刺梨RrCCoAOMT基因家族的鉴定与生物信息学分析_卢晨.pdf

分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 3 期，第 764-771 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,764-771研究报告Research Report刺梨 RrCCoAOMT 基因家族的鉴定与生物信息学分析卢晨1,2张小英1,2鲁敏1张藉粱1安华明1,2*1 贵州大学农学院,贵阳,550025;2 贵州大学,国家林业和草原局刺梨工程技术研究中心,贵阳,550025*通信作者,摘要咖啡酰辅酶 A 氧甲基转移酶(caffroyl-CoA O-methyltransferase,CCoAOMT)是一类 S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)甲基转移酶，本研究采用生物信息学方法，旨在鉴定和注释刺梨中 CCoAOMT 家族基因的全基因组序列，分析 RrCCoAOMT 基因的分布，同时分析 RrCCoAOMT 基因结构与其启动子顺式调控元件。结果表明，刺梨中预测具有 3 个 CCoAOMT 基因，氨基酸的长度范围为 180245，分子量范围为 20 496.5327 815.17 kD，等电点为 4.706.14。蛋白质二级结构预测结果表明 RrCCoAOMT 家族蛋白主要以-螺旋和不规则卷曲为主。本研究对 CDS 上游 2 kb 启动子区域的顺式元件分析表明，光是影响该家族功能的重要因素。亚细胞定位预测表明 RrCCoAOMT 家族蛋白主要定位于细胞质中，其中仅 CCoAOMT01 定位到细胞骨架上，预测其与木质素的合成最相关。RT-qPCR 结果表明：经遮阴处理后，CCoAOMT01 的基因表达量逐渐下降，而外源 Ca2+处理则上调 CCoAOMT01 的表达；经 ETH 及 SA 处理后，CCoAOMT01 的基因表达量表达模式为先下降，后上升。以上结果为进一步研究刺梨 CCoAOMT 参与木质素合成机制提供了理论参考。关键词刺梨;CCoAOMT;木质素;生物信息学分析Identification and Bioinformatics Analysis of RrCCoAOMT Gene Family inRosa roxburghiiLu Chen1,2Zhang Xiaoying1,2Lu Min1Zhang Jiliang1An Huaming1,2*1 School of Agriculture,Guizhou University,Guiyang,550025;2 National Forestry and Prairie Bureau Rosa Roxbunghii Engineering Technology Re-search Center,Guizhou University,Guiyang,550025*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.000764AbstractCaffeoyl-CoA O-methyltransferase(CCoAOMT)is a kind of S-adenosine-L-methionine(SAM)methyl-transferase.In this study,bioinformatics methods were used to identify and annotate the whole genome sequenceof CCoAOMT family genes in Rosa roxburghii,analyze the distribution of RrCCoAOMT genes,and analyze thegene structure of RrCCoAOMT and its promoter cis-regulatory elements.The results showed that there were threeCCoAOMT genes predicted in Rosa roxburghii,the length of amino acids ranged from 180 to 245,the molecularweight ranged from 20 496.5327 815.17 kD,and the isoelectric point ranged from 4.70 to 6.14.The predictionresults of protein secondary structure showed that the protein of RrCCoAOMT family was mainly composed of helix and random coil.Cis element analysis of 2 kb promoter region upstream of CDS showed that light was animportant factor affecting the function of this family.Subcellular localization prediction showed that RrCCoAOMTfamily proteins were mainly located in cytoplasm,and only CCoAOMT01 was located on cytoskeleton,whichpredicted that it was most related to lignin synthesis.The results of RT-qPCR showed that after shading treatment,基金项目：本研究由国家自然科学基金项目(31660549)和贵州省高层次创新型人才培养计划项目(黔科合人才 20164016)共同资助引用格式：Lu C.,Zhang X.Y.,Lu M.,Zhang J.L.,and An H.M.,2023,Identification and bioinformatics analysis of RrCCoAOMT genefamily in Rosa roxburghii,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(3):764-771.