生物工程学报  2024, Vol. 40 Issue (1): 104-121
http://dx.doi.org/10.13345/j.cjb.230118
中国科学院微生物研究所、中国微生物学会主办
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文章信息

余婷婷, 沈淑容, 许以灵, 王欣雨, 余瑶, 马伯军, 陈析丰
YU Tingting, SHEN Shurong, XU Yiling, WANG Xinyu, YU Yao, MA Bojun, CHEN Xifeng
草莓YABBY基因家族的鉴定及表达分析
Identification and expression analysis of the YABBY gene family in strawberry
生物工程学报, 2024, 40(1): 104-121
Chinese Journal of Biotechnology, 2024, 40(1): 104-121
10.13345/j.cjb.230118

文章历史

Received: February 18, 2023
Accepted: May 4, 2023
Published: June 1, 2023
草莓YABBY基因家族的鉴定及表达分析
余婷婷 #, 沈淑容 #, 许以灵 , 王欣雨 , 余瑶 , 马伯军 , 陈析丰     
浙江师范大学生命科学学院, 浙江 金华 321004
摘要:YABBY蛋白是一类调控植物形态建成与器官发育的重要转录因子。为了研究草莓YABBY,通过生物信息学技术鉴定了森林草莓(二倍体)与栽培草莓(八倍体)的YABBY基因家族成员及其序列特征,构建了各成员与植物YABBY的系统发育树与共线性关系图,并利用RNA-seq数据与定量逆转录聚合酶链反应(quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction, qRT-PCR)技术分析其表达模式,构建绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)融合表达载体,在烟草叶细胞中瞬时表达观察其亚细胞定位。研究结果表明,森林草莓有6个FvYABBY基因,栽培草莓有26个FxaYABBY基因;FvYABBY基因家族成员可归为5个不同的进化分支,与拟南芥AtYABBY基因家族存在5对直系同源。在森林草莓中,所有FvYABBY在根和花托中基本不表达,FvYABBY1FvYABBY2FvYABBY5FvYABBY6在叶、茎、花和瘦果中高表达;在栽培草莓中,FxaYABBY1FxaYABBY2FxaYABBY5FxaYABBY6在瘦果中表达,所有FxaYABBY在花托中为低表达或不表达。此外,在低温、高盐和干旱等非生物胁迫下,FvYABBY1FvYABBY3FvYABBY4FvYABBY6下调表达,FvYABBY5上调表达,FvYABBY2则先上调后下调表达。在烟草叶细胞中,所有FvYABBY蛋白均定位在细胞核。以上结果为草莓YABBY基因的后续功能研究奠定了基础。
关键词草莓    YABBY基因家族    序列分析    表达模式    亚细胞定位    
Identification and expression analysis of the YABBY gene family in strawberry
YU Tingting #, SHEN Shurong #, XU Yiling , WANG Xinyu , YU Yao , MA Bojun , CHEN Xifeng     
College of Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang, China
Abstract: YABBY proteins are important transcription factors that regulate morphogenesis and organ development in plants. In order to study the YABBY of strawberry, bioinformatic technique were used to identify the YABBY gene families in Fragaria vesca (diploid) and Fragaria×ananassa (octoploid), and then analyze the sequence characters, phylogeny and collinearity of the family members. The RNA-seq data and the quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction (qRT-PCR) technique were used to assay the expression patterns of the family members. A green fluorescent protein (GFP) was fused with FvYABBYs and transiently expressed in tobacco leaf cells for the subcellular localization. As the results, six FvYABBY genes and 26 FxaYABBY genes were identified from F. vesca and Fananassa, respectively. The FvYABBY genes were grouped into five clades, and five family members were orthologous with AtYABBY genes of Arabidopsis. In F. vesca, all of the FvYABBYs were basically not expressed not expressed in root and receptacle, while FvYABBY1, FvYABBY2, FvYABBY5 and FvYABBY6 were highly expressed in leaf, shoot, flower and achene. In Fananassa, FxaYABBY1, FxaYABBY2, FxaYABBY5 and FxaYABBY6 were expressed in achene, and all FxaYABBY were poorly or not expressed in receptacle. Additionally, under the abiotic stresses of low temperature, high salt and drought, the expression of FvYABBY1, FvYABBY3, FvYABBY4 and FvYABBY6 were down-regulated, FvYABBY5 was up-regulated, and FvYABBY2 was up-regulated and then down-regulated. In tobacco leaf cells, the subcellular localization of FvYABBY proteins were in the nucleus. These results provides a foundation for the functional researches of YABBY gene in strawberry.
Keywords: strawberry    YABBY gene family    sequence analysis    expression pattern    subcellular localization    

