楊溥原 崔江慧 任根增 高玉坤 魏世林 常金華

摘 要：PHD（PHD-Finger）家族基因廣泛存在于真核生物中，基因功能廣泛。本文在高粱中篩選、鑒定出79個PHD家族成員，對其進行系統(tǒng)發(fā)育、蛋白結(jié)構(gòu)域、基因結(jié)構(gòu)、染色體定位、共線性分析和順式作用元件分析。結(jié)果表明，高粱PHD基因在系統(tǒng)發(fā)育、蛋白結(jié)構(gòu)域和基因結(jié)構(gòu)上存在較大變異;通過對高粱PHD基因在鹽脅迫下，不同品種，不同時期的表達分析，獲得1個耐鹽候選基因（SORBI_3001G425900），為進一步研究PHD基因在高粱中的功能提供了參考。

關(guān)鍵詞：高粱;PHD;基因家族;表達特征

中圖分類號：S514文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2020）04-0010-11 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.04.002

Abstract：The plant homeodomain （PHD）-finger family gene are widespread in eukaryotes and have a wide range of functions. In this paper， a total of 79 PHD genes were screened. We also analysed PHD genes phylogenetic， protein domain， gene structure， chromosome location， synteny analysis and cis-acting element analysis. The results revealed that the PHD genes of sorghum displayed a great divergence in phylogenetic， protein domain and gene structure. Expression analysis of sorghum PHD gene at different salt-treatment times in different sorghum variety revealed a candidate gene for salt tolerance （SORBI_3001G425900）. This result providesa reference for further studying on the function of PHD genes in sorghum.

Keywords：sorghum;PHD;gene family;express characteristics

高粱（Sorghum bicolor）具有極強抗逆性，屬禾本科C4植物，在谷類作物中位列世界第五位[1]，是我國白酒釀造的主要原料[2]。2009年高粱全基因組測定工作順利完成，加速了對高粱基因的挖掘和鑒定。

鋅指蛋白是依靠鋅離子結(jié)合組氨酸和半胱氨酸殘基，形成的一類具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)域的“指狀”蛋白[3-4]。鋅指蛋白可分為PHD、RING、LIM等多種類型，其區(qū)別在于組氨酸和半胱氨酸殘基的排列方式，其中PHD-finger蛋白結(jié)構(gòu)域由50到80個氨基酸組成[5-6]，雖然PHD（Cys4-His-Cys3）、RING（Cys3-His-Cys4）和LIM（Cys2-His-Cys5）的保守基序極其相似，但是蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)卻相差很大[7-8]。

隨著測序技術(shù)的不斷成熟，在植物、哺乳動物和線蟲中均發(fā)現(xiàn)PHD家族基因 [9]，表明PHD家族基因廣泛存在于生物界中。第一個PHD結(jié)構(gòu)域由Schindler[10]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)并命名，隨后越來越多的PHD家族基因被鑒定，如在大豆、玉米、楊樹、梨等植物中分別鑒定出95個、67個、73個、31個PHD家族基因[11-14]，目前尚未見高粱PHD家族成員的相關(guān)報導。為探究PHD家族成員在高粱中的功能及作用，本文對高粱PHD家族進行全基因組鑒定、分類及表達特征分析，并利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，分析高粱PHD家族成員在鹽脅迫下的表達情況，為篩選和分析PHD家族基因及其在高粱抗逆中的作用提供參考。

1 材料與方法

1.1 高粱PHD家族數(shù)據(jù)下載和鑒定

高粱PHD家族基因組數(shù)據(jù)于Ensembl Plants數(shù)據(jù)庫（http：//plants.ensembl.org/index.html）下載得到， PHD家族保守結(jié)構(gòu)域蛋白序列的hmm文件于Pfam數(shù)據(jù)庫（http：//pfam.xfam.org/）下載。

1.2 高粱PHD家族成員篩選、定位及理化性質(zhì)的預測

利用Linux系統(tǒng)下的HMM3.0軟件篩選高粱中存在PHD家族結(jié)構(gòu)域的蛋白序列，去除重復及不完整的蛋白序列，最終得到高粱PHD家族基因，利用軟件MapChart2.32繪制基因染色體分布圖。通過在線軟件ExPASy-ProtParam（http：//web.expasy.org/protparam/）分析家族基因的氨基酸數(shù)目、分子量、等電點以及親水性等理化性質(zhì)。

