辣椒HD-Zip基因家族鉴定、系统进化及表达分析

【目的】鉴定辣椒HD-Zip基因家族,并利用生物信息学方法系统分析其在基因组中的分布、基因结构、进化分化特征及在不同组织中的时空表达特异性,解析该家族的进化特征及生物学功能。【方法】根据已报道及PlantTFDB数据库中的拟南芥HD-Zip序列,利用本地BLAST工具在我国辣椒测序品种‘遵辣1号’基因组中比对,并利用Pfam、SMART工具进一步验证。采用EMBOSS Programs、MEGA、GSDS、MEME、MCScanX、OrthoMCL、Circos等软件预测辣椒HD-Zip基因家族成员蛋白理化性质,构建系统进化树,定位染色体,分析基因结构、基因复制类型及直系、旁系同源基因。基于GEO数据库,运用R软件、本地perl语言及Cytoscape分析辣椒HD-Zip组织表达差异并绘制共表达网络。【结果】本研究在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条辣椒HD-Zip,命名为CaHDZ01—CaHDZ42。CaHDZs长度跨度较大,70% CaHDZ蛋白的pI小于7.0。除CaHDZ42,其余基因不均匀地分布在12条染色体上,部分基因为片段复制。该基因家族可分为4个亚族,分别含有18、9、5、10个HD-Zip,基因结构及蛋白结构域差别显著。辣椒、番茄和拟南芥3个物种中的直系同源基因对数目大体相同,但同为茄科的辣椒和番茄之间的稍多;辣椒中的旁系同源基因少于番茄和拟南芥,说明辣椒基因组的倍增事件并没有使CaHDZs明显扩增。对无油樟、水稻、玉米、番茄、马铃薯、辣椒‘CM334’、辣椒‘Zunla-1’、毛果杨、葡萄以及拟南芥9个代表物种的HD-Zip进化特征分析结果表明,从被子植物开始,HD-Zip基因家族就稳定存在4个亚族。推测在形成4个亚族前,HD-Zip分为两组,其中一组分化成I和II亚族,而另一组则分化成为III和IV亚族。CaHDZs在根、茎、叶、花芽、花和果实不同发育时期的表达模式分析结果显示,4个亚族具有不同程度的表达趋势。其中I亚族基因在辣椒不同组织中的表达量均较高,且不同成员间表达模式不同,CaHDZ22在茎中的表达最高,表明该基因可能对辣椒茎的生长有重要作用。II、III和IV亚族基因在不同组织中的表达量相对较低,但部分基因在特定组织中具有较大的表达量。如CaHDZ34在辣椒果实成熟后期具有较大高的表达量,CaHDZ02和CaHDZ28在果实膨大时表达较高,CaHDZ04在果实成熟前期具有较高的表达量。CaHDZs表达网络中有33对基因表达趋势的相关系数（PCC）大于0.8,6对大于0.9,表明CaHDZs协同调控了辣椒的生长发育,不同亚族之间也具有协同性。【结论】在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条CaHDZs,可分为4个亚族,不同亚族的基因结构、蛋白保守结构域及表达模式不同。在进化过程中,辣椒HD-Zip保守性高,数目没有明显扩增,I和II亚族、III和IV亚族关系更近。CaHDZs具有组织表达差异性,协同调控了辣椒的生长发育。     

辣椒碱基–抗坏血酸转运蛋白（NAT）家族基因的鉴定和表达分析

利用生物信息学手段，在辣椒‘遵辣1号’中鉴定到12个碱基–抗坏血酸转运蛋白（NAT）基因，命名为CaNAT01 ~ CaNAT12，它们不均等的分布在7条染色体上，片段复制和串联复制是其扩增的原因。CaNATs包含多个跨膜结构域，等电点主要集中在8.39 ~ 10.15。系统进化分析发现植物中的NAT起源于D亚组基因，后经过分化，在双子叶植物中稳定存在4个亚组，C亚组基因间的核苷酸差异最小，在进化过程中最保守，CaNATs在这4个亚组均有不同分布。辣椒NAT家族基因具有明显的组织表达差异性，部分基因在根、茎以及果实发育过程中具有重要的调控作用。在低温、高温、干旱和盐胁迫下通过qRT-PCR分析发现CaNATs具有不同程度的响应，对低温和高温具有较强的响应。     

辣椒CDPK基因家族的鉴定、进化与表达分析

钙依赖性蛋白激酶(CDPK)在植物细胞钙信号转导中起重要作用。为筛选鉴定辣椒CDPK基因家族,探讨其基因功能及进化模式,本研究利用生物信息学方法,在辣椒品种遵辣1号基因组中对其进行系统鉴定分析;同时,与辣椒品种CM334基因组进行比较分析。结果表明,遵辣1号基因组中共鉴定获得30个CDPK基因,分布在11条染色体上,命名为CaCDPK01~CaCDPK30。其中,有6对CaCDPK基因发生了片段复制。辣椒CDPK基因家族可分为4个亚族,亚族间基因数目及结构差异较大,Ⅳ亚族最保守。CaCDPKs在辣椒不同组织及成熟的不同阶段中具有表达特异性,部分基因对之间表达趋势相关性较高。在2个辣椒品种中,CDPK基因也发生了明显分化。本研究为深入解析CaCDPKs基因功能及进化模式奠定了重要的理论基础。