YABBY是一类种子植物特有的转录因子,主要调控叶片、花器官和胚珠的发育,并且在远轴细胞发育过程中具有保守作用[1]。YABBY蛋白在N端包含1个C2C2锌指结构域,在C端包含1个结合DNA的螺旋-环-螺旋结构域(也称YABBY结构域)。第1个YABBY基因,又称CRC (CRABS CLAW),是从拟南芥(Arabidopsis thaliana)中克隆到的[1]。随后,在拟南芥[Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.][2]、棉花(Gossypium hirsutum)[3]、番茄(Solanum lycopersicum L.)[4]、石榴(Punica granatum L.)[5]、橡胶树[Hevea brasiliensis (Willd. ex A. Juss.) Muell. Arg.][6]和苹果(Malus×domestica Mill.)[7]、水稻(Oryza sativa L.)[8]等多种植物中都报道了YABBY基因家族。

在拟南芥中,YABBY基因家族包含CRCFIL (AtYABBY1)、AtYABBY2AtYABBY3INO (AtYABBY4)和AtYABBY5这6个成员[9-11]CRC正向调节心皮极性和蜜腺发育[12],对BLADE ON PETIOLE 1BLADE ON PETIOLE 2基因具有上位效应,可能是CRC的直接靶基因[13],而这2个基因是蜜腺发育所必需的[14]。此外,CRC还参与抑制与花分生组织终止相关靶基因的转录[13]FIL则是与AtYABBY2AtYABBY3共同作用于花分生组织与花器官的形成[2]。这3个基因在叶片、花分生组织、花瓣、雄蕊和心皮等器官远轴中表达,而在胚和胚根中不表达[2]FIL突变会导致花原基产生无花的花梗,并影响花器官的位置和数量,表明FIL在花的形态中起核心作用[15]。然而,在拟南芥中,这种丝状表型在fil单突变体中较弱,而在fil分别与revclv1clv3hanlfyufo的双突变体中显著增强,表明fil与这些基因相互作用决定了花原基的命运[15]FILAtYABBY3在决定叶背面细胞发育方面具有相似的作用[1]。在fil/yab3双突变体中,叶片丧失极性呈现辐射状,花器官发育不正常。AtYABBY5的氨基酸序列与FIL、AtYABBY2、AtYABBY3同源,共同决定远轴细胞和顶端分生组织的发育[2, 16-17]。在fil/yabby3/yabby5三突变体和fil/yabby2/yabby3/yabby5四突变体中,叶片和花序呈放射状,无法区分远轴和近轴细胞[16, 18]。在拟南芥中,YABBY基因家族中只有INO在胚珠中表达,是胚珠发育的关键基因,其突变会导致胚珠外被膜丢失,配体发育受阻[11]。研究还发现INO通过抑制NRAMP1的表达从而降低了发育中种子的铁含量,而过表达INO则可以减少胚胎中铁的积累[19]。INO作为一种双功能转录因子,与转录共激活因子LUG (LEUNIG)、SEU (SEUSS)或PRZ1 (ADA2b/PROPORZ1)相互作用,调节胚珠外被膜的生长与发育[20]

在番茄[4]、石榴[5]等双子叶植物中,其YABBY基因家族成员可归为5个亚家族,分别对应拟南芥的CRC、INO、FIL/YABBY3、YABBY2和YABBY5。然而,在水稻等单子叶植物中,由于缺少YABBY5亚家族[21],其只有4个亚家族。与拟南芥中YABBYs基因的功能冗余不同,水稻的YABBYs基因家族成员具有不同的功能[21]OsYABBY1可与GA3ox2启动子中的赤霉素(gibberellic acid, GA)响应元件结合,参与GA的合成和反馈调控[22]OsYABBY2对种子落粒性至关重要[23]OsYABBY4具有独特的表达模式,优先在维管的分生组织和韧皮部组织中表达[24]OsYABBY5在维持分生组织和调节幼穗发育中起着重要作用[25]。在黄瓜(Cucumis sativus)中,CsSPL可与CsYABBY1、CsYABBY3和CsINO相互作用,调控珠被的发育[26]。棉花中GhYABBY家族成员参与胚珠和顶端分生组织的发育[27]

草莓为蔷薇科(Rosaceae)多年生草本植物,其果实外观精致、口感甜美,是世界上最受欢迎的水果之一,受广大消费者的青睐,已成为一种重要的经济作物。野生草莓是二倍体,如森林草莓(Fragaria vesca),其基因组比较小且已经测序完成[28-29];而栽培草莓(Fragaria×ananassa)则是同源八倍体,由于基因组存在高度同源的重复序列,近期才公布了高质量基因组[30-31],为研究草莓的基因与进化奠定了坚实的基础。本文通过生物信息学,鉴定森林草莓和栽培草莓的YABBY基因家族成员,分析基因及其编码蛋白的结构特征、系统发育进化、组织表达模式和亚细胞定位等,为研究YABBY基因在调控草莓生长发育中的作用机理奠定基础。

