植物SUS基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化及其在玉米中的干旱誘導(dǎo)表達(dá)分析

吳 越,丁鵬鈞,陳君如,王睿蕾,張愷文,劉夢真,韓兆雪

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

蔗糖合酶(Sucrose synthase,SUS)是植物中以基因家族形式廣泛存在的一種糖基轉(zhuǎn)移酶。在植物體內(nèi)SUS可以催化光合作用產(chǎn)物蔗糖的水解,促進(jìn)蔗糖和尿苷二磷酸(UDP)轉(zhuǎn)化為果糖和尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphate glucose,UDP-G)[1],從而進(jìn)一步參與淀粉和纖維素的合成代謝等過程,因此SUS基因在植物碳源分配及糖信號調(diào)控途徑中扮演重要角色[2]。根據(jù)已有報道,SUS基因參與了植物生長發(fā)育和非生物脅迫響應(yīng)過程[3]。擬南芥內(nèi)的6個SUS基因存在轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式差異,敲除突變體分析發(fā)現(xiàn)它們之間存在功能冗余[4];水稻在成熟期受到高溫脅迫時SUS3基因表達(dá)增加,提高水稻高溫抗性[5];水稻中OsSUS3的大量表達(dá)可以增強(qiáng)其纖維素和胼胝質(zhì)的積累,進(jìn)而增加生物乙醇產(chǎn)量并提高抗逆性[6];當(dāng)存在氧脅迫時,小麥和楊樹中SUS活性提高進(jìn)而增加細(xì)胞壁厚度、促進(jìn)纖維素積累以及提高抗逆性[7];黃瓜CsSUS3基因反義表達(dá)植株的低氧脅迫抗性顯著降低,表明CsSUS3參與黃瓜低氧脅迫響應(yīng)[8];在高鎘濃度下,玉米枝條中的蔗糖合酶活性提高,根系中蔗糖合酶活性降低[9];另外,蔗糖合酶還具有潛在的抗旱脅迫功能,例如在干旱脅迫下番茄SUS5在葉片和根中的表達(dá)顯著下調(diào)[10],黃瓜CsSUS3基因在幼根和幼葉中表達(dá)上調(diào),蔗糖合酶活性增加[11],大豆GmSusy1和GmSusy2在葉片和種子中表達(dá)量增加。

目前,SUS基因家族的系統(tǒng)發(fā)育研究已經(jīng)在擬南芥、水稻、番茄、葡萄、蘋果和芥菜等多個單物種中廣泛展開[12-15],但對多物種中SUS基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化研究僅有1篇文獻(xiàn)報道,該文獻(xiàn)主要對19個物種的100個SUS基因進(jìn)行了系統(tǒng)進(jìn)化分析,初步分析了該基因家族的進(jìn)化特征[16]。已有研究表明,多物種的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化分析更有利于探究基因家族的起源,有助于全面呈現(xiàn)物種演化過程中基因家族成員的保留、丟失和功能分化等過程。因此,為全面準(zhǔn)確地揭示植物SUS基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律及功能特征,本研究擬對包括綠藻、苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物在內(nèi)的50個代表物種中的SUS基因家族進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)的生物信息學(xué)分析,推斷植物SUS家族的系統(tǒng)發(fā)育軌跡,進(jìn)一步結(jié)合RNA-seq基因表達(dá)數(shù)據(jù),以玉米SUS家族為例,分析干旱脅迫誘導(dǎo)SUS基因的表達(dá)模式,這將有助于深入理解高等植物SUS基因表達(dá)和功能分化與物種進(jìn)化的關(guān)系,進(jìn)一步為SUS基因響應(yīng)非生物脅迫的功能研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 50個物種中SUS基因家族的鑒定

