杧果E2F_DP转录因子家族生物信息学分析_高庆远.pdf
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1、分子植物育种,2023 年,第 21 卷,第 3 期,第 772-781 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,772-781研究报告Research Report杧果 E2F/DP 转录因子家族生物信息学分析高庆远1,2孙宇2刘志鑫2蒲金基2杨石有1*张贺2*1 海南大学林学院,海口,570228;2 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,农业农村部热带作物有害生物综合治理重点实验室,海口,571101*共同通信作者,;摘要E2F/DP 转录因子是真核生物中细胞周期进程的关键调节因子,与植物激素共同发挥着重要的调控作用。以杧果全基因组为供试参
2、考基因组,用生物信息学软件预测 E2F/DP 转录因子家族基因成员,并分析其理化性质、保守结构域、保守基序、进化关系,结合实时荧光定量 PCR 测定杧果细菌性黑斑病菌(Xan-thomonas campestris pv.mangiferaeindicae,Xcm)、胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides,Cg)、茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)和水杨酸(salicylic acid,SA)处理下基因表达量。结果表明,杧果全基因组中有 8 个E2F/DP 转录因子,命名为 MiE2Fs。保守结构域预测发现 MiE2F1MiE2F5 均含
3、有 E2F_DD,MiE2F7 和MiE2F8 同时包含两个 E2F_TDP 保守结构域;二级结构预测发现 E2F/DP 家族蛋白质二级结构相似,无规则卷曲和-螺旋是 MiE2F1MiE2F8 蛋白二级结构主要元件,其次是延伸链和-转角;保守基序预测发现杧果有 1 个高度保守的基序 Motif1;基于杧果和大豆、烟草、毛果杨、拟南芥、阿月浑子、葡萄的 E2F/DP 蛋白质序列构建系统发育树,发现杧果 E2F/DP 基因与阿月浑子、葡萄亲缘关系接近。杧果细菌性黑斑病菌(Xcm)和胶孢炭疽菌(Cg)侵染过程中,MiE2F4、MiE2F5、MiE2F6 的表达量显著上调。茉莉酸甲酯(MeJA)胁迫处
4、理下,MiE2F7 表达量显著上调,其余基因均下调;水杨酸(SA)胁迫处理下,从 6 h 开始,各个基因的表达量都在逐步上调。以上研究结果可为探究杧果 E2F/DP 基因参与的植物防御反应机制奠定基础。关键词杧果;E2F/DP 转录因子;生物信息学BioinformaticsAnalysisof E2F/DPTranscriptionFactorFamilyin MangiferaindicaGao Qingyuan1,2Sun Yu2Liu Zhixin2Pu Jinji2Yang Shiyou1*Zhang He2*1 College of Forestry,Hainan Universi
5、ty,Haikou,570228;2 Key Laboratory of Integrated Pest Management on Tropical Grops(Ministry of Agricultureand Rural Affairs),Environment and Plant Protection Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Haikou,571101*Co-corresponding authors,;DOI:10.13271/j.mpb.021.000772AbstractE2F/DP
6、 transcription factor is a key regulator of cell cycle progression in eukaryotes and plays an im-portant regulatory role together with plant hormones.Using the whole mango genome as a reference genome,wepredicted the gene members of E2F/DP transcription by bioinformatics software factor family,and a
7、nalyzed itsphysicochemical properties,conserved domain,conserved motif,and evolutionary relationship.The gene expressionlevelsofXanthomonas campestris pv.mangiferaeindicae(Xcm),Colletotrichum gloeosporioides(Cg),methyl jas-monate(MeJA)andsalicylicacid(SA)treatmentinmango were detected byRT-qPCR.The
8、resultsshowed that therewere 8 E2F/DP transcription factors in the whole genome of mango,named MiE2Fs.The conserved domain pre-基金项目:本研究由国家重点研发专项(2019YFD1001103;2019YFD1000504)、贵州省农业科技支撑项目(黔科合支撑 20182284)和中国热带农业科学院基本科研业务费专项(1630042021022;1630042017019)共同资助引用格式:Gao Q.Y,Sun Y.,Liu Z.X.,Pu J.J.,Yang S.Y