(卢晨,张小英,鲁敏,张藉粱,安华明,2023,刺梨 RrCCoAOMT 基因家族的鉴定与生物信息学分析,分子植物育种,21(3):764-771.)the gene expression of CCoAOMT01 decreased gradually,while exogenous Ca2+treatment increased the expressionof CCoAOMT01.After ETH and SA treatment,the gene expression pattern of CCoAOMT01 decreased first andthen increased.The above results provide a theoretical reference for further study on the mechanism of Rosaroxburghii participating in lignin synthesis.KeywordsRosa roxburghii;CCoAOMT;Lignin;Bioinformatics analysis刺梨(Rosa roxburghii Tratt.)属蔷薇科蔷薇属植物，具有健胃消食、滋养补虚等多种医学功效(吕佳敏等,2018)。但因其高含量的木质素，导致果实口感差、质地粗糙及出汁率低，严重影响鲜食和加工产品品质，鲜果销售量仍很低(刘玉倩,2015)。木质素是植物细胞壁的主要成分之一(仅次于纤维素)，是地球上最丰富的大分子物质之一，其生物学功能多样，为植物提供机械支撑，参与植物逆境胁迫、病虫害以及生长发育等过程(Saake and Lehnen,2012)。因此，很有必要了解植物木质素生物合成所涉及的调控因素，从而为研究出低木质素植物奠定基础。咖啡酰辅酶 A 氧甲基转移酶(CCoAOMT)是类 S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)甲基转移酶，催化咖啡酰辅酶 A(Caffeoyl-CoA)生成阿魏酰辅酶 A(Feruloyl-CoA)，主要参与 G 型木质素甲基化的过程(Hoffmann et al.,2001)。有研究表明，松树中 CCoAOMT 参与了 G 型木质素的合成(Liet al.,1999)。CCoAOMT 基因已从许多植物中克隆出来，其中包括拟南芥(Arabidopsis thaliana)(Do et al.,2007)、烟草(Nicotiana tabacum)(Martz et al.,1998)、毛白杨(Populus tomentosa)(魏建华等,2001)、棉花(Gossypium hirsutum)(吕萌等,2010)、甜菜(Beta vul-garis)(吕笑言等,2018)等。CCoAOMT 基因在木质素合成和果实发育过程中也起着关键作用(陈夏鑫等,2020)。生物信息学分析表明灰毡毛忍冬 CCoAOMT的氨基酸序列不具有跨膜结构，其蛋白三级结构主要以-螺旋和无规则卷曲的形式存在(黄益智等,2020,私人通信)。Lu 等(2020)对刺梨的转录组数据进行 KEGG 功能富集分析，CCoAOMT 被注释到木质素合成途径中。目前刺梨 CCoAOMT 基因家族的生物信息学分析还未见报道，随着刺梨基因组测序的完成，本研究拟在全基因组水平上对刺梨 CCoAOMT 基因进行分析与阐述，以期为深入揭示刺梨 CCoAOMT 基因的功能以及参与木质素生物合成途径及代谢奠定基础。1结果与分析1.1刺梨CCoAOMT基因家族理化性质分析通过 NCBI 鉴定共获得 3 个刺梨 CCoAOMT 家族的成员，分别为 RrCCoAOMT01RrCCoAOMT03。通过 ExPASy 工具对其理化性质进行分析，结果表明，RrCCoAOMT 家族氨基酸数在 180245 之间。相对分子量在 20 496.5327 815.17 kD 之间；蛋白质等电点(pI)在 4.706.14 之间；3 个成员均为稳定蛋白质，其中不稳定系数在 28.6939.86 之间。脂肪系数大于 90.50，小于 104.29，3 个成员亲水性平均系数都为负值，均为亲水性蛋白(表 1)。1.2刺梨CCoAOMT基因家族进化树分析通过 NCBI 数据库，筛选出 22 个物种共 28 条CCoAOMT 基因序列与刺梨基因组筛选出的 3 条CCoAOMT 基因序列，通过邻接法得到 23 个物种基因家族的系统进化树(图 1)。整个进化树显示，与刺梨 CCoAOMT 家族基因遗传背景相近的有柑橘、长须银柴胡、拟南芥 3 个物种。1.3刺梨CCoAOMT基因家族染色体定位通过对 RrCCoAOMT 家族基因进行染色体定位发现，该家族 3 个基因分布在 2 条染色体上，分别是RrCCoAOMT01、RrCCoAOMT02、RrCCoAOMT03，其中RrCCoAOMT01 和 RrCCoAOMT02 位于 5 号染色体上，且观察染色体定位图(图 2)可知 RrCCoAOMT01和 RrCCoAOMT02 在染色体上的距离较近。RrCCo-AOMT03 位于 2 号染色体。1.4刺梨CCoAOMT基因家族结构分析通过基因结构显示服务器程序(GSDS)(http:/gsds.gao-lab.org/index.php)对刺梨 CCoAOMT 家族基因进行基因结构分析，发现 CCoAOMT 基因家族外显子数目在 45 之间，其中 RrCCoAOMT01 和 Rr-CCoAOMT03 含 5 个外显子，RrCCoAOMT02 含 4 个外显子(图 3)。1.5刺梨CCoAOMT基因家族亚细胞定位预