百脉根WRKY基因家族生物信息学分析_马培杰.pdf

研究报告Research Report百脉根 WRKY 基因家族生物信息学分析马培杰李亚娇舒健虹王小利*贵州省农业科学院草业研究所,贵阳,550006*通信作者,摘要WRKY 转录因子是一个超家族的调节因子，参与植物的多种生物过程和逆境胁迫反应。然而，在百脉根中对 WRKY 家族还没有相关的研究。本研究共鉴定出 79 个 LjWRKYs 基因，它们不均匀分布在各染色体上的基因位点编码，与拟南芥 AtWRKYs 进行系统发育分析，分为 I、II 和 III 类。保守基序和外显子-内含子数目表明 79 个 LjWRKYs 在不同亚簇中均具有较大的差异，顺式作用元件结果显示在上游 2 000 bp 启动子区域包含多种逆境胁迫、激素和生长发育相关的元件。共线性结果有 36 对片段复制和 1 对串联重复复制共线性基因，且 Ka/Ks 均小于 1。本研究通过分析百脉根 WRKY 基因家族的基本结构与性质，为深入研究百脉根 WRKY 基因家族提供了基础。关键词百脉根;WRKY;基因家族Bioinformatics Analysis of WRKY Gene Family in the Lotus corniculatusMa PeijieLi YajiaoShu JianhongWang Xiaoli*Institute of Prataculture,Guizhou Academy of Agricultural Sciences,Guiyang,550006*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.004606AbstractWRKYtranscription factors are a superfamilyofregulatoryfactors involved in a varietyofplant biologi-cal processes and stress responses.However,there is no research on WRKY family in Lotus corniculatus L.A totalof 79 LjWRKYs genes were identified in this study.They were encoded by loci unevenly distributed on each chro-mosome.Phylogenetic analysis was conducted with AtWRKys in Arabidopsis thaliana,and theywere divided into I,II and III categories.The results of conserved motifs and exon intron numbers showed that 79 LjWRKYs were dif-ferent in different sub clusters.Cis acting elements showed that the upstream 2 000 bp promoter region contained avariety of stress,hormone and growth related elements.The results showed that there were 36 pairs of fragmentreplication and 1 pair of tandem repeats,and the Ka/Ks were less than 1.In this study,the basic structure and prop-erties of WRKY gene family were analyzed,which provided the basis for further study of WRKY gene family.KeywordsLotus corniculatus;WRKY;Gene family基金项目：本研究由贵州省重点基金项目(黔科合基础 2019 1449 号)、贵州省农业科学院青年基金项目(黔农科院青年基金2019 23 号)、贵州省创新人才团队项目(黔科合平台人才 2020 5005)和贵州省高层次创新型人才培养项目(黔科合平台人才2018 5634)共同资助引用格式：Ma P.J.,Li Y.J.,Shu J.H.,and Wang X.L.,2023,Bioinformatics analysis of WRKY gene family in the Lotus corniculatus,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(14):4606-4617.(马培杰,李亚娇,舒健虹,王小利,2023,百脉根 WRKY 基因家族生物信息学分析,分子植物育种,21(14):4606-4617.)百脉根(Lotus corniculatus)又名五叶草、牛角花，属多年生草本植物，性喜温暖潮湿气候，具有营养丰富、适口性好等优点，同时也是优质的水土保持植物(闫向忠,2007;杨芳等,2020)，百脉根野生种广泛分布在贵州各地。但是，百脉根在自然生长条件下经常会遭受各种不利环境和逆境胁迫，影响其生长发育，严重甚至造成植株死亡(李鸿雁等,2020)。植物生长发育经常会遭受生物胁迫和非生物胁分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 14 期，第 4606-4617 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.14,4606-4617迫逆境胁迫，影响各组织部位的形态建成和体内的生理生化反应(李鸿雁等,2020)。