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 植物学报    2021, 56 (5): 544-558.   DOI: 10.11983/CBB21014

图4 小桐子半胱氨酸蛋白酶基因染色体定位及成对发生的重复事件
重复基因对用线显示和连接。

正文中引用本图/表的段落

基于Wu等(2015)构建小桐子遗传连锁图谱, 对小桐子半胱氨酸蛋白酶家族基因进行染色体定位, 并利用TBtools软件绘图(图4)。结果表明, 39个半胱氨酸蛋白酶基因分别定位于11条染色体(Chr. 1-Chr. 11)上。每条染色体上的半胱氨酸蛋白酶基因数目不等, 有的成簇分布在不同的染色体上。其中Chr. 11上有2个, Chr. 2和Chr. 4上各有6个, Chr. 3、Chr. 5和Chr. 7上各有5个, Chr. 11和Chr. 8上各有2个, Chr. 9和Chr. 10上各有3个半胱氨酸蛋白酶基因。上述结果表明, 半胱氨酸蛋白酶基因在不同染色体上分布不均, 而且每个亚家族的基因在不同染色体上也分布不均(图4)。进一步对蛋白序列同源性和基因重复性进行比较, 表明在小桐子半胱氨酸蛋白酶基因家族中, 有18对基因发生了基因重复事件, 其中有7对同源性达90%以上, JcRD21A和JcRD21A1、JcSAG12H6和JcSAG12H7的同源性分别为95.60%和95.87%, 且位于同一条染色体上, 在染色体上的位置紧密相邻排列, 可能是这2对基因发生了串联重复。JcSAG12H5和JcSAG12H4、JcSAG12H3和JcSAG12H4、JcSAG12H5和JcSAG 12H3的同源性分别达92.70%、90.2%和90.20%, 且分布于不同染色体上, 这可能是发生了染色体异位重复所致。在发生片段重复的半胱氨酸蛋白酶基因中, 有一些基因(如JcSAG12H6和JcSAG12H7)来自同一亚家族, 可能是进化过程中发生复制, 产生了串联重复(图4)。

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。

本文的其它图/表

• 表1 qRT-PCR相关引物
  
• 表2 小桐子中已鉴定的半胱氨酸蛋白酶的理化性质
  
• 图1 小桐子、水稻和蓖麻半胱氨酸蛋白酶家族的系统发育进化树
  
• 图2 小桐子6个半胱氨酸蛋白酶亚家族的蛋白结构
  C: 半胱氨酸; D: 天冬氨酸; E: 谷氨酸; H: 组氨酸; N: 天冬酰胺; Q: 谷氨酰胺
  
• 图3 使用MEME软件确定的小桐子半胱氨酸蛋白酶家族9个重要的基序
  横坐标表示基序的长度; 纵坐标表示基序的保守程度。
  
• 图5 小桐子半胱氨酸蛋白酶家族基因在不同器官中的表达热图
  
• 图6 小桐子幼苗叶片半胱氨酸蛋白酶家族基因在12°C低温锻炼期间基因表达的热图
  
• 图7 miRNAs靶向调控小桐子半胱氨酸蛋白酶家族基因的网络图
  红色代表半胱氨酸蛋白酶基因, 蓝色代表miRNAs。
  
• 图8 靶向调控小桐子半胱氨酸蛋白酶家族基因的miRNAs在12°C低温锻炼期间的热图
  
• 图9 小桐子幼苗在12°C低温锻炼期间半胱氨酸蛋白酶基因JcDEK1、JcRD21B、JcXBCP3L以及靶向这些基因miRNAs的qRT-PCR共表达分析
  *与**分别表示不同时间的表达量与对照0小时在P<0.05与P<0.01水平差异显著。