北美鹅掌楸YABBY转录因子家族的鉴定与表达分析_刘换换.pdf

Vol.43 No.2Feb.2023第 43 卷 第 2 期2023 年 2 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期：2022-03-15基金项目：国家自然科学基金项目（31770718，31470660）；江苏省高校优势学科项目（PAPD）。第一作者：刘换换（），讲师，博士。通信作者：李火根（），教授，博士。引文格式：刘换换,杨立春,张成阁.北美鹅掌楸 YABBY 转录因子家族的鉴定与表达分析 J.中南林业科技大学学报,2023,43(2):133-143,165.LIU H H,YANG L C,ZHANG C G,et al.Identification and expression analysis of the YABBY family in Liriodendron tulipiferaJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2023,43(2):133-143,165.北美鹅掌楸 YABBY 转录因子家族的鉴定与表达分析刘换换1，2，杨立春1，张成阁1，郝自远1，李火根1（1.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037；2.江苏农林职业技术学院 风景园林学院，江苏 句容 212400）摘 要：【目的】YABBY 转录因子家族仅存在于种子植物中，对植物的早期胚胎发育、果实发育、次生代谢物合成、逆境应答、侧生器官分化和背腹极性建立等方面均具有重要作用，而目前对鹅掌楸属植物的 YABBY 家族基因的研究较少。为了解北美鹅掌楸 YABBY 家族的成员和特征，对其成员进行了鉴定、亚细胞定位及表达模式分析等研究工作。【方法】从北美鹅掌楸花器官转录组中筛选出 YABBY 家族基因序列，采用 RACE 扩增技术获得了其中 2 个差异表达基因的全长，分别命名为 LtYABBY1,5，并对他们进行生物信息学分析。随后，利用 RT-qPCR 检测 LtYABBY1,5 在北美鹅掌楸的根、茎、叶、花芽、萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊等 8 个组织中的表达水平。最后，通过烟草瞬时转化体系对 LtYABBY1,5 蛋白进行进一步亚细胞定位分析。【结果】在北美鹅掌楸中共鉴定出 6 个 YABBY 成员，分别属于 YABBY1/FILAMENTOUS FLOWER(FIL)、YABBY2、YABBY5 亚族，外显子数量均为 7 个。克隆所得其中 2 个基因 LtYABBY1,5，全长分别为 1 255、1 078 bp，编码了 210、188 aa，生物信息学分析结果显示，两者均为亲水蛋白与非跨膜蛋白。RT-qPCR 试验发现 LtYABBY1 整体表达水平较高，尤其是在北美鹅掌楸的花芽和雌蕊中高表达，而 LtYABBY5 整体表达水平较低，仅在叶片、花芽、雌蕊和萼片中有少量表达。亚细胞定位分析结果表明，LtYABBY1,5 蛋白定位于细胞核，与预测结果基本一致。【结论】北美鹅掌楸 YABBY 成员较少，其中 LtYABBY1 在花芽中特异表达，基于上述结果，推测该基因可能参与了北美鹅掌楸花芽的早期分生组织的发育调控。关键词：北美鹅掌楸；YABBY；转录因子；表达分析；花芽中图分类号：S792.21 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2023)02-0133-11Identification and expression analysis of the YABBY family in Liriodendron tulipiferaLIU Huanhuan1,2,YANG Lichun1,ZHANG Chengge1,HAO Ziyuan1,LI Huogen1(1.College of Forestry,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China;2.College of Landscape Architecture,Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry,Jurong 212400,Jiangsu,China)Abstract:【Objective】The transcription factor YABBY family is unique to seed plants and plays an important role in the early stages of embryo development,fruit development,secondary metabolite synthesis,stress response,lateral organ differentiation and dorsoventral polarity establishment.However,there are few studies about the YABBY family in Liriodendron.Thus,identification,subcellular localization and expression pattern assays were conducted to analyze the members and characteristics of the YABBY family in L.tulipifera.