番茄异胡豆苷合成酶基因的全基因组鉴定和表达分析
作者: 范冰丽 唐光彩 马星云 贾芝琪 高艳娜 张世文
摘 要:异胡豆苷合成酶(strictosidine synthetase,STR)作为单萜吲哚类生物碱合成过程的关键酶,对吲哚类生物碱的合成起决定性作用。目前茶树、拟南芥等植物中已有相关研究证明STR基因在逆境胁迫中发挥重要功能,但在番茄中仍未有研究。为研究番茄中STR基因的功能,笔者从番茄基因组中鉴定出14个异胡豆苷合成酶基因(SlSTR1~14),并对其理化性质、基因结构、系统进化及表达模式进行分析。理化分析结果表明,除SlSTR8、9、11、12和14为疏水性蛋白外,其余SlSTR均为亲水性蛋白,亚细胞定位预测显示所有SlSTR均位于液泡中。亲缘关系分析结果表明,番茄、拟南芥、水稻和茶树中的STR家族基因不均匀地分布在6个类群中。顺式作用元件分析表明,SlSTR启动子区含有胁迫和激素响应有关的多种调控元件。基因表达分析结果表明,SlSTR基因主要在番茄茎、叶和花组织中表达。对番茄苗分别进行干旱与高温处理,结果表明,相较于处理前大部分基因在处理后表达量均显著升高,少数基因如SlSTR1、2、8在干旱处理后表达量显著降低,SlSTR8、11和12在高温处理后表达量显著降低,这表明STR基因家族在面对不同逆境胁迫时,其表达模式是不同的。
关键词:番茄;异胡豆苷合成酶;鉴定;表达分析
中图分类号:S641.2 文献标志码:A 文章编号:1673-2871(2024)09-027-10
Genome-wide identification and expression analysis of the strictosidine synthetase genes in tomato
FAN Bingli, TANG Guangcai, MA Xingyun, JIA Zhiqi, GAO Yanna, ZHANG Shiwen
(College of Horticulture, Henan Agricultural University/International Joint Laboratory of Horticulture, Zhengzhou 450046, Henan, China)
Abstract: As a key enzyme in monoterpene indole alkaloids biosynthesis, strictosidine synthetase(STR)plays a decisive role in the synthesis of indole alkaloids. At present, there are some reports about the STR genes function in Camelliasinensis, Arabidopsis thaliana and other plants under adversity stress. But the related studies have not been reported in tomato. In order to study the function of STR genes in tomato, 14 strictosidine synthase genes (SlSTR1-14)were identified from tomato genome, and their physicochemical properties, gene structure, phylogenetic evolution and expression patterns were also analyzed. The result of physicochemical analysis showed that all SlSTR except SlSTR8, 9, 11, 12 and 14, were hydrophilic proteins, and subcellular localization prediction showed that all SlSTR were located in vacuoles. Phylogenetic analysis showed that STR famliy genes were unevenly distributed in VI groups of Solanum lycopersicum, Arabidopsis, Oryzasativa and Camelliasinensis. Cis-acting element analysis showed that the promoter regions of SlSTR genes contain several regulatory elements related to stress and hormone responses. The results of gene expression analysis showed that SlSTR genes were mainly expressed in the stem, leaf and flower tissues of tomato. Drought and high-temperature treatments were applied to tomato seedlings, and the results showed that, compared to before treatment, the expression levels of most genes significantly increased after treatment. However, a few genes such as SlSTR1, 2, and 8 showed significantly decreased expression levels after drought treatment, while SlSTR8, 11, and 12 showed significantly decreased expression levels after high-temperature treatment. This indicates that the expression patterns of the STR gene family are different when facing different adversity stresses. The results of this study identified the physicochemical information of STR genes in tomato, and provided the direction for further research, the specific gene function still needs further verification.
