子。結(jié)果顯示，NIP亞家族中含有 2～5個(gè)內(nèi)含子，外顯子為3～6個(gè)；PIP亞家族內(nèi)含子為 1～4個(gè)，外顯子為2～4個(gè)；SIP亞家族的內(nèi)含子為2個(gè)，外顯子均為1個(gè)；TIP亞家族的內(nèi)含子為1～3個(gè)，外顯子為2～4個(gè)。此外還發(fā)現(xiàn)，NIP亞族中的CqNIP3和CqNIP19、PIP亞族中的CqPIP6和CqPIP14、TIP亞族中的CqTIP5編碼的蛋白質(zhì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

2.5 藜麥AQP基因的共線性分析

共線性分析表明55個(gè)CqAQP基因涉及25個(gè)片段重復(fù)事件（CqTIP1/CqTIP5、CqPIP1/CqPIP13、CqNIP2/CqNIP9、CqNIP6/CqNIP7、CqNIP1/CqNIP9、CqNIP4/CqNIP10、CqTIP3/CqTIP5、CqTIP2/CqTIP6、CqNIP3/CqNIP12、CqPIP2/CqPIP12、CqTIP4/CqTIP12、CqPIP3/CqPIP4、CqTIP7/CqTIP15、CqNIP13/CqNIP18、CqTIP8/CqTIP10、CqNIP14/CqNIP15、CqTIP9/CqTIP17、CqPIP7/CqPIP12、CqNIP16/CqNIP19、CqTIP11/CqTIP14、CqPIP8/CqPIP12、CqPIP9/CqPIP15、CqPIP10/CqPIP14、CqTIP13/CqTIP16、CqPIP11/CqPIP16），而CqNIP1/CqNIP2發(fā)生了串聯(lián)重復(fù)（圖3）。在植物進(jìn)化過程中，片段重復(fù)事件使基因家族得到擴(kuò)展。計(jì)算26對(duì)CqAQP基因的非同義替換率（Ka）、同義替換率（Ks）和Ka/Ks，對(duì)其基因趨異的選擇性進(jìn)化壓力進(jìn)行研究。當(dāng)Ka/Ks值lt;1時(shí)，重復(fù)的基因?qū)赡苁怯杉兓x擇（也稱為負(fù)選擇）進(jìn)化而來；Ka/Ks=1表示中性選擇；Ka/Ksgt;1為正選擇。結(jié)果（表2）表明，除了CqNIP1/CqNIP2基因?qū)o(wú)法計(jì)算出Ks，因此 Ka/Ks 的值為NaN。其他基因?qū)a/Ks的值都在1以下，說明重復(fù)的CqAQP基因主要來自純化選擇進(jìn)化。

2.6 藜麥AQP基因家族啟動(dòng)子順式作用元件分析

在基因轉(zhuǎn)錄中，順式作用元件具有重要的調(diào)節(jié)作用。對(duì)藜麥AQP基因啟動(dòng)子區(qū)進(jìn)行順式作用元件研究，統(tǒng)計(jì)到的順式作用元件共有52種，可分為4類。其中，光響應(yīng)元件在AQP啟動(dòng)子的順式作用元件中的數(shù)量和種類占有很大比例，共有28種，如Box 4、TCT-motif、G-box、GT1-motif、GATA-motif、I-box、MRE和TCCC-motif等，其中，在光響應(yīng)元件中Box4的數(shù)量最多。還鑒定出TGACG-motif、CGTCA-motif、AuxRR-core、TGA-element、TCA-element、TGA-element、P-box、GARE-motif、ABRE共9種激素響應(yīng)元件；激素響應(yīng)元件中數(shù)量最多的是茉莉酸甲酯和脫落酸響應(yīng)元件。除此之外，還有ARE、TC-rich repeats、LTR、MBS、WUN-motif、GC-motif等6種非生物脅迫響應(yīng)元件，CqPIP6是唯一一個(gè)同時(shí)存在低溫、干旱脅迫相關(guān)元件的基因。GCN4_motif、CAT-box、HD-Zip 1、circadian、A-box、MSA-like、MBSI、O2-site、RY-element、AACA_motif這10種順式作用元件與藜麥的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)；CqPIP6中存在唯一與胚乳特異性表

達(dá)相關(guān)的元件。綜上所述，CqNIP、CqPIP、CqSIP、CqTIP基因可能參與藜麥生長(zhǎng)發(fā)育、代謝、激素、脅迫響應(yīng)等過程。