【Method】The YABBY family homologous sequences were screened from the floral organ RNA-seq data of L.tulipifera.The full length of two differentially expressed genes,LtYABBY1 and 5,were obtained by RACE technology,and they were analyzed by bioinformatics approaches.Then,their expression levels in roots,stems,leaves,flower buds,sepals,petals,stamens and gynoecia of L.tulipifera were detected by RT-qPCR assay.Subsequently,the subcellular localization analyses of LtYABBY1 and LtYABBY5 proteins were conducted by the transient transformation system of tobacco.【Result】A total of six YABBY members of L.tulipifera were identified,which belonged to YABBY1/FILAMENTOUS FLOWER(FIL),YABBY2 and YABBY5 subfamilies with seven exons each.The full length of LtYABBY1 and LtYABBY5 genes were 1 255 bp and 1 078 bp,encoding 210 aa and 188 aa,respectively.LtYABBY1 and LtYABBY5 were both hydrophilic proteins without transmembrane domains.The expression of LtYABBY1 was high,Doi:10.14067/ki.1673-923x.2023.02.015刘换换，等：北美鹅掌楸 YABBY 转录因子家族的鉴定与表达分析134第 2 期YABBY 家族是种子植物特有一类转录因子，暂未在苔藓类、石松类和蕨类植物的转录组和基因组中识别到 YABBY 家族的同源序列，在对植物的早期胚胎发育、果实发育、次生代谢物合成、逆境应答、侧生器官分化和背腹极性建立等方面均具有重要作用1-3。YABBY 家族基因编码的蛋白具有 2 个保守的结构域：N 端的 Cys2/Cys2（C2C2）锌指结构域和 C 端的 helix-loop-helix（bHLH），也称为 YABBY 结构域4-5。目前已对众多物种的YABBY 家族进行了成员分析和功能预测与验证。拟南芥Arabidopsis thaliana中共6个YABBY成员：CRABS CLAW（CRC）、YABBY1/FILAMENTOUS FLOWER（FIL）、YABBY2、YABBY3、YABBY5和 INNER NO OUTER（INO），共 分 为 5 个 亚族：FIL/YABBY3、CRC、INO、YABBY2 和YABBY56。其 中 FIL/YABBY3、YABBY2、YABBY5基因不仅在植株地上部分的远轴区的特异表达，也在花器官中表达，如萼片、花瓣、雄蕊和心皮等，但在胚珠中不表达，因此，这 3 类基因被称为营养生长 YABBY 基因（Vegetative genes）；CRC 在被子植物的心皮、核心双子叶植物的蜜腺发育中发挥重要作用，INO 参与植物胚珠的发育调控，被称为生殖生长 YABBY 基因（Reproductive genes）6-10。不同物种的 YABBY 家族成员数量不同，但其功能与模式植物拟南芥仍然相似。如在单子叶植物玉米 Zea mays 中 YABBY 家族成员有 13 个，而小麦 Triticum aestivum 为 21 个；在双子叶植物桃Prunus persica 中有 6 个，葡萄 Vitis vinifera 为 7 个、石 榴 Punica granatum 为 6 个、番 茄 Solanum Lycopersicon 为 9 个、辣椒 Capsicum annuum 则有7 8 个11-18。双子叶植物的 YABBY 家族成员数量明显少于单子叶植物。进化研究表明，现存的开花植物最后的共同祖先至少有5个YABBY成员19。水稻 Oryza sativa 的 8 个 YABBY 成员，分别命名为 YABBY1-7 和披叶基因 DROOPING LEAF（DL），编码了170314 aa，均预测定位到细胞核，其外显子有 6 7 个。研究发现，水稻的 YABBY家族出现 4 次片段重复事件，表明水稻基因组可能至少经历了 2 次基因组复制20。玉米 YABBY家族的 13 个成员 ZmYAB1-13 同样具有基因扩张现象，ZmYAB1/12 是 OsDL 的同源基因12。小麦YABBY 家族中的 18 个基因编码了 185 297 aa，外显子数目为 5 7 个。在 TaYABBY 启动子区检测到与植物生长发育、激素诱导和逆境胁迫有关的顺式作用元件，基因具有明显的组织表达特异性21。桃有 6 个 YABBY 基因，可分为 CRC、INO、FIL/YAB3、YAB2 和 YAB5 共 5 类，成员具4 6 个内含子，启动子含有大量光应答、激素响应等顺式作用元件，表明该家族基因的表达可能会受到环境、激素等的影响14。石榴（6 个）和葡萄（7 个）在进化过程中没有 YABBY 家族基因扩张现象15-16。石榴 YABBY 家族成员具有 7 个外显子，与拟南芥相似，结构相对保守，将石榴与双子叶植物：拟南芥、大豆Glycine max、番茄和葡萄，单子叶植物：水稻、菠萝 Ananas comosus 和玉米的 YABBY 家族进行进化分析，发现 YABBY5 亚族最小，且是双子叶植物特有的22。鹅 掌 楸 属 Liriodendron 隶 属 木