9、.,and Zhang H.,2023,Bioinformatics analysis of E2F/DP transcription factorfamily in Mangifera indica,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(3):772-781.(高庆远,孙宇,刘志鑫,蒲金基,杨石有,张贺,2023,杧果 E2F/DP 转录因子家族生物信息学分析,分子植物育种,21(3):772-781.)diction showed that MiE2F1-MiE2F5 contained E2F_DD,MiE2F7 and MiE
10、2F8 contained two E2F_TDP con-served domains.The prediction of secondary structure showed that E2F/DP family proteins were similar,randomcoil and-helix were the main components of secondary structure of MiE2F1-MiE2F8 proteins,followed by ex-tend strand and-corner.There was a highly conserved motif i
11、n mango.Phylogenetic trees were constructedbased on the E2F/DP gene sequences of mango,soybean,tobacco,poplar,Arabidopsis thaliana,pistachio andgrape,and it was found that the E2F/DP gene of mango was closely related to pistachio and grape.The expressionlevels of MiE2F4,MiE2F5 and MiE2F6 were signif
12、icantly up-regulated during Xcm and CG infection.Under MeJAstress,the expression level of MiE2F7 was significantlyup-regulated,while the other genes were down-regulated.Under SA stress,the expression levels of all genes were gradually up-regulated from 6 h.These results may lay afoundation for explo
13、ring the mechanism of plant defense response involved in E2F/DP gene in mango.KeywordsMango;E2F transcription factor;BioinformaticsE2F/DP 转录因子是所有真核生物中细胞周期进程的关键调节因子,在拟南芥(Arabidopsis thaliana)(Klaas et al.,2002;Mariconti et al.,2002)、大豆(Glycinemax)(Schmutzetal.,2010)、毛果杨(Populus trichocarpa)(Tuskan et
14、 al.,2006)、烟草(Nicotiana tabacum)(Sekineet al.,1999)、阿月浑子(Pistacia vera)(Zeng et al.,2019)等植物中,已经鉴定到具有保守 DNA 结合结构域的 E2F/DP家族转录因子的存在,调控了一系列细胞周期相关的生物学过程,如细胞分裂、DNA 修复、分化相关的途径,在植物细胞周期的调控中发挥了重要的作用(Sozzanietal.,2010)。在模式植物拟南芥中,发现8 个 E2F/DP 转录因子,被分为三个典型的 E2F(命名为 E2Fa,E2Fb,E2Fc),两个二聚蛋白(命名为 DPa,DPb)和三个 DEL(命名
15、为 E2Fd/DEL1,E2Fe/DEL2,E2Ff/DEL3)。E2F 的成员的分子特征,包括 DNA 结合域(DNA-binding domain,DB)、Rb 蛋白结合域(Rb-bing-ding domain,RbB)、成二聚体结构域和“Marked box”(MB)结构域;AtE2F 活性可诱导 S 期和核内复制,诱导叶片愈伤组织合成植物激素,AtE2Fb 在转基因拟南芥植物中的过表达导致了根、子叶和叶形态的显著改变(Sozzanietal.,2006)。DP的成员的分子特征,包含亮氨酸拉链二聚结构域和 DNA 结合结构域,与 E2F分支的成员形成二聚体,调控细胞的分裂和增殖(Kla
16、aset al.,2002;Mariconti et al.,2002;La Thangue,2003;Ia-quinta and Lees,2007)。DEL 的成员的分子特征,包含重复的 DNA 结合结构域并以单体形式起作用,参与调节内循环、细胞大小、增殖和 DNA 损伤反应,是一类非典型的 E2F/DP 转录因子(Mariconti et al.,2002;Ramirez-Parra et al.,2004;Sozzani et al.,2006)。在植物细胞增殖、分化和发育过程中,E2F/DP 转录因子和水杨酸(Chandran et al.,2014)等植物激素共同发挥着重要的调控功
17、能。如水杨酸能提高甘草种子萌发和幼苗生长对盐胁迫的耐性(李润枝等,2020),还能够通过对抗氧化防御反应的调节诱导番茄对灰霉病的抗性(刘佳,2012);茉莉酸甲酯能够提高桃(Jin etal.,2008)和枇杷(Jin et al.,2014)的耐寒性;在干旱胁迫下,外源茉莉酸甲酯还能改善小麦的光合特性,增加干物质的积累。而杧果(Mangifera indica)是典型的热带果树之一,因基因组杂合度较高限制了高质量杧果参考基因组的获得,从而阻碍了杧果在防御反应研究领域的快速发展。2020 年,华南农业大学高立志研究团队联合多个研究团队,破解了杂合度高的难题,成功获得了染色体级的杧果参考基因组序
