王晶蓉，付榮，張澤，李紅英,2,3*，侯思宇,3

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，山西 太原 030031； 3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物工程研究所，山西 太谷 030801)

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谷子淀粉結(jié)合域蛋白基因家族序列特征及干旱脅迫響應(yīng)表達分析

王晶蓉1，付榮1，張澤1，李紅英1,2,3*，侯思宇1,3

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，山西 太原 030031； 3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物工程研究所，山西 太谷 030801)

[目的]谷子屬于耐旱雜糧作物，但谷子響應(yīng)干旱脅迫的相關(guān)基因分子機制仍不清楚。為了明確谷子干旱脅迫是否與淀粉代謝關(guān)鍵酶基因相關(guān)，探索谷子抗旱的分子機制。[方法]運用生物信息學(xué)初步分析了谷子該家族基因的基本序列特征、啟動子元件預(yù)測。構(gòu)建該基因家族直系同源系統(tǒng)進化樹，分析與其他物種同源蛋白的親緣關(guān)系?；跀?shù)字基因表達譜數(shù)據(jù)分析了PEG模擬干旱條件下，該基因家族在谷子抗旱品種‘勾勾母雞咀’和敏感性品種‘晉汾16’的表達特征。[結(jié)果]谷子全基因組調(diào)查表明該基因家族有五個成員，暫且命名為SiSBD1、SiSBD2、SiSBD3、SiSBD4和SiSBD5。序列分析表明， 該基因家族成員編碼的蛋白序列長度范圍為360～949個氨基酸殘基；蛋白分子量范圍為39～108 kD，蛋白質(zhì)等電點為4.18～6.72。啟動子元件分析鑒定出與抗旱相關(guān)的順式作用元件，主要包含：與MYB抗旱基因調(diào)控相關(guān)，與MeJA、ETH、SA、ABA等在抗旱中起重要作用的植物激素相關(guān)，與植物防御和非生物脅迫響應(yīng)相關(guān)。系統(tǒng)進化樹表明，谷子SiSBD1基因與高粱和玉米同源蛋白SBD聚為一類，谷子SiSBD2基因與玉米SBD2、SBD3基因的聚為一類，其他3個基因歸為一類。進一步分析PEG脅迫下谷子淀粉結(jié)合域蛋白基因家族表達，結(jié)果表明：SiSBD1在抗旱品種‘勾勾母雞咀’中表達增加，在敏感性品種‘晉汾16’中表達降低，而其他4個基因的表達在這兩個品種中均降低。[結(jié)論]該研究結(jié)果暗示了淀粉代謝關(guān)鍵酶SDB基因家族與干旱脅迫相關(guān)，可為谷子抗旱育種提供一定的理論基礎(chǔ)。

谷子；STBD；CGTase；GAA；抗旱性；分子機制

谷子(Setariaitalica)，是禾本科狗尾屬作物，起源于中國，屬于耐旱穩(wěn)產(chǎn)作物。已有研究報道表明，谷子根系發(fā)達，葉片細(xì)窄，水分利用率高，蒸騰系數(shù)較小[1]，因此，谷子具有較強的抗干旱能力。在我國，谷子種植區(qū)域主要集中在北方黃河流域中上游的干旱、半干旱地區(qū)。其中，河北省、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)是種植面積較大的3個省(區(qū))，而這些地區(qū)常年面臨著嚴(yán)重干旱問題[2]。因此，選育抗旱能力強、品種適應(yīng)性廣兼有淀粉含量高的谷子品種是將來育種的主要研究方向。

植物在干旱脅迫下，可溶性糖通常作為品種抗旱性評價指標(biāo)之一，通常抗旱性強品種相比抗旱性弱品種，能保持較高的可溶性糖含量并有較強的光合以及干物質(zhì)合成能力，形態(tài)上表現(xiàn)為受害比較輕、產(chǎn)量相對較高。另外可溶性糖含量同產(chǎn)量、抗旱指數(shù)均呈顯著正相關(guān)；進一步說明了抗旱性強的品種有較強的協(xié)調(diào)代謝及保水能力[3]。而植物中可溶性糖的積累會促進可溶性淀粉含量的增加。因此研究干旱脅迫下，解析谷子淀粉代謝相關(guān)基因及表達模式，可間接反映淀粉合成的底物，即可溶性糖含量的變化模式，從而為谷子干旱脅迫調(diào)控淀粉代謝分子機制的研究提供一定的理論參考價值。淀粉結(jié)合域蛋白(Starch binding domain protein, SBD)包含了多種淀粉代謝的關(guān)鍵酶，如淀粉合成酶Ⅲ(Starch synthase III)。已有研究報道，過表達淀粉結(jié)合域蛋白中的4個成員(SBD2-SBD5)在土豆中，結(jié)果導(dǎo)致小淀粉粒的合成和表達[4]。此外，國內(nèi)外該方面的研究報道幾乎為空白。

