摘要：GATA轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆等過(guò)程中起著重要作用。本研究從美洲狼尾草（Pennisetum glaucum L.）基因組數(shù)據(jù)中共鑒定出29個(gè)GATA基因家族成員，染色體定位分析顯示29個(gè)PgGATA基因不均勻地分布在7條染色體上。根據(jù)序列特征和結(jié)構(gòu)域特點(diǎn)將其分為4個(gè)亞族，不同亞族成員之間呈現(xiàn)出明顯的差異，而在家族內(nèi)部成員之間的差異則相對(duì)較小。保守基序預(yù)測(cè)表明GATA結(jié)構(gòu)域在各個(gè)亞家族中規(guī)律分布。順式作用元件預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，美洲狼尾草GATA基因上游調(diào)控序列中存在大量與植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫相關(guān)的順式元件。PgGATA基因家族的表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)多數(shù)PgGATAs成員在分蘗組織、葉片以及莖稈中的表達(dá)量較高，部分PgGATAs基因家族成員在高溫、干旱以及鹽脅迫處理中明顯表達(dá)。本研究為進(jìn)一步研究美洲狼尾草GATA轉(zhuǎn)錄因子的功能及調(diào)控機(jī)制提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：美洲狼尾草；GATA轉(zhuǎn)錄因子；生物信息學(xué)分析；非生物脅迫

中圖分類(lèi)號(hào)：S543.9" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " 文章編號(hào)：1007-0435（2025）02-0391-10

Bioinformatics Analysis of GATA Family of Pennisetum glaucum

LUO Li-xuan1， ZHOU Tao1， XU Qian1， LU Rui1， LIU Ning-fang1， HU Long-xing1，2*

（1.Department of Pratacultural Science， College of Agronomy， Hunan Agricultural University， Changsha， Hunan Province 410128， China；

2.Academician Workstation of Agricultural High-tech Industrial Area of the Yellow River Delta， National Center of Technology Innovation for Comprehensive Utilization of Saline-Alkali Land， Dongying， Shandong Province 257300， China）

Abstract：GATA transcription factors play an important role in plant growth and development as well as stress resistance.In this study， a total of 29 GATA gene family members were identified from the genomic data of Pennisetum glaucum L.. Chromosomal localization analysis showed that 29 PgGATA genes were unevenly distributed on 7 chromosomes. According to the sequence characteristics and domain characteristics， they were divided into four subfamilies. There were obvious differences among members of different subfamilies， while the differences among members within the family were relatively small. Conserved motif prediction showed that GATA domains were regularly distributed in each subfamily. Prediction of cis-acting elements revealed a large number of elements related to plant growth， development， and stress in the upstream regulatory sequence of the GATA genes in P. glaucum. The expression analysis of PgGATA gene family showed that most PgGATAs were highly expressed in tillering tissues， leaves and stems， and some PgGATA gene family members were significantly expressed in high temperature， drought and salt stress treatments. This study provided a theoretical basis and guidance for further study on the function and regulation mechanism of GATA transcription factors in P. glaucum.

Key words：Pennisetum glaucum L.；GATA transcription factor；Bioinformatics Analysis；Abiotic stress

GATA轉(zhuǎn)錄因子屬于鋅指蛋白家族，其家族所共有的特征是對(duì)序列（T/A）GATA（A/G）的親和性非常高，且具有典型的鋅指結(jié)構(gòu)C-X2-C-X18-C-X2-C，一般GATA轉(zhuǎn)錄因子還存在不同的可變區(qū)［1-2］。GATA轉(zhuǎn)錄因子最早是由Evans等［3］人從雞的珠蛋白基因啟動(dòng)子上發(fā)現(xiàn)，與雞的造血過(guò)程相關(guān)。隨著越來(lái)越多的GATA基因成員的發(fā)掘，組成GATA轉(zhuǎn)錄因子家族［4］。真核生物中廣泛存在著GATA基因家族成員。目前從水稻（Oryza sativa L.）、煙草（Nicotiana tabacum L.）、擬南芥（Arabidopsis thaliana）以及蓖麻（Ricinus communis L.）等物種中均發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的GATA基因家族成員［5-8］。

