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荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析

周佩娜 党静洁 邵永芳 石遵睿 张琳 刘潺潺 吴啟南

骆争荣, 郑伟成, 唐战胜, 等. 浙江九龙山香果树生境土壤微生物多样性及其影响因素[J]. 浙江农林大学学报, 2024, 41(5): 1013-1023. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230532
引用本文: 周佩娜, 党静洁, 邵永芳, 等. 荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析[J]. 浙江农林大学学报, 2023, 40(1): 12-21. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220390
LUO Zhengrong, ZHENG Weicheng, TANG Zhansheng, et al. Soil microbial diversity and its influencing factors in the habitat of rare plant Emmenopterys henryi in Jiulongshan, Zhejiang Province[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(5): 1013-1023. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230532
Citation: ZHOU Peina, DANG Jingjie, SHAO Yongfang, et al. Genome-wide identification and expression analysis of HD-Zip gene family in Schizonepeta tenuifolia[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2023, 40(1): 12-21. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220390

荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220390
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(81973435);国家自然科学基金青年科学基金项目(81903756);江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX21_1759,KYCX22_2031)
详细信息
    作者简介: 周佩娜(ORCID: 0000-0002-5475-3863),博士研究生,从事中药资源品质评价研究。E-mail: 20203098@njucm.edu.cn
    通信作者: 吴啟南(ORCID: 0000-0001-9730-8279),教授,从事中药资源生产与品质评价研究。E-mail: wuqn@njucm.edu.cn
  • 中图分类号: Q781;S567

Genome-wide identification and expression analysis of HD-Zip gene family in Schizonepeta tenuifolia

  • 摘要:   目的  鉴定荆芥Schizonepeta tenuifolia的HD-Zip基因家族,利用生物信息学方法分析其在全基因组中的分布和相关特征以及在不同时期中的表达规律,为该家族基因的进一步研究奠定基础。  方法  根据已经表征的HD-Zip基因,筛选荆芥基因组内的HD-Zip基因序列,利用MEME、PlantCARE、NCBI、MEGA X、MCScanX、Circos等在线网站及软件对蛋白序列进行基本理化性质分析、进化树构建、染色体定位、基因结构分析、共线性基因分析等。  结果  在荆芥全基因组中共鉴定到42条HD-Zip基因序列,它们可被分为4个亚家族,分别含有16、7、5、14个基因,亚家族之间的基因长度、结构及保守基序差异显著,但在亚家族内部保守,荆芥基因组与拟南芥Arabidopsis thaliana基因组共线性分析发现有37对基因,可能具有相似的生物学功能。荆芥的4个亚家族基因的顺式元件中均高频出现了光响应、脱落酸响应、MeJA响应等元件,在不同生长时期的叶片及部位的转录组数据中具有不同的表达趋势,Ⅰ亚家族主要在幼叶中表达,Ⅱ和Ⅲ亚家族主要在根中在表达,Ⅳ亚家族主要在叶中表达。  结论  在荆芥基因组中共获得42条HD-Zip基因序列,被分为4个亚家族(HD-ZipⅠ~Ⅳ),亚家族内部高度保守,亚家族之间差异显著,其基因结构、保守结构域及表达模式不同。亚家族Ⅰ和Ⅱ,亚家族Ⅲ和Ⅳ亲缘关系更近,HD-Zip基因具有组织表达差异性,协同调控了荆芥的生长发育和次生代谢。图9表1参25
  • 香果树Emmenopterys henryi为茜草科Rubiaceae香果树属Emmenopterys高大落叶乔木,是中国特有的第四纪孑遗植物之一,零星分布在中国西北、华中、华东、华南和西南等15个省(自治区)[12]。目前,香果树的野外生存受到一定的威胁,已经被列为国家Ⅱ级重点保护植物[3]。过去几十年,国内学者对香果树进行了广泛的研究[4],但对于香果树生境土壤微生物的研究几乎空白。土壤微生物作为陆地生物多样性的重要组分,不仅在陆地生态系统物质循环和能量流动过程中起着重要作用[5],还通过植物-微生物反馈影响着植物的代谢、功能性状及其对环境胁迫的适应能力,从而影响植物的健康和多样性[67]。细菌和真菌是土壤中最重要的两大微生物类群,一般来说真菌对环境胁迫的抗性更强,而细菌对资源水平波动的适应性更强[8]。因此,学者普遍认为资源质量低的环境中微生物群落往往以真菌为主,资源不稳定或资源水平高的环境中微生物群落往往以细菌为主[9]。香果树喜生于海拔430~1 630 m处岩石裸露度高、土层浅薄的山谷林中[10]。在这种严苛的环境中,微生物常对珍稀植物的生长和繁育过程起着更为重要的促生作用[11]。有学者已经从香果树营养器官中筛选到了多种具溶磷、解钾、分泌吲哚乙酸或具有2种以上功能的真菌[12]。除提高土壤养分可利用率和刺激植物释放激素外,微生物还可以有效抑制植物病害的发生[11, 13]。活体植物根系周围既是病原微生物的聚集地,也是共生抗病微生物的聚集地,因此植物体周围的微生物多样性和物种组成对于该植物的生存和繁衍具有重要影响[14]。然而,目前香果树生境微生物多样性和物种组成时空变化格局及机制仍未得到深入了解。

    微生物多样性和物种组成的时空变化格局受多种生态因素的影响,这些因素相互作用,但主控因素仍然不明[15]。海拔是影响土壤微生物多样性的重要因素[16]。不同森林生态系统中表层土壤微生物普遍呈现海拔变化格局,但对于土壤微生物组成和多样性沿海拔变化的趋势至今没有统一定论[10, 14]。其主要原因在于各种生态因子,如土壤温度、湿度、土壤理化性质和植被类型,都会随海拔的升高而改变,进而对土壤微生物群落造成不同影响[1617]。虽然土壤特性对微生物多样性的影响一直受到关注[15],但研究多围绕土壤养分含量,很少分析土壤物理性质等对微生物多样性的影响。此外,植物可以通过凋落物和根系分泌物对土壤微生物产生直接影响,也可以通过改变土壤理化性质对土壤微生物产生间接影响[1819]。植物群落的物种组成或多样性与群落中土壤微生物物种组或多样性呈显著相关[2021]。同时,空间距离对土壤微生物多样性的影响也不容忽视。除了微生物多样性本身,样本间土壤理化性质和植被特征的相似性也都与空间距离有关。因此,需要尽可能同时检验这些生物和非生物因素(包括空间因素)对珍稀植物生境土壤微生物多样性的影响。

    为探究香果树生境土壤微生物多样性和物种组成时空变化信息以及造成这些变化的主控因素,本研究利用高通量测序技术检测浙江九龙山国家级自然保护区香果树生境土壤细菌和真菌的多样性格局,并分析香果树生物因素和环境因素对这些格局的影响,以期为香果树的保护和繁育提供科学依据。

