周成城, 謝德金, 楊德明, 何天友, 陳凌艷, 鄭郁善,
(1.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院;2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院, 福建 福州 350002)
轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors, TFs)又稱為反式作用因子,是一類能夠與DNA序列上的啟動(dòng)子區(qū)域直接或間接地發(fā)生特異性作用的蛋白,從而激活或抑制目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[1].轉(zhuǎn)錄因子家族參與植物生長(zhǎng)發(fā)育、代謝等各個(gè)方面的基因表達(dá)調(diào)控,具有重要的生物學(xué)意義[2].MYB轉(zhuǎn)錄因子是植物中最早被克隆到的[3],也是真核生物中功能最多樣的家族[4].根據(jù)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域數(shù)目的不同,MYB轉(zhuǎn)錄因子分為1R-MYB、R2R3-MYB、3R-MYB和4R-MYB,其中R2R3-MYB是植物MYB轉(zhuǎn)錄因子家族中數(shù)量最多的一類[5].R2R3-MYB的主要功能是初級(jí)和次級(jí)代謝物的調(diào)節(jié)、植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)、生物或非生物脅迫響應(yīng)等[6].如擬南芥AtMYB83和AtMYB46是AtSND1的直接靶點(diǎn),可誘導(dǎo)觸發(fā)AtMYB58、AtMYB63和AtMYB85的表達(dá),這些基因又通過與相關(guān)啟動(dòng)子AC元件相互作用來上調(diào)各種木質(zhì)素合成基因[7-8];R2R3-MYB的S7、S6和S2亞家族分別對(duì)黃酮醇[9]、花青素及原花青素[10]調(diào)控;在月季中,RhMYB108轉(zhuǎn)錄因子作為乙烯和茉莉酸信號(hào)接收器,通過激活和增強(qiáng)衰老相關(guān)基因表達(dá)從而調(diào)節(jié)花瓣衰老的啟動(dòng)的模式[11];擬南芥AtMYB49通過調(diào)節(jié)角質(zhì)層形成和抗氧化防御調(diào)節(jié)擬南芥的耐鹽性[12].R2R3-MYB除了正調(diào)節(jié)作用,還可以作為負(fù)調(diào)控因子行使功能.在擬南芥中,AtMYB4能夠抑制C4H的轉(zhuǎn)錄,從而抑制芥子酸酯的合成[13].以上研究均表明R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)合成等具有重要的作用.
福建柏[Fokieniahodginsii(Dunn) Henry et Thomas]為柏科福建柏屬,為我國特有種屬,分布在福建、廣東、云南、廣西等省區(qū)[14].其樹干通直、樹型優(yōu)美、四季常青、適應(yīng)性強(qiáng)、抗性較好、材性穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)細(xì)膩,是我國優(yōu)良的材用-景觀兩用型樹種之一[15].木質(zhì)素的合成對(duì)于木材的質(zhì)量和樹形有著重要影響,而R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子對(duì)木質(zhì)素合成的影響已經(jīng)有了較為廣泛的研究,如Du et al[16]對(duì)157個(gè)玉米MYB轉(zhuǎn)錄因子和125個(gè)擬南芥MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行分析,結(jié)果表明,有4個(gè)亞家族的MYB轉(zhuǎn)錄因子與木質(zhì)素合成以及次生壁增厚有關(guān),其中過表達(dá)AtMYB26能夠使擬南芥木質(zhì)部增厚;在菊花中,過表達(dá)CmMYB8使許多木質(zhì)素合成組分編碼基因表達(dá)下調(diào),植物木質(zhì)素含量降低[17],同樣地,銀合歡的LlMYB1在轉(zhuǎn)基因煙草中過表達(dá)也減少了木質(zhì)素的含量[18].而目前福建柏在轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控木質(zhì)素合成的研究方面處于萌芽階段,本文旨在利用福建柏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),對(duì)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行鑒定和生物信息學(xué)分析,為后續(xù)深入開展R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控研究提供依據(jù).