GATA轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于植物中，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，能夠調(diào)控植物種子萌發(fā)、開(kāi)花時(shí)間、葉片伸展生長(zhǎng)以及光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程［9］。擬南芥［10-11］種子萌芽會(huì)受到GATA轉(zhuǎn)錄因子BME3（Blue Micropylar End 3）、GNC和GNL的調(diào)控。此外，GNC和GNL還具有調(diào)節(jié)擬南芥開(kāi)花時(shí)間、葉綠素合成、葉片伸展生長(zhǎng)等功能［12］。甘藍(lán)型油菜（Brassica napus L.）中的GATA2能夠直接調(diào)節(jié)光響應(yīng)和油菜素內(nèi)酯響應(yīng)基因的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程［13］。此外，在水稻［14］和擬南芥［15-16］中過(guò)表達(dá)GATA轉(zhuǎn)錄因子基因OsCGA1、AtGNC和AtGNL對(duì)其下胚軸的延伸有促進(jìn)作用；同時(shí)過(guò)表達(dá)ZIM基因也會(huì)促進(jìn)轉(zhuǎn)基因株系下胚軸的伸長(zhǎng)。在小麥（Triticum aestivum L.）中過(guò)表達(dá)TaZIM-A1則會(huì)出現(xiàn)延遲開(kāi)花時(shí)間并導(dǎo)致千粒重降低［17］。

在植物的非生物脅迫和次生代謝等過(guò)程中，GATA轉(zhuǎn)錄因子也扮演了重要角色。在芥菜型油菜（Brassica juncea）中發(fā)現(xiàn)29個(gè)GATA轉(zhuǎn)錄因子，其中這29個(gè)GATA轉(zhuǎn)錄因子有5個(gè)在干旱條件下表達(dá)降低，而2個(gè)在高溫條件下表達(dá)增加［18］。在甘薯［Ipomoea batatas （L.） Lam.］中過(guò)表達(dá)IbGATA24能夠增強(qiáng)植株的抗旱性和耐鹽性［19］。干旱和低溫可顯著誘導(dǎo)沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）AmZFPG基因表達(dá)量顯著增加［20］。楊樹(shù)（Populus L.）中的GATA13和GATA19能夠通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔的張開(kāi)程度，從而增強(qiáng)植物對(duì)水分的利用效率，并進(jìn)一步增強(qiáng)其抗旱能力［21］。除此之外，番茄（Solanum lycopersicum）中SlGATA17基因的過(guò)表達(dá)能夠提高番茄的抗旱性［22］。

美洲狼尾草原產(chǎn)于非洲，在熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)均有分布，種子萌發(fā)的最適溫度為25～35 ℃，以30 ℃為最佳［23-25］。美洲狼尾草主要應(yīng)用于糧食作物、牧草生產(chǎn)和能源牧草三大方面［26］。美洲狼尾草植株高大、分蘗較多且再生能力強(qiáng)，既可青貯，也可制成干草或青飼［27］。其籽實(shí)米質(zhì)粳性，可食用，可做成飯、粥和面包，也可釀成啤酒和酒精；籽粒粗蛋白、賴(lài)氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸均高于玉米，含抗?fàn)I養(yǎng)因子少，是非反芻動(dòng)物的優(yōu)質(zhì)飼料［28-30］。此外，美洲狼尾草根系發(fā)達(dá)，生物量大，能夠吸附土壤中的鎘、銅、鋅等重金屬，能在一定程度上凈化污染水源，且在低濃度銅和低濃度鋅環(huán)境中生長(zhǎng)的植株能夠進(jìn)行收獲利用［31-32］。

本研究以美洲狼尾草GATA轉(zhuǎn)錄因子家族為研究對(duì)象，確定并命名該基因家族成員，預(yù)測(cè)蛋白理化性質(zhì)、構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)、染色體定位和啟動(dòng)子順式作用元件的預(yù)測(cè)等生物信息學(xué)分析，為深入研究GATA基因功能及在美洲狼尾草分子育種上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 美洲狼尾草GATA基因家族成員的鑒定

