高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析

王雪 宋爽 李美育 薄文浩 李颖岳 庞晓明 曹明

王雪, 宋爽, 李美育, 薄文浩, 李颖岳, 庞晓明, 曹明. 枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
引用本文: 王雪, 宋爽, 李美育, 薄文浩, 李颖岳, 庞晓明, 曹明. 枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
Wang Xue, Song Shuang, Li Meiyu, Bo Wenhao, Li Yingyue, Pang Xiaoming, Cao Ming. Identification and expression analysis based on RNA-Seq of the pectin methylesterase gene family in Chinese jujube (Ziziphus jujuba)[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
Citation: Wang Xue, Song Shuang, Li Meiyu, Bo Wenhao, Li Yingyue, Pang Xiaoming, Cao Ming. Identification and expression analysis based on RNA-Seq of the pectin methylesterase gene family in Chinese jujube (Ziziphus jujuba)[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338

枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338

Identification and expression analysis based on RNA-Seq of the pectin methylesterase gene family in Chinese jujube (Ziziphus jujuba)

  • 摘要:   目的  果胶是植物细胞壁的主要成分和结构多糖。果胶甲酯酶是一种重要的果胶修饰酶,具有调节细胞壁弹性和通透性的作用,在植物的生长发育过程中发挥作用。本研究探讨枣果胶甲酯酶基因家族的基本信息和特点,为进一步阐明ZjPMEs基因的功能、筛选果实质地密切相关基因奠定基础。  方法  本研究基于‘冬枣’基因组,鉴定枣基因组中的果胶甲酯酶基因;基于RNA-Seq数据,分析枣果胶甲酯酶基因家族的特征以及表达模式。  结果  共鉴定出46个枣果胶甲酯酶基因,不均匀分布在10条染色体上。系统演化分析表明这些基因包含29个Type-Ⅰ型和17个Type-Ⅱ型成员,进一步可以划分为4个亚家族。在每个亚家族中,基因共享保守的基因结构和基序组成。基因表达分析显示该家族基因在花中表达丰度较高,可能在枣的生殖发育过程起重要作用。通过分析该家族基因在不同质地的‘冬枣’(酥脆)和‘P15’(硬质)以及在不同用途的‘冬枣’(鲜食)和‘骏枣’(制干)果实发育过程中的表达模式,筛选出与枣果实质地关系密切的基因ZjPME 18,该基因在‘P15’和‘骏枣’果实中表达量较高。  结论  枣果胶甲酯酶基因家族具有特定的结构特征及表达模式,ZjPME 18的表达与调控可能与枣果实质地密切相关。
  • 图  1  ZjPME基因在枣树染色体上的分布

    Figure  1.  Chromosomal distribution of ZjPME genes

    图  2  枣与拟南芥、草莓、桃 PME家族成员的系统发育树

    Zj. 枣;AT. 拟南芥;Fa. 草莓;PR. 桃。Zj, Ziziphus jujuba; AT, Arabidopsis; Fa, strawberry; PR, peach.

    Figure  2.  Phylogenetic trees of PG family members of jujub,Arabidopsis, strawberry and peach.

    图  3  ZjPMEs蛋白多重序列比对

    Figure  3.  Multiple sequence alignment of ZjPMEs protein

    图  4  ZjPMEs基因结构和蛋白结构域

    Figure  4.  The exon-intron structures and putative motifs of ZjPMEs

    图  5  ‘冬枣’不同组织中ZjPME基因 RNA-seq 数据

    Figure  5.  RNA-seq data showing ZjPME genes expression in different tissues

    图  6  ‘冬枣’和‘骏枣’果实发育不同阶段 ZjME 基因 RNA-seq 数据

    DZ.‘冬枣’;JZ.‘骏枣’;DZ1. 幼果期;DZ2. 膨大期;DZ3. 半红期;DZ4. 全红期;JZ1. 膨大期;JZ2. 半红期;JZ3. 全红期。DZ1, Young fruit stage; DZ2, Enlargement fruit stage; DZ3, Half red fruit stage; DZ4, Full red fruit stage; JZ1, Enlargement fruit stage; JZ2, Half red fruit stage; JZ3, Full red fruit stage.

    Figure  6.  RNA-seq data showing ZjPL genes expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’and ‘Junzao’

    图  8  ‘冬枣’和‘P15’果实中 ZjPME 基因 RNA-seq 数据

    1 ~ 4 分别为花后 40 d、80 d、白熟期、半红期;DR..‘冬枣’果肉;PP.‘P15’果肉;DP.‘冬枣’果皮;PP. ‘P15’果皮。1−4 were 40 d, 80 d after anthesis, white mature fruit stage and half red fruit stage; DR, ‘Dongzao’ sarcocarp; PR, ‘P15’ sarcocarp; DP, ‘Dongzao’pericarp; PP, ‘P15’ pericarp.

    Figure  8.  RNA-seq data showing ZjPME genes expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’and ‘P15’

    图  9  ‘冬枣’和‘P15’果肉中ZjPME18基因RNA-seq数据

    Ⅰ ~ Ⅳ分别为花后40 d、80 d、白熟期、半红期;a.b.c.d.e.f 表示显著性差异。Ⅰ−Ⅳwere 40 d after anthesis, 80 d after anthesis, white mature fruit and half red fruit; a,b,c,d,e,f are significant differences.