    浙江九龙山国家级自然保护区位于浙、闽、赣交界处的丽水遂昌西南部(28°19′10″~28°24′43″N,118°49′38″~118°55′03″E)。该区气候属中亚热带湿润季风气候,四季分明,雨量充足,光照适宜,气候具有垂直地带性,年内雨季和干季交替明显,南北坡气候存在差异[20]。2021年平均气温为16.3 ℃,年降水量为2 171.5 mm;2022年平均气温为16.0 ℃,年降水量为2 064.2 mm。土壤属富铝土纲,红壤土类,包括老红壤、红壤、黄红壤和红黄壤等亚类,随着海拔的变化,各亚类按序替代。土壤中有机质、全氮及钾素丰富,有机质转化迅速,腐殖质组成以富里酸占优势[22]。植被以亚热带常绿阔叶林为主,该区也是香果树在浙江的主要分布地之一[2223]

    2021年7—10月,在九龙山国家级自然保护区内的大岩前、岩背坑、陈坑、源大坑、内阴坑、内北坪等6处香果树分布地共设置34个样地。每个样地都是以1株香果树为圆心,15 m为半径的圆。定位每个样地的海拔和地理坐标,测量样地所在山坡的坡向,测量样地内所有胸径大于2.5 cm的乔、灌木的胸径及与样地中心香果树的距离,并鉴定物种。

    分别于2021年11月中旬(24个样地)和2022年10月底(10个样地)分2次采集了34个样地的土壤样品。采样时在中心香果树冠幅范围内去除表层凋落物后任意采集5份土壤(深度0~15 cm)进行混合,剔除碎石等杂物。将采集土样放入提前标记好的无菌密封袋密封,置于冰盒内带回实验室。在实验室去除可见根系和动植物残体,一部分用于微生物高通量测序,另一部分自然风干后过2 mm土筛,用于土壤理化性质测定。

    土壤理化性质分析参考《土壤分析技术规范》[24]。采用电位法测定土壤pH,外加热重铬酸钾容量法测定有机质,凯氏蒸馏法测定全氮,碱解扩散法测定碱解氮,盐酸-氯化铵浸提-钼锑抗比色法测定速效磷,醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾;采用指测法确定土壤质地;采用比重瓶法结合环刀法测定和计算土壤总孔隙度。

    土壤样品保存在干冰中送至实验室后,使用土壤DNA提取试剂盒(Omega Bio-tek,Norcross,GA)进行土壤微生物总DNA抽提,并利用质量分数为1%的琼脂糖凝胶电泳对抽提的总DNA纯度和浓度进行检测。本研究采用通用引物338F和806R扩增细菌16S rDNA基因的V3~V4区域;采用引物ITS1F和ITS2R扩增真菌ITS1区域。每个样本3个重复,重复的PCR扩增产物混合后经检测、回收、纯化和荧光定量后构建Miseq文库,并进行双向测序。原始序列数据经拼接、过滤质控和去除嵌合体等步骤后,得到高质量的有效序列数。在97%相似性水平下,划分所有序列的操作分类单元(OTU)[18]

    1.6.1   微生物α多样性分析

    Shannon-Wiener指数和Simpson指数是衡量群落α多样性最常用的指数[25],但这2个指数在比较不同群落α多样性的差异时,群落间的多样性差异程度容易失真[26]。为了更好地揭示不同样地间α多样性变化的影响因素,本研究使用Shannon-Wiener指数当量(H')和Simpson指数当量(D')(即保持多样性指数值不变,群落内物种都具有相同多度时,群落中预期的物种数量)来表征香果树生境土壤细菌和真菌的α多样性。本研究分别统计所有土样细菌、真菌的OTU数量和门类,并计算每个土样细菌和真菌的Shannon-Wiener指数、Simpson指数及其当量。用t检验比较2个年份土壤细菌和真菌的H'D'

    为分析不同样地土壤微生物α多样性差异与地形、土壤理化性质以及香果树大小的关系,本研究以各样地土壤细菌和真菌的H'D'作为应变量,以样地的海拔、坡向、土壤理化性质、样地中心香果树的胸高断面积、树木α多样性作为自变量进行回归分析。取坡向的正弦和余弦值作为自变量来提取坡向的信息。同时,考虑到样地间的空间自相关,以及不同取样年份造成的影响,本研究将香果树分布地和取样年份作为随机效应加入回归方程,建立线性混合效应模型。利用F检验对各自变量固定效应的显著性进行检验。

    1.6.2   土壤微生物β多样性分析

    采用基于丰度的Sorenson相异性指数作为配对样本之间的β多样性(即样本之间的微生物组成的差异,Btotal)的度量,并将β多样性分解为物种周转组分(Repl)和物种丰富度差异组分(Rich)[23]。当Rich/Btotal大于50%时,表明β多样性主要由物种丰富度差异组分主导,Repl/Btotal大于50%时,表明β多样性主要由物种周转组分主导[25]

    利用偏Mantel检验,在控制样地空间距离条件下,分析取样年份与香果树生境土壤微生物β多样性及其组分的Spearman相关;或控制取样年份条件下,分析样地间空间距离与香果树生境土壤微生物β多样性及其组分的相关性。同时控制样地空间距离和取样年份的情况下,分析其他因子与土壤微生物β多样性及其组分的关系。

    最后,通过方差分解,探究对香果树生境土壤微生物β多样性及其组分有显著影响因素的相对重要性[25]。该分析以土壤样本细菌或真菌β多样性及其2个组分为响应变量,以地形、土壤理化性质、样地树木物种组成、中心香果树胸高断面积、取样年份或样地空间距离等因素作为解释变量。本研究依据最低残差原则选择“最好”的因素组合,去除共线性因子。空间距离因子由邻体矩阵主坐标分析(PCNM)引入,选择正相关的PCNM特征值作为空间因子指标[25]。以树种组成矩阵主坐标排序(PCoA)的前10个排序轴(含总变异的89.3%)作为代表各样地树种组成的变量。

    1.6.3   数据分析

    所有数据分析都在R软件中完成。α多样性指数计算、偏Mantel检验、PCNM分析和方差分解采用vegan程序包,线性混合效应模型分析通过lme4程序包,β多样性分解通过adespatial程序包,PCoA排序通过ade程序包实现。

    本研究从香果树生境土壤中共检测到8 750个细菌OTUs和10 968个真菌OTUs,其中8 612个可注释的细菌OTUs归属于38个门类,7 742个可注释的真菌OTUs归属于17个门类。2021年采集的24个土壤样品共检测到6 935个细菌OTUs和9 198个真菌OTUs,其中6 838个可注释的细菌OTUs归属于37个门类,6 554个可注释的真菌OTUs归属于16个门类;2022年采集的10个土壤样品共检测到4 168个细菌OTUs和4 592个真菌OTUs,其中4 096个可注释的细菌OTUs归属于37个门类,3 432个可注释的真菌OTUs归属于15个门类。

