工业大麻类受体激酶基因家族生物信息学分析

曹 焜,孙宇峰,赵 越,朱 浩,王 盼,孙凯旋,王晓楠

(黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

蛋白激酶是植物中最大的蛋白质家族之一,在拟南芥和水稻中研究较为深入[1]。其中,类受体激酶(receptor-like kinases,RLKs)是最大的一类蛋白激酶,目前已发现了25 700多个成员,在植物信号识别、转导等方面发挥重要作用[2]。RLK属于一种跨膜蛋白,可将胞外的信号传入胞内并参与细胞的生长发育过程[3]。因为胞外环境是复杂多变的,使得RLK的胞外结构域也十分复杂[4]。其中,富亮氨酸重复序列(LRR)属于RLK的最大一个亚家族,凝集素受体样激酶(LEC),是RLK的第二大群体,在逆境胁迫响应方面发挥重要作用[5]。

非生物胁迫对植物的生长发育造成非常不利的影响。黑龙江省约有66.7万公顷盐碱地,且呈逐年递增趋势,严重影响粮食、牧草产量,进而限制了农牧业的发展。工业大麻适应性广,具有较强的盐碱耐受性,随着供给侧结构改革和种植结构的调整,工业大麻种植向盐碱地转移已成为趋势。目前,关于工业大麻盐碱耐受性的研究大多集中在种子萌发、生理生化特性和基因转录等方面,而信号感知和传递方面的研究较少。本研究采用生物信息学方法,对工业大麻RLK家族的基因结构、注释信息等进行分析,丰富了RLK基因家族的分子调控网络和基因功能研究,为工业大麻的分子育种提供基因资源及理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

以盐碱耐受型品种火麻一号(品种1)和盐碱敏感型品种金刀15(品种2)为试验材料(种子均由由黑龙江省科学院大庆分院提供)。待幼苗生长到3对真叶时,在培养液中加入NaHCO3,对照组不加NaHCO3。分别在胁迫0 h和12 h采集长势一致的幼苗根部样品进行转录组测序,从测序结果中筛选工业大麻RLK基因家族候选序列。

1.2 分析方法

转录因子预测:利用植物转录因子数据库plantTFDB对候选基因进行筛选和注释。利用NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)数据库和MEME(http://meme-suite.org/)分析保守结构与motif。利用TBtools软件对基因结构进行可视化分析。

2 结果与分析

2.1 工业大麻转录因子预测

在NaHCO3胁迫下,获得的转录组数据进行转录因子分析(图1A),共预测165个转录因子家族的1010个转录因子,包括RLK-Pelle、NAC、MYB、C2H2、TRAF、bZIP等转录因子家族,其中RLK基因家族成员数量最多。进一步对RLK基因家族的成员进行分析(图1B),从63个基因中预测到25个RLK亚家族的转录因子。

图1 NaHCO3胁迫下工业大麻中转录因子预测Fig.1 Prediction of transcription factors in industrial hemp under NaHCO3 stress

2.2 工业大麻RLK结构分析

根据亲缘关系将工业大麻RLK蛋白分成12组(图2),成员最多的为IV亚家族,包括17个成员;其次是VI和II亚家族,均包括11个成员;而I、V和XII亚家族成员最少,仅包含1个成员。工业大麻RLK蛋白鉴定得到的20个motif中(图2和图3),长度在15～50,motif7的保守性得分最高,其中motif9、motif12、motif14和motif18具有类似XXLXXLXX的保守结构域。工业大麻RLK的保守结构域主要有4个(图3),即PKc超家族、STKc_IRAK、PLN00133超家族和USP。

图2 工业大麻RLK蛋白的保守结构域分析Fig.2 Analysis of conserved domain of RLK protein in industrial hemp

图3 20个保守位点的LOGO图Fig.3 LOGO of 20 conservative sites

为系统研究工业大麻RLK家族潜在的生物学功能,分析RLK在不同品种受NaHCO3胁迫条件下的表达模式(图4),对63个基因的表达量进行分析,发现NaHCO3胁迫后基因的表达模式基本相同,但在品种1和品种2中的表达模式略有差异,说明RLK基因的表达受NaHCO3胁迫发生变化,且其表达模式与不同品种的盐碱耐受性有关。

图4 工业大麻RLK基因的潜在生物学功能Fig.4 Potential biological function of RLK gene in industrial hemp

3 讨论

RLK在植物逆境胁迫响应方面发挥着重要作用[1]。当植物受到逆境胁迫时,RLK的胞外结构域能识别环境信号,进而通过跨膜结构传递至胞内,从而调控植物对逆境胁迫的适应性[13]。MAPK是RLK的底物之一[14],本研究中有11条工业大麻RLK基因注释在MAPK信号通路中,推测工业大麻RLK通过激活MAPK后,再激活后续的转录因子,调控了工业大麻在NAHCO3胁迫下的基因表达[15]。

在植物激素信号转导方面,RLK通过负调控ABA的信号转导,从而调控植物的生长发育和盐碱耐受性[16-17]。本研究中有9条工业大麻RLK基因注释在植物激素信号转导途径,其中有些基因与油菜素内酯信号途径中的油菜素类固醇信号激酶有关,但其具体调控机制是否与拟南芥相似[18]有待进一步研究。

盐碱胁迫对工业大麻种子萌发、生长发育、茎秆和种子产量及品质均有负面影响,因此了解工业大麻对盐碱环境的适应机制具有重要意义。目前,关于工业大麻盐碱耐受性机制的研究已有一些报道,而信号感知和传递方面的研究较少。从工业大麻RLK家族的基因结构、表达模式、注释信息等方面进行分析,为后续研究RLK基因家族参与工业大麻调控盐碱胁迫的信号转导作用机制提供参考,为工业大麻的分子育种提供基因资源,对提高苏打盐碱地的综合利用具有重要理论意义。