2.7 藜麥AQP基因不同組織表達(dá)模式分析

55個(gè)藜麥AQP基因在頂端分生組織、花和未成熟種子、葉柄、莖、節(jié)間莖、幼苗、花序、葉片、干燥的種子、白色甜藜麥花、白色甜藜麥果實(shí)、黃色苦藜麥花和黃色苦藜麥果實(shí)的表達(dá)模式分析結(jié)果顯示（圖4），CqAQP在這些組織中的表達(dá)差異性較大。在頂端分生組織中CqTIP2、CqTIP6、CqTIP8、CqTIP10、CqNIP5、CqNIP11、CqNIP14、CqNIP15、CqNIP16、CqNIP17、CqNIP19高度表達(dá)；在莖中CqNIP1、CqTIP3、CqTIP5、CqTIP13、CqTIP15、CqTIP16、CqPIP2、CqPIP3、CqPIP4、CqPIP6、CqPIP7、CqPIP9、CqPIP12、CqPIP15、CqSIP3高度表達(dá)；在節(jié)間莖中CqPIP9、CqPIP11、CqPIP15、CqPIP16、CqNIP2、CqNIP9、CqNIP13、CqNIP18有較高表達(dá)；在幼苗中CqTIP9、CqTIP11、CqTIP14、CqTIP17、CqNIP4、CqNIP10、CqSIP3高度表達(dá)；在葉柄中CqNIP3、CqNIP12、CqPIP3、CqPIP4、CqPIP14高度表達(dá)；在花序中CqNIP7、CqNIP8、CqNIP14、CqNIP15、CqPIP2、CqPIP7、CqSIP1、CqSIP2高度表達(dá)；在花和未成熟種子中CqNIP1、CqNIP6、CqTIP7、CqPIP6、CqSIP3高表達(dá)；在白色甜藜麥果實(shí)中CqTIP4、CqTIP12、CqPIP1、CqPIP13高表達(dá)。此外，與其他組織相比，大部分藜麥AQP基因在葉片、干燥種子、白色甜藜麥花、白色甜藜麥果實(shí)、黃色苦藜麥花、黃色苦藜麥果實(shí)中表達(dá)水平較低。

2.8 藜麥AQP家族成員非生物脅迫表達(dá)模式分析

預(yù)測(cè)表明CqAQP基因順式作用元件在干旱、寒冷和NaCl脅迫中可能參與響應(yīng)。此外，許多研究表明，AQP基因在不同植物物種中的表達(dá)受到非生物脅迫和激素處理的調(diào)控。在本研究中，基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析了不同非生物脅迫下根和莖中CqAQP基因的表達(dá)水平（圖5）。在CqAQP基因中，地下部分的表達(dá)量要高于地上部分的表達(dá)量。在干旱脅迫下，與對(duì)照相比，地上部分的CqNIP3、CqNIP11、CqNIP12、CqNIP15和CqPIP6、CqPIP10、CqPIP14和CqTIP6以及地下部分的CqNIP6、CqNIP7和CqSIP2表達(dá)量顯著增加，地上部分的CqNIP4、CqNIP9和CqTIP7、CqTIP13、CqTIP15、CqTIP16和CqPIP2～CqPIP5、CqPIP7、CqPIP8、CqPIP9、CqPIP12、CqPIP13、CqPIP15以及地下部分的CqPIP2、CqPIP7、CqPIP9、