    图1可见:每个土壤样品细菌的Shannon-Wiener指数为4.82~6.37,均值为5.87,Simpson指数为0.95~0.99,均值为0.98;真菌Shannon-Wiener指数为3.84~5.56,均值为4.88,Simpson指数为0.92~0.99,均值为0.97。2021年采集的土壤细菌H'显著高于2022年(P<0.05),但D'无显著差异;真菌的H'D'在2个取样年份间差异不显著。

    图 1  不同年份土壤微生物α多样性差异
    Figure 1  Alpha diversity differences of soil microbes in different sampling years

    线性混合效应模型分析表明:香果树生境土壤细菌H'与海拔呈显著负相关(P<0.05),即随着海拔上升,土壤细菌H'下降(图2A),而土壤细菌D'与海拔无关。海拔及其二次方对土壤真菌H'D'都有显著影响(P<0.05),随着海拔的上升,香果树生境土壤真菌α多样性呈现先下降后上升的趋势(图2B图2C)。模型分析表明:样地坡向与土壤细菌和真菌α多样性都无显著关系。土壤理化性质中,速效钾与细菌D'呈显著负相关(P<0.05);pH与细菌H'呈显著正相关(P<0.05);碱解氮与真菌H'、D'都呈显著负相关(P<0.05);其余性质都与真菌和细菌的α多样性无显著关系。植物因子中,仅中心香果树胸高面积与土壤真菌D'呈显著正相关(P<0.05),土壤细菌、真菌α多样性都与样地树种多样性无关(表1)。

    图 2  九龙山香果树生境土壤微生物α多样性随海拔的变化
    Figure 2  Changes of α diversity indices of microbes in soil of E. henryi stand along with altitude
    表 1  生物和环境因子对香果树生境土壤微生物α多样性的影响
    Table 1  Influence of biotic and abiotic factors on α diversity of soil microbes in habitat of E. henryi
    影响因素细菌H'细菌D'真菌H'真菌D'
    回归系数P回归系数P回归系数P回归系数P
    坡向正弦0.001.000.010.950.180.380.120.10
    坡向余弦0.010.970.180.33−0.250.29−0.110.99
    土壤质地−0.060.88−0.100.65−0.050.86−0.070.90
    总孔隙度0.110.420.100.460.120.360.140.38
    有机质−0.430.560.100.90−0.780.40−0.140.86
    全氮1.210.170.610.541.410.200.400.71
    速效钾0.880.11−0.650.050.930.171.000.11
    速效磷1.280.191.360.18−0.600.61−0.550.60
    碱解氮−0.870.12−1.000.09−0.370.03−0.730.02
    pH0.820.000.090.67−0.060.83−0.100.69
    中心香果树胸高断面积0.090.64−0.110.600.150.560.420.05
    树种多样性0.250.240.260.180.140.600.190.37
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    九龙山香果树生境土壤细菌β多样性为0.19~0.72,均值为0.39,其中物种周转组分为0.08~0.66,均值0.27,物种丰富度差异组分为0~0.43,均值为0.12 (图3A)。物种周转组分对土壤细菌β多样性的贡献达70.2%,而物种丰富度差异组分对土壤细菌β多样性的贡献占29.8%。香果树生境土壤真菌β多样性为0.49~0.96,均值为0.72,其中物种周转组分为0.37~0.92,均值为0.61,物种丰富度差异组分为0~0.41,均值为0.11 (图3B)。物种周转组分对土壤真菌β多样性的贡献高达85.1%,而物种丰富度差异组分对土壤真菌β多样性的贡献仅占14.9%。

    图 3  九龙山香果树生境土壤微生物β多样性的三维分布
    Figure 3  Triangular plot of microbes communities in soil of E. henryi stands in Jiulongshan

    偏Mantel检验表明:控制取样年份后,样地空间距离与土壤微生物β多样性及其物种周转组分都显著相关(P<0.05,表2);控制样地间空间距离后,仅土壤微生物物种丰富度与取样年份有关(表2)。取样年份解释了土壤细菌物种丰富度的42% (图4A),但仅解释了土壤真菌的8% (图4B)。

    表 2  九龙山香果树生境土壤微生物β多样性与各环境因子的偏Spearman相关
    Table 2  Partial spearman correlations between soil microbes β diversity and various environmental factors in E. henryi stands in Jiulongshan
    影响因素细菌真菌
    β多样性物种周转物种丰富度差异β多样性物种周转物种丰富度差异
    相关系数P相关系数P相关系数P相关系数P相关系数P相关系数P
    空间距离0.320.000.270.010.010.420.300.010.290.00−0.040.64
    年份0.060.21−0.381.000.650.000.020.42−0.371.000.500.00
    海拔−0.060.73−0.200.990.100.080.090.20−0.271.000.330.00
    坡向0.020.28−0.000.500.020.240.020.230.050.08−0.020.65
    土壤理化性质0.460.000.390.000.010.250.430.000.260.020.120.13
    质地0.050.53−0.060.770.050.430.020.440.060.290.060.38
    总孔隙度0.340.010.340.010.020.570.250.050.220.03−0.040.87
    有机质0.450.000.410.00−0.030.620.290.010.270.010.010.40
    全氮0.340.000.280.010.060.240.260.020.210.030.040.27
    速效钾0.310.010.310.00−0.030.630.240.030.210.02−0.030.61
    速效磷0.330.010.270.010.060.250.250.040.220.02−0.010.49
    碱解氮0.240.010.180.040.010.430.350.000.140.090.150.06
    pH0.470.000.420.000.010.430.330.000.270.00−0.020.53
    中心香果树胸高断面积0.080.21−0.030.580.080.130.010.44−0.210.990.180.03
    树种组成0.200.020.190.03−0.060.760.230.020.130.090.010.45
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    图 4  九龙山香果树生境环境因子对土壤微生物β多样性及其组分解释度的方差分解结果
    Figure 4  Variance partitioning results of β diversity and its components of soil bacteria or fungi in E. henryi stands in Jiulongshan interpreted by biotic and abiotic factors

    偏Mantel检验发现:控制采样年份和样地空间距离后,土壤细菌β多样性与土壤理化性质差异(总孔隙度、有机质、全氮、速效钾、速效磷、碱解氮和pH)以及树种组成显著相关(P<0.05,表2)。土壤理化性质、树种组成和空间结构共解释九龙山香果树生境土壤细菌β多样性52%的变异,其中土壤理化性质差异解释了26%,树种组成解释了12%,空间结构仅解释10%,土壤理化性质和树种组成共同解释额外10%的细菌β多样性(图4C)。土壤细菌物种周转与土壤理化性质(尤其是有机质、全氮、速效钾、速效磷和pH)及树种组成显著相关(P<0.05,表2)。样地的空间结构并不能单独解释土壤细菌的物种周转。土壤理化性质和树种组成共解释了44%的土壤细菌物种周转,其中土壤理化性质解释了36%,树种组成解释了18% (图4D)。土壤细菌物种丰富度差异与海拔、坡向、土壤理化性质、香果树种组成的相关性不显著(表2)。