從2023年四川農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)布的美洲狼尾草全基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//117.78.45.2：91/tools/geneexpression/）中下載美洲狼尾草蛋白序列，以GATA基因的隱馬爾科夫模型文件（PF00320）為搜索序列，在蛋白序列中進(jìn)行HMM search［33］，獲得含有GATA結(jié)構(gòu)域的FASTA文件。利用NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的CDD［34］在線工具（https：//www. ncbi.nlm.nih.gov/cdd/）檢測(cè)候選蛋白是否含有GATA結(jié)構(gòu)域后并對(duì)其進(jìn)行篩選，保留含有典型GATA結(jié)構(gòu)域的基因，得到美洲狼尾草GATA蛋白序列，最終獲得29個(gè)PgGATA家族成員。

利用在線軟件ExPASy（http：//web.expasy.org/protparam）預(yù)測(cè)GATA蛋白的氨基酸數(shù)量、平均親水性、脂溶性系數(shù)等理化性質(zhì)。利用在線網(wǎng)站W(wǎng)olFPSORT（https：//wolfpsort.hgc.jp/）對(duì)GATA蛋白的亞細(xì)胞定位進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.2 美洲狼尾草GATA基因多序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建

運(yùn)用Muscle軟件對(duì)美洲狼尾草、擬南芥、水稻、谷子（Setaria italica）和象草（Pennisetum purpureum）5個(gè)物種的GATA蛋白序列進(jìn)行多重序列比對(duì)。利用GeneDoc軟件展示美洲狼尾草GATA序列比對(duì)結(jié)果，采用Mega7［35］軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。使用ML（Maximum likelihood）算法，將Bootstrar值設(shè)置為1000次重復(fù)，而其他參數(shù)默認(rèn)。使用在線網(wǎng)站iTOL對(duì)進(jìn)化樹(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單美化。在網(wǎng)站TAIR（https：//www.arabidopsis.org）中下載擬南芥GATA基因家族的蛋白序列；在Phytozome（http：//www.phytozome.net/）中下載水稻GATA基因家族蛋白序列；象草以及谷子GATA基因家族的蛋白序列于NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）網(wǎng)站中下載。

1.3 美洲狼尾草GATA基因染色體定位分析和基因結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)鑒定出的美洲狼尾草GATA轉(zhuǎn)錄因子家族成員信息和PI537069的全基因組注釋文件，利用TBtools［36］軟件對(duì)美洲狼尾草GATA基因家族各成員染色體位置信息進(jìn)行可視化，并對(duì)GATA外顯子及內(nèi)含子進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖繪制和結(jié)構(gòu)分析。

1.4 美洲狼尾草GATA基因保守基序分析

將美洲狼尾草GATA基因家族蛋白序列的FASTA文件提交至在線軟件MEME［37］（https：//meme-suite.org/meme/）進(jìn)行保守基序分析，設(shè)置motif數(shù)量為20，其他參數(shù)默認(rèn)。

1.5 美洲狼尾草GATA基因啟動(dòng)子順式作用元件預(yù)測(cè)

從2023年四川農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)布的美洲狼尾草全基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//117.78.45.2：91/tools/geneexpression/）獲取每個(gè)PgGATA基因起始密碼子上游2 kb序列上傳至 PlantCARE （http： / /bioinformatics.psb.ugent.be /webtools/ plantcare /html /） 網(wǎng)站，通過(guò)PlantCARE網(wǎng)站預(yù)測(cè)GATA基因啟動(dòng)子順式作用元件，并采用TBtools軟件顯示預(yù)測(cè)結(jié)果。

1.6 美洲狼尾草不同組織以及在高溫、干旱和低溫條件下GATA基因表達(dá)量分析

從2023年四川農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)布的美洲狼尾草全基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//117.78.45.2：91/tools/geneexpression/）中獲取不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)［38］，將美洲狼尾草中GATA基因在不同組織、不同脅迫條件下的表達(dá)量數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，利用Tbtools軟件的Heatmap工具繪制熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 美洲狼尾草GATA基因家族成員的鑒定與分析