Key words: Tomato; Strictosidine synthetase; Identification; Expression analysis
收稿日期:2024-06-12;修回日期:2024-07-14
基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(31902024);河南省科技攻关项目(212102110413);河南农业大学博士启动基金项目(30500495)
作者简介:范冰丽,女,在读硕士研究生,主要从事番茄成熟发育的研究。E-mail:1425296363@qq.com
通信作者:张世文,女,讲师,主要从事番茄成熟发育的研究。E-mail:swzhang@henau.edu.cn
番茄(Solanum lopesicum)属于茄科番茄属,是植物分子遗传学研究的模式植物[1-2],在2011年已经完成基因组全序列测定工作[3]。番茄作为重要的园艺作物,有极高的经济价值,在生长发育过程中易遭受非生物逆境胁迫,严重影响其产量和品质,造成巨大的经济损失。随着全球气候变暖及气候异常现象增多,高温及干旱等逆境胁迫给番茄种植带来的挑战也越来越大,因此挖掘番茄抗逆特别是抗高温、干旱胁迫的基因具有重要意义[4-5]。现已在番茄中发现了多个参与逆境调控的基因家族,如HMA、ZIP和PLC等[6-8],但仍有许多未知基因需要探索。
萜类吲哚生物碱(terpenoid indole alkaloids,TIAs)是由萜类和吲哚类共同组成的重要植物次级代谢产物,是一大类有着重要药用价值的生物碱[9-10]。异胡豆苷合成酶(STR)是单萜吲哚类生物碱合成过程中发挥重要作用的酶类之一,由其转化而来的萜类吲哚生物碱具有极为广泛的生物学活性,各种TIAs在多种酶类的参与下由异胡豆苷转化而来。因此STR是吲哚类生物碱合成途径的重要前提,在TIAs代谢过程中发挥着重要作用[10-11]。
STR基因最早是从萝芙木[12]和长春花[13]中克隆得到并通过原核表达确定了其功能及表征。随后,陆续从茶树、拟南芥、水稻等植物中克隆得到了STR基因,经过一系列的研究表明,STR基因在植物逆境胁迫中发挥重要作用[14-16]。对铁皮石斛STR基因的启动子分析表明,STR基因具有茉莉酸甲酯(MejA)响应元件,对同一生长环境下的铁皮石斛幼苗给予逆境胁迫,发现在处理早期,幼苗中STR基因表达量明显上调。对长春花叶片进行干旱模拟和NaCl处理后,发现STR基因的表达量会随着胁迫时间的延长、胁迫强度的增强而有所提高,但在低温处理条件下则会下调表达[17-19]。周棋赢等[20]研究表明,茶树STR基因的表达受低温、干旱、盐胁迫以及茉莉酸甲酯的调控。目前关于水稻[16]、长春花[17]以及茶树[20]等作物中STR基因的进化关系、理化信息以及调控网络等已经有了较全面的阐释,但还未见从番茄中克隆该基因的相关报道,因此在番茄中开展STR基因的研究具有重要意义。
笔者利用已分离的番茄STR基因编码的氨基酸序列,以及番茄基因组数据库的信息,通过BLAST查找比对,共获得了14个番茄STR基因家族成员,对其进行生物信息学、启动子响应元件、系统进化及表达模式等分析,以期为研究番茄STR基因的结构和功能提供参考信息,也为阐明STR基因家族在番茄生长发育过程中的调控作用奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料
试验于2024年2-5月在河南农业大学园艺学院实验平台进行。试验材料栽培番茄Ailsa Craig(AC)由河南农业大学园艺学院茄科作物基因组与分子育种实验室收集保存。番茄苗置于人工气候室长日照培养架(28 ℃,16 h 光照/8 h黑暗)上培养,40株AC苗分为2组,每组20株,分别进行干旱与高温胁迫处理,采取随机区组法取样,每个处理设置3次重复。
1.2 方法
1.2.1 SlSTR基因的鉴定和理化性质分析 根据目前已报道的STR基因序列信息,同时在NCBI网站(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和SGN数据库(https://Sol genomics Net)中查找STR基因在番茄中的同源序列。合并两次搜索结果,去除重复后共有14个STR基因,利用ExPASy网站(http://web.expasy.org/protparam/)对14个基因的物理特性进行分析。利用pLoc-mPlant(http://www.jci-bioinfo.cn/pLoc- mPlant/)在线工具对SlSTR蛋白的亚细胞定位进行预测。
1.2.2 SlSTR基因多序列比对及系统进化树构建 从基因组数据库网站分别获取拟南芥(https://www.arabi- dopsis.org/)、水稻(https://www.arabidopsis.org/)和茶树(http://.ricedata.cn/gene//)的STR氨基酸序列[20-22]。利用MEGA7软件进行序列分析,采用邻接法(neighbor-joining method)构建系统进化树[23],Bootstrap重复设置为1000次。使用DNAMAN软件进行氨基酸序列比对。
1.2.3 SlSTR基因结构和氨基酸保守结构域分析 应用MEME5.5(https://meme-suite.org/tools/meme)在线工具,对SlSTR氨基酸的保守基序进行预测分析,参数设置为E-value≤0.05,Maximum width=15。根据SGN基因组数据库中SlSTR基因的碱基序列,利用GSDS2.0(https://gsds.gao-lab.org/)在线工具对SlSTR基因的结构进行分析并作图。