新疆小拟南芥MAPK和MKK基因家族的鉴定及表达特征分析.pdfVIP

摘要 促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)级联是真核生物中普遍存在的信 号转导模块，在植物的生长发育、激素反应和多种生物及非生物胁迫响应过程中发挥重要作用。十 字花科的短命植物小拟南芥(Arabidopsis pumila)生长在新疆干旱和半干旱的荒漠及盐碱地环境，具有 大量抗逆基因资源值得挖掘。因此，深入研究小拟南芥MAPK 级联及其功能，可以阐明植物抗逆的 信号转导网络，为解析MAPK 级联介导的小拟南芥生长发育和抗逆反应机制奠定基础。目前，已在 多种植物中鉴定了MAPK 级联中的3 个基因家族：MAPK 激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase, MAPKKK 或MEKK) 、MAPK 激酶(mitogen-activated protein kinase kinase, MAPKK 或 MKK)和MAPK，但小拟南芥中MAPK 级联基因家族的系统鉴定与分析尚未见报道。为了探索小拟 南芥MAPK 级联基因家族的进化和功能，本研究通过全基因组分析鉴定了小拟南芥MAPK 和MKK 基因家族成员，并进行了进化及功能分析。 目的：鉴定小拟南芥MAPK 和MKK 基因家族成员；分析MAPK 和MKK 基因家族进化；初步分析 MAPK 和MKK 基因家族成员的功能。 方法：基于小拟南芥全基因组数据( 尚未公布) ，对ApMAPK 和ApMKK 基因家族成员进行全基因组 比对和鉴定，分析ApMAPK 和ApMKK 基因家族成员的染色体定位、多重序列比对、motif 分布、 外显子- 内含子结构以及启动子区的顺式作用元件分布情况；比较小拟南芥、水稻(Oryza sativa)和小 拟南芥近缘物种MAPK 和MKK 基因家族的系统发育关系，并对小拟南芥中的MAPK 和MKK 复制 基因对进行Ka/Ks 、Tajima 相对速率测验和共线性分析；利用RNA-seq 数据研究ApMAPK 和ApMKK 基因在不同组织和盐胁迫不同时间点的表达情况；通过实时荧光定量PCR (quantitative real-time PCR, qRT-PCR)分析小拟南MAPK 基因家族成员在干旱、高温、水杨酸(salicylic acid, SA)和脱落酸(abscisic acid, ABA)处理下的表达情况。 结果：(1)从小拟南芥全基因组数据库中鉴定了38 个ApMAPK 基因和16 个ApMKK 基因；ApMAPK 基因家族成员分布于小拟南芥的12 条染色体上，其编码蛋白由249~620 个氨基酸组成，蛋白质分子 量为28.94~70.85 kDa ，等电点为4.86~9.44 ；ApMKK 基因家族成员分布于小拟南芥的 10 条染色体 上，其编码蛋白由312~367 个氨基酸组成，蛋白质分子量为34.53~62.75 kDa，等电点为5.72~9.27 。 (2)基于系统发育分析和多重序列比对，ApMAPK 基因家族成员分为4 个亚族：Group A (6 个)、Group B (10 个)、Group C (6 个)和Group D (16 个)，其中Group A-C 包含TEY 活化环，Group D 包含TDY 活化环；ApMKK 基因家族成员分为5 个亚族：Group A (5 个)、Group B (2 个) 、Group C (4 个) 、Group D (3 个)和Group E (2 个) 。(3)相同亚族成员具有相同的motif 分布和外显子个数，且各亚组都有其特 有的 motif 。(4) 分子进化和共线性分析表明，ApMAPK 基因家族中存在 18 对复制基因 (ApMAPK17-1/17-2 除外)，其中ApMAPK11-1/11-2 在复制事件后发生了加速进化；ApMKK 基因家族 中存在 7 对复制基因，分别是 ApMKK1-1/1-2 、ApMKK2-1/2-2 、ApMKK3-1/3-2 、ApMKK4-1/4-2 、 ApMKK5-1/5-2 、ApMKK9-1/9-2 和ApMKK10-1/10-2 ，其中ApMKK1-1/1-2 在复制事件之后发生了加 速进化；ApMAPK 和ApMKK 复制基因都经历了纯化选择。(5)ApMAPK 和ApMKK 基因家族成员都 具有组织表达特异性和功能多样性。(6) 复制基因 ApMAPK11-1/11-2 、ApMAPK 15-1/ 15-2