    控制取样年份和样地空间距离后,土壤真菌β多样性与土壤理化性质(总孔隙度、有机质、全氮、速效钾、速效磷、碱解氮和pH)及树种组成显著相关(P<0.05,表2)。土壤理化性质、树种组成和空间结构共解释了九龙山香果树生境土壤34%的真菌β多样性,其中树种组成解释了13%,土壤理化性质和空间结构各自解释了11%和10%的真菌β多样性,土壤理化性质和树种组成共同解释额外7% (图4E)。土壤真菌物种周转与土壤理化性质(总孔隙度、有机质、全氮、速效钾、速效磷和pH值)显著相关(P<0.05,表2)。土壤理化性质和空间结构共同解释了15%的土壤真菌物种周转,其中土壤理化性质和空间结构分别解释了5%和11% (图4F)。土壤真菌物种丰富度仅与海拔和中心香果树胸高断面积显著相关(P<0.05,表2)。海拔和取样年份交互作用解释了51%的土壤真菌物种丰富度差异,海拔和取样年份分别独立解释9%和8%的土壤真菌物种丰富度差异。中心香果树胸高断面积不能单独解释土壤真菌物种丰富度差异。

    植物与微生物之间存在复杂的相互作用[11]。近年来,对森林土壤微生物多样性的研究较深入[27],但对珍稀濒危植物体内或生境中的微生物研究较少[1112]。本研究分析表明:九龙山香果树生境土壤细菌α多样性高于真菌α多样性,且土壤微生物多样性显著高于该地树木的多样性[25]。这一特征符合森林土壤微生物多样性的基本规律[28]。极高的细菌和真菌多样性是出现宿主专一的病原微生物和共生菌的基础。专一的植物-微生物相互作用有助于缓解珍稀植物受到的环境胁迫[11]。从不同气候带森林土壤微生物多样性比较来看,九龙山国家级自然保护区香果树生境土壤细菌α多样性较其他地方低,而真菌α多样性较其他地方高[28]。这可能与香果树生境岩石裸露度高且土层浅薄的特性有关。在这种资源质量低的环境中,真菌种类丰富的微生物群落常体现出优势,丰富的真菌物种有利于维持环境中矿质资源的供给,改善植物的生存环境[89]。同时,本研究也发现:随着生境条件的变化,香果树生境中细菌群落的物种组成最为稳定,而真菌群落的物种组成变化较大[25]。植物、真菌和细菌群落在环境梯度上都是以发生物种周转为主,物种周转对于真菌群落的β多样性尤为重要。

    本研究发现:2021年土壤细菌的H'显著高于2022年,而其余类群和多样性指数在不同年份间差异不显著。2022年土壤细菌群落H'显著降低,说明群落中不少稀有物种丧失或者丰度发生变化。已有研究表明:降水能显著影响森林土壤微生物群落的结构,且对细菌的影响尤为明显[29]。2022年6—8月,九龙山地区经历了明显的干旱过程,全年降水量比2021年下降了107.3 mm (5%)。降水的改变应该是九龙山香果树生境土壤细菌多样性降低的重要因素。

    除了气候因素外,海拔和坡向是影响土壤微生物α多样性的重要因素[3031]。有研究表明:土壤微生物α多样性在南坡和北坡对海拔变化的响应不同[31]。然而,本研究结果显示:九龙山香果树生境土壤微生物α多样性与坡向无关。海拔因子极其复杂,许多生态因子,如温度、湿度、辐射、植被等,都会随海拔的变化而改变,生态因子在海拔梯度上的变化比在纬度梯度上的变化快1 000倍[30]。目前,土壤微生物α多样性沿海拔梯度的变化模式主要包括单调递减、单调递增、单峰、下凹和无趋势等5种[31]。本研究表明:九龙山香果树生境细菌和真菌α多样性随海拔上升呈不同的变化趋势。

    土壤理化性质是影响土壤微生物生存和繁殖的最直接因素,而且微生物的活动也影响着土壤理化性质,因此土壤理化性质与微生物多样性之间存在紧密联系[15]。九龙山香果树生境土壤pH全部小于6,属于酸性至强酸性土壤。细菌D'与土壤pH呈正相关,说明土壤酸性越低,细菌多样性越高,部分细菌类群不能在强酸性环境中生存。本研究发现:细菌D'与土壤速效钾呈负相关关系,可能有以下2种解释:首先,九龙山香果树生境中部分细菌类群可能不喜速效钾较高的生境;其次,生境中可能存在大量消耗速效钾的细菌类群,导致生境中速效钾降低。具体原因有待从细菌功能生态的角度进行深入研究。此外,本研究土壤碱解氮与真菌多样性之间呈显著负相关。主要原因在于真菌以利用分解程度低的凋落物为主,而在凋落物层较厚的环境中氮素多以有机态大分子形式存在,碱解氮质量分数常较低[11]

    在较大的地理尺度上或不同植被类型(或演替阶段)中,土壤微生物与植物多样性之间常存在紧密的正相关[32]。本研究的地理尺度较小,且限于单一的香果树群落,群落类型单一,因此并未检测到树木多样性与土壤微生物多样性之间的关系。然而,本研究依然发现样地中心香果树胸高断面积与其周围土壤真菌的D'之间呈显著正相关。有研究表明:不同树种的大树周围,土壤能以不同的速率积累病原真菌或菌根真菌[14]。如果积累的真菌种类大多为病原真菌,将导致香果树强烈的负密度制约效应,而积累多种菌根真菌,将有利于香果树幼苗从母树周围得到正反馈。珍稀植物如何招募并组装根内微生物,直接关系到其种群复壮前景[11]。张红芳等[12]已从香果树体内分离到了82株具溶磷效果和36株具解钾活性的内生真菌,说明有益真菌促进香果树种群维持和复壮是有可能的。

    本研究发现:香果树生境土壤细菌和真菌群落的物种组成存在显著的空间正相关,即距离越近微生物群落的物种组成越相似。然而,微生物群落的空间结构并不完全由土壤理化性质和植物群落的空间自相关来解释。样地空间结构仅各独立解释了10%的细菌和真菌β多样性。其他具有空间自相关结构的生境因素,如土壤温度、湿度等,对于九龙山香果树生境土壤微生物物种组成具有重要影响。另外,取样年份对细菌和真菌群落的物种丰富度差异具有显著影响,说明气候波动对细菌和真菌群落物种丰富度的年际变化具有重要影响。树种是影响土壤微生物群落物种组成的重要因素[19]。在九龙山,土壤真菌、细菌β多样性以及细菌的物种周转组分与香果树群落的树种组成呈显著相关,且这一关系不能完全由香果树群落的树种组成的空间自相关因素解释。植物群落的树种组成差异促进了不同香果树生境土壤细菌和真菌群落间的物种替代。土壤是微生物生存的直接环境,土壤理化性质对土壤微生物β多样性具有重要影响[19]。本研究表明:土壤理化性质显著影响细菌和真菌群落β多样性及其物种周转组分,具有较高的独立和总和解释度。说明群落间土壤异质性是导致九龙山香果树生境土壤微生物(尤其是细菌) β多样性和物种周转的主要因素。除了重要的养分因子外,本研究还表明:影响土壤通气性、养分释放和移动以及热特性的土壤孔隙度对细菌和真菌群落的β多样性及其物种周转具有重要影响。虽然海拔梯度显著影响九龙山香果树生境土壤微生物α多样性,但是其对β多样性的影响很小。地形因素中,海拔差异仅与真菌群落物种丰富度差异显著相关,而坡向差异与细菌和真菌的β多样性及其2个组分都无显著关系。今后有必要进一步深入研究地形因子对土壤微生物αβ多样性影响的差异及其机制。

