谷子组蛋白H3基因家族的鉴定与分析.pdf

山西农业科学 2023，51（10）：1144-1152Journal of Shanxi Agricultural Sciences谷子组蛋白 H3基因家族的鉴定与分析张晓霞 1，李瑞淼 2，张路瑶 2，雷翠云 2，杨宇琭 3，杨致荣 1（1.山西农业大学 基础部，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 生命科学学院，山西 太谷 030801；3.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801）摘要：组蛋白（Histone）是构成染色质的基本结构蛋白，其中组蛋白 H3的氨基酸序列十分保守，并且其在维持染色质结构稳定性、调控植物生长发育以及应对环境变化方面具有重要作用。为探究谷子组蛋白 H3基因家族成员的结构和功能，为谷子组蛋白 H3的生物学功能研究奠定理论基础，研究从 xiaomi和豫谷 1号(YG1)基因组中分别鉴定出 15个组蛋白 H3基因，并依次命名为 SiH3.1SiH3.15；进而利用生物信息学技术比较并分析 SiH3在染色体上的分布情况、系统进化关系、基因结构、保守基序、保守结构域、启动子顺式作用元件、亚细胞定位及组织表达情况。结果表明，除 xiaomi中的 SiH3.2和 SiH3.13、YG1中的 SiH3.10.1和 SiH3.11.1外，其他基因在染色体的位置均一一对应。进化关系结果显示，SiH3分属 4类，其中，xiaomi的 4个类别中依次有 6、1、6、2个基因，YG1依次有 4、2、7、2个基因；2个品种亚组内基因间结构、保守基序、结构域相似，亚细胞定位均在细胞核；启动子顺式作用元件主要与植物生长发育调控、逆境响应相关。表达模式结果显示，同属于 H3.3 亚组的 SiH3.7和SiH3.15在不同组织中呈现组成型高表达，且在穗中表达量显著高于其他组织，说明二者在谷子全生育期，特别是生殖生长阶段起到了重要作用，暗示其在谷子生产实践中具有重大的应用潜力。关键词：谷子；xiaomi；组蛋白；基因家族；生物信息学中图分类号：S515 文献标识码：A 文章编号：10022481（2023）10114409Identification and Analysis of Histone H3 Gene Family in Foxtail MilletZHANG Xiaoxia1，LI Ruimiao2，ZHANG Luyao2，LEI Cuiyun2，YANG Yulu3，YANG Zhirong1（1.Department of Basic，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College of Life Sciences，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；3.College of Agriculture，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）Abstract：Histones are the basic structural proteins that make up chromatin.The amino acid sequence of histone H3 is highly conserved,and it plays an important role in maintaining chromatin stability,regulating plant growth and development,and responding to environmental changes.In order to explore the structure and function of the histone H3 gene family in foxtail millet,and lay a theoretical foundation for further research on the biological function of histone H3 in foxtail millet,in this study,15 histone H3 genes from the xiaomi and Yugu 1(YG1)genomes were identified,and named sequentially as SiH3.1-SiH3.15.Furthermore,comparative and