1 材料与方法 1.1 植物材料和胁迫处理

森林草莓(Fragaria vesca)品种Ruegen的种子由沈阳农业大学张志宏教授课题组提供。在温度25 ℃/23 ℃ (16 h光照/8 h黑暗)、湿度70%–80%的温室条件下,将种子播种在营养基质土中,生长70 d后分别采集根、叶、花、花托、瘦果等不同组织。另外,在播种40 d后,分别将植株置于4 ℃、200 mmol/L NaCl和20% PEG6000胁迫条件下进行处理,于处理后0、12、24、48 h取整株,3次生物学重复。以上材料均采用液氮速冻,保存于–80 ℃备用。

1.2 草莓YABBY基因家族的鉴定

利用蔷薇科基因组数据库(genome database for Rosaceae, GDR)数据库(https://www.rosaceae.org/),首先在二倍体森林草莓(F. vesca)基因组(v4.0.a2; 最新版本)序列中,以拟南芥YABBY蛋白的氨基酸序列为Query进行BLAST,搜索同源基因FvYABBY,并使用SMART (http://smart.embl-heidelberg.de/)鉴定其编码蛋白的YABBY结构域。然后,利用FvYABBY基因的编码蛋白序列,在八倍体栽培草莓(Fananassa)基因组(v1.0.a2; 最新版本)和其他二倍体野生草莓饭沼草莓(Fragaria iinumae)、日本草莓(Fragaria nipponica)、绿色草莓(Fragaria viridis)基因组的序列中搜索YABBY同源基因。

1.3 基因及其编码蛋白的序列特征分析

从GDR数据库下载F. vesca (v4.0.a2)和Fananassa (v1.0.a2)的基因组注释文件,利用TBtools软件[32]对草莓YABBY基因家族成员的染色体位置和基因结构进行可视化制图;提取每个基因起始密码子(ATG)上游2 000 bp的基因组序列,利用PlantCARE (http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)分析顺式作用元件,再通过GSDS2.0 (http://gsds.gao-lab.org/)进行可视化制图。在分析草莓YABBY蛋白序列特征中,采用MEGA 7.0软件进行氨基酸序列的Alignment,利用MEME (https://meme-suite.org/meme/)预测其保守基序,用Phyre2 (http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index)预测三级结构。

1.4 系统发育与共线性分析

利用MEGA 7.0软件,采用邻近法(neighbor- joining)构建YABBY蛋白序列的系统发育树,bootstrap值设置为1 000。利用MCScanX[33]分析不同基因组及其YABBY基因间的共线性,E值设为1×10−5,再用TBtools软件[32]进行可视化制图。

1.5 基于RNA-Seq数据的基因表达分析

利用F. vesca根、叶、花、花托和瘦果等各组织的转录组数据[29],以及Fananassa果实4个不同发育时期的花托、瘦果转录组数据[30]。从中提取各个YABBY基因的表达数据(transcripts per million, TPM),再使用TBtools生成热图。

1.6 基因表达的定量逆转录聚合酶链反应(quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction, qRT-PCR)验证

采用EASY Spin Plus Plant RNA Rapid Extraction Kit (Aidlab公司)提取草莓样品的总RNA,用Prime Script RT Reagent Kit (TaKaRa公司)合成第1链cDNA。采用TB GreenTM Premix Ex TaqTM (TaKaRa公司)进行qRT-PCR,PCR反应体系按照产品说明操作,引物序列见表 1。在Step One™ Real-Time PCR仪上运行程序:95 ℃5 min;95 ℃ 5 s,60 ℃ 30 s,共循环40次。以草莓FvActin基因(FvH4_5g27840)作为标准化内参,采用delta-delta Ct法[34]分析各基因的相对表达量。基于至少3次生物重复计算标准误差。

表 1 qRT-PCR的引物序列 Table 1 Primer sequences of qRT-PCR
Gene Annealing temperature (℃) Amplicon size (bp) Forward primer (5ʹ→3ʹ) Reverse primer (5ʹ→3ʹ)
FvYABBY1 59 104 GCCTTTCAGTCACTGTCCTG ATCTTCTTGTTGCCTTTGGA
FvYABBY2 58 117 ACCCACCAGAAGCAACATCA TGCAGGAGCAGCAGCAAACT
FvYABBY3 56 180 ATGATTACCCTACTACCTTGACTC TGAAGCGGTTGTAAGCAGAT
FvYABBY4 55 170 CATCATCTCCTAGCTTCACTTG GTGTAATCCTCTTCATTTTCATAAT
FvYABBY5 60 154 TTCATCATCTCGGTCACTCCTT GCTACTCCTCCTCTTGGTCTTACA
FvYABBY6 57 132 GCTAACCTCGGACATTCTTTCTT AACTCCTCGAATCATTGGCATA
FvActin 58 107 GAGGCAATTTAGACGCGCAA GCTCAAGAATGTCAGTGGCG
1.7 FvYABBYs的亚细胞定位

