甘蔗查尔酮合成酶基因的挖掘、序列分析及表达分析
发布时间：2021-09-11 11:32
查尔酮合成酶（chalcone synthase, CHS）是植物类黄酮生物合成途径的第一个关键酶,在植物的次生代谢途径中发挥重要作用。本研究基于课题组构建的甘蔗转录组数据库,挖掘获得7个具有完整编码区的甘蔗ScCHS基因（ScCHS1～ScCHS7）。序列分析结果显示,ScCHS1～Sc CHS7基因大约编码400个氨基酸,7者之间的氨基酸序列相似性介于12.47%～87.22%之间,且其编码蛋白均含有c （Cys）、f （Phe）、h （His）和n （Asn）这4个构成CHS蛋白催化中心的保守残基。系统进化树分析表明,ScCHS1、ScCHS2和ScCHS6聚类在CHS家族的第Ⅵ亚类,ScCHS3和ScCHS4聚在第Ⅲ亚类,ScCHS5聚在第Ⅴ亚类,ScCHS7聚在第Ⅷ亚类。实时荧光定量PCR （quantitative real-time PCR, qRT-PCR）结果显示,接种甘蔗黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）后,ScCHS1基因的表达水平在感黑穗病品种‘ROC22’中没有显著变化,但在抗黑穗病品种‘NCo376’中被诱导上调。此外,在低氮胁迫下,...
【文章来源】：分子植物育种. 2020,18(22)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
7个甘蔗查尔酮合成酶家族基因编码蛋白的三级结构
CHS基因属于多基因家族(Han et al.,2017)。本研究基于甘蔗转录组注释库挖掘到7条Sc CHS基因，生物信息学分析表明Sc CHS1～Sc CHS7基因编码蛋白的氨基酸数量为400个左右，与其他植物CHS基因编码的氨基酸数量大致相同(Chen et al.,2017)。不同植物中CHS基因亚细胞定位情况不同，同一类型基因在不同植物中的亚细胞定位也存在差异(Saslowsky and Winkel-Shirley,2001;Dastmalchi et al.,2016)。Dastmalchi等(2016)研究显示大豆(Glycine max) CHSs蛋白定位在细胞核、细胞质和内质网。Saslowsky和Winkel-Shirley (2001)研究发现拟南芥CHSs蛋白定位于质膜、细胞质、细胞核和液泡。本研究利用PSORT软件预测Sc CHSs的亚细胞定位，结果显示Sc CHS1～Sc CHS7蛋白可能在质膜、细胞质和内质网中定位。Sc CHS1～Sc CHS7蛋白的平均亲疏水性数值介于-0.113～0.0.9，其中Sc CHS3和Sc CHS4蛋白的平均亲疏水性数值均大于0，表现为弱疏水性，而用Prot Scale软件预测这两个蛋白均为亲水性蛋白，具体还需进一步研究。此外，Ex PASy软件预测结果显示仅Sc CHS1蛋白含有CHS活性位点c(Cys)，但SMART软件预测Sc CHS1～Sc CHS7均含有查儿酮合成酶结构域，且序列多重比对结果也显示7个Sc CHS均含有c (Cys)、f (Phe)、h (His)和n(Asn)这4个构成CHS蛋白催化中心的保守残基。由此可见，在蛋白亲疏水性和蛋白功能位点等预测时可采用不同生物信息学软件和算法综合考虑分析结果。甘蔗Sc CHS1～Sc CHS7蛋白的二级结构以α-螺旋和无规则卷曲数量居多，在蛋白质外分布广泛，可能对蛋白质骨架起稳固作用(秦政等,2018)。Sc CHS1～Sc CHS7之间的氨基酸序列相似性差异较大，介于12.47%～87.22%之间，系统进化树分析显示Sc CHS1～Sc CHS7聚在4个亚类上，Ex PASy软件预测7个Sc CHS蛋白预测均含有N-糖基化位点和蛋白激酶c磷酸化位点，除了Sc CHS3和Sc CHS4蛋白不含3-酮酰基-Co A合酶结构域外，其他5个Sc CHS蛋白均含有3-酮酰基-Co A合酶结构域，且Sc CHS1～Sc CHS7蛋白之间的空间构象略有差异，上述结果表明甘蔗Sc CHS基因具有遗传多样性，这与小麦(Glagoleva et al.,2019)和烟草(Chen et al.,2017)等作物CHS基因的研究相似。