CqPIP13、CqPIP15和CqSIP3及CqTIP2、CqTIP3、CqTIP11、CqTIP13、CqTIP14、CqTIP16表達(dá)量顯著下降。在熱脅迫下，與對(duì)照相比，地上部分的CqNIP3、CqNIP12和CqPIP1、CqPIP3、CqPIP4、CqPIP9、CqPIP10、CqPIP14、CqPIP15及CqSIP3以及地下部分的CqNIP2、CqNIP6、CqNIP10、CqNIP13、CqNIP16～CqNIP19和CqPIP1、CqPIP11、CqPIP16和CqTIP3、CqTIP5、CqTIP6、CqTIP9、CqTIP11、CqTIP14、CqTIP17表達(dá)量顯著增加，地上部分的CqPIP5、CqPIP8、CqPIP12和CqTIP16以及地下部分的CqNIP1、CqNIP4和CqPIP2、CqPIP7、CqPIP9、CqPIP15及CqTIP13、CqTIP16表達(dá)量顯著下調(diào)。在低磷脅迫下，與對(duì)照相比，地上部分CqNIP1、CqNIP3和CqTIP10、CqTIP13、CqTIP16及CqPIP2、CqPIP5、CqPIP7、CqPIP9、CqPIP15以及地下部分的CqNIP1、CqNIP5～CqNIP8、CqNIP11～CqNIP14、CqNIP17、CqNIP19和CqPIP10、CqPIP14及CqTIP4、CqTIP8、CqTIP10、CqTIP12表達(dá)量顯著增加，地上部分的CqPIP2、CqPIP3、CqPIP5、CqPIP7、CqPIP9、CqPIP15和CqTIP7、CqTIP13、CqTIP15、CqTIP16以及地下部分的CqNIP15和CqPIP1～CqPIP4、CqPIP7、CqPIP9、CqPIP11、CqPIP13、CqPIP15、CqPIP16和CqTIP2、CqTIP7、CqTIP9、CqTIP11、CqTIP13、CqTIP14、CqTIP15、CqTIP16、CqTIP17表達(dá)量顯著下

降。在鹽脅迫下，與對(duì)照相比，地上部分的CqNIP1、CqNIP3、CqNIP12、CqNIP15和CqPIP6、CqPIP10、CqPIP14以及地下部分的CqNIP8、CqNIP13、CqNIP18和CqSIP1和CqTIP2、CqTIP6、CqTIP15表達(dá)量顯著增加，地上部分的CqNIP2、CqNIP5、CqNIP6、CqNIP9和CqPIP5、CqPIP7、CqPIP8、CqPIP12、CqPIP13和CqSIP1、CqSIP2和CqTIP13、CqTIP16以及地下部分的CqNIP1、CqNIP2、CqNIP4、CqNIP7、CqNIP9、CqNIP10、CqNIP15和CqPIP2、CqPIP7、CqPIP9、CqPIP13、CqPIP15和CqTIP9、CqTIP13、CqTIP14、CqTIP16、CqTIP17及CqSIP2表達(dá)量顯著下降。綜上所述，在不同的處理中，大多數(shù)CqAQP基因的表達(dá)在地上部分和地下部分中受到上調(diào)或下調(diào)調(diào)控，說明在非生物脅迫中大多數(shù)CqAQP基因均作出響應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

藜麥?zhǔn)菭I(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的全營(yíng)養(yǎng)食物［15］。當(dāng)植物處于脅迫生長(zhǎng)環(huán)境時(shí)，其生理性狀及生化特性都會(huì)受到影響［16-19］。而植物在非生物脅迫環(huán)境下想要生存可通過形成各種相關(guān)蛋白來抵抗逆境對(duì)植株造成的損傷。AQP蛋白是一種膜內(nèi)在蛋白，能夠特異性高效地轉(zhuǎn)運(yùn)水分子，通過高效調(diào)控水分的動(dòng)態(tài)平衡，賦予植物抵抗脅迫和逆境下繼續(xù)生長(zhǎng)的能力［20］。

從藜麥基因組中，鑒定出55個(gè)CqAQP基因，在其他植物中，如擬南芥有35個(gè)，杏有33個(gè)，玉米有31個(gè)，水稻有33個(gè)［21-24］，藜麥CqAQP基因數(shù)量有所增加，可能和藜麥基因發(fā)生的片段重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)有關(guān)，使得藜麥AQP家族基因數(shù)量增加。例如，芫菁、柳枝稷、油菜基因組中分別檢測(cè)到57、68、121個(gè)AQP基因［25-26］。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹將CqAQP家族分成4個(gè)亞家族（NIP、PIP、SIP、TIP），NIP、PIP和TIP亞家族數(shù)量相差不大，SIP亞家族數(shù)量最少；藜麥AQP與擬南芥AQP分布基本一致，這可能是因?yàn)樗鼈兌紝儆陔p子葉植物。通過亞細(xì)胞定位分析，定位在細(xì)胞膜上的藜麥AQP大部分呈堿性，定位于液泡中的藜麥AQP呈酸性，這是由于多數(shù)植物的細(xì)胞質(zhì)是中性或微堿性環(huán)境，而植物液泡則大多數(shù)是酸性環(huán)境［27］。植物AQP的生理功能與定位有著密切的關(guān)系［28］，各基因擔(dān)負(fù)著不同的生理功能。SIP亞家族成員等電點(diǎn)最高，在葡萄中也呈現(xiàn)相似結(jié)果［29］。通過分析藜麥AQP基因的內(nèi)含子和外顯子分布，發(fā)現(xiàn)相同亞家族中的內(nèi)含子、外顯子在數(shù)量和分布上較為一致，其中，內(nèi)含子和外顯子數(shù)量最多的是CqNIP亞家族，這與擬南芥一致［30］。