    Figure  9.  RNA-seq data showing ZjPME18 expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’ and ‘P15’

    图  10  ‘冬枣’和‘P15’果皮中ZjPME18基因RNA-seq数据

    Ⅰ ~ Ⅳ分别为花后40 d、80 d、白熟期、半红期;a.b.c.d.表示显著性差异。Ⅰ−Ⅳwere 40 d after anthesis, 80 d after anthesis, white mature fruit and half red fruit; a,b,c,d,e,f are significant differences

    Figure  10.  RNA-seq data showing ZjPME18 expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’ and ‘P15’

    图  7  ‘冬枣’和‘P15’果实发育各时期图片

    Figure  7.  Picture in different fruit development stages of ‘Dongzao’and ‘P15’

    表  1  枣果胶甲酯酶基因家族基因信息

    Table  1.   Identified gene member of ZjPME family in Z.jujuba

    基因名称
    Gene name
    基因编号
    Gene ID
    类型
    Type
    编码序列
    CDS/bp
    氨基酸个数
    Amino acid
    number
    分子量
    Molecular
    mass
    (MW)/kDa
    等电点
    Isoelectric
    point (pI)
    总平均疏水性
    Grand average of
    hydropathicity (GRAVY)
    不稳定系数
    Instability
    index (II)
    信号肽
    Singnal P
    亚细胞定位
    Subcellular
    localization
    ZjPME01 LOC107419067 1 1 644 547 60.35 9.55 −0.19 33.90 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME02 LOC107434427 1 1 761 586 64.36 8.57 −0.22 35.40 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME03 LOC107434488 2 1 080 359 40.59 9.22 −0.34 29.39 1-25 细胞壁 Cell wall
    ZjPME04 LOC107410548 2 654 217 24.41 9.24 −0.21 33.60 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME05 LOC107411637 2 1 260 419 46.76 6.25 −0.16 44.90 1-23 细胞壁 Cell wall
    ZjPME06A LOC107411638 2 957 318 34.79 4.79 −0.15 34.26 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME06B LOC107411638 2 1 098 365 40.15 4.97 −0.08 34.14 1-20 细胞壁 Cell wall
    ZjPME07 LOC107411741 2 1 020 339 37.68 5.03 −0.16 31.80 1-25 细胞壁 Cell wall
    ZjPME08 LOC107411742 2 1 032 343 38.24 7.14 −0.22 42.26 1-33 细胞壁 Cell wall
    ZjPME09 LOC107411833 1 1 812 603 67.70 8.74 −0.21 40.59 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME10 LOC107411914 1 1 659 552 61.56 9.16 −0.28 37.29 1-17 细胞壁 Cell wall
    ZjPME11 LOC107411835 1 1 608 535 59.51 8.97 −0.33 36.17 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME12 LOC107412882 1 1 740 579 64.31 7.16 −0.23 34.78 1-26 细胞壁 Cell wall
    ZjPME13 LOC107412879 1 1 728 575 63.56 9.17 −0.20 33.45 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME14 LOC107413713 2 1 161 386 42.82 7.65 −0.16 34.64 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME15 LOC107414312 1 1 581 526 58.38 9.16 −0.24 33.63 1-23 细胞壁 Cell wall
    ZjPME16 LOC107414333 1 1 581 526 59.43 9.49 −0.24 36.15 1-25 细胞壁 Cell wall
    ZjPME17 LOC107414790 1 1 821 606 66.08 9.04 −0.20 32.91 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME18 LOC107415956 2 951 316 35.30 6.70 −0.24 43.65 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME19 LOC107416847 2 1 344 447 49.29 8.38 −0.13 39.75 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME20 LOC107418947 2 1 035 344 38.23 9.26 −0.16 27.79 1-28 细胞壁 Cell wall
    ZjPME21 LOC107420185 2 1 029 342 37.43 7.56 −0.14 36.51 1-25 细胞壁 Cell wall
    ZjPME22 LOC107420876 2 645 214 24.00 9.24 −0.19 28.44 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME23 LOC107421295 1 1 647 548 60.83 8.83 −0.27 44.54 1-25 细胞壁 Cell wall
    ZjPME24 LOC107421294 1 1 704 567 62.72 7.06 −0.15 33.04 1-26 细胞壁 Cell wall
    ZjPME25 LOC107423848 1 1 809 602 66.00 7.14 −0.20 26.79 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME26A LOC107423846 1 1 551 516 56.82 6.94 −0.16 28.08 1-32 细胞壁 Cell wall
    ZjPME26B LOC107423846 1 1 512 503 55.42 6.04 −0.13 28.66 1-32 细胞壁 Cell wall
    ZjPME27 LOC107423814 1 1 620 539 59.35 5.67 −0.19 38.91 1-24 细胞壁 Cell wall
    ZjPME28 LOC107423815 1 1 887 628 68.80 9.11 −0.35 37.73 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME29 LOC107423820 1 1 632 543 59.24 9.10 −0.25 39.78 1-22 细胞壁 Cell wall
    ZjPME30 LOC107425602 1 1 731 576 62.44 8.49 −0.22 40.08 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME31 LOC107426082 2 1 212 403 44.97 9.35 −0.21 30.60 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME32 LOC107426184 1 1 698 565 61.63 9.13 −0.18 25.63 1-24 细胞壁 Cell wall
    ZjPME33 LOC107426315 1 1 671 556 61.10 8.56 −0.13 31.71 1-27 细胞壁 Cell wall
    ZjPME34 LOC107426316 1 1 671 556 61.04 8.55 −0.13 31.28 1-27 细胞壁 Cell wall
    ZjPME35 LOC107426244 1 1 689 562 62.08 8.90 −0.23 33.15 1-24 细胞壁 Cell wall
    ZjPME36 LOC107429290 1 1 611 536 59.01 6.60 −0.16 33.42 1-26 细胞壁 Cell wall
    ZjPME37 LOC107432053 2 1 266 421 46.58 6.50 −0.02 32.55 1-24 细胞壁 Cell wall
    ZjPME38 LOC107432169 2 1 077 358 38.82 5.29 −0.06 30.70 1-20 细胞壁 Cell wall
    ZjPME39 LOC107433143 1 1 728 575 62.81 6.05 −0.29 29.72 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME40 LOC107406578 2 1 119 372 40.90 8.61 −0.19 23.20 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME41 LOC107403317 2 1 095 364 40.57 8.73 −0.24 29.55 1-27 细胞壁 Cell wall