    取样年份、海拔、土壤理化性质、中心香果树胸高断面积以及树种组成对浙江九龙山香果树生境土壤微生物群落的αβ多样性具有重要影响。细菌和真菌群落α多样性沿海拔梯度呈现不同的变化规律。此外,细菌和真菌群落β多样性体现出明显的空间结构。

    感谢遂昌县气象局提供九龙山区气象数据。

  • 图  1  荆芥HD-Zip基因家族的染色体定位

    Figure  1  Chromosome mapping of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

    图  2  荆芥与拟南芥及其他物种HD-Zip基因家族的最大似然值进化树

    Figure  2  ML evolutionary tree of HD-Zip gene family between S. tenuifolia and A. thaliana and other species

    图  3  荆芥HD-Zip基因家族的基因结构分析

    Figure  3  Gene structure analysis of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

    图  4  荆芥HD-Zip基因家族的保守基序分析

    Figure  4  Conservative motif analysis of HD-Zip gene family in S. tenuifolia       

    图  5  荆芥HD-Zip基因家族的顺式作用元件分布

    Figure  5  Distribution of cis-acting elements of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

    图  6  荆芥HD-Zip基因家族的组内串联重复分析

    Figure  6  Tandem repeat analysis of HD-Zip gene family in genome of S. tenuifolia

    图  7  荆芥HD-Zip基因家族的组内共线性分析

    Figure  7  Intra-group collinearity analysis of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

    图  8  荆芥HD-Zip与拟南芥基因组之间的共线性分析

    Figure  8  Collinear analysis of HD-Zip gene between S. tenuifolia and A. thaliana genomes

    图  9  HD-Zip家族基因表达模式

    Figure  9  HD-Zip family gene expression pattern

    表  1  荆芥HD-Zip基因家族的蛋白特征

    Table  1.   Protein characteristics of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

    亚家族基因ID CDS长
    度/bp
    蛋白长
    度/个
    分子量/
    kDa
    等电点染色体亚家族基因ID CDS长
    度/bp
    蛋白长
    度/个
    分子量/
    kDa
    等电点染色体
    HD-Zip ⅠSch00000318190029933.8474.88Chr 01Sch00000383152817520.3318.58Chr 01
    Sch00001677789729834.3796.55Chr 04
    Sch00001948682227331.1004.59Chr 04HD-Zip ⅢSch000001735256285393.3065.74Chr 01
    Sch00002649892730835.3505.01Chr 06Sch000019857251183691.4615.94Chr 04
    Sch00000872582227331.0344.83Chr 02Sch000014693249383091.0215.84Chr 03
    Sch00000599791230334.3694.97Chr 02Sch000026324258686194.1836.14Chr 06
    Sch00002032896632135.7304.81Chr 04Sch000028231252984292.4346.17Chr 06
    Sch00001642486728832.6336.32Chr 04
    Sch00001790287929233.2076.07Chr 04HD-Zip ⅣSch000026062216672179.0715.98Chr 06
    Sch00000247487629132.5315.7Chr 01Sch000008059216372079.0566.23Chr 02
    Sch00000898369623126.8326.32Chr 02Sch000029960218172679.5265.64HiC_scaffold_8
    Sch00000683169323026.6156.96Chr 02Sch000011892241880587.9135.79Chr 03
    Sch00001927860019922.6738.44Chr 04Sch000009216219673179.8885.79Chr 02
    Sch00002165154618121.7885.84Chr 05Sch000019506240079987.0736.04Chr 04
    Sch00001373865421724.9347.59Chr 03Sch000012322249082991.5025.41Chr 03
    Sch00001671062120624.4725.44Chr 04Sch000012213249082991.5025.41Chr 03
    Sch000004651249082991.5025.41HiC_scaffold_100
    HD-Zip ⅡSch000028530891296327.3607.52Chr 06Sch000018911207068977.0616.28Chr 04
    Sch00001096687929232.6237.62Chr 03Sch000005323194464773.2647.27Chr 02
    Sch000019272795264294.9508.59Chr 04Sch000022402230776884.1805.81Chr 05
    Sch00000831678326029.0938.12Chr 02Sch000024046227475784.2796.15Chr 06
    Sch00002544787929232.3519.05Chr 06Sch000008675188462769.9056.18Chr 02
    Sch00001195164521424.3348.24Chr 03
      说明:CDS指蛋白编码区
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-13
  • 修回日期:  2022-11-21
  • 录用日期:  2022-11-22
  • 网络出版日期:  2023-01-17
  • 刊出日期:  2023-02-20

荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220390
    基金项目:  国家自然科学基金面上项目(81973435);国家自然科学基金青年科学基金项目(81903756);江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX21_1759,KYCX22_2031)
    作者简介:

    周佩娜(ORCID: 0000-0002-5475-3863),博士研究生,从事中药资源品质评价研究。E-mail: 20203098@njucm.edu.cn

    通信作者: 吴啟南(ORCID: 0000-0001-9730-8279),教授,从事中药资源生产与品质评价研究。E-mail: wuqn@njucm.edu.cn
  • 中图分类号: Q781;S567

摘要:   目的  鉴定荆芥Schizonepeta tenuifolia的HD-Zip基因家族,利用生物信息学方法分析其在全基因组中的分布和相关特征以及在不同时期中的表达规律,为该家族基因的进一步研究奠定基础。  方法  根据已经表征的HD-Zip基因,筛选荆芥基因组内的HD-Zip基因序列,利用MEME、PlantCARE、NCBI、MEGA X、MCScanX、Circos等在线网站及软件对蛋白序列进行基本理化性质分析、进化树构建、染色体定位、基因结构分析、共线性基因分析等。  结果  在荆芥全基因组中共鉴定到42条HD-Zip基因序列,它们可被分为4个亚家族,分别含有16、7、5、14个基因,亚家族之间的基因长度、结构及保守基序差异显著,但在亚家族内部保守,荆芥基因组与拟南芥Arabidopsis thaliana基因组共线性分析发现有37对基因,可能具有相似的生物学功能。荆芥的4个亚家族基因的顺式元件中均高频出现了光响应、脱落酸响应、MeJA响应等元件,在不同生长时期的叶片及部位的转录组数据中具有不同的表达趋势,Ⅰ亚家族主要在幼叶中表达,Ⅱ和Ⅲ亚家族主要在根中在表达,Ⅳ亚家族主要在叶中表达。  结论  在荆芥基因组中共获得42条HD-Zip基因序列,被分为4个亚家族(HD-ZipⅠ~Ⅳ),亚家族内部高度保守,亚家族之间差异显著,其基因结构、保守结构域及表达模式不同。亚家族Ⅰ和Ⅱ,亚家族Ⅲ和Ⅳ亲缘关系更近,HD-Zip基因具有组织表达差异性,协同调控了荆芥的生长发育和次生代谢。图9表1参25

