芫荽NPR1-like家族全基因組鑒定及分析

王葆生， 龐 杰， 廉 勇， 劉曉蕊， 扈 順， 劉湘萍

(內蒙古自治區農牧業科學院蔬菜花卉研究所，內蒙古呼和浩特 010031)

(nonexpressor of pathogenesis-related genes 1)最初是在擬南芥()的突變體中發現的，因該突變基因使得系統獲得性抗性標志基因PR的表達量很低甚至不表達而得名。隨著擬南芥全基因組測序的完成，在擬南芥中又發現5個like基因，分別為、、、和。擬南芥NPR1-like家族成員在進化上可分為3個亞組，亞組Ⅰ中的AtNPR1和AtNPR2是擬南芥水楊酸(SA)的受體蛋白，在水楊酸介導的植物免疫反應中發揮正調控作用，同時也是低溫調控的重要因子；在亞組Ⅱ中，AtNPR3和AtNPR4也都是水楊酸的受體蛋白，在系統抗性(SAR)中發揮負調節作用；AtNPR5和AtNPR6在亞組Ⅲ中，蛋白C端不含NPR1_like_C結構域，主要在擬南芥葉片和花生長發育方面發揮重要作用。近年來，隨著高通量測序技術的發展和應用，在鱷梨、油菜、棉花和小麥等植物中也進行了like基因家族的鑒定。

芫荽(L.)，傘形科芫荽屬草本植物，別名胡荽、香荽，具有強烈的特殊香氣，是常見的調味蔬菜，別稱香菜。芫荽原產于歐洲地中海地區，漢代時引入我國，我國大部分省份均有栽培。芫荽富含維生素C、胡蘿卜素、維生素B和B。芫荽中維生素C的含量很高，攝入7～10 g/d的芫荽葉子就可以滿足人體所需。芫荽葉片中含有的胡蘿卜素濃度比番茄、豆類和黃瓜高10倍以上。芫荽同時還具有藥用價值，根、莖、葉及種子均可入藥，在中東和歐洲被用于預防失眠、焦慮，治療糖尿病，輔助治療風濕病等，芫荽還具有抑菌、抗氧化、抗炎及抗糖尿病功效，對緩解某些食物中毒也有一定的作用。此外，芫荽的莖、葉、根和果實全株都可用于提取精油，芫荽精油可應用于食品、化工以及醫藥等行業。

本試驗依據已發表的芫荽全基因組測序數據，對芫荽like基因家族成員進行鑒定和分析，以期為進一步開展對傘形科其他植物該基因家族的功能和進化研究提供參考，同時為基因工程手段調控傘形科蔬菜生長發育和改良抗逆性狀奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗的研究對象是芫荽，芫荽的全基因組數據文件來源于Coriander Genome Database(http：//cgdb.bio2db.com/)；擬南芥基因組數據文件來源于TAIR 10(https：//www.arabidopsis.org/)；NPR1-like基因蛋白序列下載自NCBI(https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/)，擬南芥AtNPR1～6的登錄號分別是At1g64280、At4g26120、At5g45110、At4g19660、At2g41370、At3g57130，水稻()OsNPR1～3和OsNPR5的登錄號分別是ABE11614、ABE11615、ABE11618、ABE11622，大麥()HvNPR1的登錄號是CAJ19095，二穗短柄草()BdNPR1的登錄號是XP_003564857，玉米()ZmNPR1的登錄號是NP_001354806，小麥()wNPR1的登錄號是AGH18701，香蕉()MNPR1A/B的登錄號分別是ABI93182、ABL63913，唐菖蒲()GhNPR1的登錄號是AIM54370，百合()LhSorNPR1的登錄號是APG55777，芥菜()BjNPR1的登錄號是ABC94642，桑樹()MuNPR1/4的登錄號分別是AGI03909、AGL61506，煙草()NtNPR1的登錄號是AAM62410，棉花()GhNPR1的登錄號是ABV68572，大豆()GmNPR1-1/1-2的登錄號分別是ACJ45013、ACJ45015，海棠()MpNPR1的登錄號是ACC77697，葡萄()VvNPR1.1/1.2的登錄號是XP_002281475、XP_003633057，番茄()LeNPR1的登錄號是APY24056，可可樹()TcNPR1/3的登錄號分別是ADI24348、AGC39275，番木瓜()CpNPR1的登錄號是AAS55117，甘薯()IbNPR1的登錄號是ABM64782，楊樹()PtNPR1.1的登錄號是AEY99652，沙梨()PpNPR1-1的登錄號是ABK62792，鱷梨()PaNPR1～5的登錄號分別是AKH61407、AKH61408、AKH61409、AKH61410、AKH61411。

