金龍飛 尹欣幸 曹紅星

摘? 要：生長調(diào)控因子（Growth regulating factor，GRF）是植物中重要的轉(zhuǎn)錄因子，參與植物生長、發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)等多種生物學(xué)過程。本研究從油棕（Elaeis guineensis）基因組中鑒定出15個(gè)EgGRF基因家族成員，并對其理化性質(zhì)、染色體定位、基因結(jié)構(gòu)、保守功能域、進(jìn)化關(guān)系、啟動(dòng)子順式作用元件、組織表達(dá)模式和果肉不同時(shí)期表達(dá)模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明：EgGRF基因家族成員編碼的肽鏈平均為409個(gè)氨基酸，分子量為27.62～65.51 kDa，等電點(diǎn)為6.24～9.38，蛋白不穩(wěn)定指數(shù)為47.24～68.37，脂溶指數(shù)為47.52～67.69，總平均親水性為–0.945～–0.400。EgGRF基因家族成員含有3～5個(gè)外顯子，均含有特征結(jié)構(gòu)域QLQ（Gln、Leu、Gln）和WRC（Trp、Arg、Cys），基于系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系將EgGRF家族分為5個(gè)亞族，油棕EgGRF的親緣性與擬南芥較近。啟動(dòng)子上鑒定出大量植物激素響應(yīng)、逆境脅迫響應(yīng)、光響應(yīng)和分生組織特異表達(dá)順式作用元件。不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，EgGRF基因家族在莖尖和花中表達(dá)量較高，8個(gè)EgGRF在果肉的不同時(shí)期特異表達(dá)。本研究為進(jìn)一步探索EgGRF調(diào)控油棕生長發(fā)育過程的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：EgGRF;油棕;生物信息學(xué);基因表達(dá)

中圖分類號(hào)：S565.9????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Genome-wide Identification and Expression of EgGRF Gene Family in Oil Palm

JIN Longfei， YIN Xinxing， CAO Hongxing*

Coconut Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Hainan Key Laboratory of Tropical Oil Crops Biology， Wenchang， Hainan 571339， China

Abstract： Growth regulating factor （GRF） is an important transcriptional factor in plants which is involved in various biological processes， including regulating plant growth， development， and stress response. In this study， 15 EgGRF transcription factor family members were identified from the oil palm genome using bioinformatics methods， and the physicochemical properties， chromosomal location， gene structure， conserved functional domains， evolutionary relationships， promoter cis-acting elements， tissue expression patterns and mesocarp expression patterns at different stages were analyzed. The results showed that the EgGRF family members encoded an average of 409 aa in the peptide. The molecular weight was between 27.62 and 65.51 kDa， the isoelectric point was between 6.24 and 9.38， the instability index was between 47.24 and 68.37， the aliphatic index was between 47.52 and 67.69， and the gravy was between –0.945 and –0.400. Each EgGRF members contained 3-5 exons， and contained QLQ （Gln， Leu， Gln） and WRC （Trp， Arg， Cys） domain. EgGRF family was divided into 5 groups based on phylogenetic relationships， and was closely related to the Arabidopsis. Analysis of transcriptome data from different tissues showed that the EgGRF family was significantly high expressed in the shoot and flower. Eight EgGRFs were specifically expressed in different stages of mesocarp. The results would provide useful information and resource for the further investigation of EgGRF on oil palm growth and development.