转录因子(Transcrip-tional factors)可与顺式元件结合或与其他调控因子相互作用，调控下游防御相关基因的表达(Lietal.,2015)。许多研究表明，转录因子在植物逆境响应中发挥着重要的调控作用，包括 bHLH(Jinetal.,2016)、MYB(Guoet al.,2017)、bZIP(Ji et al.,2018)和 WRKY(Tang etal.,2014)等。WRKY 蛋白是最大的转录因子家族之一，具有复杂的生物学功能，从单细胞藻类到高等植物等多种植物具有特异性。例如，在拟南芥中，AtWRKY50的过表达促进了芥子酸衍生物的产生(Hussain et al.,2018)。AtWRKY46、AtWRKY54 和 AtWRKY70 在激活油菜素甾醇介导的基因表达和抑制干旱基因响应方面具有重要作用(Chen et al.,2017)。OsWRKY47 正向调控水稻产量和耐旱性(Rainerietal.,2015)。TaWR-KY33 显著提高了小麦的抗旱性(Heetal.,2016)。Ptr-WRKY18 和 PtrWRKY35 增强了杨树对黑穗病的抗性(Jiangetal.,2017)。WRKY 转录因子是植物中最大的转录因子家族之一，调控包括胁迫反应在内的多种生物过程(陈丽飞等,2023)。WRKY 蛋白在其 N 端包含一个保守的WRKYGQK 基序，在其 C 端包含一个 60 氨基酸长锌指基序(Zinc finger motif)(Eulgem et al.,2000)。这两个基序对于 WRKY 转录因子与靶基因启动子内的 Wbox 顺式元件(T)TGAC(C/T)的结合至关重要。WRKY蛋白根据WRKY 结构域的数量和锌指基元的类型可分为三类，即 C2H2或 C2HC(Rushtonetal.,2010)。族成员有两个 WRKY 结构域和 C2H2型锌指。族成员只有一个 WRKY 结构域和一个 C2H2锌指基序，根据其 DNA 结合域的序列可进一步分为 5 个亚组(a,b,c,d 和e)，族成员有一个 WRKY 结构域和一个 C2HC 型锌指(Rinerson et al.,2015)。不同物种的全基因组分析发现许多 WRKY 基因,其中小麦(Triticum aestivum)171 个(Ning et al.,2017)，玉米(Zea mays)119 个(Wei et al.,2012)，水稻(Oryza sativa)103 个(Rengasamy et al.,2008)和马铃薯(Solanum tuberosum)79 个(Ishiguro and Nakamura,1994)。因此，本研究旨在对百脉根 WRKY 家族成员进行全基因组分析。从百脉根基因组中共鉴定出 79 个LjWRKYs 蛋白。随后，对其理化性质、保守基序、染色体位置、基因复制、内含子-外显子结构、顺式作用元件、共线性及 Ka/Ks 进行了综合分析。结合拟南芥 WRKY 蛋白构建系统发育树。本研究对百脉根 Lj-WRKYs 基因家族成员进行鉴定分析，为后续百脉根WRKY 基因家族的功能验证及胁迫反应关键基因的挖掘提供参考。1结果与分析1.1百脉根LjWRKY家族成员信息及蛋白理化性质分析从百脉根全基因组中共鉴定得到 79 个 WRKY基因，按照染色体和起始终止位置顺序重命名为LjWRKY1LjWRKY79(表 1)。蛋白质理化性质结果显示，氨基酸数目范围在 137 aa(LjWRKY43)761 aa(LjWRKY11)，分子量范围在 16 145.23 Da(LjWRK-Y43)83 088.08 Da(LjWRKY11)，等电点结果显示有44 个 LjWRKY 成员小于 7，为酸性蛋白质，有 35 个LjWRKY 成员大于 7，为碱性蛋白质。亲疏水性结果均小于 0，表明 75 条 LjWRKY 成员为亲水性蛋白质。亚细胞定位预测结果均在细胞核中(表 1)。1.2百脉根LjWRKY家族成员系统进化树分析百脉根LjWRKY 家族成员系统进化树参考拟南芥 WRKY 基因家族成员亚簇分类划分为、和三个主要亚簇，而亚簇中又可以划分为a、b、c、d 和e 五个小亚簇(图 1)。其中，亚簇中分布 17个 LjWRKY 家族成员，占总数的 21.52%；亚簇中分布 54 个 LjWRKY 家族成员，占总数的 68.35%，a小亚簇中分布 5 个 LjWRKY 家族成员，占总数的9.26%；IIb 小亚簇中分布 11 个 LjWRKY 家族成员，占总数的 20.37%；IIc 小亚簇中分布 21 个 LjWRKY 家族成员，占总数的 38.87%；d 小亚簇中分布 12 个LjWRKY 家族成员，占总数的 22.22%；e 小亚簇中分布 5 个 LjWRKY 家族成员，占总数的 9.26%；亚簇中分布 8 个 LjWRKY 家族成员，占总数的 8.86%。通过系统进化树分析结果显示，在所有亚簇和小亚簇中，在c 亚类群中分布的 LjWRKY 成员最多，这与AtWRKY 蛋白类似，表明c 小亚簇中的 LjWRKY蛋白可能参与了多种生物学功能。1.3百脉根LjWRKY家族成员蛋白保守基序、保守结构域和基因结构分析百脉根79 条 LjWRKY 家族成员蛋白保守基序与系统进化树聚类结果显示，在、和三个亚簇和a、b、c、d 和e 五个小亚簇之间保守基序类型均有差异(图2A)。其中，motif1、motif2 和 motif3 三个保守基序均为 WRKY 类型。亚簇中 17 个 LjWRKY百脉根 WRKY 基因家族生物信息学分析Bioinformatics Analysis of WRKY Gene Family in the Lotus corniculatus4607分子植物育种Molecular Plant Breeding表 1 LjWRKY 家族前 20 个成员信息及蛋白理化性质分析Table 1 Information of the top 20 members of LjWRKY family and analysis of phys