1.2 芫荽NPR1-like家族的鑒定

鑒定芫荽基因組中like基因家族成員采用BLASTp和HMMER相結合的方式進行搜索。首先，從Pfam(http：//pfam.xfam.org/)數據庫中下載基因保守結構域模型PF12313，利用HMMsearch3.1(http：//hmmer.org/)程序對芫荽蛋白質數據進行搜索，獲得候選相似蛋白序列；利用TBtools軟件，以AtNPR1～6蛋白序列為查詢序列對芫荽全基因組蛋白數據進行本地BLASTp搜索(-value設置為1×10)，獲得候選蛋白序列。將2種檢索方法獲得的蛋白序列合并，將去除冗余的序列提交到SMART(http：//smart.embl-heidelberg.de)和PROSITE(http：//us.expasy.org/prosite)數據庫中進行蛋白結構分析，剔除不含完整的N端BTB/POZ結構域和中間區域ANK錨蛋白重復結構域的序列，剩余序列即為芫荽基因組中的like基因家族成員。

1.3 生物信息學分析

利用在線工具ExPASy(http：//web.expasy.org/compute_pi/)預測芫荽NPR1-like蛋白的等電點和分子量，利用TBtools軟件分析基因結構(包含內含子和UTR)，利用MEME在線工具(http：//meme.nbcr.net/meme/)分析保守基序。利用ClustalX進行多重序列比對。利用Tbtools工具，從芫荽基因組中提取like基因起始密碼子ATG上游2 000 bp的核酸序列，用在線分析工具PlantCare(http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)對序列的順式作用元件進行分析預測，預測結果用TBtools進行展示。

1.4 基因家族系統進化樹構建

利用MEGA 7.0軟件中的Clustal W程序對芫荽和其他物種的NPR1-like蛋白序列進行多重序列比對(空位開放罰分設置為10，空位延伸罰分設置為0.2)，利用比對結果構建進化樹。進化樹構建選用鄰接法(neighbor joining，NJ)，檢驗方法選用步長檢驗法(bootstrp method)，檢驗次數設置為 1 000 次，計算模型選用距離模型(p-distance)，空位處理模式選用成對刪除(pairwise deletion)。

1.5 表達模式分析

從CGDB(http：//cgdb.bio2db.com/)下載芫荽like家族成員基因在芫荽根、莖、葉、花和播種后30、60、90 d的表達數據，將FPKM值取對數值后利用TBtools軟件繪制熱圖。

2 結果與分析

2.1 芫荽NPR1-like基因家族鑒定與分析

將BLASTp和HMMER搜索的結果去除冗余和不含保守結構的序列，最終在芫荽基因組中鑒定得到7個like基因家族成員，參考擬南芥同源基因，根據蛋白序列相似性及系統進化關系分別將這7個芫荽like基因命名為～。～及定位在芫荽的Chr03、Chr04、Chr06、Chr08和Chr09染色體上，而和的位置未知。這7個like基因的開放閱讀框長度為1 089～1 788 bp，編碼的氨基酸序列長度為362～595個，相應的蛋白分子量為39.52～66.24 ku，等電點在5.26～8.56之間(表1)。

表1 芫荽NPR1-like家族基因信息

2.2 多重序列比對及系統發育分析

為研究like基因家族同源基因之間的親緣關系和進化模式，利用7個芫荽、6個擬南芥、4個、5個鱷梨及已從其他物種中通過克隆得到的like基因蛋白序列構建了系統進化樹。由圖1可知，芫荽like基因家族明顯地分成3個進化分支，分別是Clade Ⅰ、Clade Ⅱ和Clade Ⅲ。其中，Clade I(AtNPR1/2亞家族)中包含、、、、等，Clade Ⅱ(AtNPR3/4亞家族)中包含、、和等，Clade Ⅲ(AtNPR5/6亞家族)中包含、和。系統發育分組可為理解like基因家族的功能多樣性提供參考。