analytical studies were conducted using bioinformatics techniques to investigate the distribution on chromosomes,phylogenetic relationships,gene structure,conserved motifs,conserved domains,promoter cis-acting elements,subcellular localization,and tissue expression patterns of SiH3 genes.The results showed that,except for SiH3.2 and SiH3.13 in xiaomi,and SiH3.10.1 and SiH3.11.1 in YG1,the other genes were located in corresponding positions on chromosomes.Phylogenetic analysis revealed that SiH3 genes could be classified into four categories,with 6,1,6,and 2 genes in each category for xiaomi,and 4,2,7,and 2 genes in each category for YG1.Genes within the same subgroup in the two varieties exhibited similar gene structure,conserved motifs,and domains.They were localized in the cell nucleus according to subcellular localization.Promoter cis-acting elements were mainly associated with plant growth and development regulation and stress responses.Expression pattern analysis showed that SiH3.7 and SiH3.15,belonging to the H3.3 subgroup,exhibited constitutive high expression in different tissues,with significantly higher expression levels in the spike than in other tissues,indicating their important role in foxtail millet throughout its growth,especially at reproductive stages,and suggesting their significant potential applications in foxtail millet production.Key words：foxtail millet;xiaomi;histones;gene family;bioinformaticsdoidoi:10.3969/j.issn.1002-2481.2023.10.05收稿日期：2023-03-21基金项目：山西省基础研究计划项目（20210302123383）作者简介：张晓霞（1996-），女，山西朔州人，在读硕士，研究方向：谷子分子遗传育种。通信作者：杨致荣（1978-），女，山西太谷人，教授，博士，主要从事谷子抽穗开花调控分子机制和谷子氮磷高效利用研究工作。1144张晓霞等：谷子组蛋白 H3基因家族的鉴定与分析组蛋白（Histone）是真核生物核小体的重要蛋白质组分，包括 H1、H2A、H2B、H3 和 H4 等 5 类成员1。其中，组蛋白 H3的序列变化在动物和植物中十分保守，作为表观遗传调控的重要靶位点，通过甲基化、乙酰化、泛素化、丁酰化等多种修饰，影响基因的转录活性、染色质结构和细胞功能2。组蛋白 H3 与其他核心组蛋白一起形成八聚体，具有球状三维结构，H3 组蛋白的羧基端（C 端）结构域与DNA 结合密切相关2，而位于球状结构域之外氨基端（N 端）结构域的许多残基可以被共价修饰，不同的修饰作为不同的识别密码形成特殊信号而被其他相关蛋白质识别，影响一系列下游的活动，调控真核生物中的基因表达3-4。