采用Cell-PLoc v.2.0 (http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/)预测YABBY蛋白的亚细胞定位。用PrimeSTAR® Max DNA Polymerase (TaKaRa公司)高保真酶PCR扩增FvYABBYs基因的CDS (不含终止子),再利用In-fusion HD Cloning Kit (TaKaRa公司)将其插入到pCAMBIA1300载体中,由CaM35S启动子驱动,并与GFP融合表达。通过冻融法将构建的重组表达载体转化到根癌农杆菌GV3101感受态细胞中,按照Bleckmann等[35]的方法在烟草(Nicotiana tabacum)叶片中瞬时表达,2–3 d后叶片进行4ʹ, 6-联脒-2-苯基吲哚(4ʹ, 6-diamidino- 2-phenylindole, DAPI)染色[36],在共聚焦显微镜(ZEISS公司)下观察GFP及DAPI荧光信号。

2 结果与分析 2.1 草莓YABBYs基因家族的鉴定

利用拟南芥YABBY蛋白序列在GDR数据库中BLAST比对,从二倍体森林草莓(F. vesca)中鉴定出6个FvYABBY基因(表 2)。根据这6个基因在染色体上的顺序位置将其命名为FvYABBY1FvYABBY6,分布在森林草莓的5条染色体上(图 1A)。其中,FvYABBY3基因在GDR数据库中只有1个转录本FvH4_4g29650.t1,编码的蛋白为569 aa,除了含YABBY结构域外,在C端有一个额外的UAA结构域,由基因的最后一个外显子编码,而且基因功能注释为UDP-N-乙酰氨基葡萄糖转运蛋白,而并非转录因子类型。在NCBI数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)发现该基因还有1个转录本(Accession: LOC101305462),可变剪接发生在最后内含子中,导致蛋白翻译的提前终止,从而编码一个不含UAA结构域的YABBY蛋白(189 aa),命名为FvH4_4g29650.t2 (表 2),并通过PCR在森林草莓的cDNA中扩增出了该转录本。而且,在栽培草莓Fananassa的基因组注释中,对应FvYABBY3的同源蛋白也不含UAA结构域。由于植物的YABBY普遍是一种具有转录因子功能的小蛋白,因此认为FvH4_4g29650.t2编码YABBY3蛋白,并将其序列用于后续的分析。FvYABBYs基因的编码区长度在561–714 bp之间,编码蛋白的氨基酸序列为186−237 aa,等电点为5.09−5.16,亚细胞预测定位于细胞核。FvYABBY基因家族成员的登录号、染色体定位、编码序列(coding sequence, CDS)和氨基酸长度等如表 2所示。然后,利用FvYABBYs基因在八倍体栽培草莓(Fananassa)基因组进行BLAST比对,在20条染色体上发现了26个FxaYABBY基因。FxaYABBYs基因的CDS序列长度为471−816 bp,其编码蛋白的氨基酸序列为156−271 aa,等电点为5.09−5.17,亚细胞预测定位于细胞核。为了区分同源的FxaYABBYs基因,将不同FxaYABBYs基因按其在栽培草莓上的染色体顺序进行编号,如FvYABBY1的同源基因为FvYABBY1-1FxaYABBY1-4;每个FvYABBY基因对应的同源FxaYABBYs基因其编码蛋白的氨基酸序列均非常相似。由于Fananassa被认为是4种二倍体野生草莓F. vescaF. iinumaeF. nipponicaF. viridis杂交进化而来的八倍体[37],因此FvYABBY2FvYABBY5Fananassa基因组中都含有4个直系同源基因,而FvYABBY1有3个直系同源基因,FvYABBY6却有7个直系同源基因(图 1B)。其中,FxaYABBY6-4编码的蛋白的YABBY结构域不完整,很可能是一个假基因(pseudogene)。26个FxaYABBY基因的详细信息如表 3所示。