從Pfam數(shù)據(jù)庫中下載SUS家族的兩個保守蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域Sucrose synth(PF00862)和Glycostransf 1 (PF00534)的隱馬爾可夫模型(HMM,Hidden Markov Model),使用軟件HMMER中的hmmsearch對包含34種雙子葉植物、11種單子葉植物、1種基部被子植物、1種裸子植物、1種蕨類植物、1種苔蘚植物和1種綠藻植物在內(nèi)的50個具有代表性的物種的候選SUS蛋白進(jìn)行鑒定[17-18],閾值設(shè)置為E=0.001;進(jìn)一步利用擬南芥內(nèi)已鑒定的6個SUS蛋白進(jìn)行Blastp檢驗(yàn)[19]。最后使用Conserved Domain Database (https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)在線數(shù)據(jù)庫將所得候選蛋白序列進(jìn)行分析,去除結(jié)構(gòu)域不完整的序列[20]。50個物種基因組序列和注釋文件從GitHub(https：//github.com/zhaotao1987)內(nèi)獲取[21-22]。

1.2 SUS基因家族的序列比對、系統(tǒng)進(jìn)化及基因共線性分析

使用MAFFT對鑒定出的SUS蛋白質(zhì)序列進(jìn)行多序列比對[23]。以來自膠球藻(Coccomyxasubellipsoidea)的SUS蛋白作外類群[24],使用FastTree構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。使用DIAMOND進(jìn)行物種間和種內(nèi)的基因組序列比對,MCScanX對共線性區(qū)域進(jìn)行檢測[25],Rstudio對結(jié)果進(jìn)行調(diào)取,Gephi將共線性結(jié)果可視化。

1.3 SUS蛋白的理化性質(zhì)和亞細(xì)胞定位預(yù)測

使用ExPASy Compute pI/Mw、GRAVY CALCULATOR和TMHMM - 2.0等在線數(shù)據(jù)庫分析SUS候選蛋白序列的分子量、等電點(diǎn)、親疏水性及跨膜結(jié)構(gòu)域等理化性質(zhì)。使用YLoc對SUS蛋白進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測[26-27]。

1.4 干旱脅迫下玉米SUS基因的表達(dá)分析

在GEO數(shù)據(jù)庫[28]獲取玉米正常生長條件與干旱條件下SUS基因的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)數(shù)據(jù)(GSE71723)[29],探究干旱脅迫下玉米SUS基因的響應(yīng)表達(dá)情況。使用FPKM(Fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped)表示SUS基因的表達(dá)水平,當(dāng)基因的|log2(fold change)|≥1且錯誤發(fā)現(xiàn)率(FDR,False discovery rate)≤0.05時被認(rèn)定為差異表達(dá)基因。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物SUS基因家族的鑒定及系統(tǒng)發(fā)育分析

50個植物物種包括大豆、蘋果、擬南芥和棉花在內(nèi)的34種雙子葉植物、包括水稻、玉米和小麥在內(nèi)的11種單子葉植物、1種基部被子植物、1種裸子植物、1種蕨類、1種苔蘚和1種綠藻。在50種植物內(nèi)共鑒定出283個SUS基因,對基因數(shù)目分析發(fā)現(xiàn),三個早期物種卷柏(Selaginellamoellendorffii)、小立碗蘚(Physcomitrellapaten)和膠球藻(Coccomyxasubellipsoidea)中共含有6個SUS基因,裸子植物云杉(Piceaabies)含有2個,其余275個SUS基因都存在于被子植物中,其中基部被子植物無油樟(Amborellatrichopoda)中鑒定出2個SUS基因,大部分雙子葉植物和單子葉植物的SUS基因數(shù)目為5～8個,雙子葉植物中基因數(shù)目大于10個的有四個物種,如桉樹(Eucalyptusgrandis)和大豆(Glycinemax)內(nèi)分別有11個和 12個,薔薇科植物蘋果(Malusxdomestica)和梨(Pyrusxbretschneideri)內(nèi)分別有15個和14個;單子葉植物內(nèi)SUS基因數(shù)目均不超過10個,例如玉米(Zeamays)內(nèi)有6個,高粱(Sorghumbicolor)內(nèi)有5個。結(jié)合物種進(jìn)化樹上顯示的基因組復(fù)制事件,我們發(fā)現(xiàn)4個SUS基因數(shù)目大于10的雙子葉植物物種均發(fā)生過全基因組二倍化或三倍化復(fù)制事件,推測其基因組經(jīng)歷全基因組多倍化擴(kuò)增出的SUS基因被大量保留下來,而盡管單子葉植物中也發(fā)生了多次全基因組二倍化事件,但在物種進(jìn)化過程中很多擴(kuò)增基因發(fā)生了丟失;另外,雙子葉植物獼猴桃(Actinidiachinensis)和甜菜(Betavulgaris)內(nèi)僅有2個SUS基因,蓖麻(Ricinuscommunis)中只有1個SUS基因,這可能也與全基因組多倍化事件后的基因丟失有關(guān)[30](圖1)。