由于谷子抗旱方面的研究大多集中在生理生化方面，而谷子淀粉合成酶與抗旱相關(guān)的分子機制研究較少。因此，本研究針對谷子淀粉代謝途徑中關(guān)鍵的淀粉合成酶，即SBD基因家族進行序列特征分析，并初步分析PEG誘導(dǎo)條件下該基因家族各成員在抗旱品種‘勾勾母雞咀’和干旱敏感品種 ‘晉汾16’中的表達特征，以期找到與干旱脅迫響應(yīng)的谷子SBD基因，為進一步選育優(yōu)質(zhì)谷子淀粉積累兼抗旱品種提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為抗旱品種‘勾勾母雞咀’(GG)和干旱敏感品種‘晉汾16’(JF-16)，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物工程研究所儲藏保存。

1.2 試驗方法

1.2.1 谷子中SBD蛋白生物信息學(xué)分析

在NCBI中文獻查找谷子SBD基因(Genbank ID：XM_004961860)的序列，同時，全基因組同源蛋白搜索Phytozome網(wǎng)站(http://www.phytozome.net/)調(diào)取谷子基因組中的所有同源基因氨基酸序列。利用DNAMAN 6.0軟件預(yù)測蛋白質(zhì)分子量和等電點。利用MEGA6.0進行多序列比對，并利用這些序列的氨基酸序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹分析其進化關(guān)系。利用PlantCARE網(wǎng)站(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)對谷子SBD基因的起始密碼子上游3 000個核苷酸進行啟動子順式作用元件預(yù)測分析。

1.2.2 基因表達分析

對供試材料GG和JF-16釆用20% PEG-6000模擬干旱法進行處理[5]，三次生物學(xué)重復(fù)。將生長3周的植株轉(zhuǎn)移至20% PEG-6000溶液中進行模擬干旱脅迫0.5 h，對照為蒸餾水處理，每個樣品取3株材料，液氮速凍，提取RNA[5]。所有實驗材料均在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院溫室中進行，光照強度為250 μmol·m-2·s-1, 晝夜溫度分別為28 ℃和23 ℃，晝夜光照時間分別為16 h和8 h?；趒PCR的方法鑒定分析SBD基因家族的各個成員在抗旱品種GG和干旱敏感品種JF-16谷子中的相對表達量。

2 結(jié)果與討論

2.1 谷子SBD基因家族成員序列特征

全基因組搜索分析，谷子SBD基因家族中有5個基因，分別為SBD1(Genbank ID：XM_004961860)、SBD2(Genbank ID：XM_004970574)、SBD3(Genbank ID：KQK91304)、SBD4(Genbank ID：KQK99326)和SBD5(Genbank ID：KQK92471)。暫且將這些基因命名為SiSBD1、SiSBD2、SiSBD3、SiSBD4和SiSBD5。

SiSBD1基因，位于‘豫谷1號’基因組第3號染色體，基因組核酸序列全長為3 043 bp，cDNA序列長度為2 232 bp，編碼區(qū)長度為1 083 bp，編碼360個氨基酸殘基。包含4個內(nèi)含子，長度分別為96 bp、93 bp、88 bp和534 bp。基因注釋為糊精葡聚糖轉(zhuǎn)移酶(Cyclomaltodextrin glucanotransferase, CGTase)。CGTase是一種多功能型酶，它能催化四種不同的反應(yīng)：三種轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)(歧化反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)和偶合反應(yīng))和水解反應(yīng)[6]。而且CGTase能通過環(huán)化反應(yīng)利用淀粉生產(chǎn)環(huán)糊精和一些直鏈低聚糖，也會產(chǎn)生一定量的極限糊精[7]。