表 2 森林草莓FvYABBYs基因的序列特征 Table 2 Sequence characteristics of FvYABBY genes in Fragaria vesca
Name Accessiona Chromosome location CDS (bp) Protein (aa) Isoelectric point Cell-PLoc
FvYABBY1 FvH4_1g03040.t1 Fvb1:1 714 477–1 717 938 561 186 5.16 Nucleus
FvYABBY2 FvH4_3g26130.t1 Fvb3:18 970 831−18 976 558 705 234 5.11 Nucleus
FvYABBY3 FvH4_4g29650.t2b Fvb4:29 686 355−29 689 771 570 189 5.14 Nucleus
FvYABBY4 FvH4_4g32910.t1 Fvb4:31 343 311−31 345 497 714 237 5.14 Nucleus
FvYABBY5 FvH4_5g00320.t1 Fvb5:225 529−228 828 699 232 5.09 Nucleus
FvYABBY6 FvH4_7g11260.t1 Fvb7:10 483 148−10 486 294 654 217 5.10 Nucleus
a: Accession of YABBY genes of Fragaria vesca genome v4.0.a2 from GDR (https://www.rosaceae.org/); b: The sequence of FvH4_4g29650.t2 is an alternative splicing of FvH4_4g29650 deposited in NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/; Accession: LOC101305462).
图 1 草莓YABBY基因的染色体分布与序列特征 Fig. 1 Chromosomal localization and distribution of YABBY genes in strawberry. YABBY gene family in Fragaria vesca (A) and Fragaria×ananassa (B) genome. Different color of Fananassa sub-genomes indicates their respective diploid progenitors, namely F. vesca (orange), F. iinumae (green), F. nipponica (pink) and F. viridis (yellow). The relative chromosome size is indicated by Mb.
表 3 栽培草莓FxaYABBYs基因的序列特征 Table 3 Sequence characteristics of FxaYABBY genes in Fragaria×ananassa
Name Accessiona Chromosome location CDS (bp) Protein (aa) Isoelectric point Cell-PLoc
FxaYABBY1-1 FxaC_2g08840 Fvb1-2: 4 029 830−4 033 238 528 175 5.17 Nucleus
FxaYABBY1-2 FxaC_3g03210 Fvb1-3: 1 501 352−1 504 914 501 166 5.17 Nucleus
FxaYABBY1-3 FxaC_4g36960 Fvb1-1: 26 015 659−26 019 068 528 175 5.17 Nucleus
FxaYABBY2-1 FxaC_9g25060 Fvb3-4: 13 966 322−13 971 905 702 233 5.11 Nucleus
FxaYABBY2-2 FxaC_10g29810 Fvb3-2: 17 545 954−17 551 411 708 235 5.11 Nucleus
FxaYABBY2-3 FxaC_11g26110 Fvb3-3: 14 798 075−14 807 212 708 235 5.11 Nucleus
FxaYABBY2-4 FxaC_12g20670 Fvb3-1: 14 003 178−14 008 868 708 235 5.11 Nucleus
FxaYABBY3-1 FxaC_13g09180 Fvb4-3: 4 003 456−4 005 455 561 186 5.14 Nucleus
FxaYABBY3-2 FxaC_14g07850 Fvb4-4: 3 799 105−3 801 173 561 186 5.14 Nucleus
FxaYABBY3-3 FxaC_15g07870 Fvb4-2: 3 647 229−3 649 001 561 186 5.14 Nucleus
FxaYABBY3-4 FxaC_16g24161 Fvb4-1: 16 578 890−16 581 027 561 186 5.14 Nucleus
FxaYABBY4-1 FxaC_13g05330 Fvb4-3: 2 386 703−2 388 786 714 237 5.14 Nucleus
FxaYABBY4-2 FxaC_14g04870 Fvb4-4: 2 398 399−2 400 402 714 237 5.13 Nucleus
FxaYABBY4-3 FxaC_15g04560 Fvb4-2: 2 157 740−2 159 824 792 263 5.11 Nucleus
FxaYABBY4-4 FxaC_16g27480 Fvb4-1: 18 224 036−18 225 868 816 271 5.11 Nucleus
FxaYABBY5-1 FxaC_17g00020 Fvb5-1: 7 426−10 534 699 232 5.09 Nucleus
FxaYABBY5-2 FxaC_18g46260 Fvb5-3: 27 224 474−27 227 605 699 232 5.09 Nucleus
FxaYABBY5-3 FxaC_19g00340 Fvb5-4: 209 505−212 494 693 230 5.10 Nucleus
FxaYABBY5-4 FxaC_20g00220 Fvb5-2: 168 129−171 193 693 230 5.10 Nucleus
FxaYABBY6-1 FxaC_25g16650 Fvb7-2: 9 810 155−9 813 127 654 217 5.11 Nucleus
FxaYABBY6-2 FxaC_25g27880 Fvb7-2: 16 002 181−16 005 162 654 217 5.10 Nucleus
FxaYABBY6-3 FxaC_26g27070 Fvb7-3: 13 942 511−13 945 468 654 217 5.10 Nucleus
FxaYABBY6-4 FxaC_26g34740 Fvb7-3: 19 120 095−19 122 984 471 156 5.16 Nucleus
FxaYABBY6-5 FxaC_27g14020 Fvb7-1: 10 503 610−10 506 502 654 217 5.10 Nucleus
FxaYABBY6-6 FxaC_27g20410 Fvb7-1: 15 110 506−15 113 435 654 217 5.10 Nucleus
FxaYABBY6-7 FxaC_28g26310 Fvb7-4: 13 513 708−13 516 906 657 218 5.10 Nucleus
a: Accession of YABBY genes in Fragaria×ananassa genome v1.0.a2 from GDR (https://www.rosaceae.org/).
2.2 FvYABBYs基因及其编码蛋白的序列特征