對(duì)檢索獲得的GATA蛋白序列，利用NCBI-CDD工具分析和人工去除錯(cuò)誤序列，最終獲得29個(gè)GATA基因，根據(jù)其在染色體上的分布情況，分別命名為PgGATA1～PgGATA29。PgGATAsAA序列長(zhǎng)度介于122～678之間；蛋白分子量介于13 434.46～74 462.22 Da之間；理論等電點(diǎn)（Isoelectric point，PI）介于5.20～10.11之間，有10個(gè)轉(zhuǎn)錄因子為酸性蛋白（PIlt;7.0），有19個(gè)轉(zhuǎn)錄因子為堿性蛋白（PIgt;7.0）；平均親水性指標(biāo)均為負(fù)值，表明PgGATA的所有成員均為親水性蛋白。29條蛋白序列的不穩(wěn)定系數(shù)均大于40，表明美洲狼尾草GATA基因家族蛋白均為不穩(wěn)定蛋白。亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，美洲狼尾草GATA蛋白主要定位于細(xì)胞核內(nèi)，其次是葉綠體，而少數(shù)則定位于細(xì)胞質(zhì)和線粒體（表1）。

2.2 多序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建

利用GeneDoc軟件對(duì)美洲狼尾草GATA基因分析發(fā)現(xiàn)，該家族成員均具有一定的保守性，含有多數(shù)的保守區(qū)域（圖1）。由圖1可看出，PgGATA14和PgGATA17這2個(gè)成員與其他27個(gè)成員在保守區(qū)域上存在一些差異，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

利用美洲狼尾草（29個(gè)PgGATA）、擬南芥（30個(gè)AtGATA）、水稻（28個(gè)OsGATA）、谷子（33個(gè)SiGATA）和象草（61個(gè)PpGATA）5個(gè)物種的GATA轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，發(fā)現(xiàn)GATA家族成員可分4個(gè)亞族（圖2）。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ亞族分別由82，54，31，和14個(gè)基因組成。其中第Ⅰ類(lèi)包含13個(gè)AtGATA，12個(gè)OsGATA，15個(gè)SiGATA，28個(gè)PpGATA基因和14個(gè)PgGATA；第Ⅱ類(lèi)包含12個(gè)AtGATA，9個(gè)OsGATA，9個(gè)SiGATA，17個(gè)PpGATA基因和7個(gè)PgGATA；第Ⅲ類(lèi)包含3個(gè)AtGATA， 6個(gè)OsGATA，6個(gè)SiGATA，11個(gè)PpGATA和5個(gè)PgGATA；第Ⅳ類(lèi)包括2個(gè)AtGATA， 1個(gè)OsGATA，3個(gè)SiGATA，5個(gè)PpGATA基因和3個(gè)PgGATA。

2.3 染色體定位以及基因結(jié)構(gòu)分析

29個(gè)PgGATA基因在7條染色體上呈現(xiàn)不均勻地分布（圖3A）。其中Chr1和Chr2號(hào)染色體上各有6個(gè)基因分布；Chr4和Ch6號(hào)染色體上各有2個(gè)基因分布；Chr3，Chr5和Chr7號(hào)染色體上分別有7，5，1個(gè)基因分布。第Ⅰ亞族分布在除Chr7染色體以外的所有染色體上；第Ⅱ亞族分布在Chr1，Chr2，Chr5和Chr6染色體上；第Ⅲ亞族分布在Chr2，Chr5和Chr7染色體上；第Ⅳ亞族僅分布在Chr3染色體上（圖3B）。

如圖4B所示，PgGATA轉(zhuǎn)錄因子各亞族成員之間的結(jié)構(gòu)具有顯著差異，而家族內(nèi)部成員差異較小。外顯子個(gè)數(shù)在1～12之間，內(nèi)含子個(gè)數(shù)在0～11之間，各亞家族內(nèi)含子數(shù)目存在一定差異，PgGATAs內(nèi)含子數(shù)目在家族內(nèi)變化較小。其中第Ⅰ亞族中的PgGATA15含有5個(gè)外顯子，PgGATA18含有3個(gè)外顯子，PgGATA5，PgGATA6，PgGATA7，PgGATA13和PgGATA21含有1個(gè)外顯子，其他7個(gè)PgGATAs基因含有2個(gè)外顯子；第Ⅱ亞族中GATA基因成員均含有2個(gè)外顯子；第Ⅲ、Ⅳ亞族的GATA基因成員含有2～12個(gè)外顯子不等，表明同一亞族中的GATA基因成員具有良好的一致性。

