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两个甜瓜OST1基因的鉴定和及特征分析

发布时间:[2019-4-4 9:11:59]    浏览量:67次
两个甜瓜OST1基因的鉴定和及特征分析
李利斌1,刘明毓2,孙建磊1,王崇启1,肖守华1, 董玉梅1*,焦自高1*
(1.山东省农业科学院蔬菜花卉研究所/山东省设施蔬菜生物学重点实验室/国家蔬菜改良中心山东分中心,山东 济南,250100;2.山东省东平县种子公司,山东 东平,271500)

  摘要:植物OST1在ABA信号转导、非生物逆境应答和生长发育过程中具有重要功能,但有关甜瓜OST1的研究尚未见报道。本文利用比较基因组学的方法从甜瓜基因组中鉴定出2个与拟南芥OST1直系同源的基因,并对它们的结构特征、遗传进化和顺式调控元件进行了系统分析。结果显示,这2个基因位于不同的染色体上,均含有9个外显子,编码蛋白的序列一致性为80.38%,且与黄瓜相对应的同源基因序列高度保守。二者的上游序列都含有多个应答不同激素和逆境的顺式调控元件,暗示其具有多样的生物学功能。本文为研究甜瓜OST1在逆境应答和生长发育中的功能奠定了基础。
关键词:甜瓜;OST1;特征;进化;顺式元件
Identification and characterization of two OST1 genes in melon 
Li Libin1, Liu Mingyu2, Sun Jianlei1, Wang Chongqi1, Xiao Shouhua1, Dong Yumei1§, Jiao Zigao1§
(1Vegetable and Flower Research Institute of Shandong Academy of Agricultural Sciences;Key Laboratory of Greenhouse Vegetables Biology of The Shandong Province;National Improvement Center for Vegetables, Shandong Branch,Jinan, 250100 )
2 Dongping County Seeds Limited Cooperation of Shandong Province, Dongping County of Shandong Province, 271500)
Abstract Plant OST1 gene plays important roles in ABA signaling, abiotic stress response and plant growth and development. However, the investigation of melon OST1 has not been reported at present. In this text, two novel OST1 like genes which orthologous to Arabidopsis OST1 were identified through comparative genomics method. And also their molecular features, evolution, and cis-elements were systematically analyzed. The results showed that these two melon OST1 locate on different chromosomes, and both have 9 introns. The identity of their encoded proteins is 80.38%, and they conserve with corresponding cucumber homologues. What’s more,  there are multiple cis-elements  response to  different hormones and stresses in their up-stream sequences, which suggests they may have pleiotropic roles in biological process. This text laid  a foundation for further functional dissection of them in melon abiotic stress response,growth and development.

Key words  melon (Cucumis melo L.); OST1; character, evolution; cis-element
SnRK2是植物特有的激酶家族基因,在植物ABA信号转导、非生物逆境应答和生长发育等过程中具有重要功能[1~4]。有关SnRK2在单双子叶中的研究日益广泛[5~8],其中以拟南芥OST1/SnRK2.6的研究最为深入。研究发现拟南芥OST1/SnRK2.6在ABA信号转导、植物生长发育以及逆境胁迫应答等方面具有多种生物学功能,而且存在复杂的调控机制。在ABA信号方面,它是ABA信号途径的关键因子[9],主要通过与上游基因ABI1/2和下游ABA应答转录因子ABF/AREB的互作来响应ABA信号和渗透胁迫[10~12],而且存在不同的磷酸化机制[13,14 ]。此外,在ABA应答过程中它还受到一氧化氮的负向调节[15]。突变体和转基因的结果表明,它在种子发育、休眠、生长和蔗糖代谢等方面具有重要功能[16~18],且在保卫细胞二氧化碳信号应答方面也具有重要作用[19]。最近报道,它在高镁环境下具有维持植物体内镁离子稳定的功能和通过稳定冷胁迫应答关键蛋白ICE1从而调节植物抗冻性的功能[20,21]。在甘蓝和草莓中的研究表明,OST1的同源基因可以调节甘蓝的干旱胁迫应答和草莓果实的成熟[22,23]。
  目前有关甜瓜SnRK2的研究尚未见报道。笔者在黄瓜SnRK2解析的基础上[24],从甜瓜基因组中鉴定出2个与拟南芥OST1直系同源的SnRK2基因,并对它们的染色体定位、基因结构、遗传进化和顺式调控元件等进行了系统分析,为其功能的进一步研究奠定了基础。
  1研究方法
  用已鉴定的黄瓜OST1 基因序列来搜索NCBI数据库查找甜瓜OST1基因。利用blastp在拟南芥数据库TAIR中进行序列比对,确定甜瓜基因与拟南芥OST1基因的关系。利用motif Scan( http://myhits.isb-sib.ch /cgi-bin/motif_scan) 对甜瓜OST1 基因编码的蛋白进行保守基序和结构预测分析并根据编码区序列信息对进行染色体定位。利用Mega4. 1 对甜瓜OST1 基因和拟南芥SnRK2 基因进行系统进化分析。通过SnRK2 编码区和基因组序列的比对来显示基因外显子和内含子的结构组成。根据编码区序列和其所在基因组序列得到各个SnRK2 基因起始密码子ATG上游1 500 bp 的启动子区及上游序列。顺式元件预测采用PlantCARE软件(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcareplantcare/html/) 进行在线分析。
  2结果与分析
  2.1甜瓜OST1基因的鉴定和序列特征
  通过比较基因组学的方法,从甜瓜基因组中鉴定出2个与拟南芥OST1直系同源的基因,分别命名为CmOST1L1和CmOST1L2(表1)。它们分别位于甜瓜1号和11号染色体上,均含有9个外显子(图1),与黄瓜OST1基因Csa003549和Csa014597的外显子数相同[24]。二者的编码区序列分别为1 098 bp和1 086 bp,但是相应的基因组序列大小差异很大(表1)。CmOST1L1和CmOST1L2编码蛋白的序列一致性为80.38%,激酶结构域的序列一致性为91.95%。CmOST1L1与Csa00354编码蛋白的序列一致性为98.37%,CmOST1L2与Csa014597编码蛋白的序列一致性为96.41%。甜瓜CmOST1L1和CmOST1L2与AtOST1编码蛋白序列一致性分别为89.04%和80.59%。这说明甜瓜、黄瓜OST1的基因不仅在编码区序列上高度保守,而且在结构上也十分保守。