English Abstract

骆争荣, 郑伟成, 唐战胜, 等. 浙江九龙山香果树生境土壤微生物多样性及其影响因素[J]. 浙江农林大学学报, 2024, 41(5): 1013-1023. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230532
引用本文: 周佩娜, 党静洁, 邵永芳, 等. 荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析[J]. 浙江农林大学学报, 2023, 40(1): 12-21. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220390
LUO Zhengrong, ZHENG Weicheng, TANG Zhansheng, et al. Soil microbial diversity and its influencing factors in the habitat of rare plant Emmenopterys henryi in Jiulongshan, Zhejiang Province[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(5): 1013-1023. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230532
Citation: ZHOU Peina, DANG Jingjie, SHAO Yongfang, et al. Genome-wide identification and expression analysis of HD-Zip gene family in Schizonepeta tenuifolia[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2023, 40(1): 12-21. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220390
  • 中药荆芥是唇形科Labiatae植物荆芥Schizonepeta tenuifolia干燥后的地上部分,有解表祛风、透疹止血等功效[1]。荆芥的挥发油、黄酮等活性成分被广泛用于医药、食品和化工等领域[2-3]

    HD-Zip (Homeodomain-leucine zipper protein)基因家族是植物界一类特有的转录因子,在植物的生长发育、适应环境及胁迫应答等方面起到重要作用。HD (Homeodomain)蛋白是由Homeobox (HB)基因编码的高度保守的蛋白质结构域,由60个氨基酸组成。该蛋白中存在1个特征性的三螺旋结构,可以特异结合DNA序列,以此对基因进行调控[45]。此外,HD-Zip基因家族还有1个亮氨酸拉链保守结构域(leucine zipper-loop-zipper,LZ),这是蛋白形成二聚体所必需的结构。根据蛋白的序列保守性、蛋白功能、基因结构等,将该家族分为4个亚家族:HD-Zip Ⅰ ~Ⅳ[6]。Ⅰ亚家族主要参与非生物胁迫及环境适应性;Ⅱ亚家族主要与生长素响应相关;Ⅲ亚家族主要参与不同的发育事件,例如顶端分生组织、维管束的发育,还与植物激素调控相关;Ⅳ亚家族主要在植物的表皮中特异性表达,主要调节表皮的分化、毛状体形成等[7]

    目前,HD-Zip基因家族在多种植物中被鉴定并表征,例如拟南芥Arabidopsis thaliana[8]、水稻Oryza sativa[9]、小麦Triticum aestivum[10]等,但尚未有荆芥HD-Zip基因家族的相关研究。本研究以荆芥的基因组作为基础,利用生物信息学方法系统鉴定荆芥HD-Zip基因家族成员,并对其蛋白质理化性质、染色体定位、基因结构、共线性分析以及不同时期的表达规律进行分析,为今后深入研究荆芥基因家族的功能和调控机制奠定基础。

    • 基于已知的HD-Zip基因家族的保守结构域,在荆芥基因组数据中进行初步筛选,利用TBtools (v1.98741)的“Blast Compare Two Seqs”,下载的蛋白序列为Query Seq,荆芥基因组的蛋白序列为Subject Seq,设置E-value为10−10进行比对[11]。根据HD-Zip基因家族在美国国家生物技术信息中心(NCBI)中的比对结果,得到目的基因编码蛋白的保守结构域,使用“Visualize NCBI CDD Domain Pattern”进行保守结构域的可视化。利用在线网站ExPASy (https://www.expasy.org/)对蛋白序列的基本理化性质,如氨基酸数目、等电点和分子质量等进行预测。

    • 在NCBI在线网站上下载已被表征的HD-Zip基因家族的蛋白序列。将经过筛选的荆芥HD-Zip蛋白序列与下载的蛋白序列利用MEGA X进行最大似然 (ML)进化树的构建。选择最优氨基酸替代模型,根据氨基酸模型结果构建ML树,设置bootstrap为1000,partial deletion为80%。利用在线网站iTOL (https://itol.embl.de/#)对进化树进行美化。

    • 在荆芥基因组中搜索HD-Zip基因在染色体上的具体位置和每条染色体的总长度,利用TBtools中的“Visualize Gene Structure (Basic)”功能,对筛选的基因ID进行基因结构的可视化。利用在线网站MEME (https://meme-suite.org/meme/tools/meme)对筛选的荆芥HD-Zip基因编码的蛋白序列进行蛋白保守基序预测,设置基序数量为10个,选择“Zero or One Occurence Per Sequence (zoops)”分布基序。采用TBtools中的“Visualize MEME/MSAT Motif Pattern”进行保守基序的可视化处理。

    • 利用TBtools的“Gene Location Visualize from GTF/GFF”进行基因在染色体分布的可视化。将筛选的基因序列利用TBtools中的“Gene Location Visualize fron GTF/GFF”功能进行染色体定位分析;提取荆芥HD-Zip基因序列的启动子部分(5′UTR上游2000 bp),利用PlantCARE在线网站(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)预测顺式元件并整理结果,再利用TBtools中的“Gene Structure View (Advanced)”对其进行可视化处理。使用MCScanX软件进行基因组内荆芥HD-Zip基因的共线性分析以及与拟南芥基因组间的共线性分析,并利用Circos软件绘制基因组内和基因组之间的共线性图谱。

    • 根据HD-Zip基因ID于不同时期荆芥叶片(10、20、35 d)及根(35 d)的转录组数据中进行搜索,得到基因的FPKM (fragments per kilobase per million)值,利用TBtools的“HeatMap”绘制基因表达热图,探究HD-Zip基因家族的表达模式。