2.4 保守基序分析

PgGATA轉(zhuǎn)錄因子的保守基序結(jié)果顯示，所有PgGATAs轉(zhuǎn)錄因子都存在motif1基序，即GATA結(jié)構(gòu)域（圖4C）。GATA結(jié)構(gòu)域在各個(gè)亞家族中呈規(guī)律分布，如第Ⅰ亞族都含有motif1和motif2，其中PgGATA13和PgGATA21還含有特定的motif18基序，PgGATA1，PgGATA9和PgGATA28含有特定motif13；第Ⅱ亞族基因都含有motif1和motif6基序，其中PgGATA26還包含特有的motif5基序；第Ⅲ亞族中含有motif1和motif3基序，其中PgGATA10，PgGATA11和PgGATA25含有特有的motif15基序，PgGATA23和PgGATA29含有特有的motif14基序；第Ⅳ亞族基因成員均含有motif1，motif3，motif4和motif5，其中motif5是該家族成員特有的保守基序。

2.5 啟動(dòng)子順式作用元件預(yù)測(cè)

對(duì)GATA基因上游2000 bp序列進(jìn)行順式作用元件預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，GATA基因的上游調(diào)控序列中含大量與植物生長(zhǎng)發(fā)育以及逆境脅迫相關(guān)的調(diào)控元件（圖5）。如光響應(yīng)元件存在于所有的PgGATAs啟動(dòng)子區(qū)域，而茉莉酸甲酯響應(yīng)元件和脫落酸元響應(yīng)件也存在于多數(shù)PgGATAs中。此外，部分PgGATA基因的啟動(dòng)子上游區(qū)域存在與低溫脅迫相關(guān)的元件，如PgGATA5，PgGATA9和PgGATA17等；部分基因存在與干旱脅迫相關(guān)的元件，如PgGATA1，PgGATA3和PgGATA4等。部分順式作用元件僅存在少數(shù)PgGATAs基因，如與晝夜節(jié)律相關(guān)的元件僅在PgGATA17，PgGATA21，PgGATA23和PgGATA25中發(fā)現(xiàn)；與防御和應(yīng)激相關(guān)的元件僅在PgGATA16，PgGATA19和PgGATA28中發(fā)現(xiàn)；與種子特異性表達(dá)相關(guān)的元件僅在PgGATA1，PgGATA5，PgGATA 27和PgGATA28中發(fā)現(xiàn)（圖5）。說(shuō)明美洲狼尾草GATA基因成員能夠響應(yīng)光、低溫、干旱以及激素誘導(dǎo)等多種條件，具有良好適應(yīng)環(huán)境的潛力。

2.6 美洲狼尾草GATA基因的組織特異性表達(dá)

利用TBtools軟件將美洲狼尾草GATA基因家族的表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，結(jié)果如圖6A所示。PgGATAs基因家族成員在不同組織中有不同程度的表達(dá)量，其中有16個(gè)成員在花期穗組織中的表達(dá)量較高（RPKM≥0.6），而且PgGATA7僅在穗組織中表達(dá)；在成熟種子中PgGATA1，PgGATA5，PgGATA6，PgGATA12，PgGATA22和PgGATA26有較高的表達(dá)量（RPKM≥0.6），并且PgGATA5僅在成熟種子中表達(dá)；分蘗組織中共有17個(gè)成員表達(dá)量相對(duì)較高，表達(dá)量RPKM數(shù)值均大于0.4，數(shù)量占據(jù)整個(gè)基因家族成員的一半；有8個(gè)成員在分蘗期及花期的莖稈中均具有較高的表達(dá)量（RPKM≥0.6）；不同生育期的葉片共有23個(gè)成員表達(dá)明顯（RPKM≥0.6），其中在三葉期葉片中明顯表達(dá)的成員最多，分蘗期葉片中明顯表達(dá)的成員最少，而分蘗期葉片中僅有PgGATA10表達(dá)量較高（RPKM≥0.8）；在不同的吸脹時(shí)間段中PgGATA2，PgGATA8，PgGATA15，PgGATA24和PgGATA27在胚中均有較高的表達(dá)量（RPKM≥0.6）；PgGATA19，PgGATA24和PgGATA28在不同的吸脹時(shí)間段和多數(shù)生育期的根部均有較高表達(dá)量（RPKM≥0.6）。PgGATAs基因家族成員在不同生育期的不同組織中有差異表達(dá)量，表明不同成員在生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段具有不同的功能。