Keywords： EgGRF; oil palm; bioinformatics; gene expression

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.07.002

轉(zhuǎn)錄因子是一類重要的調(diào)控基因，參與植物生長、發(fā)育、代謝、繁殖、分化、逆境響應(yīng)等多種生物學(xué)過程[1-3]。目前在植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族，其中生長調(diào)控因子（Growth regulating factor，GRF）主要在植物生長發(fā)育中起重要的調(diào)控作用[4-5]。GRF轉(zhuǎn)錄因子的N端有2個(gè)保守結(jié)構(gòu)域，分別是QLQ（Gln、Leu、Gln）和WRC（Trp、Arg、Cys）保守結(jié)構(gòu)域[6]。QLQ結(jié)構(gòu)域可通過與GRF互作因子（GRF-interacting factor1，GIF1）結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄共激活因子，激活下游的靶基因表達(dá);WRC結(jié)構(gòu)域包含一個(gè)核定位信號(hào)NLS區(qū)域和一個(gè)與DNA結(jié)合的鋅指基序，均與GRF轉(zhuǎn)錄因子生物學(xué)功能密切相關(guān)[7]。植物中第一個(gè)編碼GRF轉(zhuǎn)錄因子的基因OsGRF1是在水稻中發(fā)現(xiàn)的，該基因通過調(diào)控赤霉素代謝誘導(dǎo)莖伸長[8]。OsGRF4通過調(diào)控2個(gè)細(xì)胞分裂素脫氫酶前體基因（OsCKX5和OsCKX1）的表達(dá)，增加細(xì)胞分裂素的含量，進(jìn)而促進(jìn)稻穗的伸長[9]。擬南芥AtGRF5通過調(diào)控細(xì)胞增殖，刺激葉綠體分裂，增加葉綠素含量，促進(jìn)葉片生長[10]。AtGRF1、AtGRF4、AtGRF8、AtGRF9通過調(diào)控PTL基因控

制體胚發(fā)生過程中內(nèi)源生長素的合成[11]。OsGRF4還能與miR396c、OsGIF1互作調(diào)控水稻籽粒大小[12]，對提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。在油菜中的研究也發(fā)現(xiàn)，超表達(dá)BnGRF2能夠調(diào)控細(xì)胞分裂、葉綠素含量和光合作用效率，進(jìn)而增加油菜的產(chǎn)油量[13]。隨著越來越多植物基因組測序完成，GRF基因家族在擬南芥[14]、水稻[15]、番茄[16]、藜麥[17]、大豆[18]、茶樹[19]、棉花[20]、龍眼[21]等多個(gè)物種中被鑒定出來，而在油棕中的研究未見報(bào)道。

油棕（Elaeis guineensis）是世界上產(chǎn)油效率最高的油料作物，油量高達(dá)4.27 t/hm2，是花生的7～8倍、大豆的9～10倍[22]。油棕果壓榨的棕櫚油，廣泛應(yīng)用于食品加工、日用化工、機(jī)械潤滑和生物柴油等領(lǐng)域[23]。近年來市場對棕櫚油的需求逐年增加，油棕種植業(yè)的快速發(fā)展毀壞了大量的熱帶雨林。因此，提高油棕單產(chǎn)是維持熱帶雨林保護(hù)和食用油短缺平衡的重要途徑，而挖掘控制油棕重要農(nóng)藝性狀的關(guān)鍵基因并采用分子育種加快高產(chǎn)油棕品種的選育是油棕育種研究的重要工

作[24]。本研究基于油棕基因組數(shù)據(jù)庫挖掘和鑒定調(diào)控油棕生長的轉(zhuǎn)錄因子EgGRF，分析其理化性質(zhì)、染色體定位、基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域、進(jìn)化關(guān)系、啟動(dòng)子順式作用元件，同時(shí)分析其在不同組織和果肉不同發(fā)育時(shí)期的表達(dá)模式，為進(jìn)一步探索EgGRF調(diào)控油棕生長發(fā)育過程的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1? 材料與方法

1.1? 油棕EgGRF基因家族的挖掘與鑒定

油棕全基因組數(shù)據(jù)從NCBI數(shù)據(jù)庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/ ID：2669）中下載，擬南芥AtGRF蛋白質(zhì)序列從TAIR數(shù)據(jù)庫（https：//www.arabidopsis.org/）中下載，水稻OsGRF蛋白序列從NCBI數(shù)據(jù)庫中下載。以AtGRF和OsGRF蛋白質(zhì)序列作為參考序列，通過Blsatp在油棕基因組數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行比對。將獲得的蛋白序列提交到NCBI的保守結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫，利用Batch Web CD-search Tool軟件[25]進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域分析。利用在線工具ExPAsy（http：//www.expasy.org）分析油棕EgGRF基因家族的蛋白質(zhì)分子量、等電點(diǎn)、蛋白不穩(wěn)定指數(shù)、脂溶指數(shù)和總平均親水性等理化性質(zhì)。

1.2? 油棕EgGRF基因家族的基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域、染色體定位及進(jìn)化分析

油棕EgGRF基因家族的基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域和染色體定位均采用Tbtool軟件[26]進(jìn)行可視化分析。采用ClustalW軟件[27]對油棕、擬南芥和水稻的GRF蛋白質(zhì)序列進(jìn)行多重比對，采用MEGA 6.0軟件的Neighbor-joining法進(jìn)行建樹，分析進(jìn)化關(guān)系，設(shè)置校驗(yàn)值Bootstrap為1000。