    ZjPME42 LOC107409045 1 1 737 578 65.20 8.59 −0.32 31.18 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME43 LOC107405035 1 1 701 566 62.82 9.25 −0.25 30.83 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME44 LOC107405028 1 1 695 564 62.16 8.97 −0.19 33.28 1-25 细胞壁 Cell wall
    ZjPME45 LOC107406424 1 1 350 449 49.52 9.40 −0.21 30.31 N/A 细胞壁 Cell wall
    ZjPME46 LOC107406889 1 1 515 504 55.46 9.49 −0.15 38.66 N/A 细胞壁 Cell wall
    下载: 导出CSV
  • [1] Daher F B, Braybrook S A. How to let go: pectin and plant cell adhesion[J]. Frontiers in Plant Science, 2015, 6: 523.
    [2] Cosgrove D J. Diffuse growth of plant cell walls[J]. Plant Physiology, 2018, 176(1): 16−27. doi:  10.1104/pp.17.01541
    [3] Pelloux J, Rusterucci C, Mellerowicz E J. New insights into pectin methylesterase structure and function[J]. Trends Plant Science, 2007, 12(6): 267−77. doi:  10.1016/j.tplants.2007.04.001
    [4] Wolf S, Rausch T, Greiner S. The N-terminal pro region mediates retention of unprocessed type-I PME in the Golgi apparatus[J]. The Plant Journal, 2009, 58(3): 361−375. doi:  10.1111/j.1365-313X.2009.03784.x
    [5] Pelletier S, Van Orden J, Wolf S, et al. A role for pectin de-methylesterification in a developmentally regulated growth acceleration in dark-grown Arabidopsis hypocotyls[J]. New Phytologist, 2010, 188(3): 726−739. doi:  10.1111/j.1469-8137.2010.03409.x
    [6] Pilling J, Willmitzer L, Fisahn J. Expression of a Petunia inflata pectin methyl esterase in Solanum tuberosum L. enhances stem elongation and modifies cation distribution[J]. Planta, 2000, 210(3): 391−399. doi:  10.1007/PL00008147
    [7] Levesque-Tremblay G, Müller K, Mansfield S D, et al. Highly methyl esterified seeds is a pectin methyl esterase involved in embryo development[J]. Plant Physiology, 2015, 167(3): 725−737. doi:  10.1104/pp.114.255604
    [8] Jiang L, Yang S L, Xie L F, et al. VANGUARD1 encodes a pectin methylesterase that enhances pollen tube growth in the Arabidopsis style and transmitting tract[J]. The Plant Cell, 2005, 17(2): 584−596. doi:  10.1105/tpc.104.027631
    [9] Bosch M, Cheung A Y, Hepler P K. Pectin methylesterase, a regulator of pollen tube growth[J]. Plant Physiology, 2005, 138(3): 1334−1346. doi:  10.1104/pp.105.059865
    [10] Pombo M A, Dotto M C, Martínez G A, et al. UV-C irradiation delays strawberry fruit softening and modifies the expression of genes involved in cell wall degradation[J]. Postharvest Biology and Technology, 2009, 51(2): 141−148. doi:  10.1016/j.postharvbio.2008.07.007
    [11] Wei J, Ma F, Shi S, et al. Changes and postharvest regulation of activity and gene expression of enzymes related to cell wall degradation in ripening apple fruit[J]. Postharvest Biology and Technology, 2010, 56(2): 147−154. doi:  10.1016/j.postharvbio.2009.12.003
    [12] Tieman D M, Harriman R W, Ramamohan G, et al. An antisense pectin methylesterase gene alters pectin chemistry and soluble solids in tomato fruit[J]. The Plant Cell, 1992, 4(6): 667−679. doi:  10.2307/3869525
    [13] Xue C, Guan S C, Chen J Q, et al. Genome wide identification and functional characterization of strawberry pectin methylesterases related to fruit softening[J]. BMC Plant Biology, 2020, 20(1): 1−17. doi:  10.1186/s12870-019-2170-7
    [14] Mengjun L. Genetic diversity of Chinese jujube (Ziziphus jujuba Mill.)[C]//XXVI International Horticultural Congress: Plant Genetic Resources, The Fabric of Horticultures Future 623.2002: 351-355.
    [15] Gao Q H, Wu C S, Wang M. The jujube (Ziziphus jujuba Mill.) fruit: a review of current knowledge of fruit composition and health benefits[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2013, 61(14): 3351−3363. doi:  10.1021/jf4007032
    [16] Liu M J, Zhao J, Cai Q L, et al. The complex jujube genome provides insights into fruit tree biology[J]. Nature Communications, 2014, 5(1): 1−12.
    [17] Huang J, Zhang C, Zhao X, et al. The jujube genome provides insights into genome evolution and the domestication of sweetness/acidity taste in fruit trees[J]. PLoS Genetics, 2016, 12(12): e1006433. doi:  10.1371/journal.pgen.1006433
    [18] Chen C, Chen H, He Y, et al. TBtools, a toolkit for biologists integrating various biological data handling tools with a user-friendly interface[J]. BioRxiv, 2018: 289660.
    [19] Louvet R, Cavel E, Gutierrez L, et al. Comprehensive expression profiling of the pectin methylesterase gene family during silique development in Arabidopsis thaliana[J]. Planta, 2006, 224(4): 782−791. doi:  10.1007/s00425-006-0261-9
    [20] Wang M, Yuan D, Gao W, et al. A comparative genome analysis of PME and PMEI families reveals the evolution of pectin metabolism in plant cell walls[J]. PLoS One, 2013, 8(8): e72082. doi:  10.1371/journal.pone.0072082
    [21] Haas B J, Wortman J R, Ronning C M, et al. Complete reannotation of the Arabidopsis genome: methods, tools, protocols and the final release[J]. BMC Biology, 2005, 3(1): 7. doi:  10.1186/1741-7007-3-7
    [22] 吴丽萍, 唐岩, 李颖岳, 尹丹妮, 庞晓明. 枣和酸枣基因组大小测定[J]. 北京林业大学学报, 2013, 35(3):77−83.