H3组蛋白可分为常规组 蛋 白（Conventional histones）和 组 蛋 白 变 体（Histone variants）2 种形式。其中，常规组蛋白在细胞周期的 S 期表达，在 DNA 复制过程中组装到核小体中5；而组蛋白变体可以通过改变核小体的结构稳定性来维持染色质结构，从而在转录激活或抑制、DNA 损伤修复等生物学过程中起重要作用6-8。在植物中，除了常规组蛋白 H3.1以外，还有3 种变体，分别是 H3.2、H3.3 和着丝粒组蛋白 H3（Centromeric histone H3，CENH3）9。1884年，ALBRECHT KOSSEL发现组蛋白10，之后科研工作者在拟南芥（Arabidopsis thaliana）11、水 稻（Oryza sativa）12、玉 米（Zea mays）13、小 麦（Triticum aestivum）14等植物中进行了研究。在拟南芥中，组蛋白 H3 家族成员 AtMGH3/At1g19890在花粉雄配子中特异性表达，在雄配子发育过程中对于染色质重塑和转录调控具有特殊作用11。水稻中组蛋白 RH3.2A 基因在高盐条件下，根部的表达受到强烈诱导，而叶片的表达则不受诱导调节，该基因还可能参与了依赖于脱落酸（Abscisic Acid，ABA）的高盐胁迫应答反应12。玉米组蛋白编码基因的表达水平会产生明显的差异，如在热和盐胁迫下多数组蛋白编码基因表达下调，干旱、冷和紫外胁迫下部分组蛋白编码基因表达上调，受到禾谷镰孢菌（Fusarium graminearum）侵染时，组蛋白编码基因在侵染后期表达水平显著上升13。小麦组蛋白 TaHis3.2 的表达受到盐胁迫的抑制，可能影响了 DNA 的复制，该基因在根部表达，而根系发育情况与植物抵御非生物胁迫密切相关14。在水稻中，比较秀水 03和日本晴 2个亚种的 8个 H3同源蛋白，发现其同源基因的表达特性相似，其中LOC_Os06g04030 和 LOC_Os03g27310 在 大 部 分组织器官中组成型表达，而其他 Histone3 同源基因的表达水平较低；部分同源基因在种子、花粉囊和 雌 蕊 等 组 织 器 官 中 特 异 性 高 表 达，表 明 水 稻Histone3 同源基因在表达调控上的差异可能造成其在生物学功能上发挥不同作用15。此外，多种组蛋白 H3相关修饰酶的研究揭示了在不同位点的修饰对植物生长发育和防御反应的调控16。拟南芥中的 ATX1蛋白由于具有组蛋白甲基转移酶活性，从而能够激活拮抗水杨酸和茉莉酸甲酯信号的WRKY70 基因表达，维持该基因核小体的组蛋白H3 在 K4 位的三甲基态17；Wuschel（WUS）基因家族是诱导茎形成的关键因子，WUS 基因座上结合的 H3 的 K27 三甲基化修饰（H3K27me3）水平降低或 K9 乙酰化修饰（H3K9Ac）水平升高，都可激活WUS基因的表达18-19。谷子（Setaria italica）是起源于我国的一种重要杂粮作物，属 1 年生草本植物，是典型的二倍体禾本科作物（2n18）20。谷子抗旱，耐贫瘠，适应性广，且谷子籽粒脱壳后营养价值丰富，已受到越来越多人的喜爱。因其基因组小（约 450 Mb）21、自花授粉、易于培养、繁殖系数高、生育周期短等特点，已经逐渐成为 C4禾谷类模式植物，是作为研究分子遗传学的重要作物22。组蛋白 H3 是表观遗传调控的重要靶位点，关于其本身的编码基因相关的表达模式研究较少，本研究以名优谷子品种晋谷 21号（JG21）超早熟突变体 xiaomi和豫谷一号（YG1）为研究对象，对谷子组蛋白 H3 基因家族（SiH3）进行全基因组鉴定和初步预测分析，旨在为进一步研究谷子组蛋白 H3 基因家族在生长发育和胁迫响应中的生物学功能以及分子调控机制提供依据。1 材料和方法1.1数据获取在 TAIR 数 据 库（https:/www.arabidopsis.org/）中查询及下载得到拟南芥组蛋白 H3 基因家族 序 列11，通 过 Pfam 数 据 库（http:/pfam-legacy.xfam.org/）进行对应特征结构域的搜索，下载相对应 的 隐 尔 可 夫 模 型（Hidden Markov Model，HMM）23。从Phytozome数据库（https:/phytozome-next.jgi.doe.gov/）下载狗尾草（Setaria viridis）、谷子（YG1）、玉米、大豆（Glycine max）、拟南芥和水稻的基因和蛋白质数据；从谷子 xiaomi数据库 MDSi：Multi-omics Database for Setaria italica（http:/1145山西农业科学 2023 年第 51 卷第 10 期foxtail- xiaomi 的基因和蛋白质序列信息以及注释信息。