以膠球藻的SUS基因(38455)作外類群,對SUS基因的推斷氨基酸序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖2,見76頁),發(fā)現(xiàn)3個早期物種包括膠球藻 (1個)、小立碗蘚(4個)和卷柏(1個)的6個SUS基因聚為一個原始進(jìn)化枝,其余SUS基因聚類在3個進(jìn)化枝內(nèi),分別命名為SUS Ⅰ、SUS Ⅱ和SUS Ⅲ 亞家族。SUS Ⅰ是最大的亞家族,包含來自基部被子植物(1個)、單子葉植物(30個)和雙子葉植物(79個)的110個SUS基因;SUS Ⅱ是最小的亞家族,其包含來自單子葉植物(8個)與雙子葉植物(57個)的65個SUS基因;SUS Ⅲ由來自裸子植物(3個)、基部被子植物(1個)、單子葉植物(21個)和雙子葉植物(78個)的102個基因組成。3個亞家族中的單子葉和雙子葉植物來源的成員分別聚類于不同的分枝內(nèi),其中雙子葉植物成員的進(jìn)化枝均按照真雙子葉植物-茄科-薔薇分支種類依次分布。這表明在早期物種中,SUS基因并未分化,3個亞家族是在物種長期進(jìn)化過程中產(chǎn)生的。

注：圖中五角星代表玉米SUS基因。Note：The maize SUS genes are marked byasterisks.圖2 SUS基因家族的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Phylogenetic tree of SUS gene family

2.2 SUS基因家族的理化特征分析

對SUS基因家族推斷蛋白的理化性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),不同亞家族SUS蛋白相對分子質(zhì)量大部分分布在90 000～100 000 kD,SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的成員平均分子量較為接近,約為93000 kD,SUS Ⅲ成員平均分子量約為101 000 kD(圖3a);SUS Ⅰ和SUS Ⅱ蛋白的等電點(diǎn)較接近,均為pI<7,為酸性蛋白,而SUS Ⅲ 中則有39.2%(40/102)的蛋白等電點(diǎn)pI>7,為堿性蛋白(圖3b)。多肽序列疏水性分析表明所有SUS蛋白均為親水性蛋白(GRAVY<1);此外,我們共鑒定出23個含有跨膜結(jié)構(gòu)域的SUS蛋白,其中SUS Ⅲ含有20個,SUS Ⅰ、和SUS Ⅱ分別含有2個和1個(圖3c)。這一結(jié)果表明,SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的成員序列較保守,進(jìn)化變異較少,而SUS Ⅲ亞家族成員蘊(yùn)含著較高的序列變異性,該亞家族成員理化性質(zhì)變異較大。