試驗(yàn)材料為35年生生長(zhǎng)良好、無病蟲害的福建柏鱗葉、樹皮(包括周皮和韌皮部)和根,于2019年8月采集于福建省福州市永泰縣大湖國有林場(chǎng)的福建柏天然林,使用無菌水把材料清洗干凈并用無菌濾紙擦干后,用錫箔紙包裹立即放進(jìn)干冰中,帶回實(shí)驗(yàn)室置于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?3個(gè)部位材料在同一區(qū)域內(nèi)選擇年齡相近、長(zhǎng)勢(shì)相同的3個(gè)福建柏,各設(shè)置6個(gè)生物學(xué)重復(fù).
1.2.1 總RNA的提取和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序 福建柏葉片、樹皮和根的總RNA用總RNA試劑盒(天根生物有限公司)進(jìn)行提取,提取后用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)總RNA的質(zhì)量和分光光度計(jì)(Nanodrop 2000)測(cè)定其濃度和純度.并用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Takara)將總RNA反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一條鏈,置于-20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?從野外采集回來的樣本立即送往武漢邁特維爾生物有限公司進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,測(cè)序結(jié)果供后續(xù)分析使用.
1.2.2 福建柏MYB轉(zhuǎn)錄因子家族的篩選和鑒定 在福建柏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中,提取已有MYB基因家族功能注釋的unigene數(shù)據(jù),并提交至CD-HIT Suite在線數(shù)據(jù)庫 (http://weizhong-lab. ucsd. edu/cdhit_suite/cgi-bin/index.cgi) ,去除冗余的核酸片段, 去冗余后的數(shù)據(jù)利用在線網(wǎng)站plantTFDB (http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn/) 進(jìn)行MYB轉(zhuǎn)錄因子篩選與鑒定.
1.2.3 福建柏MYB轉(zhuǎn)錄因子家族鑒定、理化性質(zhì)與功能注釋 利用OmicsBox分析工具對(duì)所有鑒定出的MYB轉(zhuǎn)錄因子序列進(jìn)行氨基酸相似性比對(duì)、鑒定和篩選,并對(duì)篩選出的MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行GO功能分類.篩選出的MYB氨基酸序列N端所含DNA-Binding結(jié)構(gòu)域使用在線預(yù)測(cè)工具ExPASy-pROSITE(https://prosite.expasy.org/)預(yù)測(cè),并根據(jù)Dubos et al[4]的方法進(jìn)行分類,分為1R-MYB(含MYB-related)、R2R3-MYB、3R-MYB、4R-MYB.運(yùn)用在線處理軟件ExPASy-Protparam (http://web.expasy.org/protparam/)、ExPASy-ProtScale (http://web.expasy.org/protscale/)和NetPho3.1 server (http://www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/)分析預(yù)測(cè)理化性質(zhì)和親疏水性.亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)使用在線網(wǎng)站Cell-PLoc(http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/Cell-PLoc-2/)和WoLF PSORT(https://wolfpsort.hgc.jp/),信號(hào)肽分析使用在線網(wǎng)站SignalP(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP-4.1/)進(jìn)行分析.
1.2.4 福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的保守結(jié)構(gòu)域和進(jìn)化樹分析 利用MEME在線軟件數(shù)據(jù)庫(http://meme-suite.org/tools/meme)對(duì)福建柏R2R3-MYB的R2和R3保守基序進(jìn)行分析.從在線網(wǎng)站plantTFDB數(shù)據(jù)庫中下載擬南芥R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子氨基酸序列,利用MEGA7.0軟件與福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子共同進(jìn)行ClustalW序列比對(duì)和構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹.
1.2.5 福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)模式分析和驗(yàn)證 根據(jù)福建柏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子在葉片、樹皮和根3個(gè)部位的FPKM(fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped)值,利用R語言進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和去中心化并使用heatmap包構(gòu)建表達(dá)熱圖.選取不同表達(dá)模式下的R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行RT-qPCR驗(yàn)證.利用Primer Premier 5.0軟件進(jìn)行引物設(shè)計(jì)(表1),選擇前期篩選出的Actin7作為內(nèi)參基因,使用謝德金等[19]的方法進(jìn)行qPCR擴(kuò)增,每個(gè)樣品做3個(gè)平行試驗(yàn), 并做3個(gè)生物學(xué)重復(fù).后用Ct(2-ΔΔCt)法計(jì)算福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子在葉片、樹皮、根中的相對(duì)表達(dá)量,利用Excel 2010和GraphPad 7.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、繪圖.