SiSBD2基因，位于‘豫谷1號’基因組第5號染色體，基因組核酸序列全長為 2 666 bp，cDNA序列長度為2 235 bp，編碼區(qū)長度為1 026 bp，編碼341個氨基酸殘基。包含4個內(nèi)含子，長度分別為169 bp、118 bp、73 bp和71 bp；5個外顯子，長度分別為201 bp、70 bp、176 bp、357 bp和222 bp?；蜃⑨尀槿苊阁wα-葡糖苷酶(Lysosomal alpha-glucosidase, GAAase)。GAAase可以從低聚糖類底物的非還原末端切開α-1,4糖苷鍵，釋放出葡萄糖，或?qū)⒂坞x出的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到另一糖類底物形成 α-1,6糖苷鍵，從而得到非發(fā)酵性的低聚異麥芽糖或糖酯、糖肽等[8,9]。

SiSBD3基因，位于‘豫谷1號’第9號染色體，基因組核酸序列全長為9 935 bp，cDNA序列長度為2 641 bp，編碼區(qū)長度為2 172 bp，編碼723個氨基酸殘基，包含23個外顯子和22個內(nèi)含子?；蜃⑨尀楣?2,6-二磷酸酶(Fructose-2,6-bisphosphatase，PFKase)。PFKase存在于細(xì)胞質(zhì)中，參與很多代謝反應(yīng)，將果糖-2,6-二磷酸轉(zhuǎn)變成果糖-6-磷酸，在糖的異生代謝和光合作用同化物蔗糖的合成中起關(guān)鍵性的作用。

SiSBD4基因，位于‘豫谷1號’第7號染色體，基因組核酸序列全長為8 649 bp，cDNA序列長度為2 697 bp，編碼區(qū)長度為2 307 bp，編碼768個氨基酸殘基。包含23個外顯子和22個內(nèi)含子。編碼6-磷酸果糖激酶-2(Phosphofructokinase 2 , PFKase2)。PFKase2催化6-磷酸果糖轉(zhuǎn)變合成2,6-雙磷酸果糖，后者經(jīng) FBPase-2 催化可降解產(chǎn)生6-磷酸果糖及磷酸，對植物體內(nèi)糖酵解過程有阻遏作用[10]。

SiSBD5基因，位于‘豫谷1號’第9號染色體，基因組核酸序列全長為8 249bp，cDNA序列長度為3 999 bp，編碼區(qū)長度為2 850 bp，編碼949個氨基酸殘基，包含22個外顯子和22個內(nèi)含子?；蜃⑨尀?-α-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶(4-alpha-glucanotransferase, AGTaes)。AGTaes酶是自然界廣泛存在的一大類酶，同時它是一種多功能酶，4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶是具有歧化、環(huán)化和水解等活性的多種催化功能機制的酶，通過這些酶活性物質(zhì)，可以對天然的淀粉分子進行結(jié)構(gòu)的改造，從而優(yōu)化淀粉的理化性質(zhì)。4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶是生物的體內(nèi)淀粉代謝過程中所需的酶里面最重要的酶之一。4-α-糖基轉(zhuǎn)移酶簡單來講主要催化α-1,4-糖苷鍵的斷裂，催化α-葡聚糖殘基在分子內(nèi)或者分子間的轉(zhuǎn)移，完成轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)。還可以輕度水解連接支鏈淀粉叢的主鏈，這就使淀粉的分子量下降，并伴有少量的不同聚合度的環(huán)狀葡聚糖的生成[11]。

2.2 谷子SBD基因家族成員蛋白質(zhì)理化性質(zhì)

該基因家族成員編碼的蛋白序列長度范圍為360～949個氨基酸殘基；蛋白分子量范圍為39～108 kD，蛋白質(zhì)等電點為4.18～6.72(表1)。蛋白質(zhì)分子量和等電點的變幅暗示該基因家族成員的蛋白空間結(jié)構(gòu)不同和功能的多樣性。

表1 SBD基因家族成員蛋白理化性質(zhì)

2.3 谷子SBD基因家族成員親緣關(guān)系分析

物種的進化關(guān)系通常用比較直觀的系統(tǒng)進化統(tǒng)樹(Phylogenetic tree)來表示。主要根據(jù)同源性之間的差異對物種或分子之間的進化關(guān)系進行評估，從而我們可以了解基因的起源、進化性。將谷子SBD基因編碼的蛋白序列與來源于高粱、玉米的SBD同源蛋白序列進行比對及系統(tǒng)進化樹分析(圖1)。結(jié)果表明：谷子兩個SBD基因在進化關(guān)系上與玉米及高粱直系同源蛋白聚為一類，暗示該基因家族的成員SiSBD1和SiSBD2與玉米和高粱同源蛋白親緣關(guān)系較近且進化保守。而谷子SiSBD3、SiSBD4和SiSBD5基因單獨聚為一類，結(jié)果暗示這3個基因盡管與其他禾谷類作物親緣關(guān)系相近，但進化過程中彼此之間存在較多氨基酸序列的變異位點。