圖3 SUS蛋白理化性質(zhì)分析Fig.3 Physicochemical properties of SUS protein

亞細(xì)胞定位預(yù)測結(jié)果顯示,SUS蛋白家族定位于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體、過氧物酶體和質(zhì)膜等,其中細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有245個SUS蛋白,包括早期進(jìn)化物種如卷柏(1個)和小立碗蘚(4個)的蛋白;細(xì)胞核內(nèi)預(yù)測出31個SUS蛋白,除了1個來源于無油樟,其余30個均來源于雙子葉植物;質(zhì)膜內(nèi)預(yù)測出3個SUS蛋白,1個來源于雙子葉植物甘藍(lán),另外2個分別來源于單子葉植物玉米和二穗短柄草;過氧物酶體內(nèi)預(yù)測出2個SUS蛋白,均來源于獼猴桃;線粒體內(nèi)預(yù)測出1個來源于二穗短柄草的SUS蛋白(圖3d)。這一結(jié)果表明不同物種譜系內(nèi)的SUS蛋白的亞細(xì)胞定位已產(chǎn)生分化,可能各自執(zhí)行不同的功能。

2.3 SUS基因家族的共線性分析

共線性分析在多物種基因家族分析中是了解種間和種內(nèi)基因及基因組進(jìn)化軌跡的有力方法[31]。通過對283個SUS基因進(jìn)行共線性分析發(fā)現(xiàn),其中有197(197/283,69.86%)個基因?yàn)楣簿€性同源基因,這些共線性同源基因間存在1969對共線性關(guān)系,僅存在于被子植物中。結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn)SUS Ⅰ、SUS Ⅱ和SUS Ⅲ亞家族內(nèi)分別存在962對、587對和411對共線性基因關(guān)系,大部分共線性基因?qū)Φ膬蓚€基因均位于同一亞家族內(nèi),而有9對共線性關(guān)系是由不同亞家族之間的基因產(chǎn)生的(圖4)。進(jìn)一步對這9對基因分析發(fā)現(xiàn),有8對共線性關(guān)系都是由SUS Ⅲ的菜豆(Phaseolusvulgaris)基因(Phvul.006G087300)與SUS Ⅱ的 8個基因之間產(chǎn)生的,該基因還與SUS Ⅲ的11個基因有亞家族內(nèi)部的共線性關(guān)系(圖4b);另一對則來源于SUSⅠ的紫色假雀麥(Brachypodium_distachyon)基因(Bradi1g46670)和SUS Ⅱ的香蕉(Musaacuminata)基因(GSMUA_Achr8G22470),Bradi1g46670在SUS Ⅱ內(nèi)部僅有1個共線性基因,而GSMUA_Achr8G22470在SUSⅠ內(nèi)部有21對共線性基因(圖4b)。進(jìn)一步對共線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化分析發(fā)現(xiàn),SUS Ⅲ的共線性網(wǎng)絡(luò)又可細(xì)分為兩個亞群,兩個亞群內(nèi)部各自有213對和166對共線性基因,而亞群之間僅有23對共線性基因,我們推測在SUS家族分化為三個亞家族后,SUS Ⅲ在后面的進(jìn)化過程中進(jìn)一步分化為SUS Ⅲ-A和SUS Ⅲ-B兩個亞群,表明兩個亞群的成員可能發(fā)生了潛在的功能分化;結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育樹分析發(fā)現(xiàn),SUS Ⅲ亞家族內(nèi)的單子葉植物所在的進(jìn)化枝對應(yīng)于B亞群,雙子葉植物進(jìn)化枝對應(yīng)于A、B兩個亞群(圖4b),這表明雙子葉植物來源的SUS Ⅲ亞家族基因可能比同家族的單子葉植物來源的基因具有功能多樣性。

綜合系統(tǒng)發(fā)育分析和共線性分析可推測出植物SUS基因家族的進(jìn)化軌跡(圖5,見77頁)[32],結(jié)果表明,SUS基因家族在蕨類植物到種子植物的進(jìn)化過程中由一次復(fù)制事件分化為兩個亞家族,分別是SUS Ⅲ和SUSⅠ&Ⅱ的共同祖先,SUSⅠ&Ⅱ的共同祖先在挪威云杉(Piceaabies)中可能已丟失;在被子植物分化以前,SUSⅠ&Ⅱ的共同祖先由一次復(fù)制事件擴(kuò)增為SUSⅠ和SUS Ⅱ亞家族,SUS Ⅱ在基部被子植物無油樟中可能已丟失;并且SUS Ⅲ在雙子葉植物中可能具有繼續(xù)分化為SUS Ⅲ-A和SUS Ⅲ-B的趨勢。