1.2SiH3基因家族成员鉴定及系统进化分析利用 1.1 提到的 6 个物种的蛋白质数据库，采用 Blastp 与 HMM 等生物信息学方法综合筛选组蛋白 H3基因家族成员。使用 Blast+（v2.9.0）对拟南芥组蛋白 H3 基因家族成员进行 Blastp 筛选（E-valuele-5），将 获 得 的 蛋 白 质 序 列 通 过 InterPro（https:/www.ebi.ac.uk/interpro/）进行保守结构域预测筛选符合组蛋白 H3 结构域特征的蛋白质序列；使用 HMMER（v3.3.2）23对 6 个物种的蛋白质组 进 行 筛 选（E-value1e-5），并 将 结 果 使 用MAFFT（L-INS-I 算法）24进行比对，综合提取组蛋白 H3 的同源序列，从而得到更加精确的 HMM分析结果。将上述 2 种方法得到的结果综合判据，二者的交集为更可靠的谷子组蛋白 H3基因家族成员筛选结果。利用 MAFFT 对结果进行多序列比对，并用IQ-Tree v1.624构建组蛋白 H3 基因家族的系统发育树。其中，参数选择重复抽样次数（UltraFast bootstrap approximation，UFboot）为 1 000 次，并用SH-aLRT（approximate likelihood ratio testaLRT and Shimodaira-Hasegawa）25检验以保证可靠性。最后使用Figtree（http:/tree.bio.ed.ac.uk/software/Figtree/）对进化树的分类拓扑结构（Cladogram）进行可视化展示。1.3SiH3基因家族的基因结构、染色体定位及命名分析在 MDSi数据库和 Phytozome数据库中分别下载 xiaomi和 YG1 的基因组注释信息（gff格式），使用 TBtools（v1.108）26软件对 SiH3在染色体上的位置信息以及基因结构进行分析并命名，将结果可视化。1.4SiH3蛋白序列及亚细胞定位分析为了解 SiH3同源蛋白序列差异，在 LaserGene软件中选择 MegAlign 工具对 SiH3 同源蛋白序列进行分析，采用 Clustal W 方法、默认参数进行计算；利用在线网站GenScript（https:/ SiH3编码的蛋白质进行亚细胞定位预测。1.5SiH3基因家族保守基序及保守结构域分析用 MEME（https:/meme-suite.org/meme/to-ols/meme）在线网站预测 SiH3 基因家族的保守基序：将 SiH3基因家族成员编码的蛋白序列提交，保守位点宽度设置为10 和 100，最大保守序列鉴定数目设置为 10，使用 TBtools（v1.108）绘制 SiH3 基因家族保守基序的可视化图。利用 NCBI-CDD 数据 库（https:/www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi）的 Batch-CD-Search功能查询，确定 SiH3基因家族成员氨基酸序列的保守结构域，最后利用TBtools（v1.108）软件进行可视化分析。1.6SiH3基因启动子顺式作用元件分析利用 MDSi 数据库获得 SiH3 的启动子区域（ATG 上 游 序 列 2 000 bp），将 得 到 的 序 列 用PlantCARE（http:/bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）在线数据库进行提交，分 析 SiH3 启 动 子 顺 式 作 用 元 件，使 用 TBtools（v1.108）软件对其常见功能元件进行可视化分析。1.7SiH3基因家族特异性表达分析分析 SiH3 基因家族成员在谷子中的表达情况，需利用 MDSi 数据库获取 xiaomi 中组蛋白 H3家族成员在不同时期和不同组织中的表达数据，YG1 的相关数据利用 Phytozome 数据库下载公布的 YG1 转录组双端测序数据进行筛选。使用 R（v4.2.2）中的 pheatmap27函数绘制不同时空组织表达热图，对相关基因的表达量（TPM，Transcripts Per Kilobase of exon model per Million mapped reads）进行对比并可视化。2 结果与分析2.1SiH3家族成员鉴定及进化分析在 xiaomi 和 YG1 中分别鉴定出 15 个注释的H3基因，结合 xiaomi和 YG1在染色体上分布的对应位置，将 xiaomi 和 YG1 中 H3 基因依次命名为SiH3.1SiH3.15。