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黄瓜苋科凝集素基因的表达分析与逆境调控

赵菲, 党刘毅, 魏敏惠, 刘春莹, 冷伟, 尚琛晶

植物学报 2021, 56 (2): 183-190. DOI: 10.11983/CBB20177

摘要（1063）

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凝集素是一类具有特异性糖结合活性的蛋白质, 通常具有1个或多个非催化的糖结合结构域。凝集素在植物对病原菌的防御反应中发挥重要作用。由于其抗细菌、真菌、病毒和昆虫等的活性, 凝集素在农业和生物医药领域都具有很大的应用潜力。作为最小的凝集素家族之一, 苋科凝集素的研究较少。该文通过对重要经济作物黄瓜(Cucumis sativus)的基因组进行分析, 对16种苋科凝集素基因在黄瓜基因组中的分布和位置进行研究, 并分析相关基因的外显子/内含子组成。进一步通过启动子分析, 阐明了苋科凝集素基因对非生物胁迫的响应情况。最后, 通过实时荧光定量PCR, 检测了黄瓜中4种苋科凝集素基因对低温、高盐、干旱和ABA处理的响应情况。研究结果可为揭示苋科凝集素的生理功能及其在植物胁迫响应中的作用提供参考。

Protein	Domain architecture	No. of amino acids	Protein size (kDa)	Theoretical pI
CucsaAAT1	AAT	484	54.9	8.3
CucsaAAT2	AAT	463	53.6	7.9
CucsaAAT3	AAT	463	53.5	8.0
CucsaAAT4	AAT	466	53.7	8.2
CucsaAAT5	AAT	463	53.3	7.5
CucsaAAT6	AAT	464	53.4	7.5
CucsaAAT7	AAT	471	53.5	5.1
CucsaAAT8	AAT	475	54.7	8.3
CucsaAAT9	AAT	474	55.0	6.7
CucsaAAT10	AAT	476	54.9	5.7
CucsaAAT11	AAT	482	55.4	7.0
CucsaAAT12	AAT	502	57.6	9.0
CucsaAAT13	AAT	468	53.9	7.7
CucsaAAT14	AAT	505	58.2	6.8
CucsaNAAT1	NAAT	626	70.4	5.1
CucsaNAAT2	NAAT	614	69.4	4.9

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表3 黄瓜中苋科凝集素蛋白的理化性质

正文中引用本图/表的段落

黄瓜中苋科凝集素基因的分布与表达分析所用数据库为CuGenDB (Cucumber (Chinese Long) genome v3, http://cucurbitgenomics.org/), 其中包含黄瓜的7对染色体, 基因组大小为243.5 Mb, 包含26 682个基因(Huang et al.2009)。

已有研究表明, 凝集素结构域常与具有不同生物学活性的其它结构域相结合, 从而使其功能更加多样化(王梦龙等, 2020)。对黄瓜中苋科凝集素的氨基酸序列进行分析, 发现所有苋科凝集素均包含2个苋科凝集素结构域(amaranthin domain)和1个气单胞菌溶素结构域(aerolysin domain), 因此将其命名为Cucsa AAT1-14; 另有2个基因在AAT结构域以外还包含1个N端功能未知的结构域, 被命名为Cucsa- NAAT1-2。所有苋科凝集素蛋白都不含有信号肽, 其理化性质见表3。苋科凝集素结构域和气单胞菌溶素结构域组成的嵌合蛋白在亚麻(Linum usitatissimum)中也被发现。研究表明, 具有该结构域的蛋白质编码基因在经过植物激素(如茉莉酸甲酯和水杨酸)诱导时发生高表达, 因此可能在植物的防御响应中起重要作用(Faruque et al.2015)。

高盐处理会扰乱植物的渗透压平衡和离子平衡, 同时, 过量盐分会抑制和诱导多种酶系统的表达和活力, 进而影响植物的正常生长。经200 mmol?L-1 NaCl处理12小时后, 黄瓜幼苗根系侧根数目和长度相比对照组明显受到抑制, 并且随着时间的推移差别逐渐增大, 同时叶缘出现发黄现象。转录水平上, 除CucsaAAT4外, 另3种苋科凝集素基因的转录水平均发生明显上调(图4B)。尤其是CucsaNAAT1在高盐处理3小时后转录水平上调超过100倍, 然后在6小时达到最高水平, 表达上调超过200倍。CucsaAAT9的表达也发生了类似变化, 其表达水平在处理6小时后上调约50倍, 并且在处理后24小时仍保持约20倍上调表达。此外, 在高盐处理3小时后, CucsaAAT14的表达水平上调了4.7倍, 但之后逐渐恢复到正常水平。

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