2.4 玉米SUS基因家族的干旱脅迫響應(yīng)表達(dá)模式分析

為探究SUS基因在植物應(yīng)對非生物脅迫中的生物學(xué)功能,以玉米為例,分析了正常生長和干旱脅迫下玉米三個組織(葉、雄穗和雌穗)在四個發(fā)育時期(V12、V14、V18和R1)內(nèi)SUS基因家族成員的表達(dá)情況。

玉米SUS基因家族包含SUSⅠ-Ⅲ 3個亞家族,共有6個成員,每個亞家族各有2個成員。同正常生長條件(WW)相比,干旱脅迫(DS)處理下玉米中4個SUS基因表達(dá)水平呈現(xiàn)差異,亞家族之間的基因表達(dá)具有明顯不同的表達(dá)模式,同一亞家族內(nèi)的兩個基因呈現(xiàn)出相似的表達(dá)模式,尤其SUSⅡ內(nèi)的兩個基因在不同組織的不同發(fā)育時期均具有極為相似的表達(dá)趨勢和表達(dá)水平。SUS Ⅰ有一個差異表達(dá)基因(Zm00001d045042),干旱脅迫下,Zm00001d045042在葉片的R1時期表達(dá)上調(diào)(|log2(Fold change)|=1.82143,FDR=1.88×10-4);SUSⅡ中兩個基因均呈現(xiàn)差異表達(dá),其中Zm00001d029087在雌穗的R1時期受干旱誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)(|log2(Fold change)|=1.47467,1.88×10-4),在Tassel_V12表達(dá)上調(diào)(1.80696,9.37×10-4),Zm00001d029091在Ear_R1表達(dá)上調(diào)(1.7783,4.55×10-3),在Ear_V12表達(dá)上調(diào)(1.93171,3.65×10-4);SUSⅢ有一個基因差異表達(dá),Zm00001d014876在Ear_R1表達(dá)下調(diào)(-1.85212,3.56×10-4),在Leaf_R1表達(dá)上調(diào)(1.03997,1.88×10-4)(圖6,見78頁),玉米SUS基因在干旱脅迫下的表達(dá)水平變化表明其響應(yīng)干旱脅迫調(diào)節(jié),有潛在的抗旱功能。另外,SUSⅢ的兩個基因的表達(dá)模式不同,Zm00001d014876在R1和V18兩個時期有表達(dá)高峰,而Zm00001d051837在各個時期都只有低水平的表達(dá),這暗示了SUSⅢ中可能發(fā)生的功能分化或冗余。

3 討 論

隨著植物全基因組序列的公開,越來越多SUS基因家族從不同單物種中得到鑒定,然而基于多物種進(jìn)行系統(tǒng)分析SUS基因家族的研究還鮮見報道。本研究整合物種進(jìn)化、氨基酸序列、基因共線性關(guān)系以及玉米SUS家族的基因結(jié)構(gòu)和干旱誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜分析,對50個物種內(nèi)鑒定出的283個SUS基因進(jìn)行了綜合分析。

注：綠色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅠ基因,橙色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅡ基因,黃色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅢ-A基因,深黃色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅢ-B基因,棕色節(jié)點(diǎn)代表SUSⅢ的其它基因,藍(lán)色節(jié)點(diǎn)代表原始進(jìn)化枝的基因。Note：Each node represents a gene of the SUS family.Green nodes represent genes of SUSⅠ,orange nodes represent genes of SUSⅡ,yellow nodes represent genes of SUSⅢ-A subgroup,dark yellow nodes represent genes of SUSⅢ-B subgroup,brown nodes represent the other SUSⅢ genes,and blue nodes represent genes of the ancestor clade.圖4 SUS基因家族的共線性關(guān)系Fig.4 Synteny analysis of SUS gene family