表1 甜瓜OST1基因的命名和特征

  注:图中方框为外显子,方框之间的线条为内含子
  图1 甜瓜OST1基因的外显子-内含子结构
  2.2 甜瓜OST1基因的遗传进化和编码蛋白的基序分析
  不同物种或相同物种同一家族基因的遗传进化分析,可为研究基因的功能提供重要线索。甜瓜OST1的遗传进化分析结果表明,两个甜瓜基因CmOST1L1和CmOST1L2与黄瓜、拟南芥的OST1基因位于一个类群,分别与黄瓜的Csa003549和Csa014597直系同源,表明它们具有相似的生物学功能。编码蛋白的基序分析表明,甜瓜OST1基因编码的蛋白都含有一个激酶结构域、激酶结合位点和ATP结合区。此外,二者均都含有两个豆蔻酰化位点,三个蛋白激酶C磷酸化位点。不同的是,CmOST1L1还含有一个天冬氨酸富含区,而在CmOST1L2中没有,表明它们在编码蛋白的结构上也十分保守但又有所不同。根据结构决定功能的生物学原理,作者认为甜瓜的2个OST1基因在功能上存在分化。

图2 甜瓜、黄瓜OST1基因与拟南芥SnRK2的进化分析
表 2甜瓜OST1的结构域和蛋白基序分析

  注:表中数字代表基序或者结构域的数目,-代表没有。
  2.3甜瓜OST1的顺式调控元件分析和功能预测
  基因上游序列中顺式调控元件的分析对于揭示基因的功能具有重要意义。分析发现,甜瓜2个OST1的上游序列都含有多个应答激素和逆境的顺式调控元件,但类型和数目不尽一致。CmOST1L1分别含有一个ABA应答元件,一个生长素应答元件、一个茉莉酸甲酯应答元件,一个水杨酸应答元件,三个热胁迫应答元件、三个病原物应答元件;而CmOST1L2含有两个茉莉酸甲酯应答元件、一个热胁迫和干旱应答元件、三个病原物应答元件。这说明第一它们在激素和逆境应答方面存在一定差异,第二它们不仅能够应答非生物逆境胁迫,而且可能在生物逆境应答中也具有一定功能。这与拟南芥OST1研究的结果相一致[25,26]。根据顺式调控元件分析的结果,推测甜瓜的2个OST1基因在功能上存在分化,CmOST1L1可应答ABA、生长素和茉莉酸甲酯信号,响应热胁迫应答和生物逆境;而CmOST1L2可响应干旱、热胁迫信号及病原物和茉莉酸甲酯信号。
表3甜瓜OST1的顺式调控元件

  注: ABRE,ABA 应答顺式元件; AuxRR-core为生长素应答元件;Box-W1为真菌激发子应答元件;CGTCA- motif,莉酸甲酯应答元件;HSE,热胁迫应答元件;MBS,为干旱胁迫应答元件;TC-rich repeats 为防卫和逆境应答元件;TCA-element,水杨酸应答元件;W box 为防卫应答元件;-代表没有。
  3结论和讨论
  本研究在甜瓜基因组中鉴定出2个与拟南芥OST1基因直系同源的基因CmOST1L1和CmOST1L2,二者位于甜瓜的不同染色体上,且均含有9个外显子,与黄瓜OST1研究的结果一致,并与黄瓜的2个OST1基因在编码区序列和结构上高度保守,但二者在基因上游的顺式调控元件上明显不同,在编码蛋白的结构上也有所差异。因此,推测这2个基因具有相似的生物学功能但又有所分化。拟南芥OST1的研究表明,它不仅在ABA信号应答和渗透胁迫应答方面具有重要功能,而且还能调节蔗糖代谢和促进植株生长。此外,拟南芥的OST1基因在免疫反应过程中也具有重要功能。因而有关这类基因的研究对于揭示植物逆境应答基因调控网络具有重要意义,而且它们在提高农作物产量和抗逆方面具有重要的应用价值。笔者认为甜瓜的OST1基因在逆境应答和生长发育过程中也具有重要的生物学功能。至于它们在不同生物学过程中的具体功能如何,表达调控的机制如何,与拟南芥及其它物种的OST1在功能上有何异同,需要结合分子和细胞生物学的手段以及转基因研究进行深入探讨。
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