2.7 美洲狼尾草GATA基因在高溫、干旱及鹽脅迫下的表達(dá)分析

為進(jìn)一步探究GATA基因?qū)Ω邷亍⒏珊狄约胞}脅迫的響應(yīng)，分析了美洲狼尾草GATA基因在高溫、干旱和鹽脅迫條件下的表達(dá)情況。結(jié)果表明，PgGATAs基因在高溫、干旱和鹽脅迫處理下呈現(xiàn)不同水平的表達(dá)量。高溫脅迫下，與對(duì)照相比葉片中有4個(gè)PgGATA基因下調(diào)表達(dá)，9個(gè)PgGATA基因上調(diào)表達(dá)，2個(gè)PgGATA基因呈現(xiàn)“先低-后高”的表達(dá)趨勢(shì)，3個(gè)PgGATA基因呈現(xiàn)“先高-后低”的表達(dá)趨勢(shì)；根部中有5個(gè)PgGATA基因下調(diào)表達(dá)，8個(gè)PgGATA基因上調(diào)表達(dá)，6個(gè)基因呈現(xiàn)“先低-后高”的表達(dá)趨勢(shì)，其中PgGATA6，PgGATA15，PgGATA19和PgGATA25在葉片和根部中均上調(diào)表達(dá)，PgGATA17和PgGATA24均下調(diào)表達(dá)（圖6B）。在干旱脅迫下，與對(duì)照相比葉片中有3個(gè)PgGATA基因下調(diào)表達(dá)，6個(gè)PgGATA基因上調(diào)表達(dá)，5個(gè)PgGATA基因呈現(xiàn)“先高后低”的表達(dá)趨勢(shì)；根部中有3個(gè)PgGATA基因下調(diào)表達(dá)，4個(gè)PgGATA基因上調(diào)表達(dá)，4個(gè)PgGATA基因呈現(xiàn)“先高-后低”的表達(dá)趨勢(shì)，其中PgGATA6，PgGATA8和PgGATA20這三個(gè)基因在葉片和根部上調(diào)表達(dá)（圖6C）。與對(duì)照相比，鹽脅迫處理下的葉片中有3個(gè)PgGATA基因下調(diào)表達(dá)，3個(gè)PgGATA基因上調(diào)表達(dá)，同時(shí)有7個(gè)PgGATA基因呈現(xiàn)“先高-后低”的表達(dá)趨勢(shì)；根部中2個(gè)PgGATA基因下調(diào)表達(dá)，6個(gè)PgGATA基因上調(diào)表達(dá)，3個(gè)PgGATA基因呈現(xiàn)“先高-后低”的表達(dá)趨勢(shì)，其中PgGATA20均上調(diào)表達(dá)，PgGATA6在葉片和根部中呈現(xiàn)相反的表達(dá)趨勢(shì)。此外，PgGATA7和PgGATA14僅在根中表達(dá)（圖6D）。PgGATAs基因家族成員在高溫、干旱和鹽脅迫下表現(xiàn)出不同的差異表達(dá)，說(shuō)明該基因家族對(duì)高溫、干旱和鹽脅迫具有一定程度的響應(yīng)。

3 討論

本研究通過(guò)生物信息學(xué)方法從美洲狼尾草全基因組中鑒定出29個(gè)GATA基因，不均勻地分布在7條染色體上，成員數(shù)量與擬南芥（30）［7］、水稻（28）［39］以及谷子（33）［19］GATA基因家族成員數(shù)量相差不大，說(shuō)明GATA基因家族成員數(shù)量在不同物種間存在差異。理化性質(zhì)分析表明，美洲狼尾草GATA蛋白均為不穩(wěn)定的親水蛋白，花生（Arachis hypogaea Linn.）［40］中也有相似的結(jié)果。通過(guò)亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)PgGATAs成員大多數(shù)位于細(xì)胞核中，這與BdGATA2和GmGATA58定位于細(xì)胞核中的結(jié)果一致［41-42］。PgGATAs成員除了定位于細(xì)胞核，還分別位于葉綠體、線粒體和細(xì)胞質(zhì)，這說(shuō)明GATA基因家族還參與其他生物過(guò)程?；蚪Y(jié)構(gòu)分析顯示，PgGATAs家族成員包含1～12個(gè)外顯子，與MrGATAs基因研究結(jié)果相似［43］，并且同一亞族成員之間具有相似性，而不同亞族成員之間具有一定的差異。系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)結(jié)果顯示，美洲狼尾草GATA基因家族成員可分為4個(gè)亞族，Ⅰ-Ⅳ個(gè)亞族分別有14，7，5，3個(gè)成員。在擬南芥中4個(gè)亞族分別含13，12，3，和2個(gè)GATA成員［7］；在楊梅（Myrica rubra）中4個(gè)亞族分別含有13，6，4和3個(gè)GATA成員［43］，與本研究的美洲狼尾草相似，成員數(shù)量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。