圖1 谷子SBD基因家族成員與其他物種直系同源蛋白系統(tǒng)進化樹分析Fig.1 Phylogenetic tree analysis of SBD gene family in Setaria itialica and orthologous proteins in other species

2.4 谷子SBD基因家族成員啟動子元件預(yù)測

啟動子元件預(yù)測結(jié)果表明，除了基本啟動子元件TATA-box和CAAT-box外，發(fā)現(xiàn)谷子淀粉結(jié)合域蛋白基因家族上游啟動子序列包含一些與脅迫響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件，如MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件，與內(nèi)源激素IAA、ABA、ETH激素信號分子傳導(dǎo)相關(guān)的元件，以及與厭氧、病原菌侵染、創(chuàng)傷等因素誘導(dǎo)的其他逆境脅迫相關(guān)的元件[12]。經(jīng)調(diào)查分析，如表2所示：其中，SiSBD1基因上游啟動子序列中包含最多的功能元件為33個光響應(yīng)元件，其次為10個MeJA響應(yīng)元件和5個MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件。SiSBD2基因上游啟動子序列中包含最多的功能元件為36個光響應(yīng)元件，其次為14個MeJA響應(yīng)元件。SiSBD3基因上游啟動子序列中包含最多的功能元件為27個光響應(yīng)元件，其次為5個MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件。SiSBD4基因上游啟動子序列中包含最多的功能元件為39個光響應(yīng)元件，其次為8個MeJA響應(yīng)元件。SiSBD5基因上游啟動子序列中包含最多的功能元件為35個光響應(yīng)元件，其次為8個MeJA響應(yīng)元件。這些結(jié)果都暗示了谷子SBD基因家族成員的表達會強烈受到光誘導(dǎo)，而且受到MeJA激素信號分子的調(diào)控，從而間接響應(yīng)干旱脅迫。

2.5 谷子SBD蛋白在干旱脅迫下的表達情況

PEG模擬干旱脅迫處理下，分析谷子SBD基因家族各成員在抗旱品種GG和干旱敏感品種JF-16相對表達量(圖2)。結(jié)果表明：脅迫誘導(dǎo)下，谷子SBD1基因在GG品種中相對表達水平升高，達到89倍；但是該基因在JF-16品種中相對表達量差異不明顯，暗示該基因在干旱條件下促進了淀粉的代謝，間接反映可溶性糖含量升高，從而提高抗逆性。另外3個成員，即SiSBD2、SiSBD4和SiSBD5基因，在GG和JF-16品種中相對表達量呈現(xiàn)降低趨勢。而SiSBD3基因，在GG和JF-16品種中相對表達量均有上升的趨勢，但差異不明顯。結(jié)果暗示，干旱脅迫條件下，GAAase活性在抗旱品種GG增強導(dǎo)致環(huán)糊精和一些直鏈低聚糖積累，從而提高了谷子滲透調(diào)節(jié)能力，增強谷子干旱脅迫的耐受性。而PFKase活性在抗旱品種GG和干旱敏感品種JF-16的增強，暗示蔗糖同化物合成和光合作用的增加，導(dǎo)致谷子淀粉的積累，從而提高谷子耐逆性。其他成員PFKase2、AGTaes的活性降低，減緩了可溶性糖和淀粉的分解，從而間接增強了谷子干旱的耐受性。同時，以上結(jié)果也表明抗旱品種和干旱敏感性品種之間，該基因家族成員的功能多樣性，在響應(yīng)干旱脅迫過程中，為增強谷子干旱的耐逆性起到重要的作用。

表2 谷子SDB基因家族成員啟動子元件功能預(yù)測

圖2 谷子淀粉結(jié)合域蛋白基因家族響應(yīng)PEG脅迫下相對表達量分析Fig.2 The relative expression level of SBD gene family under PEG stress in Setaria italica 注：A、B、C、D和E 分別表示SiSBD1、SiSBD2、SiSBD3、SiSBD4和SiSBD5基因相對表達水平。GG表示‘勾勾母雞咀’品種；JF-16表示‘晉汾16’品種。Note: A, B, C, D and E indicated that SiSBD1、SiSBD2、SiSBD3、SiSBD4和SiSBD5 gene relative expression level, respectively. GG and JF-16 indicated two varieties with PEG and natural drought treatment