表1 引物序列Table 1 Primer sequences
在線網(wǎng)站plantTFDB初步篩選出145個(gè)福建柏MYB轉(zhuǎn)錄因子,經(jīng)過氨基酸序列同源比對(duì)和保守結(jié)構(gòu)域分析,有122個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子具有MYB保守結(jié)構(gòu)域且Blast同源性較高(均超過70%).通過分類得到71個(gè)R2R3-MYB、43個(gè)1R-MYB、6個(gè)3R-MYB和2個(gè)4RMYB,并依次對(duì)其進(jìn)行編碼FhMYB1~FhMYB122.71個(gè)R2R3-MYB的氨基酸數(shù)目為100~858個(gè),相對(duì)分子質(zhì)量11 618.52~96 926.56;總平均疏水系數(shù)(GRAVY)為-0.1~-1.0,推測(cè)都屬于親水蛋白;不穩(wěn)定系數(shù)均高于40,都屬于不穩(wěn)定蛋白.Cell-PLoc和WoLF PSORT兩個(gè)網(wǎng)站的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示71個(gè)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子均定位于細(xì)胞核中.信號(hào)肽分析表明全部序列的N端都沒有信號(hào)肽剪切位點(diǎn).
OmicsBox軟件的GO分析結(jié)果顯示,71個(gè)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子共注釋到364個(gè)GO terms, 其中分子功能(molecular function, MF)、生物過程(biological process, BP) 和細(xì)胞組成(cellular component, CC) 涉及到的GO terms分別為150、82和132個(gè).其中DNA binding類別中富集個(gè)數(shù)最多,在所有轉(zhuǎn)錄因子中均有注釋,說明均含有DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域;細(xì)胞組分中細(xì)胞結(jié)構(gòu)組分(cellular anatomical entity)和胞內(nèi)組分(intracellular component)均富集到66個(gè)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子,生物學(xué)過程中細(xì)胞學(xué)過程(cellular process)也相對(duì)較多,富集數(shù)目為50個(gè).
R2-MYB和R3-MYB的特征保守基序?yàn)椋?W-(X19)-W-(X19)-W-和-(F)-(X18)-W-(X18)-W-[4].由圖1可知,在71個(gè)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的R2-MYB特征中第13位、第33位和第53位氨基酸上出現(xiàn)色氨酸(W, Trp),都分別間隔19個(gè)氨基酸,表明保守基序完全一致;在R3-MYB特征保守基序中,第13位苯丙氨酸 (F, Phe)被異亮氨酸 (I, Ile)取代,在第32位和第51位氨基酸上出現(xiàn)色氨酸,間隔18個(gè)氨基酸,符合R3-MYB保守基序特征.進(jìn)一步分析表明,R2-MYB基序中第3個(gè)色氨酸殘基(W, Tyr)前9位氨基酸殘基的比對(duì)一致性高,表明該區(qū)域的氨基酸序列相對(duì)更保守. R3-MYB基序中2個(gè)色氨酸殘基中間的18個(gè)氨基酸殘基的比對(duì)一致性也較高,也表現(xiàn)出相對(duì)較高的保守性,如脯氨酸(P, Pro)、甘氨酸(G, Gla)、精氨酸(R, Arg)、蘇氨酸(T, Thr)等.這些保守基序能夠維持福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的螺旋—轉(zhuǎn)角—螺旋(H-T-H)結(jié)構(gòu),進(jìn)而與DNA更好地結(jié)合以行使功能.