    Wu L P, Tang Y, Li Y Y, et al. Estimation of genome size of Ziziphus jujuba and Z. acdiojujuba[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2013, 35(3): 77−83.
    [23] Tian G W, Chen M H, Zaltsman A, et al. Pollen-specific pectin methylesterase involved in pollen tube growth[J]. Developmental Biology, 2006, 294(1): 83. doi:  10.1016/j.ydbio.2006.02.026
    [24] He X, Zhang J. Rapid subfunctionalization accompanied by prolonged and substantial neofunctionalization in duplicate gene evolution[J]. Genetics, 2005, 169(2): 1157−1164. doi:  10.1534/genetics.104.037051
    [25] Zhang L, Xue J A, Yu H Q, et al. Expression and function analysis of pectin methylesterase genes which regulate and control the petal falling in Arabidopsis[J]. Plant Physiology Communications, 2012, 48(4): 350−358.
    [26] Brummell D A, Harpster M H. Cell wall metabolism in fruit softening and quality and its manipulation in transgenic plants[J]. Plant Cell Walls, 2001: 311−340.
    [27] Ng J K T, Schröder R, Sutherland P W, et al. Cell wall structures leading to cultivar differences in softening rates develop early during apple (Malus x domestica) fruit growth[J]. BMC Plant Biology, 2013, 13(1): 183. doi:  10.1186/1471-2229-13-183
    [28] 李欢. 枣果实成熟软化的细胞壁物质代谢及其基因表达研究[D]. 西北农林科技大学, 2017.