3 結(jié)論

植物在受到干旱脅迫時，細(xì)胞能夠感知并傳遞干旱脅迫信號，激活特定轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子誘導(dǎo)相關(guān)基因表達與調(diào)控，提高植物對干旱的適應(yīng)和抗性[13]。谷子的抗旱性是其在水分脅迫條件下細(xì)胞在結(jié)構(gòu)和生理生化上發(fā)生一系列適應(yīng)性反應(yīng)的結(jié)果，且受多基因控制，并遵循數(shù)量遺傳規(guī)律，這就決定了谷子抗旱性反應(yīng)的多樣性。本實驗以淀粉代謝關(guān)鍵酶SDB基因家族為研究對象，初步揭示了抗旱性強的品種比抗旱性弱的品種在遭受干旱脅迫時，SDB基因表達的增加，促進了淀粉的代謝，間接反映可溶性糖含量變化模式。這些研究結(jié)果將為我們進一步研究谷子如何通過調(diào)控淀粉代謝相關(guān)酶類的基因表達來提高其滲透調(diào)節(jié)和保水能力，為將來遺傳改良谷子品種提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

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(編輯：武英耀)

Sequence characteristics and expression analysis ofSiSBDgene family in response to drought stress inSetariaitalica

Wang Jingrong1, Fu Rong1, Zhang Ze1, Li Hongying1,2,3*, Hou Siyu1,3

(1.CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China; 2.KeyLabaratoryofCropGeneResourcesandGermplamEnhancementonLoessPlateau,MinistryofAgriculture,Taiyuan030031,China; 3.InstituteofAgriculturalBioengineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Foxtail millet is drought-tolerant crop, but the molecular mechanisms related to drought-tolerant are still unclear.[Objective]This study aimed to determine whether the drought-tolerant character of foxtail millet was related to the key enzymes of starch metabolism and lay the foundation for the further study on the molecular mechanism of drought resistance in foxtail millet and drought resistance breeding of foxtail millet.[Methods]Bioinformatics analysis was applied to analyze the basic sequence characteristics ofSBDgene family and the promoter elements in foxtail millet, built the phylogenetic tree of the gene family and determine the evolutionary relationships with other species. Based on digital gene expression profiling data, we analyzed the expression characteristics ofSiSBDgene in drought-tolerant variety ‘Gou Gou Mu Ji Ju (GG)’ and drought-sensitive variety ‘Jin Fen 16(JF-16)’ under PEG stress.[Results]The genome sequence data of foxtail millet showed that there were five members ofSiSBDgene family namedSiSBD1,SiSBD2,SiSBD3,SiSBD4 andSiSBD5. The sequence analysis indicated that the length of encoded protein sequence was in the range of 360～949 amino acid residues, the molecular weight was 39 ～ 108 KD, the isoelectric point was 4.18～6.72. TheCis-acting elements associated with drought tolerance were identified includingCis-acting elements related to MYB gene regulation, plant hormones as MEJA, ETH, SA, ABA, and plant defense and abiotic stress response regulation. The phylogenetic tree showed thatSiSBD1 andSBDinSorghumbicolorandZeamayswere classified to the same group;SiSBD2 andSBD2,SBD3 inZeamayswere classified to the same group;SiSBD3,SiSBD4 andSiSBD5 were classified to the same group. The analysis results of expression of starch binding domain gene family in foxtail millet under PEG stress showed that the expression ofSiSBD1 increased in drought-tolerant variety ‘Gou Gou Mu Ji Ju’ and decreased in drought -sensitive variety ‘Jin Fen 16’, the expression of other four genes decreased in both varieties.[Conclusion]These results suggested that theSDBgene families related with response to drought stress and laid a theoretical foundation for breeding drought tolerant variety in the future.

Setariaitalica, SBD gene family, CGTase, GAA, Drought resistance, Molecular mechanism

2016-10-28

2016-11-09

王晶蓉(1992- ) ， 女(漢)，山西聞喜人， 在讀碩士，研究方向：雜糧基因工程

*通訊作者：李紅英，教授，碩士生導(dǎo)師。Tel: 18636071589; E-mail: hongying1964@163.com

國家自然科學(xué)基金(31471556)

S515

A

1671-8151(2016)12-0855-05