R2:R2-MYB;R3:R3-MYB;W:色氨酸;F:苯丙氨酸;X:氨基酸.圖1 福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的保守基序Fig.1 Conservative motif of the R2R3-MYB of F.hodginsii
基于生物學(xué)功能的研究,對(duì)擬南芥R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了系統(tǒng)的亞分類[4].將福建柏和擬南芥R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了多序列比對(duì)和構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹,并標(biāo)注上擬南芥R2R3-MYB的亞類注釋(圖2).除亞類S12、S16、S18和S20外,其他亞類均有福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子與擬南芥R2R3-MYB共同聚為一類,其中S5中聚類最多,有9個(gè)福建柏R2R3-MYB與AtMYB123聚為一類,可能參與苯丙烷類代謝途徑的調(diào)控.有11個(gè)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子和擬南芥AtMYB111聚為一類,AtMYB111為S7分類,但根據(jù)擬南芥聚類方式,其未和AtMYB11和AtMYB12聚在一起,因此單獨(dú)注釋為W1,S7分類同樣可能參與苯丙烷類代謝途徑的調(diào)控.而有14個(gè)福建柏R2R3-MYB未和擬南芥R2R3-MYB聚為一類,而單獨(dú)聚類為W2亞類.
圖2 福建柏和擬南芥R2R3-MYB進(jìn)化樹Fig.2 Phylogenetic tree analysis of R2R3-MYB between F.hodginsii and Arabidopsis thaliana
對(duì)福建柏葉片、樹皮和根的FPKM值進(jìn)行表達(dá)模式熱圖分析(圖3),結(jié)果表明,福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)具有明顯的組織特異性.根據(jù)表達(dá)模式的差異分為5個(gè)類別,其中分組Ⅰ包括FhMYB12、FhMYB23、FhMYB35、FhMYB36等16個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,該類別在葉中表達(dá)與在樹皮、根中差異顯著,表達(dá)趨勢(shì)為上調(diào),且在樹皮和葉的表達(dá)差異不大;分組Ⅱ包括FhMYB17、FhMYB19和FhMYB54,該類別的表達(dá)在根、樹皮、葉中依次呈現(xiàn)階梯式差異,表達(dá)趨勢(shì)為上調(diào);分組Ⅲ包括FhMYB10、FhMYB22、FhMYB31、FhMYB32等12個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,該類別在樹皮中表達(dá)與在葉、根中差異顯著,表達(dá)趨勢(shì)為下調(diào),且在樹皮和葉的表達(dá)差異不顯著;分組Ⅳ包括FhMYB7、FhMYB8、FhMYB9、FhMYB11等21個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,該類別在根中表達(dá)與在葉、樹皮中差異顯著,表達(dá)趨勢(shì)為下調(diào);分組Ⅴ包括FhMYB1、FhMYB2、FhMYB3、FhMYB4等19個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,該類別在葉中表達(dá)與在樹皮、根中差異顯著,表達(dá)趨勢(shì)為下調(diào).
圖3 福建柏R2R3-MYB表達(dá)模式Fig.3 Expression pattern of R2R3-MYB in F.hodginsii
為了進(jìn)一步驗(yàn)證福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)模式的準(zhǔn)確性,從5種表達(dá)模式中選取具有代表性的轉(zhuǎn)錄因子(FhMYB8、FhMYB12、FhMYB17、FhMYB20和FhMYB38),采用RT-qPCR的方法進(jìn)行驗(yàn)證(圖4),結(jié)果表明,F(xiàn)hMYB8在根中相對(duì)表達(dá)量較高,在皮和葉中表達(dá)相對(duì)較低且兩者差異較??;FhMYB12在根中相對(duì)表達(dá)量較高,在皮中次之,在葉中表達(dá)相對(duì)較低;FhMYB17在皮和葉中相對(duì)表達(dá)量較高,在根中相對(duì)表達(dá)量較低且與皮、葉中的表達(dá)差異較大;FhMYB20在葉中相對(duì)表達(dá)量較高,在根中接近無表達(dá);FhMYB38在皮中相對(duì)表達(dá)量較高,3個(gè)部位的表達(dá)量差異相對(duì)較低.5個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的RT-qPCR表達(dá)結(jié)果的總體趨勢(shì)與FPKM值的表達(dá)模式基本一致,因此驗(yàn)證了R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)模式和組織特異性.