    Li H. Study on cell wall metabolism and gene expression of ripening and softening jujube fruit[D]. Northwest A& F University, 2017.
  • [1] 王雪怡, 顾咏梅, 张雪梅, 姜廷波, 刘焕臻.  杨树HSF家族基因生物信息学与胁迫应答表达分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20200159
    [2] 杨锐霞, 尹鹏, 刘晓, 王艳, 刘家福, 徐吉臣.  旱柳扩展蛋白基因家族与基因组分化 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20200216
    [3] 郭婷, 黄赛, 吴茹茜, 安新民.  栾树查尔酮合酶基因克隆与表达分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20200377
    [4] 杨柳, 周鹤莹, 薄文浩, 李颖岳, 庞晓明.  基于选择清除分析鉴定影响枣果实大小的基因 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20190097
    [5] 路蒙蒙, 韩硕, 杨琦, 王俊秀, 郭惠红.  文冠果LEC1基因的克隆及表达分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20170314
    [6] 刘洋, 李帮同, 杜桂华, 黄东旭, 周先清, 钮世辉, 李伟.  油松FT/TFL1-like基因表达模式与调控分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180040
    [7] 姜礅, 孟昭军, 严善春.  用茉莉酸甲酯局部喷施长白落叶松苗对落叶松毛虫体内防御酶的影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20160291
    [8] 陈武, 孔德仓, 崔艳红, 曹明, 庞晓明, 李颖岳.  枣核心种质表型性状多样性及裂果相关性 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20170024
    [9] 孙丽丽, 刘鹏, 王志英, 梁斌, 曹传旺.  转LdOA1基因果蝇品系GSTs基因表达及对溴氰菊酯胁迫响应 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20150418
    [10] 周姗, 李思达, 董恒, 詹亚光, 曾凡锁.  白桦BpHO基因非生物胁迫及信号诱导的表达模式分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20140485
    [11] 曲赞霜, 钱婷婷, 侯聪, 张力杰, 魏志刚.  小黑杨碳酸酐酶家族基因表达特性分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2015.02.016
    [12] 李昊阳, 施杨, 丁亚娜, 徐吉臣.  杨树扩展蛋白基因家族的生物信息学分析 . 北京林业大学学报,
    [13] 吴丽萍, 唐岩, 李颖岳, 尹丹妮, 庞晓明.  枣和酸枣基因组大小测定 . 北京林业大学学报,
    [14] 黄河, 牛雅静, 杨可, 戴思兰.  甘菊内参基因ClTUA的克隆与表达分析 . 北京林业大学学报,
    [15] 李慧玉, 董京祥, 姜静, 刘桂丰.  2个柽柳Prx基因的克隆及表达分析 . 北京林业大学学报,
    [16] 连青龙, 韩昊君, 辛海波, 陈莉, 胡小燕, 何秀丽, 义鸣放.  唐菖蒲GhAOS基因的克隆与表达 . 北京林业大学学报,
    [17] 刘妍婧, 王彩玲, 陆海, 杨海灵.  杨树14--3--3基因家族的分子进化及表达模式研究 . 北京林业大学学报,
    [18] 马艳, 朱馨蕾, 杨长庚, 张富春, 尹伟伦, .  Pedhn基因的克隆及表达分析 . 北京林业大学学报,
    [19] 温俊宝, 鲁绍伟, 
    ZHAOGuang-jie, 邹大林, 李贤军, 王玉涛, 段爱国, 李吉跃, 徐文铎, 刘金福, 赵燕东, 张求慧, 李雪萍, 李雪峰, 刘常富, 王云琦, 张灿, 吴斌, 常德龙, 齐春辉, 郑凌凌, 匡文慧, 程占红, 冯夏莲, 谭炳香, 温俊宝, 洪伟, 何友均, 白陈祥, 赵广杰, 张树文, 吴斌, 何正权, 何兴元, 王玉杰, LUOWen-sheng, 韩士杰, 宋湛谦, 李增元, 韩烈保, 吴庆利, 何承忠, 张建国, 李吉跃, 翟洪波, 张路平, 余新晓, 朱天辉, 骆有庆, 梁小红, 陈发菊, 童书振, 林秦文, 张志毅, ]陈玮, 张养贞, 黄文豪, 匡秋明, 骆有庆, 刘凤芹, 李俊清, 何静, 郭忠玲, 陈尔学, ]魏晓霞, 姜伟, FurunoTakeshi, 张璧光, 许志春, 梁宏伟, 郑兴波, 崔国发, 许志春, RENQian, 安新民, 李颖, 张振明, 张军, 胡伟华, 曾会明, 庞勇, 赵桂玲, 雷渊才, 曹川健, 侯伟, 宋国正, 李凤兰, 赵广亮, 杨凯, 刘君, PaulWolfgang, 李福海, 郑杰, 张全来, 姚永刚, 董建生, 田桂芳, 张有慧, 李考学, 李永波, 赫万成, 李长明, 张世玺.  重组酶Cre基因在大肠杆菌中的高效表达及其一步纯化和活性检测 . 北京林业大学学报,
    [20] 李国平, 张煜星, 施婷婷, 李贤军, 张展羽, 程金新, 黄心渊, 王志玲, 赵俊卉, 崔彬彬, 江泽慧, 周志强, 宗世祥, 陈伟, 曹伟, 雷相东, 肖化顺, 刘志军, 周国模, 徐剑琦, 程丽莉, 刘智, 杜官本, 于寒颖, 雷霆, 张彩虹, 丁立建, 张璧光, 王海, 王正, 雷洪, 张则路, 苏淑钗, 曹金珍, 黄群策, 吴家森, 关德新, 骆有庆, 刘童燕, 李云, 张贵, 杨谦, 郝雨, 苏里坦, 张璧光, 王正, 郭广猛, 李云, 吴家兵, 姜培坤, 常亮, 方群, 宋南, 贺宏奎, 张大红, 张佳蕊, 张书香, 王勇, 刘大鹏, 张国华, 秦广雍, 黄晓丽, 张慧东, 金晓洁], 周晓燕, 许志春, 刘彤, 李文军, 陈晓光, 秦岭, 张金桐, 姜静, 高黎, 蔡学理, 李延军, 刘海龙, 苏晓华, 于兴华, 张弥, 陈燕, 姜金仲, 刘建立, 冯慧, 尹伟伦, 王德国, 王安志, 张冰玉, 陈绪和, 周梅, 成小芳, 王谦, 朱彩霞, 聂立水, 陈建伟3, 金昌杰, 张勤, 亢新刚, 冯大领, 张连生, 梁树军, 崔国发, 胡君艳, 韩士杰, 姚国龙.  核盘菌EPSP合酶基因在大肠杆菌中的表达 . 北京林业大学学报,
  • 加载中
图(10) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  33
  • HTML全文浏览量:  8
  • PDF下载量:  5
  • 被引次数: 0
出版历程

枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338

摘要:   目的  果胶是植物细胞壁的主要成分和结构多糖。果胶甲酯酶是一种重要的果胶修饰酶,具有调节细胞壁弹性和通透性的作用,在植物的生长发育过程中发挥作用。本研究探讨枣果胶甲酯酶基因家族的基本信息和特点,为进一步阐明ZjPMEs基因的功能、筛选果实质地密切相关基因奠定基础。  方法  本研究基于‘冬枣’基因组,鉴定枣基因组中的果胶甲酯酶基因;基于RNA-Seq数据,分析枣果胶甲酯酶基因家族的特征以及表达模式。  结果  共鉴定出46个枣果胶甲酯酶基因,不均匀分布在10条染色体上。系统演化分析表明这些基因包含29个Type-Ⅰ型和17个Type-Ⅱ型成员,进一步可以划分为4个亚家族。在每个亚家族中,基因共享保守的基因结构和基序组成。基因表达分析显示该家族基因在花中表达丰度较高,可能在枣的生殖发育过程起重要作用。通过分析该家族基因在不同质地的‘冬枣’(酥脆)和‘P15’(硬质)以及在不同用途的‘冬枣’(鲜食)和‘骏枣’(制干)果实发育过程中的表达模式,筛选出与枣果实质地关系密切的基因ZjPME 18,该基因在‘P15’和‘骏枣’果实中表达量较高。  结论  枣果胶甲酯酶基因家族具有特定的结构特征及表达模式,ZjPME 18的表达与调控可能与枣果实质地密切相关。

English Abstract

王雪, 宋爽, 李美育, 薄文浩, 李颖岳, 庞晓明, 曹明. 枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
引用本文: 王雪, 宋爽, 李美育, 薄文浩, 李颖岳, 庞晓明, 曹明. 枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
Wang Xue, Song Shuang, Li Meiyu, Bo Wenhao, Li Yingyue, Pang Xiaoming, Cao Ming. Identification and expression analysis based on RNA-Seq of the pectin methylesterase gene family in Chinese jujube (Ziziphus jujuba)[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
Citation: Wang Xue, Song Shuang, Li Meiyu, Bo Wenhao, Li Yingyue, Pang Xiaoming, Cao Ming. Identification and expression analysis based on RNA-Seq of the pectin methylesterase gene family in Chinese jujube (Ziziphus jujuba)[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200338
  • 植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶组成,存在于原代细胞壁和中层,在维持细胞壁的结构完整、细胞粘附、形态发生和病原体防御中发挥重要作用[1-2]。果胶甲酯酶(pectin methylesterase,PME)催化果胶中同型半乳糖醛酸聚糖(homogalacturonan,HG)的去酯化,在释放甲醇和质子的过程中产生游离羧基。一方面,羧基结合细胞外Ca2+,形成钙桥相互连接,使细胞壁硬化,植物细胞生长延缓;另一方面,去酯化产生的质子,使细胞pH值下降,使得果胶降解相关酶的活性增强,促进果胶降解进而造成细胞壁松弛,细胞生长加快[3]。果胶甲酯酶通过以上两种方法调节细胞壁结构,从而调控细胞生长。在高等植物中,PME基因分类为Type-I PME(具有PMEI结构域)和Type-Ⅱ PME(无PMEI结构域),二者均具有PME结构域(pro结构域)[3]。在Type-I PME中,PMEI结构域充当有效的保留机制,使未加工的PME留在高尔基体中。因此,pro结构域可能参与调节PME活性的翻译后机制[4]

    PME广泛存在于植物和微生物中,属于大型多基因家族,影响植物的生长发育,如下胚轴生长[5]、根系发育[6]和胚胎发育[7]等。编码果胶甲基酯酶的VANGUARD1基因已被证明特异地定位于拟南芥`(Arabidopsis thaliana)花粉粒中,并在花粉管生长中起重要作用[8]NtPPME1在烟草(Nicotiana tabacum)中同样具有调控花粉管发育的功能[9]。PME还参与果实脱落调控,参与草莓(Fragaria × ananassa[10]、苹果(Malus pumila[11]和番茄(Solanum lycopersicum[12]等果实的成熟软化。草莓果实经紫外线照射后PME立即减少,果实变得坚硬[13]。过表达和沉默FvPME38和FvPME39基因对草莓果实硬度、果胶含量和细胞壁结构有显著影响[13]。苹果果实成熟过程中,植物激素乙烯和低温胁迫可显著增加PME活性,加速果实软化[11]。沉默番茄中果胶甲酯酶基因后,细胞壁中可溶性固形物含量增加,可溶性多糖醛酸苷含量降低,果实硬度增加[12]

    枣(Ziziphus jujuba)是鼠李科(Rhamnaceae)枣属植物,原产于中国,是重要的经济果树之一[14]。枣果含有丰富的营养物质和生物活性成分,包括维生素C、矿物质(钙和铁)、碳水化合物和环磷酸腺苷等[15]。目前果胶甲酯酶基因已经在很多物种中研究,枣中PME基因家族成员的特征和功能尚不清楚。本研究中,我们系统地分析了ZjPMEs基因的基因结构、系统演化关系及在不同组织、果实质地品种中的表达模式,有助于理解果胶甲酯酶基因在枣生长发育,特别是果实发育和成熟过程中的生物学功能。

    • 以拟南芥果胶甲酯酶基因家族氨基酸为查询序列,在NCBI的冬枣基因组数据库(version 1.1)中进行搜索(E-value < 1 × 10−5[16],初步获得枣中潜在的PME基因。将这些潜在的PME基因的蛋白序列,利用InterProscan (http://www.ebi.ac.uk/inter pro/)在线软件扫描蛋白质结构域,将含有PME或PMEI结构域的确认为枣PME基因家族序列。