注：虛線框代表推測存在的亞家族共同祖先和可能出現(xiàn)的進(jìn)一步分化結(jié)果。Note：The dashed box represents the potential common ancestor of the subfamily and possible further differentiation results.圖5 植物SUS基因家族進(jìn)化軌跡Fig.5 The evolutionary track of the plant SUS gene family

系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明,植物SUS基因家族在三個早期物種膠球藻、小立碗蘚和卷柏中未出現(xiàn)明顯的亞家族結(jié)構(gòu)分化,從裸子植物挪威云衫開始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分化,SUS祖先基因最先進(jìn)化出SUS Ⅲ亞家族,到基部被子植物無油樟中出現(xiàn)SUS Ⅰ亞家族的分化,而單子葉和雙子葉植物中又進(jìn)化出SUS Ⅱ亞家族,這可能表明SUS基因家族的結(jié)構(gòu)分化是從裸子植物和被子植物的共同祖先中開始出現(xiàn)的,每一次新的結(jié)構(gòu)分化可能伴隨著物種的分化而產(chǎn)生。此外,三個亞家族中的單子葉和雙子葉植物來源的成員分別呈現(xiàn)明顯的分簇聚類,這與文獻(xiàn)[16]報道中10種雙子葉植物和5種單子葉植物SUS基因家族進(jìn)化的分簇聚類模式一致;有趣的是,我們發(fā)現(xiàn)SUSⅠ中所有雙子葉植物的基因僅聚類在一個進(jìn)化枝內(nèi),而SUSⅡ和SUS Ⅲ內(nèi)雙子葉植物的基因聚類在兩個分枝內(nèi),這可能暗示了SUS Ⅰ中雙子葉植物的基因功能更趨于保守,而SUS Ⅱ和SUS Ⅲ中的雙子葉植物的基因產(chǎn)生了潛在的功能分化;然而,三個亞家族內(nèi)的雙子葉植物的基因進(jìn)化枝存在明顯不同,其中SUS Ⅱ內(nèi)的雙子葉植物的兩個基因進(jìn)化分枝的物種類別不同,其中一個分枝內(nèi)沒有鑒定出茄科植物(馬鈴薯、番茄、辣椒、雙峰貍藻、獼猴桃)和真雙子葉植物(蓮和甜菜)中的SUS基因,這表明這些基因可能在物種進(jìn)化過程中發(fā)生了丟失,而其它雙子葉植物基因進(jìn)化分枝的物種均由真雙子葉植物、茄科和薔薇譜系的物種構(gòu)成。

SUS基因家族的共線性分析表明,有197個(197/283,69.86%)基因?yàn)楣簿€性同源基因,這些具有共線性的基因僅存在于40種被子植物中。基因間的共線性關(guān)系主要集中在三個亞家族內(nèi)部,跨不同亞家族的基因共線性關(guān)系僅有9對,我們推測三個亞家族可能具有各自獨(dú)立的進(jìn)化模式,這與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系表明的SUS基因家族呈現(xiàn)出的三個亞家族的進(jìn)化模式一致;其中SUS Ⅰ內(nèi)含有最多的共線性基因?qū)?962/1969,48.86%),SUS Ⅱ和SUS Ⅲ含有數(shù)目接近的共線性基因?qū)ΑUSⅠ的雙子葉植物的52個基因之間形成747個共線性基因?qū)?不同雙子葉植物的基因之間具有廣泛的共線性關(guān)系,而且單子葉植物和雙子葉植物之間的共線性基因?qū)σ草^多(163對),暗示SUSⅠ內(nèi)基因的進(jìn)化十分保守;然而,SUS Ⅱ內(nèi)雙子葉植物的49個基因之間形成了521個共線性基因?qū)?SUS Ⅲ內(nèi)雙子葉植物的63個基因之間僅形成了362個共線性基因?qū)ΑＳ腥さ氖?我們發(fā)現(xiàn)SUS Ⅲ成員的共線性網(wǎng)絡(luò)中明顯呈現(xiàn)出兩個獨(dú)立的共線性亞群SUS Ⅲ-A和SUS Ⅲ-B,而系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2)分析表明,SUS Ⅲ亞家族成員分別聚類為單子葉植物和雙子葉植物的兩個進(jìn)化枝,其中雙子葉植物的基因進(jìn)化枝又包括兩個亞組,而其中的一個雙子葉植物的進(jìn)化枝亞組與單子葉植物的進(jìn)化枝成員形成SUS Ⅲ-B共線性子網(wǎng)絡(luò),另一個雙子葉植物的進(jìn)化枝亞組單獨(dú)形成SUS Ⅲ-A共線性子網(wǎng)絡(luò)(圖4),這表明兩個雙子葉植物的進(jìn)化枝亞組可能在物種進(jìn)化過程中出現(xiàn)了更多的序列變異,暗示SUS Ⅲ的兩個雙子葉植物的亞組成員在物種進(jìn)化過程中具有繼續(xù)分化的趨勢,而且,與SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族相比,SUS Ⅲ內(nèi)各成員也表現(xiàn)出更大差異的理化性質(zhì)(圖3)。