1.3? 油棕EgGRF基因家族的啟動(dòng)子順式作用元件分析

從NCBI數(shù)據(jù)庫中下載油棕EgGRF基因CDS上游2000 bp的序列。利用Plant Care軟件[28]進(jìn)行順式作用元件分析，采用Tbtool軟件進(jìn)行可視化分析[26]。

1. 4? 油棕EgGRF基因家族的表達(dá)分析

油棕的根（SRR851071）、莖尖（SRR851103）、葉（SRR851096）、花（SRR851108）和花后15周（SRR190698）、17周（SRR190699）、21周（SRR190701）和23周（SRR190702）果肉的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)從NCBI的SRA數(shù)據(jù)庫（https：//trace.ncbi.nlm.nih.gov/Traces/sra/sra.cgi？）中下載。利用RPKM值對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，利用基迪奧云平臺(tái)在線工具（https：//www.omicshare.com/tools/）繪制熱圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 油棕EgGRF基因家族的全基因組鑒定和理化性質(zhì)分析

通過Blastp比對分析獲得油棕EgGRF的候選蛋白質(zhì)序列，預(yù)測保守結(jié)構(gòu)域，去除不含QLQ和WRC保守結(jié)構(gòu)域的序列，共獲得15個(gè)EgGRF家族成員。根據(jù)其與擬南芥的同源性順序進(jìn)行命名，依次命名為EgGRF1～EgGRF15。油棕EgGRF多肽鏈氨基酸數(shù)目為260～611，平均為409;蛋白質(zhì)分子量為27.62～65.51 kDa，平均為44.71 kDa;等電點(diǎn)為6.24～9.38，平均為7.86;蛋白不穩(wěn)定指數(shù)為47.24～68.37，平均為59.48，表明EgGRF家族成員編碼的均為不穩(wěn)定蛋白;脂溶系數(shù)為47.52～67.69，平均為59.23，脂溶性一般;總平均親水性為–0.945～–0.400，平均為–0.633，都為負(fù)值，表明EgGRF均為親水性蛋白（表1）。

2.2? 油棕EgGRF基因家族成員在染色體上的定位

對油棕EgGRF基因家族在染色體上位置進(jìn)行分析（圖1），發(fā)現(xiàn)15個(gè)EgGRF基因家族成員分布 在7條染色體和5個(gè)Scaffolds上。EgGRF10在Chr3上，EgGRF2、EgGRF7在Chr4上，EgGRF5在Chr10上，EgGRF4在Chr11上，EgGRF9、EgGRF11在Chr13上，EgGRF6、EgGRF12在Chr15上，EgGRF14在Chr16，EgGRF1、EgGRF3、EgGRF8、EgGRF13、EgGRF15分別在5個(gè)Scaffolds上。EgGRF4和EgGRF7，EgGRF6和EgGRF9存在基因共線性現(xiàn)象。

2.3? 油棕EgGRF的基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域和進(jìn)化關(guān)系

15個(gè)油棕EgGRF基因家族具有3～5個(gè)外顯子，其中EgGRF4、EgGRF7有3個(gè)外顯子，EgGRF8、EgGRF13有5個(gè)外顯子，其余EgGRF成員均為4個(gè)外顯子（圖2）。15個(gè)EgGRF基因家族成員均含有GRF轉(zhuǎn)錄因子特有的WRC和QLQ保守結(jié)構(gòu)域（圖3）。為了分析油棕EgGRF基因家族的進(jìn)化發(fā)育關(guān)系，將油棕EgGRF和AtGRF、OsGRF蛋白質(zhì)序列進(jìn)行多重比對構(gòu)建進(jìn)化樹。根據(jù)進(jìn)化樹分支（圖4），可將15個(gè)EgGRF分成5個(gè)亞族，EgGRF5、EgGRF10、EgGRF11、EgGRF12、EgGRF13、EgGRF14、EgGRF15為Ⅰ亞族，EgGRF4、EgGRF7為Ⅱ亞族，EgGRF3為Ⅲ亞族，EgGRF2、EgGRF8為Ⅳ亞族，EgGRF1、EgGRF6、EgGRF9為V亞族。其中第Ⅲ和第Ⅳ亞族EgGRF僅與AtGRF聚在一起，表明油棕的EgGRF與擬南芥的親緣關(guān)系更近。