      利用在线分析软件ProtParam(http://expasy.org/tools/protparam.htm L)计算枣PME基因家族蛋白序列的理化性质。然后分别利用蛋白质亚细胞定位预测软件Hum-mPLoc 2.0:(http://www.csbio.sjtu.edu.cn/ bioinf/ Cell- PLoc-2/)和SignalP 4.1(http://www.cbs. dtu. dk/services/ Signal P/)对ZjPME基因家族蛋白序列进行信号肽和亚细胞定位分析预测。

    • 利用MapChart软件绘制枣果胶甲酯酶基因家族成员的染色体定位图。使用MEGA 6.0软件采用邻接法构建进化树(boot-strap=1 000)。

    • ZjPMEs的基因结构利用GSDS(http://gsds.cbi.pku.edu.cn)在线工具获得。利用DNAMAN 6.0软件对氨基酸序列进行多重序列比对。利用在线软件MEME(http://meme- suite.org/tools/meme)分析保守基序。

    • 利用NCBI网站下载‘冬枣’不同组织部位(根、叶、花、茎、枝、果)的转录组数据(登录号为PRJNA260241)[16]进行组织差异表达分析。同时利用本课题组‘冬枣’和‘P15’以及NCBI网站下载的‘骏枣’果实发育不同时期的的转录组数据(登录号为PRJNA306374)[17]分析不同质地枣果中ZjPMEs家族成员的表达模式。基因表达水平的原始FPKM值由课题组分析获得,利用TBtools软件构建热图以显示不同基因的表达谱[18]

    • 从冬枣基因组中鉴定出46个ZjPMEs基因家族成员,包括2个可变剪切基因(LOC107411638、LOC107423846)。所有ZjPMEs基因根据染色体位置(从上到下)依次命名为ZjPME01 ~ ZjPME46(表1)。根据鉴定到的ZjPMEs基因编码的氨基酸序列是否含PMEI结构域,将ZjPMEs基因分为含有PMEI结构域的Type-I型和无PMEI结构域的Type-II型。在29个Type-I ZjPMEs蛋白中,各成员氨基酸个数分布在449 ~ 628之间;而17个Type-II ZjPMEs编码的氨基酸个数分布在214 ~ 447之间。所鉴定的ZjPMEs基因编码的分子量(molecular Weight,MWs)分布在24.00 kDa ~ 68.80 kDa之间。在46个ZjPMEs基因中有10个成员等电点(isoelectric point,pI)在酸性范围,其余36个成员pI值均在碱性范围(占78.26%)。信号肽预测结果显示半数以上基因具有信号肽,从亚细胞定位预测结果来看,所有成员均被定位于细胞壁。各成员的详细参数见表1