18、列,为研究杧果防御反应机制提供精准的基因信息。本研究对杧果 E2F/DP 转录因子家族进行了生物信息学分析,并分析其理化性质、保守结构域、保守基序、进化关系等,结合实时荧光定量 PCR 测定杧果细菌性黑斑病菌、胶孢炭疽菌、茉莉酸甲酯和水杨酸处理下基因表达量,为解析 E2F/DP 基因功能,探究其参与的植物防御反应机制奠定基础。1结果与分析1.1杧果E2F/DP基因家族成员的鉴定通过在杧果基因组数据库中进行 blastp 检索,发现杧果 E2F/DP 基因家族有 8 个成员,分别命名为MiE2F1、MiE2F2、MiE2F3、MiE2F4、MiE2F5、MiE2F6、MiE2F7 和 MiE2F
19、8。通过 ProtParam 在线分析网站,对杧果 E2F/DP 基因家族 8 个成员的理化性质进行分析(表 1)。MiE2F/DP 氨基酸数在 244869 个范围内,蛋白分子量在 27327.996804.19Da 范围内,其中 MiE2F5最大,MiE2F2 最小,等电点在 4.489.18 范围内,不稳定指数在 45.9658.95 范围内,脂溶指数在 71.0788.91 范围内,亲水性平均数在-0.702-0.329 范围内。因此,预测 MiE2F1、MiE2F2、MiE2F3、MiE2F4、杧果 E2F/DP 转录因子家族生物信息学分析BioinformaticsAnalysis
20、of E2F/DPTranscriptionFactorFamilyin Mangifera indica773分子植物育种Molecular Plant Breeding图 1 杧果 E2F/DP 家族保守结构域Figure 1 Conserved domain analysis of E2F/DP protein in mango表 1 杧果 E2F/DP 基因家族成员的基本信息Table 1 Basic information of E2F/DP gene family member基因名称Gene nameMiE2F1MiE2F2MiE2F3MiE2F4MiE2F5MiE2F6MiE2
21、F7MiE2F8序列 IDSequence IDGWHPABLA000481GWHPABLA000488GWHPABLA022128GWHPABLA007479GWHPABLA009256GWHPABLA016360GWHPABLA013224GWHPABLA024101氨基酸数量Number ofamino acids541284474476869660244384分子质量Molecularweight60 378.9932 013.7052 549.3952 756.0296 804.1973 525.6827 327.9043 431.81等电点pI5.364.484.805.025.4
22、47.206.119.18不稳定指数Instabilityindex46.8846.0053.5151.9545.9654.3053.8958.95脂溶指数Aliphaticindex78.3788.9175.9571.0779.9079.3084.6776.43亲水性平均系数GRAVY-0.569-0.488-0.675-0.587-0.424-0.329-0.468-0.702MiE2F5 和 MiE2F7 这六个蛋白都为不稳定亲水酸性蛋白,MiE2F6、MiE2F8 这两个蛋白为不稳定亲水碱性蛋白。1.2杧果E2F/DP蛋白保守结构域分析通过 NCBI Conserved Domain
23、Search 分析杧果E2F/DP 家族蛋白质序列保守结构域,发现 8 个成员均含有 E2F_TDP 保守结构域(图 1),MiE2F1MiE2F5 均含有 E2F_DD 保守结构域,MiE2F5 含有 Gcd10p、E2F_TDP、DP 保守结构域,MiE2F6 含有 PLN02530、DP、E2F_DD 保守结构域,另外,MiE2F7 和 MiE2F8同时包含两个 E2F_TDP 保守结构域。1.3杧果E2F/DP蛋白二级结构预测运用 SOPMA 在线分析对杧果 E2F/DP 蛋白的二级结构进行预测(图 2),无规则卷曲和-螺旋是MiE2Fs 蛋白二级结构主要元件,其次是延伸链和-转角,M
24、iE2F 家族蛋白质二级结构相似(表 2),其中-螺旋在 22.69%37.50%范围内,最低为 MiE2F4,最高为 MiE2F8;延伸链在 9.02%17.72%范围内,最774低为 MiE2F7,最高为 MiE2F5;-转角在 1.48%7.02%范围内,最低为 MiE2F3,最高为 MiE2F5;无规则卷曲在 40.45%63.87%范围内,最低为 MiE2F6,最高为 MiE2F4。1.4杧果E2F/DP蛋白保守基序分析通过生物信息学在线网址 MEME,得到杧果 E2F/DP 转录因子家族的蛋白质保守基序并匹配系统发育树(图 3A),发现杧果 E2F/DP 转录因子家族中鉴定出 3
25、个保守基序(图 3B),其中 MiE2F1MiE2F8共有 1 个高度保守的基序 motif 1,MiE2F1MiE2F5有 3 个高度保守的基序 Motif,MiE2F6MiE2F8 有两个重复的高度保守的基序 motif 1。图 2 杧果 E2F/DP 家族的二级结构预测注:横坐标表示氨基酸序列位点Figure 2 Secondary structure prediction of E2F/DP family inmangoNote:The abscissa indicates the position of the amino acid se-quence1.5杧果E2F/DP蛋白系统进
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