    • 荆芥基因组大小为798 Mb,Q20(碱基被测错的概率为1%)为94.67%,Q30(碱基被测错的概率为1‰)为89.41%,说明测序质量较好(Q20≥93%、Q30≥86%),GC含量为39.34%,经过Hi-C组装后,共有696 Mb的基因组序列被定位到6条染色体上(Chr 01~06),占比91.38%。以上数据说明荆芥的基因组质量较好,有助于完整地挖掘HD-Zip基因家族。为了鉴定荆芥中HD-Zip基因,根据4个亚家族HD-Zip Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的蛋白保守结构域进行筛选,共筛选到42条可能的HD-Zip基因家族序列,其中HD-Zip Ⅰ亚家族16条,HD-Zip Ⅱ亚家族7条,HD-Zip Ⅲ亚家族5条,HD-Zip Ⅳ亚家族14条,并通过在线网站Expasy网站进行蛋白分子量和等电点的预测(表1)。其中40条基因全部定位到对应染色体(Chr 01~06),Sch000029960和Sch000004651未锚定在染色体上(图1)。荆芥HD-Zip基因仅在2~4号染色体上集中分布,说明该基因家族在染色体上分布不均匀。荆芥HD-Zip的基因长度为528~2586 bp;分子量为20.33~94.18 kDa;等电点为4.59~9.05。因此,HD-Zip的基因和蛋白长度跨度较大,HD-Zip Ⅲ和Ⅳ的基因长度约2000 bp,HD-Zip Ⅰ和Ⅱ在1000 bp以下,该结果与分子量具有相关性,而等电点主要取决于氨基酸中酸性氨基酸和碱性氨基酸的数量比,大多数蛋白(76.2%)等电点小于7.0,证明荆芥HD-Zip可能是一类酸性蛋白。

      表 1  荆芥HD-Zip基因家族的蛋白特征

      Table 1.  Protein characteristics of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

      亚家族基因ID CDS长
      度/bp
      蛋白长
      度/个
      分子量/
      kDa
      等电点染色体亚家族基因ID CDS长
      度/bp
      蛋白长
      度/个
      分子量/
      kDa
      等电点染色体
      HD-Zip ⅠSch00000318190029933.8474.88Chr 01Sch00000383152817520.3318.58Chr 01
      Sch00001677789729834.3796.55Chr 04
      Sch00001948682227331.1004.59Chr 04HD-Zip ⅢSch000001735256285393.3065.74Chr 01
      Sch00002649892730835.3505.01Chr 06Sch000019857251183691.4615.94Chr 04
      Sch00000872582227331.0344.83Chr 02Sch000014693249383091.0215.84Chr 03
      Sch00000599791230334.3694.97Chr 02Sch000026324258686194.1836.14Chr 06
      Sch00002032896632135.7304.81Chr 04Sch000028231252984292.4346.17Chr 06
      Sch00001642486728832.6336.32Chr 04
      Sch00001790287929233.2076.07Chr 04HD-Zip ⅣSch000026062216672179.0715.98Chr 06
      Sch00000247487629132.5315.7Chr 01Sch000008059216372079.0566.23Chr 02
      Sch00000898369623126.8326.32Chr 02Sch000029960218172679.5265.64HiC_scaffold_8
      Sch00000683169323026.6156.96Chr 02Sch000011892241880587.9135.79Chr 03
      Sch00001927860019922.6738.44Chr 04Sch000009216219673179.8885.79Chr 02
      Sch00002165154618121.7885.84Chr 05Sch000019506240079987.0736.04Chr 04
      Sch00001373865421724.9347.59Chr 03Sch000012322249082991.5025.41Chr 03
      Sch00001671062120624.4725.44Chr 04Sch000012213249082991.5025.41Chr 03
      Sch000004651249082991.5025.41HiC_scaffold_100
      HD-Zip ⅡSch000028530891296327.3607.52Chr 06Sch000018911207068977.0616.28Chr 04
      Sch00001096687929232.6237.62Chr 03Sch000005323194464773.2647.27Chr 02
      Sch000019272795264294.9508.59Chr 04Sch000022402230776884.1805.81Chr 05
      Sch00000831678326029.0938.12Chr 02Sch000024046227475784.2796.15Chr 06
      Sch00002544787929232.3519.05Chr 06Sch000008675188462769.9056.18Chr 02
      Sch00001195164521424.3348.24Chr 03
        说明:CDS指蛋白编码区

      图  1  荆芥HD-Zip基因家族的染色体定位

      Figure 1.  Chromosome mapping of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

    • 将以上42条蛋白序列与已知的HD-Zip蛋白序列进行ML树的构建(图2),可知:荆芥的HD-Zip和拟南芥及其他物种HD-Zip的蛋白序列被聚为四大支,与已表征HD-Zip基因家族的4个亚家族分类一致,且在荆芥基因组中,每个亚家族基因的占比与拟南芥的HD-Zip Ⅰ ~Ⅳ之间的比例相似,其中HD-Zip Ⅰ与Ⅳ占比最大,HD-Zip Ⅲ占比最少。从进化树中可以发现:HD-Zip Ⅲ先与Ⅳ聚为一支,再与HD-Zip Ⅰ和Ⅱ聚为一支,说明HD-Zip Ⅲ可能与Ⅳ的亲缘关系更近。

      图  2  荆芥与拟南芥及其他物种HD-Zip基因家族的最大似然值进化树

      Figure 2.  ML evolutionary tree of HD-Zip gene family between S. tenuifolia and A. thaliana and other species

    • 利用TBtools软件绘制荆芥HD-Zip基因结构图,分析基因内含子和外显子的分布情况。图3显示:HD-Zip Ⅰ与Ⅱ的基因长度较为相近,内含子1~3个(实线),外显子2~4个(黄色标识),基因结构比较简单。HD-Zip Ⅲ与Ⅳ基因长度较为接近,内含子8~17个,外显子9~17,其中HD-Zip Ⅲ的内含子和外显子的数量最多。以上基因结构和长度结果与ML进化树聚类结果较为一致。

      图  3  荆芥HD-Zip基因家族的基因结构分析

      Figure 3.  Gene structure analysis of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

      利用在线网站MEME对42条HD-Zip基因家族的蛋白序列进行保守基序(Motif)的检索,一共确认了10个不同的基序(图4)。其中,所有蛋白均存在Motif 1~3,这3个保守基序构成了HD-Zip基因家族特征的保守基序HD、LZ。HD-Zip Ⅲ和Ⅳ的Motif 4、Motif 5构成HD-Zip Ⅲ和Ⅳ特有的START保守结构域。从Motif结构分布上看到,HD-ZipⅢ和Ⅳ的Motif最为丰富,可能具有多样的生物学功能,每个亚家族之间的Motif分布较为一致。

      图  4  荆芥HD-Zip基因家族的保守基序分析

      Figure 4.  Conservative motif analysis of HD-Zip gene family in S. tenuifolia       

    • 提取荆芥HD-Zip的5′UTR上游的2 kb序列为启动子序列,利用在线网站PlantCARE进行顺式元件的预测,其中光响应的顺式元件出现频率最高,其次为脱落酸响应元件,MeJA响应元件,厌氧感应元件以及MYB结合的位点(图5)。说明该基因家族可能与以上的生物学功能相关。

      图  5  荆芥HD-Zip基因家族的顺式作用元件分布

      Figure 5.  Distribution of cis-acting elements of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