2.4? 油棕EgGRF基因家族的啟動(dòng)子順式作用元件的鑒定

在油棕EgGRF基因家族的啟動(dòng)子中鑒定了大量的順式作用元件（EgGRF8的啟動(dòng)子中有大量的堿基未測序，故順式作用元件較少）（圖5），包括生長素響應(yīng)（10個(gè)）、脫落酸響應(yīng)（21個(gè)）、赤霉素響應(yīng)（19個(gè)）、茉莉酸甲酯響應(yīng)（21個(gè)）、水楊酸響應(yīng)（10個(gè)）、低溫響應(yīng)（3個(gè)）、干旱響應(yīng)（7個(gè)）、光響應(yīng)（53個(gè)）、防衛(wèi)和逆境響應(yīng)（4個(gè)）、分生組織特異表達(dá)（12個(gè)）等順式作用元件，表明EgGRF參與植物激素和環(huán)境刺激的應(yīng)答。

2.5? 油棕EgGRF基因家族的表達(dá)分析

油棕EgGRF基因家族在不同組織中表達(dá)量差異較大（圖6），其中EgGRF1、EgGRF2、EgGRF3、EgGRF5、EgGRF6、EgGRF7、EgGRF9、EgGRF10、EgGRF12、EgGRF13、EgGRF14在莖尖中高表達(dá)，EgGRF4、EgGRF11、EgGRF15在花中高表達(dá);EgGRF基因家族在根和葉中的表達(dá)量均較低，僅EgGRF8在葉片中表達(dá)量較高，這表明GRF在油棕的莖尖和花發(fā)育過程中起重要調(diào)控作用。8個(gè)EgGRF基因在果肉發(fā)育的不同時(shí)期中特異表達(dá)不同（圖7），其中EgGRF2、EgGRF9、EgGRF14在花后15周的果肉中高表達(dá)，EgGRF6、EgGRF8在花后17周的果肉中高表達(dá)，EgGRF3在花后21周的果肉中高表達(dá)，EgGRF11、EgGRF15在花后23周的果肉中高表達(dá)，這表明不同的EgGRF分別在油棕發(fā)育的不同時(shí)期起調(diào)控作用。

3? 討論

隨著基因組測序技術(shù)的發(fā)展和生物信息學(xué)研

究的不斷深入，大量植物完成了全基因組測序，這為植物基因家族的挖掘、鑒定和功能分析提供了有利條件。GRF轉(zhuǎn)錄因子是植物中特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，在葉片生長、子葉生長、莖伸長、花發(fā)育、籽粒發(fā)育、胚胎發(fā)生等生長發(fā)育過程中起重要的調(diào)控作用[5， 8， 11， 14]。油棕作為世界上產(chǎn)油效率最高的油料作物，其GRF基因家族的研究尚未見報(bào)道，而在擬南芥和水稻等模式植物中研究較為深入，這些研究給油棕EgGRF的研究提供參考。

本研究利用生物信息學(xué)分析，從油棕基因組中鑒定了15個(gè)EgGRF基因家族成員，比擬南芥（9個(gè)）和水稻（12個(gè)）成員數(shù)目更多，EgGRF4和EgGRF7、EgGRF6和EgGRF9存在基因共線性，這可能是油棕在進(jìn)化過程中發(fā)生了基因串聯(lián)復(fù)制而導(dǎo)致EgGRF基因數(shù)目增加。基因復(fù)制事件能夠?qū)е轮参锘蚪M中形成大量的重復(fù)基因，重復(fù)基因的存在能夠促進(jìn)基因新功能的進(jìn)化，增強(qiáng)植物對環(huán)境變化的適應(yīng)性[29]。油棕EgGRF轉(zhuǎn)錄因子的蛋白長度、分子量、等電點(diǎn)、蛋白不穩(wěn)定指數(shù)、脂溶指數(shù)和總平均親水性等基本特性存在較大差異，與擬南芥和水稻中的研究相似。基因的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，絕大部分EgGRF基因具有4個(gè)外顯子，與擬南芥AtGRF家族的基因結(jié)構(gòu)分布相似，其中EgGRF8的第4個(gè)和第5個(gè)外顯子之間有個(gè)極短的內(nèi)含子，植物進(jìn)化過程中轉(zhuǎn)座子的插入可能導(dǎo)致內(nèi)含子數(shù)目的增加[30]，EgGRF8內(nèi)含子的產(chǎn)生可能是轉(zhuǎn)座子插入導(dǎo)致的。進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)油棕EgGRF優(yōu)先與AtGRF聚在一起，表明油棕EgGRF與擬南芥的親緣關(guān)系更近。