R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子是MYB轉(zhuǎn)錄因子家族中的一個(gè)大類,對(duì)植物的初生、次生代謝物的合成有著重要的作用[20].福建柏不僅材用價(jià)值、景觀價(jià)值高,其精油的工業(yè)和藥用價(jià)值也較高,這些特性都離不開福建柏初生、次生代謝物的合成,如木質(zhì)素、黃酮類、萜類化合物等的合成.為探究福建柏中重要次生代謝物質(zhì)的合成調(diào)控途徑,對(duì)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行分析和研究是十分必要的.通過福建柏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫、plantTFDB數(shù)據(jù)庫的篩選和比對(duì),鑒定出71個(gè)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子,均含有R2、R3型MYB,且通過結(jié)構(gòu)域分析和序列比對(duì),R2-MYB、R3-MYB中基序中色氨酸殘基前面的氨基酸殘基的比對(duì)一致性高,表明該區(qū)域的氨基酸序列更加保守和集中.同時(shí)也說明 R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子N端的保守重復(fù)序列能夠更好地形成H(螺旋)-T(轉(zhuǎn)角)-H(螺旋)結(jié)構(gòu),使R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子蛋白與基因啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合, 從而控制基因的轉(zhuǎn)錄水平[21].
在GO功能分類的分析中,預(yù)測(cè)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子主要富集于細(xì)胞過程和生物過程調(diào)控,這符合擬南芥[5]對(duì)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的功能分類.因此進(jìn)一步和擬南芥R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子共同構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹,分析可知,除S12、S16、S18和S20外,其他亞類均有福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子與擬南芥R2R3-MYB共同聚為一類,其中S5中聚類最多.在擬南芥中,S5亞家族參與花青素和黃酮類化合物合成途徑[22].其次S13聚類中也較多,擬南芥S13中AtMYB61的研究表明,AtMYB61能夠影響木質(zhì)素的沉積[23].另外,W1類別中含有較多福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子與AtMYB111聚在一類,AtMYB111原本在擬南芥中和AtMYB11、AtMYB12聚類,但在本研究中沒有聚在S7中,推測(cè)可能由于構(gòu)建進(jìn)化樹時(shí),未將所有擬南芥R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行聚類,而是將每個(gè)亞家族中的主要轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行聚類.S7亞家族在擬南芥中有著非常重要的作用,不僅參與細(xì)胞氧化還原過程的調(diào)控[24],也在黃酮類物質(zhì)的調(diào)控中發(fā)揮作用[9].W2類別沒有和任何擬南芥R2R3-MYB聚在一類的轉(zhuǎn)錄因子,該類別與S15亞家族在同一分支中,S15亞家族主要參與植物表皮細(xì)胞類型的分化調(diào)控[25-26],W2類別是否符合S15亞家族的功能注釋值得進(jìn)一步探究.
基因在不同組織中的表達(dá)模式和基因的功能是密切相關(guān)的[27],通過研究R2R3-MYB的表達(dá)模式,能夠更好地理解R2R3-MYB在調(diào)控次生代謝物質(zhì)合成過程的機(jī)理.FPKM表達(dá)模式分析表明福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子具有明顯的組織特異性,同時(shí)通過RT-qPCR進(jìn)行了驗(yàn)證如:FhMYB8和FhMYB20分別在根和葉片中相對(duì)表達(dá)較高,且進(jìn)化樹分析都與AtMYB111聚為一類,AtMYB111屬于S7亞家族,推測(cè)FhMYB8和FhMYB20可能分別在福建柏根和葉中參與黃酮類物質(zhì)的合成;FhMYB38在樹皮中表達(dá)較高,進(jìn)化樹分析與S15同一分支,推測(cè)FhMYB38可能在福建柏樹皮中調(diào)控表皮細(xì)胞的分化.
綜上所述,本研究基于福建柏葉、樹皮和根的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù),篩選和鑒定出71個(gè)福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子.對(duì)71個(gè)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了理化性質(zhì)、GO富集分類、保守結(jié)構(gòu)域、系統(tǒng)進(jìn)化樹分析以及表達(dá)模式的分析和驗(yàn)證,能夠初步了解福建柏中R2R3-MYB的數(shù)量、功能分類以及表達(dá)趨勢(shì),對(duì)后續(xù)進(jìn)一步開展福建柏R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子對(duì)代謝物質(zhì)的調(diào)控具有一定理論價(jià)值.