根据FvYABBYs基因的编码蛋白质序列,可将这6个基因可分为两类:FvYABBY1FvYABBY3FvYABBY4FvYABBY6 (图 2A)。从基因结构上看,FvYABBY基因外显子数目及大小是比较保守的,数量基本保持在6−7个(图 2B),而高度同源的FvYABBY5FvYABBY6具有相似的外显子和内含子结构(图 2B)。FvYABBYs蛋白的氨基酸序列都存在3个保守基序motif 1−motif 3 (图 2C2D),整个蛋白包含2个保守结构域,N端1个C2C2-锌指结构域和C端1个YABBY结构域(图 2E),前者与motif 1和motif 2重叠,后者与motif 3重叠。同时,用Phyre2软件预测了这2个保守结构域的三维结构,发现这6个蛋白的螺旋-环-螺旋YABBY结构域和C2C2-锌指结构域的空间结构高度相似(图 2F)。

图 2 FvYABBYs基因及其编码蛋白的序列特征 Fig. 2 Sequence characteristics of FvYABBY genes and their encoding proteins. A: Clustering tree of FvYABBY proteins. B: Exon and intron structure of genes. Blue box indicates 5′- or 3′- untranslated region (UTR), yellow box represents exon and black line indicates intron. C: Three different conserved motifs of FvYABBY proteins. D: Sequence analysis of domain conserved motifs. E: Amino-acid sequence alignment of FvYABBY proteins. The conserved domains of C2C2 and YABBY are underlined by red. F: Tertiary structure of C2C2 and YABBY domain predicted by Phyre2.
2.3 FvYABBY基因家族的进化与共线性分析

为了研究FvYABBY基因在植物中的进化关系,将6个FvYABBYs与拟南芥[2]、番茄[4]、石榴[5]和水稻[8]等35个YABBYs蛋白构建了系统发育树(图 3A)。这些YABBY基因与拟南芥的FIL/YABBY3、YABBY2、INO、CRC和YABBY5聚类为5个不同的分支(图 3A)。有趣的是,FvYABBY5和FvYABBY6一同聚类在FIL/YABBY3分支中,而FvYABBY1、FvYABBY2、FvYABBY3和FvYABBY4则分布在其他4个分支中(图 3A),表明FvYABBY5和FvYABBY6在进化过程中关系更为密切。对于FvYABBY基因家族的基因复制情况,采用MCScanX分析了森林草莓与拟南芥基因组的共线性,表明FvYABBY1AtYABBY5FvYABBY3CRCFvYABBY4INOFvYABBY6FILFvYABBY6AtYABBY3为5对直系同源基因,而FvYABBY5FvYABBY6为旁系同源基因(图 3B)。

图 3 FvYABBY基因家族的系统发育与共线性分析 Fig. 3 Phylogenic and collinearity analysis of FvYABBY gene family. A: Phylogenetic tree of YABBY proteins from Fragaria vesca, Arabidopsis, Solanum lycopersicum, Punica granatum and Oryza sativa. Five subfamilies (YAB2, CRC, YAB5, FIL/YAB3 and INO) were highlighted in different colors. Numbers in the branches of trees were bootstrap 1 000 values. B: Genomic collinearity of F. vesca and Arabidopsis. Red lines refer to orthologous genes, and blue lines refer to paralogous genes.
2.4 FvYABBYsFxaYABBYs基因的组织表达模式

利用森林草莓不同组织的转录组数据[29],首先分析了FvYABBYs基因的组织表达模式。如图 4A所示,所有FvYABBYs基因在根和花托基本不表达,FvYABBY1FvYABBY2FvYABBY5FvYABBY6在叶、茎、花和瘦果中高表达。其中,作为旁系同源的FvYABBY5FvYABBY6的表达模式非常相似。FvYABBY3在花药中特异性表达,FvYABBY4仅在瘦果中表达。为了验证基因的组织表达模式,通过qRT-PCR测定了FvYABBYs基因家族在森林草莓根、茎、叶、花、花托和瘦果等组织中的表达情况,发现FvYABBY2FvYABBY5FvYABBY6在叶中表达量相对较低,而FvYABBY3FvYABBY4在花及花柱中表达量较高,其余结果与RNA-Seq数据基本一致(图 4A4B)。发现FvYABBY1FvYABBY2FvYABBY5FvYABBY6在瘦果中表达量相对较高。

图 4 FvYABBY基因家族的组织表达模式 Fig. 4 Tissue expression patterns of FvYABBY gene family. A: Expressional heatmap of FvYABBY genes based on the RNA-seq data of different tissues of Fragaria vesca. B: Expression pattern of the FvYABBY genes in different tissues of F. vesca by qRT-PCR.