EgGRF主要在油棕的莖尖、花和果肉中表達(dá)，可能是由于EgGRF在這些組織或器官的生長發(fā)育中發(fā)揮著重要調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)GRF在幼嫩組織中的表達(dá)較高，在成熟的組織和器官中表達(dá)量低[31-33]。在本研究中EgGRF1、EgGRF2、EgGRF3、EgGRF5、EgGRF6、EgGRF7、EgGRF9、EgGRF10、EgGRF12、EgGRF13、EgGRF14在莖尖中的表達(dá)顯著高于其他組織。莖尖是油棕的頂端生長點(diǎn)，分生能力極強(qiáng)，EgGRF的高表達(dá)可能與油棕莖尖旺盛的分生能力相關(guān)，同時(shí)EgGRF啟動(dòng)子中也鑒定了大量分生組織特異表達(dá)響應(yīng)元件。在楊樹中的研究發(fā)現(xiàn)PtGRF在莖尖生長中起著重要的調(diào)控作用[34]，在玉米中的研究發(fā)現(xiàn)ZmGRF與ZmGIF1基因互作調(diào)控莖尖的發(fā)育[35]。GRF還參與植物根的發(fā)育[36]，而本研究發(fā)現(xiàn)在生長極為旺盛的根尖部分EgGRF整體表達(dá)都很低，這表明油棕根發(fā)育可能主要受其他轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，例如NAC1、TIR1等。EgGRF4、EgGRF11、EgGRF15在花中的表達(dá)量顯著高于其他組織，表明EgGRF在油棕花發(fā)育中起重要的調(diào)控作用，在擬南芥和毛果楊中的研究也發(fā)現(xiàn)GRF對花的發(fā)育起重要的調(diào)控作用[37-38]。GRF在果實(shí)發(fā)育中起重要調(diào)控作用，在柑橘中的研究發(fā)現(xiàn)CsGRF3和CsGRF4在果實(shí)發(fā)育前期高表達(dá)，且受赤霉素的誘導(dǎo)[39]?；ê?5周，油棕完成細(xì)胞分裂和膨脹，進(jìn)入成熟階段;花后17周，油棕果皮開始轉(zhuǎn)色;花后21周，油棕進(jìn)入內(nèi)含物的快速積累期，乙烯含量達(dá)到峰值;花后23周，油棕進(jìn)入完熟期，內(nèi)含物積累達(dá)到峰值[40]。為探索EgGRF在油棕果肉發(fā)育中的作用，選擇4個(gè)時(shí)期進(jìn)行基因表達(dá)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EgGRF2、EgGRF6、EgGRF8、EgGRF9、EgGRF14在油棕果肉發(fā)育前期高表達(dá)，EgGRF3、EgGRF5、EgGRF11在油棕果肉發(fā)育后期高表達(dá)，這表明不同EgGRF在油棕果肉發(fā)育的不同時(shí)期都起調(diào)控作用，同時(shí)在EgGRF啟動(dòng)子上也發(fā)現(xiàn)大量與果實(shí)發(fā)育密切相關(guān)的植物激素應(yīng)答元件，如生長素、赤霉素和脫落酸應(yīng)答元件。油棕果肉發(fā)育的不同階段受不同激素的調(diào)控，前期主要受生長素、赤霉素和細(xì)胞分裂素的調(diào)控，后期主要受乙烯和脫落酸的調(diào)控[40]，而EgGRF的表達(dá)受赤霉素、脫落酸和水楊酸等植物激素的誘導(dǎo)[16]，這表明EgGRF在激素控制果肉發(fā)育中起著重要的調(diào)控作用。果肉是油棕主要的產(chǎn)油器官，因此明確EgGRF在果肉發(fā)育中的調(diào)控機(jī)制對提高油棕的產(chǎn)油量具有重要的意義。在后續(xù)的研究中還需要利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)或基因編輯技術(shù)對這些基因的功能和作用機(jī)制進(jìn)一步驗(yàn)證。

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責(zé)任編輯：黃東杰