小鼠耳芥KEA和NHX基因家族的鉴定、进化和表达特征分析

【摘要】：短命植物是一类分布于干旱荒漠地区,利用早春融雪和降雨快速完成其生命周期的植物。短命植物可防风固沙、保持水土和改善微生境,其覆盖程度对沙地表面的稳定具有重要意义,对保护周边农田免受沙害等方面起着重要作用。生长在新疆北部的小鼠耳芥(Arabidopsis pumila)具有耐盐碱、抗干旱、耐低温等特点,对小鼠耳芥中抗逆相关的基因的挖掘,可为提高植物抗逆性的研究提供思路。一价阳离子/H~+逆向转运体(Cation/proton antiporter,CPA)基因家族通过介导一价阳离子(Na~+、K~+)与质子(H~+)跨膜逆向转运调节细胞内离子和p H稳态,在植物的生长发育和信号转导中发挥重要作用。本研究利用基因组数据,对5种十字花科植物KEA(K~+efflux antiporter)以及小鼠耳芥NHX(Na~+/H~+antiporter)家族进行了详细的生物信息学分析,包括基因鉴定、系统进化分析、基因结构、motif预测以及共线性分析等;利用q RT-PCR分析了Ap NHX和Ap KEA基因在非生物胁迫下的表达特征。本论文主要研究内容和结果如下:1、小鼠耳芥和4种十字花科植物KEA基因家族的全基因组鉴定和比较进化分析(1)拟南芥(Arabidopsis thaliana)、琴叶拟南芥(A.lyrata)、小鼠耳芥、亚麻荠(Camelina sativa)和盐芥(Eutrema salsugineum)中分别含有6、6、12、18和6个KEA家族成员(均含有K~+/H~+exchanger保守结构域);(2)系统进化、基因结构、motif分析发现KEA家族可分为两个亚家族,但Clade I中成员中存在Trk A-N结构域;(3)共线性分析表明小鼠耳芥和亚麻荠进化中KEA基因进化过程中经历了全基因组复制、也有片段重复事件,而拟南芥、琴叶拟南芥和盐芥中大部分KEA基因以分散型复制事件为主;(4)物种间KEA基因的共线性分析表明十字花科物种之间存在复杂的进化关系。2、小鼠耳芥KEA基因家族特征及表达分析(1)12个Ap KEA蛋白多重序列比对发现,Clade I成员的Trk A-N保守结构域中还存在Rossman fold的保守基序;(2)Ap KEA基因响应高盐(250 m M Na Cl)胁迫,其中Ap KEA2.1/2.2、Ap KEA6.1/6.2的表达模式存在明显差异,暗示复制基因对功能发生分歧;(3)q RT-PCR分析表明,Ap KEA1.1、Ap KEA1.2、Ap KEA3.1和Ap KEA3.2在不同浓度K~+胁迫中发挥重要作用,并且大部分Ap KEA在干旱(15%PEG 6000)、氧化(1μmol/L MV)和激素(1μmol/L ABA)胁迫胁迫下被显著诱导;(4)不同发育时期和不同组织的转录组数据分析表明Ap KEA在小鼠耳芥的生长发育中有重要作用。3、小鼠耳芥NHX基因家族鉴定、进化及表达分析(1)小鼠耳芥中共含有15个NHX基因,系统进化分析表明,Ap NHX可分为Vac-class、Endo-class和PM-class亚家族;(2)Motif分析发现蛋白保守序列阿米洛利结合位点LFFIYLLPPI只在Vac-class类蛋白中存在;(3)小鼠耳芥中存在13对共线性基因,计算Ka/Ks值发现进化中以纯化选择为主;(4)15个Ap NHX基因经历了全基因组复制/片段重复事件;(5)RNA-seq分析表明Ap NHX具有组织和发育时期表达特异性;(6)q RT-PCR证实大部分Ap NHX基因响应干旱、氧化和激素胁迫。综上所述,本研究从5种十字花科植物基因组中共鉴定出48个KEA基因,在小鼠耳芥鉴定出15个Ap NHX基因,全基因组复制/片段重复是Ap KEA、Cs KEA和Ap NHX家族扩张的主要原因;纯化选择是影响KEA、NHX家族基因的主要力量;基因表达分析说明这些基因在小鼠耳芥生长发育及响应不同胁迫中起着重要作用。研究结果加深了我们对植物中Na~+(K~+)/H~+逆向转运蛋白的新认识,为进一步研究Na~+(K~+)/H~+平衡机制提供了基因资源和理论基础。