1.3 高粱PHD系統(tǒng)發(fā)育、保守結(jié)構(gòu)域及基因結(jié)構(gòu)分析

利用同樣方法篩選得到谷子PHD基因，將高粱和谷子PHD家族蛋白序列整合到一個FA文件中，利用進化分析軟件MEGA7.0進行分析[15]，再選擇鄰接法（Neighbor-Joining）構(gòu)建PHD家族系統(tǒng)發(fā)育樹[16]。通過MEME軟件對高粱PHD家族成員進行蛋白保守結(jié)構(gòu)域（motif）分析，moiif數(shù)目設(shè)置為10個，基序長度30～200。利用TBtools軟件整合數(shù)據(jù)繪制高粱PHD家族進化樹+保守結(jié)構(gòu)域+基因結(jié)構(gòu)圖。

1.4 共線性分析

運用Linux系統(tǒng)下McscanX軟件對高粱PHD家族成員進行染色體定位，利用Blastp與McscanX軟件對高粱基因組信息進行分析，通過Circos將高粱種內(nèi)基因關(guān)系可視化;利用McscanX構(gòu)建高粱與谷子間的共線性圖譜。

3 結(jié)論與討論

高粱因其抗性強和產(chǎn)量高的特點，作為耐鹽模式植物，受到科學家青睞。前人研究表明，PHD基因參與高鹽[11]、干旱[13]和低溫等逆境脅迫，并對根系發(fā)育及木質(zhì)素合成[14]等具有重要作用。

本文利用生物信息學技術(shù)篩選出79個高粱PHD家族基因，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對鹽脅迫下高粱PHD家族基因表達模式進行了分析。高粱的基因組大小約為730Mb，約為谷子基因組（490Mb）的1.5倍，但高粱PHD家族基因的數(shù)量僅為谷子PHD家族基因的1.2倍，這可能是在高粱進化過程中，部分高粱PHD家族基因丟失。系統(tǒng)發(fā)育樹顯示，高粱PHD家族基因可以分為6個亞族，這與馬卉[22]對水稻PHD家族基因的分組一致，相同亞族內(nèi)的PHD基因親緣關(guān)系較近，且相同分支的PHD基因可能具有相似的功能;鑒定出的79個高粱PHD家族基因中69個內(nèi)含子較短，10個無內(nèi)含子，可能是過強的選擇壓力導致部分PHD家族基因內(nèi)含子丟失[23];79個高粱PHD基因中有1對基因的Ka/Ks值小于1，表明該對基因可能長期受到人類的定向選擇;順式作用元件分析顯示高粱PHD基因含有生長發(fā)育、激素調(diào)節(jié)、脅迫應(yīng)答和防御機制相關(guān)的多種順式作用元件，推測這些基因可能參與高粱的脅迫應(yīng)答反應(yīng)。植物遇到鹽脅迫時，往往通過調(diào)節(jié)光合作用、維持滲透壓平衡、提高抗氧化能力和調(diào)節(jié)吲哚乙酸（IAA）、脫落酸（ABA）等激素來抵御鹽脅迫[24-25]。研究發(fā)現(xiàn)，過表達水稻PHD家族基因OsMsr16可以提高脯氨酸和可溶性糖含量，增強植株的滲透調(diào)節(jié)能力，從而增強水稻的耐鹽能力[26]。水稻和高粱的親緣關(guān)系較近，可以推測高粱中可能也存在類似功能的PHD家族基因。對高粱不同品種鹽脅迫下轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析顯示，79個高粱PHD基因中65個有表達，其中SORBI_3001G425900基因在‘河農(nóng)16鹽脅迫下48h和高粱蔗72h下表達量顯著升高;該基因的順式作用元件含有多個抗逆脅迫響應(yīng)元件，因此推測該基因可能參與高粱鹽脅迫下的應(yīng)答過程，受鹽脅迫的誘導表達。

本研究通過生物信息學技術(shù)從高粱中篩選出79個PHD家族基因，結(jié)合鹽脅迫下的基因表達數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)SORBI_3001G425900可能參與高粱鹽脅迫下的應(yīng)答過程，該基因在鹽脅迫下的調(diào)控模式有待進一步研究。本研究結(jié)果為研究PHD家族基因在高粱中逆境應(yīng)答機制提供了參考。

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