結合多重序列比對(圖2)和SMART在線分析結果發現，7個都存在BTB/POZ和錨蛋白重復結構域，這2個結構域在芫荽和擬南芥中較為保守，并且在每個亞組的組內成員之間保守程度更高。此外，Clade Ⅰ和Clade Ⅱ亞家族的～的C端含有NPR1_like_C-terminal結構域，而～不含該結構域，該結構域包含核定位信號NLS。序列比較分析結果顯示，在至的蛋白序列中，等位基因突變體的氨基酸序列突變位點(His334Tyr)、(Cys150Tyr)和(His300Tyr)高度保守；而(Arg432Lys)突變位點只在Clade Ⅰ和Clade Ⅱ亞家族的～中保守。此外，在寡聚物-單體相互轉變過程中發揮至關重要的作用的3個半胱氨酸殘基(Cys82、Cys155和Cys216)在7個CsNPRs中完全保守。

2.3 芫荽NPR1-like家族成員基因結構分析

利用在線分析工具MEME對芫荽和擬南芥NPR1-like蛋白序列進行保守結構域分析，在預測出的10個保守基序中，motif1、motif2和motif3為BTB/POZ結構域的保守基序，motif5和motif6為Ankyrinrepeats結構域保守基序，motif8、motif9和motif10為NPR1_like_C保守基序。在CladeⅠ和Clade Ⅱ中，除CsNPR3只含有motif2～8之外，其余芫荽和擬南芥的NPRs序列中都含有motif1～10；而在CladeⅢ中，因C端缺少NPR_Like_C結構域，除CsNPR7只含有motif1～5、缺少motif6～10之外，其余芫荽和擬南芥的NPRs序列中只含有motif1～7，缺少motif8～10(圖3-A、圖3-B)。

根據基因結構分析發現，在Clade I和Clade Ⅱ中，除外，芫荽和擬南芥-like家族基因序列都含有4個外顯子和3個內含子，且芫荽的內含子長度明顯大于擬南芥；在Clade Ⅲ中，所有成員序列中都含有2個外顯子和1個內含子，且外顯子和內含子的大小基本相同(圖3-C)。

由此可見，-like家族成員3個亞族在結構域和基因結構上都具有相似的特點，說明它們在進化上存在相當的保守性。

2.4 芫荽NPR1-like基因啟動子元件分析

通過分析芫荽like基因上游2 000 bp的啟動子區域進行順式作用元件分析發現，所有like基因都含有基本的CAAT-box和TATA-box保守元件。7個啟動子區域還鑒定出TCT-motif、TCCC-motif、Sp1、GT1-motif、GA-motif等光調控元件，啟動子區域含有的數量最多，達到22個(圖4)。啟動子區域還鑒定出茉莉酸甲酯響應元件TGACG-motif和 CGTCA-motif、水楊酸響應元件as-1和TCA、脫落酸響應元件ABRE、赤霉素響應元件P-box、生長素響應元件TGA和乙烯響應元件ERE等植物激素響應元件，其中在7個啟動子區域都鑒定到水楊酸響應元件，數量在1～5個不等，其余激素響應元件并未出現在所有7個中，、啟動子區域中分別含有8、4個茉莉酸甲酯響應元件，和啟動子區域都含有6個乙烯響應元件，啟動子區域含有4個脫落酸響應元件。此外，啟動子區域還鑒定出防御和脅迫響應元件TC-rich和W-box、低溫響應元件LTR、脅迫響應元件STRE、MYBr和MYCr、干旱響應元件MBS、脫水響應元件DRE、厭氧誘導元件ARE、機械損傷響應元件WUN等逆境脅迫相關的響應元件，且總體數量較多。此外，在個別中還鑒定出數量不多的植物生長發育調控相關的分生組織表達與激活元件CAT-box和玉米醇溶蛋白代謝調控元件O2-site。