从图 1可以看出，xiaomi和 YG1中 H3 均分布在第 1、3、4、5、6、7、9 号染色体上，其中 SiH3.1、SiH3.3SiH3.12、SiH3.14 和 SiH3.15 的分布位置均相对应，但仍然有少数基因的分布位置有所不同，如 xiaomi 中 1 号染色体上分布有 3 个SiH3，而 YG1 中 1 号染色体上只分布有 2 个 SiH3，xiaomi 中位于 1 号染色体的 SiH3.2 和位于 7 号染色体的 SiH3.13 在 YG1 中无对应位置、YG1 中位于 5 号染色体的 SiH3.10.1 和位于 6 号染色体的SiH3.11.1在 xiaomi中无对应基因。为了探究 xiaomi 和 YG1 的 H3 进化关系，将拟南芥（14 个）、水稻（14 个）、狗尾草（16 个）、玉米（19个）、大豆（23个）、xiaomi（15个）和 YG1（15个）的组蛋白 H3进行系统进化分析。1146张晓霞等：谷子组蛋白 H3基因家族的鉴定与分析2个谷子材料的进化关系结果显示（图 2），SiH3可 分 为 4 类（class），分 别 是 H3.1、H3.2、H3.3 和CENH3。在 xiaomi 中，H3.1 包括 SiH3.2、SiH3.6、SiH3.8、SiH3.9、SiH3.12 和 SiH3.13，共 6 个；H3.2包 括 SiH3.10；H3.3 包 括 SiH3.1、SiH3.3、SiH3.7、SiH3.11、SiH3.14和SiH3.15共6个；CENH3有2个，分 别 是 SiH3.4、SiH3.5。在 YG1 中，H3.1、H3.2、H3.3、CENH3分别有4、2、7、2个。同源性比较发现，xiaomi和 YG1中位置对应的 2个 H3序列几乎都是100%相 同，仅 SiH3.10 序 列 同 源 性 为 89.72%，SiH3.15 序列同源性为 42.37%，说明组蛋白 H3 保守性较强。图 1xiaomi（A）和 YG1（B）组蛋白 H3基因家族成员染色体定位Fig.1Chromosome location of histone H3 gene family members in xiaomi（A）and YG1（B）图 2组蛋白 H3家族的系统进化分析Fig.2Phylogenetic analysis of histone H3 family1147山西农业科学 2023 年第 51 卷第 10 期2.2SiH3基因结构及亚细胞定位分析从 基 因 结 构 分 布 图 来 看，SiH3.2、SiH3.6、SiH3.8、SiH3.9、SiH3.12、SiH3.13 不是断裂基因，不含内含子，其余均为断裂基因，外显子数目为 17 个，大部分 xiaomi 和 YG1 中对应的 SiH3 基因结构相似（图 3）；对 SiH3 进行亚细胞定位预测分析，结果显示，其均在细胞核内表达，表明 SiH3是作为染色质的主要蛋白成分而发挥作用。2.3SiH3保守基序及保守结构域分析对 SiH3基因家族成员进行保守基序和保守结构域分析，结果显示，SiH3 中共存在 9 种不同的保守基序以及 4种不同的保守结构域（图 4）。图 3xiaomi和 YG1组蛋白 H3基因家族成员基因结构Fig.3Gene structure of histone H3 gene family members in xiaomi and YG1图 4xiaomi和 YG1组蛋白 H3基因家族成员保守基序及保守结构域分析Fig.4Analysis of conserved motifs and conserved domains of histone H3 gene family members in xiaomi and YG11148张晓霞等：谷子组蛋白 H3基因家族的鉴定与分析由图 4 可知，SiH3.10.1（仅存在于 YG1 的组蛋白 H3 中）仅存在 Motif 4和 Motif 5，其余 SiH3中均包含Motif 1、Motif 2、Motif 3、Motif 4、Motif 5。除此之外，SiH3.4和SiH3.5中还存在Motif 7，SiH3.10中还存在 Motif 6、Motif 8、Motif 9。绝大多数 SiH3中有且只含有 PTZ00018 保守结构域，但是 SiH3.4、SiH3.5 和 SiH3.10.1 中只包含有 H4 superfamily 一个保守结构域。H4 superfamily结构域在维持组蛋白 稳 定 性 和 生 物 学 功 能 方 面 发 挥 着 重 要 作 用。