工業大麻類受體激酶基因家族生物信息學分析

曹 焜,孫宇峰,趙 越,朱 浩,王 盼,孫凱旋,王曉楠

(黑龍江省科學院大慶分院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

蛋白激酶是植物中最大的蛋白質家族之一,在擬南芥和水稻中研究較為深入[1]。其中,類受體激酶(receptor-like kinases,RLKs)是最大的一類蛋白激酶,目前已發現了25 700多個成員,在植物信號識別、轉導等方面發揮重要作用[2]。RLK屬于一種跨膜蛋白,可將胞外的信號傳入胞內并參與細胞的生長發育過程[3]。因為胞外環境是復雜多變的,使得RLK的胞外結構域也十分復雜[4]。其中,富亮氨酸重復序列(LRR)屬于RLK的最大一個亞家族,凝集素受體樣激酶(LEC),是RLK的第二大群體,在逆境脅迫響應方面發揮重要作用[5]。

非生物脅迫對植物的生長發育造成非常不利的影響。黑龍江省約有66.7萬公頃鹽堿地,且呈逐年遞增趨勢,嚴重影響糧食、牧草產量,進而限制了農牧業的發展。工業大麻適應性廣,具有較強的鹽堿耐受性,隨著供給側結構改革和種植結構的調整,工業大麻種植向鹽堿地轉移已成為趨勢。目前,關于工業大麻鹽堿耐受性的研究大多集中在種子萌發、生理生化特性和基因轉錄等方面,而信號感知和傳遞方面的研究較少。本研究采用生物信息學方法,對工業大麻RLK家族的基因結構、注釋信息等進行分析,豐富了RLK基因家族的分子調控網絡和基因功能研究,為工業大麻的分子育種提供基因資源及理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以鹽堿耐受型品種火麻一號(品種1)和鹽堿敏感型品種金刀15(品種2)為試驗材料(種子均由由黑龍江省科學院大慶分院提供)。待幼苗生長到3對真葉時,在培養液中加入NaHCO3,對照組不加NaHCO3。分別在脅迫0 h和12 h采集長勢一致的幼苗根部樣品進行轉錄組測序,從測序結果中篩選工業大麻RLK基因家族候選序列。

1.2 分析方法

轉錄因子預測:利用植物轉錄因子數據庫plantTFDB對候選基因進行篩選和注釋。利用NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)數據庫和MEME(http://meme-suite.org/)分析保守結構與motif。利用TBtools軟件對基因結構進行可視化分析。

2 結果與分析

2.1 工業大麻轉錄因子預測

在NaHCO3脅迫下,獲得的轉錄組數據進行轉錄因子分析(圖1A),共預測165個轉錄因子家族的1010個轉錄因子,包括RLK-Pelle、NAC、MYB、C2H2、TRAF、bZIP等轉錄因子家族,其中RLK基因家族成員數量最多。進一步對RLK基因家族的成員進行分析(圖1B),從63個基因中預測到25個RLK亞家族的轉錄因子。

圖1 NaHCO3脅迫下工業大麻中轉錄因子預測Fig.1 Prediction of transcription factors in industrial hemp under NaHCO3 stress

2.2 工業大麻RLK結構分析

根據親緣關系將工業大麻RLK蛋白分成12組(圖2),成員最多的為IV亞家族,包括17個成員;其次是VI和II亞家族,均包括11個成員;而I、V和XII亞家族成員最少,僅包含1個成員。工業大麻RLK蛋白鑒定得到的20個motif中(圖2和圖3),長度在15～50,motif7的保守性得分最高,其中motif9、motif12、motif14和motif18具有類似XXLXXLXX的保守結構域。工業大麻RLK的保守結構域主要有4個(圖3),即PKc超家族、STKc_IRAK、PLN00133超家族和USP。

圖2 工業大麻RLK蛋白的保守結構域分析Fig.2 Analysis of conserved domain of RLK protein in industrial hemp

圖3 20個保守位點的LOGO圖Fig.3 LOGO of 20 conservative sites

為系統研究工業大麻RLK家族潛在的生物學功能,分析RLK在不同品種受NaHCO3脅迫條件下的表達模式(圖4),對63個基因的表達量進行分析,發現NaHCO3脅迫后基因的表達模式基本相同,但在品種1和品種2中的表達模式略有差異,說明RLK基因的表達受NaHCO3脅迫發生變化,且其表達模式與不同品種的鹽堿耐受性有關。

圖4 工業大麻RLK基因的潛在生物學功能Fig.4 Potential biological function of RLK gene in industrial hemp

3 討論

RLK在植物逆境脅迫響應方面發揮著重要作用[1]。當植物受到逆境脅迫時,RLK的胞外結構域能識別環境信號,進而通過跨膜結構傳遞至胞內,從而調控植物對逆境脅迫的適應性[13]。MAPK是RLK的底物之一[14],本研究中有11條工業大麻RLK基因注釋在MAPK信號通路中,推測工業大麻RLK通過激活MAPK后,再激活后續的轉錄因子,調控了工業大麻在NAHCO3脅迫下的基因表達[15]。

在植物激素信號轉導方面,RLK通過負調控ABA的信號轉導,從而調控植物的生長發育和鹽堿耐受性[16-17]。本研究中有9條工業大麻RLK基因注釋在植物激素信號轉導途徑,其中有些基因與油菜素內酯信號途徑中的油菜素類固醇信號激酶有關,但其具體調控機制是否與擬南芥相似[18]有待進一步研究。

鹽堿脅迫對工業大麻種子萌發、生長發育、莖稈和種子產量及品質均有負面影響,因此了解工業大麻對鹽堿環境的適應機制具有重要意義。目前,關于工業大麻鹽堿耐受性機制的研究已有一些報道,而信號感知和傳遞方面的研究較少。從工業大麻RLK家族的基因結構、表達模式、注釋信息等方面進行分析,為后續研究RLK基因家族參與工業大麻調控鹽堿脅迫的信號轉導作用機制提供參考,為工業大麻的分子育種提供基因資源,對提高蘇打鹽堿地的綜合利用具有重要理論意義。