以上分析結果表明，芫荽like基因家族成員可能在植物激素響應、逆境脅迫和植物生長發育過程中發揮重要作用。

2.5 芫荽NPR1-like基因表達模式分析

為探討基因在芫荽生長發育過程中的作用，對芫荽根、莖、葉、花以及生長30、60、90 d的表達模式進行分析。結果表明，～在各組織中都有表達，其中和在4種組織中的表達量均較高；和在根和葉中表達量較高，莖中其次，花中的表達量最低；和在根中的表達量較高，其余組織中表達量很低；在4種組織中的表達量都很低(圖5-B)。在芫荽生長過程中，和的表達量最高，其次為和，而和的表達量很低，基本沒有表達。、、在3個生長時期的表達量呈現出輕微的先上升后下降趨勢，在生長后60 d的表達量最高；而的表達量持續上升，在生長后90 d的表達量最高(圖5-A)。上述結果可能暗示基因家族成員在調控芫荽不同組織和不同時期發育過程中發揮了不同作用。

3 討論與結論

like基因家族已經在多種單子葉和雙子葉植物中被鑒定和研究，研究方向多集中在和參與植物應對生物及非生物脅迫的抗性響應上，它們被認為是SA受體，共同調控植物免疫。正向調節SA介導的植物免疫，而的主要功能是作為植物防御的負向調節因子。基因組信息不足和落后的生物技術極大限制園藝物種中R基因的發現，而關鍵同源物的鑒定和應用已被證明是產生抗病轉基因植物的有效方法，在園藝作物如番茄、胡蘿卜和柑橘中異源表達，顯示出具有增強的廣譜疾病和害蟲抗性的轉基因植物的潛力。因此，對芫荽-like基因家族的鑒定和分析將有助于傘形科科和其他植物物種的抗病育種。

本研究在最新發表的芫荽高質量基因組中搜索like基因家族成員，最終鑒定到7個芫荽-like成員，這個數量與擬南芥(6個)和鱷梨(5個)等植物中like基因家族成員的數量類似。進化和結構分析都將7個分為明顯3組，該聚類方式與擬南芥like基因家族成員的聚類方式相同，且在2個介導蛋白-蛋白相互作用的必需結構域，即BTB/POZ蛋白的N末端和錨蛋白重復結構域的中心區域，在芫荽和擬南芥中都很保守，并且在內含子和外顯子數量和結構方面具有極大的相似性。

在通常狀態下，以分子間二硫鍵形成多聚體的形式存在于細胞質中。當受到生物和非生物脅迫時，SA等誘導基因表達并促進的構象變化，以單體形式轉移至細胞核中，單體在細胞核中積累并激活防御基因表達。單體間二硫鍵的形成在Cys82和Cys150、Cys155、Cys 160、Cys216這幾個保守的半胱氨酸殘基之間形成，～的保守結構域中的這些位點與擬南芥相比完全保守。NLS基序與AtNPR1/2的核定位有關，它在的部分堿性氨基酸(在圖5中用圓點標記)中高度保守。此外，、和中的基序也存在于～中，其與對SA的敏感性十分重要。綜上，聚類在同一進化分枝的擬南芥和芫荽-like家族成員具有相似的基因結構、保守結構域類型和位置排列，并且在關鍵氨基酸位點和功能基序上高度保守，說明屬于同一分支的芫荽NPR蛋白可能以相似的方式展現生物學功能。

存在于基因啟動子或上游區域的獨特順式元件是轉錄因子的結合位點，也是基因調控的關鍵因素。越來越多的證據表明，病原體或水楊酸誘導基因的啟動子包含更多的防御相關順式元件，～的順式元件中防御相關順式元件的富集程度非常高(圖4)。其中，7個基因的啟動子區域均含有2個與SA信號途徑相關的元件，即CAAT-box和TATA-box。除了，其余6個基因啟動子區域都含有受水楊酸間接調控的順式作用元件as-1(activation sequence-1)。此前研究表明，啟動子區域含有W-box(TTGACC)序列，其為轉錄因子特異性識別的DNA結合位點。同樣，W-box元件也存在于、和基因的啟動子區域中，這預示著當芫荽受到生物逆境脅迫時，可能具有與擬南芥基因類似的自我誘導調控機制。

本研究對芫荽-like基因家族成員進行生物信息學和表達分析，不僅為更好地研究芫荽生長發育和抗病機制提供一定的參考，同時也為傘形科園藝作物的抗病改良提供重要的基因資源。