通過保守基序分析，CqAQP家族大部分蛋白都有motif3這一保守基序，但每個(gè)亞家族都有自己獨(dú)特的保守基序。分析植物體內(nèi)基因家族成員不同組織的表達(dá)方式，有助于對(duì)各基因功能進(jìn)行更直觀的研究。在頂端分生組織中，多數(shù)藜麥AQP基因家族成員有著高水平的表達(dá)，推測(cè)藜麥AQP基因參與藜麥根莖的伸長(zhǎng)以及植株的生長(zhǎng)。因各基因家族成員在植物體內(nèi)不同組織的表達(dá)模式具有顯著差異，部分基因微弱表達(dá)或未表達(dá)，說明生長(zhǎng)狀態(tài)可以調(diào)控這種基因的表達(dá)，各基因成員具有不同的生理功能。分析藜麥AQP基因啟動(dòng)子的順式功能元件，包含光響應(yīng)相關(guān)元件、生長(zhǎng)發(fā)育應(yīng)答元件、植物激素調(diào)節(jié)應(yīng)答元件、非生物脅迫應(yīng)答相關(guān)元件四大類。在基因啟動(dòng)子區(qū)，所有CqAQP基因家族成員都含有多類型光響應(yīng)元件，說明光反應(yīng)調(diào)控貫穿于CqAQP基因家族中。低溫環(huán)境下，植物根系水分吸收下降，進(jìn)而使得植物水分缺失，藜麥AQP家族的4個(gè)亞家族成員均含有LTR元件，說明在低溫調(diào)控中誘導(dǎo)基因表達(dá)中起到關(guān)鍵作用；AQP可加快植物水分運(yùn)輸效率，增強(qiáng)低溫保護(hù)進(jìn)而增強(qiáng)藜麥的抗逆能力。目前已有研究證明植物的AQP基因家族可對(duì)非生物脅迫做出響應(yīng)，如Aroca等證明了耐旱玉米在寒脅迫后，為避免或修復(fù)膜的損傷，可以使AQP的量和活性增加，從而使植株水分傳導(dǎo)率得到恢復(fù)［31］。植物激素ABA可提高植物抗旱和耐鹽能力，使葉片氣孔迅速閉合，減少植物蒸騰作用。CqAQP基因含有多種激素響應(yīng)元件，ABRE屬于ABA響應(yīng)元件，在ABA介導(dǎo)的滲透脅迫的信號(hào)通路中有著重要作用［32］，如Zhou等發(fā)現(xiàn)TaAQP7在經(jīng)過PEG處理誘導(dǎo)后表達(dá)量上調(diào)，推測(cè)可能是內(nèi)源性ABA信號(hào)通路發(fā)揮了相關(guān)作用［33］。組織特異性表達(dá)模式分析結(jié)果說明，4個(gè)亞家族成員在各個(gè)組織中的表達(dá)均不相同，表明CqAQP基因家族成員具有相互協(xié)同的作用。轉(zhuǎn)錄組分析表明，CqAQP基因家族在非生物脅迫下其表達(dá)豐富度都有所上調(diào)或下調(diào)，說明其參與藜麥抵抗脅迫響應(yīng)過程。綜上所述，藜麥AQP蛋白對(duì)于藜麥生長(zhǎng)發(fā)育及抵抗非生物脅迫方面具有重要的調(diào)控作用。

本研究通過綜合分析CqAQP基因的理化性質(zhì)、基因結(jié)構(gòu)和蛋白基序、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、組織轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式等，并對(duì)干旱、高溫、低磷和高鹽脅迫下CqAQP的響應(yīng)進(jìn)行初步分析，為今后開展CqAQP基因功能研究奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)藜麥抗逆性基因資源的挖掘利用具有指導(dǎo)意義。

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