已有的研究表明YABBY与果实发育密切相关[4, 38-39]。因此,利用栽培草莓果实不同发育阶段的转录组数据[30],进一步分析了FxaYABBYs基因在草莓果实4个时期(绿色期、白色期、转色期、红色期;图 5A)花托与瘦果中的表达情况(图 5B)。结果显示,在瘦果发育过程中FxaYABBY1FxaYABBY2FxaYABBY5FxaYABBY6的同源基因均有不同程度的表达,其中FxaYABBY1-1FxaYABBY1-3FxaYABBY5-3FxaYABBY5-4FxaYABBY6-6FxaYABBY6-7高表达,FxaYABBY6-1FxaYABBY6-2FxaYABBY6-5低表达,而推测的假基因FxaYABBY6-4则不表达;FxaYABBY3FxaYABBY4的同源基因则与FvYABBY3FvYABBY4一样基本不表达。花托中所有FxaYABBY均呈低表达或不表达。

图 5 不同果实发育时期FxaYABBY基因家族的表达情况 Fig. 5 Expression patterns of FxaYABBY gene family in fruit different developmental stages. A: The fruit of Fragaria×ananassa in different developmental stages as green, white, turning and red. B: Expressional heatmap of FxaYABBY genes based on the RNA-Seq data of different developmental stages of achene and receptacle of Fananassa.

此外,利用森林草莓的苗期植株材料,在低温、高盐和干旱胁迫下,用qRT-PCR测定了FvYABBYs基因的响应表达(图 6),在这3种非生物胁迫下,FvYABBY1FvYABBY3FvYABBY4FvYABBY6的表达均下调,FvYABBY5的表达上调,FvYABBY2的表达则先上调、后下调。可见,在不同类型的非生物逆境下,同一个基因的表达响应趋势比较一致。

图 6 森林草莓中FvYABBYs基因在非生物逆境胁迫下的表达情况 Fig. 6 Gene expression of FvYABBY genes in Fragaria vesca under abiotic stresses. Seedlings of F. vesca were treated with low temperature (4 ℃), high salinity (200 mmol/L NaCl) and drought (20% PEG6000), respectively. Samples were collected at the times of 0, 12, 24 and 48 h after the treatments. Significances (P value < 0.05) were marked with different lowercase letters.
2.5 FvYABBYs基因编码蛋白的亚细胞定位

采用Cell-PLoc程序对FvYABBY基因家族成员的编码蛋白进行亚细胞定位预测,结果显示6个蛋白均定位于细胞核内。为了验证这一结果,采用保真酶PCR扩增这6个FvYABBY基因的CDS,并分别构建了与GFP基因融合表达的载体,由CaM35S强启动子驱动,在烟草叶片细胞中进行瞬时表达。结果如图 7所示,对照载体(35S: : GFP)表达的GFP蛋白在整个叶细胞中能检测到绿色荧光信号,而GFP与FvYABBYs融合表达的蛋白,绿色荧光信号都集中在细胞核中,与细胞核的DAPI染色的蓝色信号重叠,证实FvYABBYs的亚细胞定位确实在细胞核中。

图 7 FvYABBYs基因编码蛋白的亚细胞定位 Fig. 7 Subcellular localization of proteins encoded by FvYABBY genes. GFP is a control, FvYABBYs: GFP are fusion expressed proteins. After the vectors were transiently expressed in tobacco epidermal cells for 48 h, the leaves were stained with DAPI and observed under a confocal microscope. Bars = 50 μm.
3 讨论

本研究在森林草莓(二倍体)和栽培草莓(八倍体)的基因组中分别鉴定到了6个FvYABBY基因(表 2)、26个FxaYABBY基因(表 3),基因数目与草莓中已报道的YABBY基因数目有一些差异。蔡建法等[40]在森林草莓中只鉴定了5个YABBY基因,缺少了1个YABBY3基因,可能是他们基于GDR数据库的FvH4_4g29650.t1转录本,编码的蛋白含有UAA结构域,属于UDP-N-乙酰氨基葡萄糖转运蛋白,认为不属于YABBY蛋白而将其排除。Luo等[41]尽管也报道了包括FvYABBY3的6个森林草莓的FvYABBY基因,但是他们是基于FvH4_4g29650.t1转录本。本研究在森林草莓中发现FvYABBY3还有另一个可变剪接的转录本FvH4_4g29650.t2,其编码蛋白不含UAA结构域,与YABBY转录因子更加符合。在栽培草莓中,鉴定出26个FxaYABBY基因,而Luo等[41]只报道了25个,少了1个FxaYABBY6-4基因,该基因编码的蛋白翻译出现了提前截断,导致其YABBY结构域不完整,推测是一个假基因。一般认为,假基因是由功能基因通过复制形成的非功能性拷贝,是功能基因的残余,被认为是基因组中的“化石”,对于研究基因家族的进化具有一定的意义,而且近期的研究表明植物少数假基因也具有表达活性和生物学功能[42]。因此,在基因家族研究中鉴定假基因也具有一定的研究价值。由于栽培草莓是由2个野生八倍体祖先物种弗州草莓(Fragaria virginiana)和智利草莓(Fragaria chiloensis)种间杂交而成[43],而这2个祖先物种则是由4个二倍体草莓F. vescaF. iinumaeF. nipponicaF. viridis的基因组融合而成[37]。因此,在栽培草莓中,FvYABBY2FvYABBY3FvYABBY4FvYABBY5都有4个直系同源基因FvYABBY1的直系同源基因为3个,FvYABBY6基因的直系同源基因有7个,表明八倍体草莓的基因组中少数YABBY基因出现了部分丢失或复制。有趣的是,拟南芥也有6个AtYABBY基因,其中5个与FvYABBY基因存在直系同源关系(图 3B),但拟南芥的基因组大小为125 Mb[44],约是森林草莓基因组(240 Mb)的一半大小[28],表明YABBY基因家族在植物进化中非常保守。系统发育树分析也进一步证实了这一观点,即来自草莓和其他植物的YABBYs被聚类到5个进化分支(图 3A),正好对应于FvYABBYAtYABBY的5个直系同源基因对。