      对荆芥的42个HD-Zip家族基因进行基因组内串联重复分析,发现Sch000008983和Sch000006831在Chr 02上串联重复,Sch000012213与Sch000012322在Chr 03上串联重复(图6);经过基因组内的共线性分析发现,荆芥的9个HD-Zip家族基因在基因组内存在共线性,说明成对的共线性基因可能具有极为相似的功能(图7)。通过荆芥与拟南芥的基因组之间的共线性分析发现:一共有37对共线性的HD-Zip基因(图8)。综上,通过与拟南芥HD-Zip基因构建进化树分析及共线性分析,有助于利用拟南芥的基因功能推断荆芥HD-Zip中相应基因的功能。

      图  6  荆芥HD-Zip基因家族的组内串联重复分析

      Figure 6.  Tandem repeat analysis of HD-Zip gene family in genome of S. tenuifolia

      图  7  荆芥HD-Zip基因家族的组内共线性分析

      Figure 7.  Intra-group collinearity analysis of HD-Zip gene family in S. tenuifolia

      图  8  荆芥HD-Zip与拟南芥基因组之间的共线性分析

      Figure 8.  Collinear analysis of HD-Zip gene between S. tenuifolia and A. thaliana genomes

    • 根据课题组前期观察,10 d幼苗的叶子和茎具有丰富的指状腺毛,20 d幼苗的叶子和茎具有较多的头状腺毛和腺鳞,35 d幼苗的叶子和茎具有丰富的腺鳞。因此,对荆芥不同生长时期叶片(10、20、35 d)及根(35 d)进行转录组分析,发现HD-Zip Ⅰ主要在幼叶10 d中表达,HD-ZipⅡ和Ⅲ主要在根中表达,HD-Zip Ⅳ亚家族主要在叶中表达(图9)。研究发现:HD-Zip Ⅳ基因主要调节表皮的分化[12],结合荆芥腺毛的分布情况,推测荆芥的HD-Zip Ⅳ与荆芥腺毛和非腺毛的形成与分化相关。

      图  9  HD-Zip家族基因表达模式

      Figure 9.  HD-Zip family gene expression pattern

    • 本研究从全基因组水平对荆芥的HD-Zip基因家族进行了系统的研究,共鉴定到42个HD-Zip家族的基因,根据识别的DNA序列、结构域、蛋白功能,可将这些序列分为4个亚家族,分别为HD-Zip Ⅰ ~Ⅳ,这与拟南芥、小麦、水稻、玉米Zea mays、土豆Solanum tuberosum、烟草Nicotiana tabacum等中的分类一致[7-9, 13-15]。HD-Zip Ⅰ只含有高保守的HD结构域和位于HD结构域羧基端的LZ结构域;HD-Zip Ⅱ除了HD-Zip Ⅰ具有的HD和LZ保守结构域外,还存在1个高度保守的N-末端;HD-Zip Ⅲ具有HD和LZ保守结构域,以及类固醇合成急性调节蛋白相关的脂质转运结构域(START)和氨基酸序列羧基端的MEKHLA基序,其中START结构域的长度为220个氨基酸且可以结合并转移脂质,MEKHLA基序与许多非生物胁迫应答相关[16-17];HD-Zip Ⅳ结构与HD-Zip Ⅲ非常相似,具有HD、LZ、START结构域,但缺失了MEKHLA基序[18]。荆芥的HD-Zip Ⅰ和Ⅳ亚家族的基因所占比例最高,这与拟南芥HD-ZipⅠ和Ⅳ的比例相似。基因的进化树结果显示:HD-Zip Ⅰ与Ⅱ亲缘关系更近,HD-Zip Ⅲ与Ⅳ亲缘关系更近,由此可以推测以上2个分支可能是由相同的祖先进化而来,或者Ⅳ是由Ⅲ进化来,但在分化过程中丢失了MEKHLA基序[19]。结合基因的结构来看,HD-Zip Ⅲ和Ⅳ的结构比HD-Zip Ⅰ与Ⅱ的结构更为复杂,以上结果说明可能HD-Zip Ⅲ与Ⅳ相比于HD-ZipⅠ和Ⅱ进化程度更高,基因结构更为复杂,以上结果与保守结构域分析和进化树的分析结果一致。这说明HD-Zip家族在物种的亚群内部较为保守,但其具体的基因功能可能会由于基因复制或者进化,以及物种间的差异性从而出现一定的差异。

      分析启动子发现:在每个亚族内部的基因启动子区顺式作用元件类型基本相同,例如MYB结合位点、脱落酸响应元件以及MeJA响应元件在HD-Zip Ⅳ高频出现。同时,同一亚族基因编码蛋白的保守基序也基本相同,HD-Zip Ⅰ ~Ⅳ的表达分析发现:HD-Zip Ⅰ ~Ⅳ具有不同的表达偏好性,说明荆芥中不同HD-Zip家族不同亚家族可能具有不同的生物学功能,但同一亚族各基因的生物学功能基本相同。

      有研究表明:HD-Zip Ⅳ在表皮中特异表达,参与植物表皮细胞的分化,调节毛状体(腺毛和非腺毛)等形成与发育。如烟草中的NtHDG2,拟南芥的PDF2,黄花蒿Artemisia annua的AaHD1和AaHD8,番茄Solanum lycopersicum的SlCD2和SlWo均对毛状体具有调控作用,属于HD-Zip Ⅳ[14, 20-22]。本研究中发现荆芥的HD-Zip Ⅳ亚家族基因大部分在叶片表达,推测可能这些基因与毛状体的发育相关。结合拟南芥与荆芥HD-Zip基因家族的共线性分析,可以推测荆芥HD-Zip基因家族的生物学功能。结合文献,发现Sch000029960与AT4G21750.1及AT4G04890.2为同源基因,AT4G21750.1及AT4G04890.2分别编码拟南芥的GL2-like和PDF2,与拟南芥的表皮发育密切相关。Sch000024046与AT1G79840.2为同源基因,AT1G79840.2编码GL2,在拟南芥中影响表皮细胞的特性,包括毛状体、根毛发育等[23]。在荆芥的叶、茎、花穗等多个部位表面分布着多种腺毛及非腺毛,其中,盾状腺毛即腺鳞被认为是荆芥产生挥发油的“品质载体”[24-25],但是调控荆芥腺鳞生长发育的分子机制还未被报道,本研究中筛选的HD-Zip Ⅳ亚基因家族可能为腺鳞发育调控的候选基因。通过对候选基因功能的验证、共表达分析等为腺鳞生长发育分子机制的阐明提供线索,同时为提高荆芥药用品质提供理论基础。

    • 本研究在荆芥全基因水平上筛选到42条HD-Zip基因序列,并对以上序列的基因结构、保守基序、顺式作用元件等进行了分析。系统发育分析可将42条序列分为4个亚家族(HD-Zip Ⅰ ~Ⅳ)。通过与拟南芥基因组之间的共线性分析、表达模式分析等推测,荆芥的HD-Zip Ⅳ亚家族基因可能在毛状体发育过程中起到重要作用。这些结果为后续荆芥的HD-Zip基因家族的功能研究及表征提供了理论基础。

参考文献 (25)

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