CHS基因在植物抗病中发挥重要的作用(齐放军等,2000;Kai et al.,2018)。齐放军等(2000)发现水稻CHS基因在水稻与白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae)的亲和互作中不受诱导表达，但该基因的转录本在水稻与白叶枯菌的非亲和互作中被诱导差异表达，表明CHS基因调控的苯丙烷途径有助于增强水稻对白叶枯病菌的抗性。Cui等(1996)研究显示高粱CHS基因的m RNA转录本在高粱幼苗接种玉米小斑病菌(Bipolaris maydis)后迅速累积到高水平，当接种蜀黍指霜霉(Peronosclerophthora mcrospora)后，该基因m RNA水平在高粱抗病品种和感病品种中均高于未接种的对照品种，且在抗性品种的m RNA积累量高于感病品种。在本研究中，接种甘蔗黑穗病菌后，Sc CHS1基因的表达水平在感黑穗病品种‘ROC22’中没有显著的变化，但在抗黑穗病品种‘NCo376’中被诱导上调，推测Sc CHS1基因可能参与抵御甘蔗黑穗病，相关研究有待进一步深入。甘蔗是重要的糖料作物，氮素的供应是制约甘蔗产量高低的重要因素。目前在甘蔗生产过程，施用的化学氮肥过多，氮肥利用率相对较低。低氮胁迫可以改变甘蔗的低氮耐受性，增加作物的产量，减少氮肥施用(Yang et al.,2019)。挖掘响应低氮胁迫的甘蔗基因，培育耐低氮品种是减少氮肥施用的有效途径之一(张刚等,2017;Yang et al.,2019)。在低氮胁迫下，甘蔗Sc CHS1基因在‘ROC22’叶片和根部组织中均被诱导上调表达，表明Sc CHS1基因积极响应低氮胁迫处理。Soubeyrand等(2014)研究也表明，相较于120 kg/ha的氮肥施用量，在低氮胁迫下会诱导葡萄(Vitis vinifera)浆果中CHS的上调表达。Tsukaya等(1991)研究显示，对转ph CHS-A基因的拟南芥植株进行蔗糖处理，可以诱导CHS-A的上调表达。水稻幼苗中的转录组学分析也显示，CHS基因的表达与碳和氮的平衡有关(Huang et al.,2016)。下一步可以通过基因克隆和功能鉴定探究Sc CHS1基因在甘蔗抗黑穗病和耐低氮胁迫的作用机理，为甘蔗抗逆遗传改良提供理论基础。
【参考文献】：
期刊论文
[1]毛竹萜类合成酶基因家族序列鉴定与表达分析[J]. 秦政,郑永杰,张文根,张龙,黎祖尧,杨光耀. 植物科学学报. 2018(04)
[2]不同施氮水平对烟草叶片黄酮类化合物含量及其代谢途径的调控[J]. 张刚,逄涛,王莎莎,黎旺姐,李军营,马俊红,龚明. 基因组学与应用生物学. 2017(03)
[3]携带不同抗白叶枯病基因的水稻防卫基因pal和chs的转录特征[J]. 齐放军,高学文,王金生,何晨阳. 农业生物技术学报. 2000(04)
本文编号：3392922
【文章来源】：分子植物育种. 2020,18(22)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
7个甘蔗查尔酮合成酶家族基因编码蛋白的三级结构
CHS基因属于多基因家族(Han et al.,2017)。本研究基于甘蔗转录组注释库挖掘到7条Sc CHS基因，生物信息学分析表明Sc CHS1～Sc CHS7基因编码蛋白的氨基酸数量为400个左右，与其他植物CHS基因编码的氨基酸数量大致相同(Chen et al.,2017)。不同植物中CHS基因亚细胞定位情况不同，同一类型基因在不同植物中的亚细胞定位也存在差异(Saslowsky and Winkel-Shirley,2001;Dastmalchi et al.,2016)。Dastmalchi等(2016)研究显示大豆(Glycine max) CHSs蛋白定位在细胞核、细胞质和内质网。Saslowsky和Winkel-Shirley (2001)研究发现拟南芥CHSs蛋白定位于质膜、细胞质、细胞核和液泡。本研究利用PSORT软件预测Sc CHSs的亚细胞定位，结果显示Sc CHS1～Sc CHS7蛋白可能在质膜、细胞质和内质网中定位。Sc CHS1～Sc CHS7蛋白的平均亲疏水性数值介于-0.113～0.0.9，其中Sc CHS3和Sc CHS4蛋白的平均亲疏水性数值均大于0，表现为弱疏水性，而用Prot Scale软件预测这两个蛋白均为亲水性蛋白，具体还需进一步研究。