注：(a)正常和干旱條件下玉米SUS基因在各組織不同發(fā)育時期的表達(dá)水平;(b)玉米SUS基因內(nèi)含子-外顯子結(jié)構(gòu);(c)干旱條件下玉米SUS基因差異表達(dá)熱圖。Note：(a)Expressions profiles of maize SUS gene in three tissues of maize at four developmental stages under well-watered and drought-stressed conditions;(b)The intron-exon structure of SUS genes in maize;(c) Heatmap of expression levels of maize SUS genes under drought stress.圖6 玉米SUS基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)模式Fig.6 Maize SUS gene structure and expression pattern

玉米干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表達(dá)分析進(jìn)一步揭示了玉米SUS基因在干旱脅迫下的表達(dá)模式。共有4個玉米SUS基因受干旱誘導(dǎo)差異表達(dá),這表明SUS基因在玉米干旱應(yīng)答中起作用,這與關(guān)于禾本科作物抗旱脅迫研究類似。干旱脅迫處理后,大麥HvSs3轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平升高[33],高粱蔗糖合酶基因SbSusy1、SbSusy3、SbSusy4和SbSusy5能提高高粱幼苗的抗旱性,SbSusy2在干旱脅迫處理后表達(dá)下調(diào)[34];而且SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的2個成員在玉米不同生長發(fā)育時期分別表現(xiàn)出相似的表達(dá)趨勢或模式,而SUSⅢ內(nèi)的兩個基因的表達(dá)模式差異較大;基因結(jié)構(gòu)分析表明,SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族內(nèi)的2個成員分別具有相似的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)特征,而SUS Ⅲ內(nèi)的兩個成員結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較大差異,這充分說明了基因結(jié)構(gòu)決定了基因表達(dá)的模式,進(jìn)一步?jīng)Q定基因的功能。該結(jié)果也說明SUS Ⅰ和SUS Ⅱ亞家族成員的結(jié)構(gòu)和表達(dá)具有各自的保守性,這兩個亞家族可能來自于古老的被子植物祖先經(jīng)過全基因組復(fù)制而產(chǎn)生,進(jìn)一步產(chǎn)生了某些程度的功能分化;而SUS Ⅲ成員表現(xiàn)出更多的趨異特征,保守性較SUSⅠ、Ⅱ相比更弱,這也與三個亞家族各自的進(jìn)化特征相一致。

現(xiàn)有的蔗糖合酶基因研究表明,蔗糖合酶基因廣泛參與植物生長發(fā)育和脅迫響應(yīng),在抗低溫、低氧、重金屬、干旱響應(yīng)中都發(fā)揮作用。本研究初步研究了植物蔗糖合酶家族的進(jìn)化,并揭示其在玉米中發(fā)揮的干旱功能,為進(jìn)一步研究玉米抗旱功能提供了依據(jù)。