GATA轉(zhuǎn)錄因子普遍存在于真核生物中，并具有調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育、非生物脅迫、次生代謝等重要過(guò)程的作用［44］。啟動(dòng)子區(qū)域包含大量順式作用元件，這些元件調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)［45］。本研究中，從美洲狼尾草GATA基因的啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到大量與植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫相關(guān)的順式作用元件，如光、低溫、赤霉素、脫落酸、生長(zhǎng)素和赤霉素誘導(dǎo)等響應(yīng)元件，表明美洲狼尾草GATA基因家族在響應(yīng)和調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)和抗脅迫的能力中可能發(fā)揮著重要作用。這些結(jié)果與擬南芥［12，46］、馬鈴薯（Solanum tuberosum）［47］和甘薯［19］等的研究結(jié)果相似。

GATA基因在植物對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)和耐受具有重要作用，高溫脅迫中PgGATA6，PgGATA15，PgGATA19和PgGATA25在葉片和根部中均為上調(diào)表達(dá)，說(shuō)明這四個(gè)PgGATAs基因可能參與高溫脅迫的響應(yīng)過(guò)程，與BdGATA2基因在高溫脅迫下上調(diào)表達(dá)的結(jié)果一致［41］。PgGATA6，PgGATA8和PgGATA20三個(gè)基因在干旱脅迫后的葉片和根部均上調(diào)表達(dá)，與超表達(dá)SlGATA17基因以提高番茄植株的抗旱性的結(jié)果一致［22］。鹽脅迫處理后的PgGATA20基因上調(diào)表達(dá)，與IbGATA16基因在鹽脅迫0～24 h內(nèi)均上調(diào)表達(dá)的研究結(jié)果相似［48］。根據(jù)PgGATA基因成員中在3種脅迫處理中的差異表達(dá)，表明PgGATAs基因成員可能在美洲狼尾草抵抗高溫、干旱以及鹽脅迫過(guò)程中具有重要的調(diào)控作用。此外GATA基因在不同組織中的表達(dá)量有所差異，本研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)PgGATAs成員在分蘗組織、葉片以及莖稈中的表達(dá)量較高，其中分蘗組織和莖稈的表達(dá)量高于成熟種子和穗組織，說(shuō)明GATA基因家族在美洲狼尾草組織中表達(dá)差異性較強(qiáng)，這與駱鷹［39］、劉江［49］等人的研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

本研究從美洲狼尾草全基因組共鑒定出29個(gè)PgGATA基因，PgGATAs基因的理化性質(zhì)差異較大，基因結(jié)構(gòu)以及保守基序具有一定的保守性；PgGATAs在7條染色體上均有分布，并且根據(jù)序列特征和結(jié)構(gòu)域特點(diǎn)將其分為4個(gè)亞族。PgGATAs參與植物生長(zhǎng)發(fā)育以及部分植物激素信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)控過(guò)程。同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析表明PgGATAs成員在成熟種子、分蘗組織、葉片以及莖稈中均有不同程度的表達(dá)；部分PgGATAs成員在高溫、干旱和鹽脅迫中出現(xiàn)上調(diào)表達(dá)，其中PgGATA6在經(jīng)過(guò)3種脅迫的葉片中均上調(diào)表達(dá)。這說(shuō)明PgGATAs基因在美洲狼尾草耐高溫、耐干旱和耐鹽的機(jī)制中具有一定作用，同時(shí)也為篩選耐高溫、耐干旱和耐鹽的候選基因提供了幫助。

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（責(zé)任編輯" 付宸）