CENH3（SiH3.4 和 SiH3.5）具有与组蛋白 H3 普通变体不同N端和C端的氨基酸序列，这也使CENH3能够更好地与其他着丝粒蛋白相互作用，确保了着丝粒的正确定位和分离；SiH3.15中 Si9g37480.1和Seita.9G378800.1 的保守基序以及结构域稍有不同，后者除了包含有 PTZ00018 外，还额外包含一个 UNC80 superfamily 结构域（一种存在于动植物中，主要参与调节离子通道的活性和转运的保守域），SiH3.10 中还存在 SNC1 保守结构域（一种在植物体内，参与免疫响应的保守域）。2.4SiH3基因家族启动子分析为研究 SiH3基因家族启动子在转录水平的调控功能，使用在线网站 PlantCARE 对 SiH3 的启动子顺式作用元件进行分析，结果显示（图 5），在SiH3 中共鉴定出 18 种顺式作用元件，既有与生长调节剂相关的元件（如生长素、脱落酸、赤霉素和水杨酸等），又有与环境信号相关的应答元件（如光、低温、缺氧、干旱和防御反应等），还有特异表达元件（如胚乳、根和分生组织等），以及与细胞周期调控、MYB 转录因子结合位点等相关的元件。其中，xiaomi和 YG1 中对应基因的启动子顺式作用元件的类型和位置均相似，大部分基因家族成员都有光响应元件、厌氧诱导元件、MeJA（Methyl jasmonate）响应元件、赤霉素响应元件、ABA 响应元件、低温响应元件、干旱诱导元件、生长素响应元件，推测这些基因可能在生物钟、光信号感知和调节生长发育等方面的功能和厌氧调节方面发挥作用。SiH3参与谷子各种生长以及抗逆调控，而水杨酸响应元件只存在于 SiH3.6、SiH3.11 以及 SiH3.14 中，推测这些基因可能响应水杨酸信号分子。上述结果表明，不同基因的顺式调控元件存在差异，谷子组蛋白H3 基因的表达可能受到多种因素的调控，推测不同谷子组蛋白 H3基因对植物生长发育调控或环境信号应答可能存在较大差异。2.5SiH3基因家族特异表达分析为深入探究 SiH3 的时空表达模式，利用转录组数据对其进行表达模式分析，结果表明（图 6），SiH3.7、SiH3.15 在 11 个组织和时期中组成型高表达，在 xiaomi 中 SiH3.15 的 TPM 值均在 1 000 以上，在播种 14 d 时植株中 TPM 值达到最高值，在图 5xiaomi和 YG1组蛋白 H3基因家族成员启动子顺式作用元件Fig.5Cis-acting elements of promotors of histone H3 gene family members in xiaomi and YG11149山西农业科学 2023 年第 51 卷第 10 期YG1 中 SiH3.15 的 TPM 值在穗中最高；xiaomi 中SiH3.2、SiH3.6、SiH3.8、SiH3.9、SiH3.10、SiH3.12、SiH3.13 在各组织器官表达量较低，在播种 14 d 的植株中TPM值相对高表达，SiH3.1、SiH3.3、SiH3.4、SiH3.5、SiH3.11 整 体 的 TPM 值 均 较 低；YG1 中SiH3.10 的 TPM 值为 0，其余 SiH3 表达特征相似，均较低。结果表明，SiH3 不同成员在不同组织器官中的表达模式各不相同，暗示其在不同组织器官中的作用不同。3 结论与讨论本研究基于名优品种 JG21 的超早熟突变体xiaomi 和 YG1 的基因组信息，利用生物信息学方法，筛选到 xiaomi 和 YG1 的各 15 个 SiH3，谷子组蛋白 H3 家族种间进化树可分为 4 个亚组，其分布情况与在拟南芥和水稻中鉴定到的组蛋白 H3基因家族的聚类和分布情况相似11。值得注意的是，尽管 SiH3 整体的同源性较高，但在序列和分类上产生了一定的差异，可能是植物中 H3.2 和 H3.3 变体在第 31、41、87、90位有 4个氨基酸位点的差异造成的蛋白功能不同4。H3.1是负责 DNA 复制时进行染色质组装的组蛋白，这些基因可能在细胞分裂时在染色质结构和表观遗传标记的维持中发挥重要作用28-29，而进化分析发现，xiaomi 和 YG1 共有的SiH3.6、SiH3.8、SiH3.9、SiH3.12 以及 xiaomi 特有的 SiH3.2 和 SiH3.13 均属于 H3.1 亚组，同样推测其在该方面发挥作用。基因结构分析发现，谷子 H3.2 亚组中只存在SiH3.10 和 SiH3.10.1，但其含内含子，而变体 H3.3中的 SiH3均有内含子，与已发现的“组蛋白 H3变体中，H3.2 变体具有多个拷贝，多个基因串联成簇存图 6xiaomi（A）和 YG1（B）组蛋白 H3基因家族组织表达模式Fig.6Tissue expression pattern of histone H3 gene family in xiaomi（A）and YG1（B）1150张晓霞等：谷子组蛋白 H3基因家族的鉴定与分析在且一般不含内含子，依赖于 DNA 复制而合成；而H3.3 变体只有几个拷贝，散布在基因组中且大多有内含子，以不依赖 DNA 复制的方式合成，这些基因在整个细胞周期都能表达9”的规律一致。