此外，Ex PASy软件预测结果显示仅Sc CHS1蛋白含有CHS活性位点c(Cys)，但SMART软件预测Sc CHS1～Sc CHS7均含有查儿酮合成酶结构域，且序列多重比对结果也显示7个Sc CHS均含有c (Cys)、f (Phe)、h (His)和n(Asn)这4个构成CHS蛋白催化中心的保守残基。由此可见，在蛋白亲疏水性和蛋白功能位点等预测时可采用不同生物信息学软件和算法综合考虑分析结果。甘蔗Sc CHS1～Sc CHS7蛋白的二级结构以α-螺旋和无规则卷曲数量居多，在蛋白质外分布广泛，可能对蛋白质骨架起稳固作用(秦政等,2018)。Sc CHS1～Sc CHS7之间的氨基酸序列相似性差异较大，介于12.47%～87.22%之间，系统进化树分析显示Sc CHS1～Sc CHS7聚在4个亚类上，Ex PASy软件预测7个Sc CHS蛋白预测均含有N-糖基化位点和蛋白激酶c磷酸化位点，除了Sc CHS3和Sc CHS4蛋白不含3-酮酰基-Co A合酶结构域外，其他5个Sc CHS蛋白均含有3-酮酰基-Co A合酶结构域，且Sc CHS1～Sc CHS7蛋白之间的空间构象略有差异，上述结果表明甘蔗Sc CHS基因具有遗传多样性，这与小麦(Glagoleva et al.,2019)和烟草(Chen et al.,2017)等作物CHS基因的研究相似。
CHS基因在植物抗病中发挥重要的作用(齐放军等,2000;Kai et al.,2018)。齐放军等(2000)发现水稻CHS基因在水稻与白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae)的亲和互作中不受诱导表达，但该基因的转录本在水稻与白叶枯菌的非亲和互作中被诱导差异表达，表明CHS基因调控的苯丙烷途径有助于增强水稻对白叶枯病菌的抗性。Cui等(1996)研究显示高粱CHS基因的m RNA转录本在高粱幼苗接种玉米小斑病菌(Bipolaris maydis)后迅速累积到高水平，当接种蜀黍指霜霉(Peronosclerophthora mcrospora)后，该基因m RNA水平在高粱抗病品种和感病品种中均高于未接种的对照品种，且在抗性品种的m RNA积累量高于感病品种。在本研究中，接种甘蔗黑穗病菌后，Sc CHS1基因的表达水平在感黑穗病品种‘ROC22’中没有显著的变化，但在抗黑穗病品种‘NCo376’中被诱导上调，推测Sc CHS1基因可能参与抵御甘蔗黑穗病，相关研究有待进一步深入。甘蔗是重要的糖料作物，氮素的供应是制约甘蔗产量高低的重要因素。目前在甘蔗生产过程，施用的化学氮肥过多，氮肥利用率相对较低。低氮胁迫可以改变甘蔗的低氮耐受性，增加作物的产量，减少氮肥施用(Yang et al.,2019)。挖掘响应低氮胁迫的甘蔗基因，培育耐低氮品种是减少氮肥施用的有效途径之一(张刚等,2017;Yang et al.,2019)。在低氮胁迫下，甘蔗Sc CHS1基因在‘ROC22’叶片和根部组织中均被诱导上调表达，表明Sc CHS1基因积极响应低氮胁迫处理。Soubeyrand等(2014)研究也表明，相较于120 kg/ha的氮肥施用量，在低氮胁迫下会诱导葡萄(Vitis vinifera)浆果中CHS的上调表达。Tsukaya等(1991)研究显示，对转ph CHS-A基因的拟南芥植株进行蔗糖处理，可以诱导CHS-A的上调表达。水稻幼苗中的转录组学分析也显示，CHS基因的表达与碳和氮的平衡有关(Huang et al.,2016)。下一步可以通过基因克隆和功能鉴定探究Sc CHS1基因在甘蔗抗黑穗病和耐低氮胁迫的作用机理，为甘蔗抗逆遗传改良提供理论基础。
【参考文献】：
期刊论文
[1]毛竹萜类合成酶基因家族序列鉴定与表达分析[J]. 秦政,郑永杰,张文根,张龙,黎祖尧,杨光耀. 植物科学学报. 2018(04)
[2]不同施氮水平对烟草叶片黄酮类化合物含量及其代谢途径的调控[J]. 张刚,逄涛,王莎莎,黎旺姐,李军营,马俊红,龚明. 基因组学与应用生物学. 2017(03)
[3]携带不同抗白叶枯病基因的水稻防卫基因pal和chs的转录特征[J]. 齐放军,高学文,王金生,何晨阳. 农业生物技术学报. 2000(04)
本文编号：3392922
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