小桐子半胱氨酸蛋白酶家族和相应miRNAs的鉴定及其对低温锻炼的响应
吴丹丹, 陈永坤, 杨宇, 孔春艳, 龚明
植物学报
2021, 56 ( 5):
544-558.
DOI: 10.11983/CBB21014
小桐子(Jatropha curcas)是一种极具潜力的能源植物及冷敏植物, 12°C低温锻炼可显著提高其耐冷性。在全基因组水平上对小桐子半胱氨酸蛋白酶家族及靶向其基因的miRNAs进行鉴定、生物信息学分析和表达特性分析, 并对该基因家族成员与miRNAs互作参与调控小桐子对低温锻炼的响应进行解析。结果表明, 在小桐子基因组中共鉴定到39个半胱氨酸蛋白酶基因, 定位于11条染色体上, 可分为6个亚家族(C1A、C2、C12、C13、C14和C15), 编码181-2 158个氨基酸残基的多肽, 均具有Cys和His活性位点。基于miRNA组和降解组测序结果, 发现有283个miRNAs靶向调控小桐子半胱氨酸蛋白酶基因家族的14个成员。对靶向JcDEK1、JcRD21B和JcXBCP3L的miRNAs在12°C低温锻炼过程中的共表达分析表明, 这些miRNAs参与半胱氨酸蛋白酶基因表达的调控, 且这种调控可能与低温锻炼诱导的小桐子耐冷性增强有关。研究结果有助于深入理解小桐子半胱氨酸蛋白酶基因家族功能及其与相应miRNAs的互作, 以及通过互作调控小桐子对低温的响应。
| Locus ID | Gene name | Subgroup | Chr. | Size (aa) | Mw (Da) | pI | | XM_012209792.1 | JcRD21A | C1A | Chr. 10 | 475 | 52682.16 | 5.39 | | XM_012221410.1 | JcSAG12H4 | C1A | Chr. 4 | 340 | 37417.89 | 5.13 | | XM_012226309.1 | JcSAG12H1 | C1A | Chr. 3 | 311 | 34256.46 | 6.89 | | XM_012216029.1 | JcSAG12H2 | C1A | Chr. 7 | 268 | 28610.75 | 4.66 | | XM_012216557.1 | JcXBCP3 | C1A | Chr. 4 | 441 | 48817.81 | 6.06 | | XM_012218796.1 | JcRD21A1 | C1A | Chr. 10 | 358 | 40417.25 | 5.10 | | XM_012223641.1 | JcALP1 | C1A | Chr. 7 | 347 | 38935.92 | 8.43 | | XM_012225588.1 | JcRD19B | C1A | Chr. 10 | 409 | 44955.43 | 6.71 | | XM_012230158.1 | JcCEP2 | C1A | Chr. 7 | 358 | 39943.84 | 6.19 | | XM_012233098.1 | JcSAG12H5 | C1A | Chr. 9 | 340 | 37592.12 | 5.01 | | XM_012236390.1 | JcXBCP3L | C1A | Chr. 3 | 524 | 58042.85 | 5.24 | | XM_012219020.1 | JcXCP1 | C1A | Chr. 5 | 349 | 39054.13 | 5.59 | | XM_012211812.1 | JcRD19A | C1A | Chr. 2 | 370 | 40564.71 | 5.95 | | XM_012212907.1 | JcRD21B | C1A | Chr. 4 | 466 | 51785.03 | 5.28 | | XM_012213199.1 | JcSAG12H3 | C1A | Chr. 2 | 339 | 37598.38 | 5.94 | | XM_012216569.1 | JcRD19C | C1A | Chr. 4 | 368 | 40923.12 | 5.81 | | XM_012218200.1 | JcXCP2 | C1A | Chr. 4 | 350 | 39176.15 | 5.40 | | XM_012221663.1 | JcTHI1 | C1A | Chr. 11 | 358 | 39435.49 | 5.88 | | XM_012223907.1 | JcRD21C | C1A | Chr. 7 | 366 | 41119.35 | 5.40 | | XM_012224546.1 | JcCEP1 | C1A | Chr. 5 | 360 | 40142.92 | 5.69 | | XM_020685390.1 | JcSAG12H6 | C1A | Chr. 3 | 181 | 20779.04 | 9.49 | | XM_020685389.1 | JcSAG12H7 | C1A | Chr. 3 | 181 | 20779.04 | 9.49 | | XM_012227664.1 | JcCTB1 | C1A | Chr. 8 | 358 | 39709.10 | 6.07 | | XM_012225478.1 | JcDEK1 | C2 | Chr. 1 | 2158 | 239010.06 | 6.03 | | XM_012224060.1 | JcUCH2 | C12 | Chr. 4 | 337 | 38597.28 | 6.43 | | XM_012214672.1 | JcUCH3 | C12 | Chr. 9 | 236 | 26006.51 | 4.66 | | XM_012231737.1 | JcVPE2 | C13 | Chr. 9 | 495 | 55104.34 | 5.58 | | XM_012221936.1 | JcVPE1 | C13 | Chr. 11 | 493 | 54253.23 | 5.93 | | XM_012232060.1 | JcVPE3 | C13 | Chr. 5 | 485 | 54983.84 | 6.22 | | XM_012229170.1 | JcAMC4G | C14 | Chr. 5 | 418 | 45953.22 | 5.18 | | Locus ID | Gene name | Subgroup | Chr. | Size (aa) | Mw (Da) | pI | | XM_012227353.1 | JcAMC9A | C14 | Chr. 3 | 317 | 35221.20 | 5.84 | | XM_012213747.1 | JcAMC3B | C14 | Chr. 2 | 374 | 41063.04 | 5.71 | | XM_012213748.1 | JcAMC1C | C14 | Chr. 2 | 330 | 37646.13 | 8.05 | | XM_012213889.1 | JcAMC2D | C14 | Chr. 2 | 406 | 45165.20 | 8.65 | | XM_012213890.1 | JcAMC1E | C14 | Chr. 2 | 335 | 37746.43 | 8.10 | | XM_012228350.1 | JcAMC1F | C14 | Chr. 8 | 362 | 39681.00 | 6.41 | | XM_012235144.1 | JcAMC1H | C14 | Chr. 5 | 370 | 40503.80 | 6.34 | | XM_012230023.1 | JcPCP1 | C15 | Chr. 7 | 217 | 23577.96 | 6.07 | | XM_012233456.1 | JcPCP2 | C15 | Chr. 6 | 219 | 23969.43 | 6.08 |
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表2
小桐子中已鉴定的半胱氨酸蛋白酶的理化性质
正文中引用本图/表的段落
基于从MEROPS数据库(Release 12.0)(http://www.ebi.ac.uk/merops)中下载的拟南芥、水稻、蓖麻、杨树和番茄的半胱氨酸蛋白酶氨基酸序列, 以及本实验室获得的小桐子在正常培养和低温锻炼下的转录组数据(PRJNA661688), 进行NCBI数据库比对和对小桐子蛋白质数据库进行BLAST检索, 结合MEME、CDD和HMM分析了半胱氨酸蛋白酶候选序列及结构域, 共鉴定到39个小桐子半胱氨酸蛋白酶基因, 分析了本研究中鉴定的半胱氨酸蛋白酶的部分理化特征(表2)。序列分析结果显示, 半胱氨酸蛋白酶肽链的长度范围为181 (JcSAG12H6)-2 158 aa (JcDEK1), 平均为404.33 aa。分子质量(Mw)的范围在20 779.04 (JcSAG12H6)-239 010.06 (JcDEK1) Da之间。理论等电点(pI)范围在4.66 (JcUCH3)-9.49 (JcSAG12H7)之间。39个成员分别定位于11条染色体上(表2)。
前期研究表明, 12°C低温锻炼48小时可显著增强小桐子在1°C下的耐冷性(Ao et al., 2013a, 2013b)。利用本实验室测序获得的小桐子在低温锻炼过程中的转录组数据(PRJNA661688), 对半胱氨酸蛋白酶家族基因的表达谱进行分析(图6)。结果表明, 该家族大部分成员在12°C低温锻炼期间均明显上调表达, 其中JcAMC1H在6小时表达量最高; 而JcCEP2、JcSAG12H7和JcSAG12H4在低温锻炼前期呈下调表达趋势。
本研究在基因组层面上对小桐子半胱氨酸蛋白酶全基因家族进行了生物信息学分析, 共鉴定到39个家族成员, 可分为C1A、C2、C12、C13、C14和C15共6个亚家族, 定位于11条染色体上, 部分基因之间发生了片段重复, 如JcRD21A和JcRD21A1, JcSAG12H6和JcSAG12H7; 而JcSAG12H5和JcSAG12H4、JcSAG12H3和JcSAG12H4、JcSAG12H5和JcSAG12H3之间的氨基酸同源性达90%以上, 位于不同染色体之间, 推测可能是发生了染色体异位重复(图1, 图4)。蛋白结构域分析结果表明, 小桐子半胱氨酸蛋白酶家族均具有共同的Cys和His活性位点, 保守基序结构域前体序列为ExxxRxxxxxxN/ VxxxNx (图2, 图3)。基于RNA-seq的研究结果表明, 小桐子半胱氨酸蛋白酶基因家族的39个成员在植株的不同组织/器官及在低温锻炼过程中均呈现空间和时间的差异化表达(图5, 图6)。Zou等(2018)研究表明, C1A家族大部分成员在小桐子叶片中表达量较高, 根据本研究结果及与其它5个亚家族成员进行横向比较, 我们发现在种子、花蕾、茎端和叶片中表达量占比较大的基本是C1A亚家族成员, 表明该基因家族不同成员的表达水平在小桐子生长发育的不同阶段及对不同外界环境刺激过程中存在差异化响应。这些结果对我们深入理解小桐子半胱氨酸蛋白酶家族各成员在生长发育过程和对环境变化响应中的作用具有参考价值。
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