SiH3与水稻组蛋白 H3 亲缘关系相近，SiH3.3、SiH3.7、SiH3.14、SiH3.15 与 水 稻 的 LOC_Os06g04030 和LOC_Os03g27310 聚类在亚组 H3.3 中，已有研究表明，上述 2个水稻基因在不同组织部位中组成型表达15，与本研究结果中 SiH3.7 和 SiH3.15 为组成型高表达相同。在拟南芥中研究发现，H3.3 主要在常染色质区分布，H3.3 在 3 端以及一些启动子区富集，3 端的富集与 RNA 聚合酶 II 的富集趋势相似，富集程度与基因表达水平正相关，表明 H3.3可能与基因的转录激活相关，而启动子区 H3.3 的富集水平与基因表达水平并没有相关性，但这些基因的转录更容易受到调控29-31。因此，推测本研究RNA-seq 中同属于 H3.3 的 SiH3.7 和 SiH3.15 同样与转录激活相关。此外，CENH3 定位于着丝粒区域，具有相对其他谷子组蛋白变体结构特异的 N端，但 C 端结构域较为保守，该特殊结构对着丝粒的建立及染色体正常分裂和分离非常重要32-33。本研究保守基序分析显示，CENH3存在单独的Motif 7，推测其在谷子着丝粒和染色体功能区域发挥作用。启动子对基因表达调控有重要作用，顺式作用元件分析表明，SiH3 含有与生长调节相关的生长素、ABA、赤霉素和水杨酸等调控元件，以及与环境信号相关的光、低温、缺氧、干旱和防御反应等应答元件，表明谷子 SiH3 同源基因的表达可能受到多种因素的调控。结合水稻 RH3.2A 的启动子中存在的 ABA 反应元件，推测 SiH3 可能在 ABA 信号通路中发挥作用12；研究发现，拟南芥 ATX1 蛋白靶向作用于水杨酸、茉莉酸甲酯信号相关基因的核小体而并不均一地作用于染色质中所有组蛋白H3，说明表观遗传调控在特异性识别靶位点方面存在潜在机制15，推测 SiH3 可能受到激素信号转导和非生物逆境信号的调控，参与植物对逆境反应的防御。综合来看，组蛋白 H3 虽然在进化上是保守的，但其基因在不同组织和不同时期、染色体分布以及 mRNA表达方面仍然复杂且多样化。本研究通过生物信息学方法对谷子组蛋白 H3基因家族进行了全基因组鉴定，共鉴定出各 15 个xiaomi 和 YG1 的 SiH3，在 xiaomi 和 YG1 这 2 个品种之间，其各自组蛋白 H3 基因的染色体位置大部分均对应，只有 xiaomi中的 SiH3.2和SiH3.13、YG1中的 SiH3.10.1和 SiH3.11.1无对应关系。结合 2个品种的组蛋白 H3 各自对应基因的结构、保守基序和保守结构域来看，其相似度极高，但 SiH3.15 中Si9g37480.1 和 Seita.9G378800.1 的保守基序、保守结构域以及启动子顺式作用元件存在较大差异，推测 其 因 结 构 不 同 会 产 生 独 特 的 生 物 学 功 能；对SiH3的时空表达模式进行研究，SiH3.7和 SiH3.15在各个组织和时期中均组成型高表达，但也会存在差异性表达的情况，如 SiH3.10中 Seita.5G393100.1在各个组织中的 TPM 值均为 0，而 Si5g39340.1 在不同时期的不同组织中均有表达，暗示某一种组蛋白 H3同源基因可能在特定组织器官中发挥重要作用，相关机理还有待深入研究。这些结果初步呈现了谷子组蛋白 H3 同源基因可能参与的生物学过程，可供后续深入探索谷子在生长发育以及胁迫响应过程中的基因功能提供参考。参考文献：1 KORNBERG R D，LORCH Y.Twenty-five years of the nucleosome，fundamental particle of the eukaryote chromosomeJ.Cell，1999，98（3）：285-294.2 PRADEEPA M M，GRIMES G R，KUMAR Y，et al.Histone H3 globular domain acetylation identifies a new class of enhancersJ.Nature Genetics，2016，48（6）：681-686.3 ROSENFELD J A，WANG Z B，SCHONES D 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