YABBY基因家族是植物特有的重要转录因子,实验也证明FvYABBYs蛋白的亚细胞定位在细胞核中(图 7)。YABBY基因主要参与调节植物侧生器官的发育、叶片极性的建立和叶缘的形成[45]。不同物种的直系同源基因被认为具有相似的生物学功能,而旁系同源基因则可能存在功能冗余[46]。研究表明拟南芥CRC基因在心皮中具有重要功能[9]INO基因在胚珠中发挥作用[11]。在森林草莓中,INOCRC的直系同源基因分别为FvYABBY3FvYABBY4,其中FvYABBY3在花中表达,而FvYABBY4在花和瘦果中表达(图 4B),推测可能具有类似INOCRC的生物学功能。拟南芥FIL (AtYABBY1)AtYABBY2AtYABBY3AtYABBY5在叶片和叶衍生的器官(即子叶、萼片、花瓣、雄蕊和心皮)中表达,可以调节叶片的发育以及促使顶端分生组织分化为叶原基和花器官[2]。森林草莓中FvYABBY1FvYABBY2FvYABBY5FvYABBY6分别与拟南芥AtYABBY5AtYABBY2FIL/AtYABBY3直系同源,在叶、枝、花和果实中高度表达(图 4A),其中FvYABBY5FvYABBY6为旁系同源基因,且聚在同一进化分支上,处于同一分支的拟南芥FILAtYABBY3存在功能冗余现象[2]。本研究发现FvYABBY5FvYABBY6的组织表达模式非常相似(图 4A–4B),但是在非生物胁迫下的表达情况却刚好相反,说明这2个基因可能分别响应不同的环境,这很可能是另一种方式上的分化。qRT-PCR与转录组数据略有不同,比如FvYABBY2FvYABBY5FvYABBY6在叶中的表达量较低,另外FvYABBY3FvYABBY4在生殖器官组织中存在差异,如FvYABBY3FvYABBY4在花中的表达水平较高,FvYABBY3在花药中表达过低,这很可能是由测序和qRT-PCR样本差异和公开数据的批次效应造成的。栽培草莓果实不同发育时期的组织表达显示,FxaYABBYs基因的表达模式也与森林草莓对应的FvYABBYs直系同源基因相似(图 5B),同源的4个基因拷贝大部分表达模式相似,少数亦有分化。植物对非生物胁迫的反应是一个复杂的过程,受不同的分子和细胞途径调控。YABBY基因还参与植物对非生物胁迫的响应。如大豆GmYABBY10对干旱和盐胁迫非常敏感[47];陆地棉中多数YABBY基因在干旱及盐胁迫下表达也会显著下调[3];番茄SlYABBY5的表达明显受到低温胁迫的抑制[48]。本研究发现森林草莓中FvYABBYs基因在低温、高盐和干旱等胁迫下表达模式存在差异(图 6),在应对非生物胁迫方面可能发挥着重要作用。例如FvYABBY1FvYABBY3FvYABBY4FvYABBY6的表达明显受到抑制,说明在胁迫条件下这些FvYABBYs可能与植物生长发育的停滞有关。Luo等[41]发现森林草莓生长28 d的幼苗受到冷胁迫后,FvYABBY1表达先上调、后下降,而本研究中显示40 d的幼苗中FvYABBY1表达受到抑制,推测森林草莓不同时期生长阶段对低温的应答有所不同。FvYABBY5的表达在低温、高盐和干旱胁迫下上调,表明FvYABBY5可能积极参与环境胁迫响应。而FvYABBY2只在受到胁迫后某一时间上调表达,最终表达量低于对照组,说明FvYABBY2可能在胁迫早期起作用。这些研究结果为后续草莓YABBY基因的功能研究奠定了一定的基础。

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草莓YABBY基因家族的鉴定及表达分析
余婷婷 , 沈淑容 , 许以灵 , 王欣雨 , 余瑶 , 马伯军 , 陈析丰