      表 1  枣果胶甲酯酶基因家族基因信息

      Table 1.  Identified gene member of ZjPME family in Z.jujuba

      基因名称
      Gene name
      基因编号
      Gene ID
      类型
      Type
      编码序列
      CDS/bp
      氨基酸个数
      Amino acid
      number
      分子量
      Molecular
      mass
      (MW)/kDa
      等电点
      Isoelectric
      point (pI)
      总平均疏水性
      Grand average of
      hydropathicity (GRAVY)
      不稳定系数
      Instability
      index (II)
      信号肽
      Singnal P
      亚细胞定位
      Subcellular
      localization
      ZjPME01 LOC107419067 1 1 644 547 60.35 9.55 −0.19 33.90 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME02 LOC107434427 1 1 761 586 64.36 8.57 −0.22 35.40 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME03 LOC107434488 2 1 080 359 40.59 9.22 −0.34 29.39 1-25 细胞壁 Cell wall
      ZjPME04 LOC107410548 2 654 217 24.41 9.24 −0.21 33.60 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME05 LOC107411637 2 1 260 419 46.76 6.25 −0.16 44.90 1-23 细胞壁 Cell wall
      ZjPME06A LOC107411638 2 957 318 34.79 4.79 −0.15 34.26 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME06B LOC107411638 2 1 098 365 40.15 4.97 −0.08 34.14 1-20 细胞壁 Cell wall
      ZjPME07 LOC107411741 2 1 020 339 37.68 5.03 −0.16 31.80 1-25 细胞壁 Cell wall
      ZjPME08 LOC107411742 2 1 032 343 38.24 7.14 −0.22 42.26 1-33 细胞壁 Cell wall
      ZjPME09 LOC107411833 1 1 812 603 67.70 8.74 −0.21 40.59 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME10 LOC107411914 1 1 659 552 61.56 9.16 −0.28 37.29 1-17 细胞壁 Cell wall
      ZjPME11 LOC107411835 1 1 608 535 59.51 8.97 −0.33 36.17 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME12 LOC107412882 1 1 740 579 64.31 7.16 −0.23 34.78 1-26 细胞壁 Cell wall
      ZjPME13 LOC107412879 1 1 728 575 63.56 9.17 −0.20 33.45 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME14 LOC107413713 2 1 161 386 42.82 7.65 −0.16 34.64 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME15 LOC107414312 1 1 581 526 58.38 9.16 −0.24 33.63 1-23 细胞壁 Cell wall
      ZjPME16 LOC107414333 1 1 581 526 59.43 9.49 −0.24 36.15 1-25 细胞壁 Cell wall
      ZjPME17 LOC107414790 1 1 821 606 66.08 9.04 −0.20 32.91 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME18 LOC107415956 2 951 316 35.30 6.70 −0.24 43.65 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME19 LOC107416847 2 1 344 447 49.29 8.38 −0.13 39.75 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME20 LOC107418947 2 1 035 344 38.23 9.26 −0.16 27.79 1-28 细胞壁 Cell wall
      ZjPME21 LOC107420185 2 1 029 342 37.43 7.56 −0.14 36.51 1-25 细胞壁 Cell wall
      ZjPME22 LOC107420876 2 645 214 24.00 9.24 −0.19 28.44 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME23 LOC107421295 1 1 647 548 60.83 8.83 −0.27 44.54 1-25 细胞壁 Cell wall
      ZjPME24 LOC107421294 1 1 704 567 62.72 7.06 −0.15 33.04 1-26 细胞壁 Cell wall
      ZjPME25 LOC107423848 1 1 809 602 66.00 7.14 −0.20 26.79 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME26A LOC107423846 1 1 551 516 56.82 6.94 −0.16 28.08 1-32 细胞壁 Cell wall
      ZjPME26B LOC107423846 1 1 512 503 55.42 6.04 −0.13 28.66 1-32 细胞壁 Cell wall
      ZjPME27 LOC107423814 1 1 620 539 59.35 5.67 −0.19 38.91 1-24 细胞壁 Cell wall
      ZjPME28 LOC107423815 1 1 887 628 68.80 9.11 −0.35 37.73 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME29 LOC107423820 1 1 632 543 59.24 9.10 −0.25 39.78 1-22 细胞壁 Cell wall
      ZjPME30 LOC107425602 1 1 731 576 62.44 8.49 −0.22 40.08 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME31 LOC107426082 2 1 212 403 44.97 9.35 −0.21 30.60 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME32 LOC107426184 1 1 698 565 61.63 9.13 −0.18 25.63 1-24 细胞壁 Cell wall
      ZjPME33 LOC107426315 1 1 671 556 61.10 8.56 −0.13 31.71 1-27 细胞壁 Cell wall
      ZjPME34 LOC107426316 1 1 671 556 61.04 8.55 −0.13 31.28 1-27 细胞壁 Cell wall
      ZjPME35 LOC107426244 1 1 689 562 62.08 8.90 −0.23 33.15 1-24 细胞壁 Cell wall
      ZjPME36 LOC107429290 1 1 611 536 59.01 6.60 −0.16 33.42 1-26 细胞壁 Cell wall
      ZjPME37 LOC107432053 2 1 266 421 46.58 6.50 −0.02 32.55 1-24 细胞壁 Cell wall
      ZjPME38 LOC107432169 2 1 077 358 38.82 5.29 −0.06 30.70 1-20 细胞壁 Cell wall
      ZjPME39 LOC107433143 1 1 728 575 62.81 6.05 −0.29 29.72 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME40 LOC107406578 2 1 119 372 40.90 8.61 −0.19 23.20 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME41 LOC107403317 2 1 095 364 40.57 8.73 −0.24 29.55 1-27 细胞壁 Cell wall
      ZjPME42 LOC107409045 1 1 737 578 65.20 8.59 −0.32 31.18 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME43 LOC107405035 1 1 701 566 62.82 9.25 −0.25 30.83 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME44 LOC107405028 1 1 695 564 62.16 8.97 −0.19 33.28 1-25 细胞壁 Cell wall
      ZjPME45 LOC107406424 1 1 350 449 49.52 9.40 −0.21 30.31 N/A 细胞壁 Cell wall
      ZjPME46 LOC107406889 1 1 515 504 55.46 9.49 −0.15 38.66 N/A 细胞壁 Cell wall

      依据ZjPMEs基因家族成员在枣1 ~ 12号染色体上的位置信息,利用MapChart软件绘制染色体定位图。ZjPME41 ~ ZjPME46这6个基因定位到scaffold片段,其余基因在除7号、11号之外的染色体上不均匀分布(图1)。

      图  1  ZjPME基因在枣树染色体上的分布

      Figure 1.  Chromosomal distribution of ZjPME genes

    • 将枣中的46个ZjPMEs、拟南芥中的66个AtPMEs,以及草莓和桃中与果实软化相关的4个FaPMEsPRPMEs基因编码的氨基酸序列进行多重比对并进一步构建Neighbor Joining tree(图2)。参照拟南芥AtPMEs基因家族划分方式,将枣中46个ZjPMEs分为四个亚家族[19],除ZjPME14外,其余Type-II型ZjPMEs基因聚集在Group I;GroupⅡ仅包含ZjPME30;草莓和桃中与果实软化相关的4个PMEs基因位于Group I和Group Ⅱ中;Group Ⅳ中所含基因最多。

      图  2  枣与拟南芥、草莓、桃 PME家族成员的系统发育树

      Figure 2.  Phylogenetic trees of PG family members of jujub,Arabidopsis, strawberry and peach.

    • ZjPMEs蛋白家族成员保守序列和结构域的分析表明,ZjPMEs成员具有相对保守的C端果胶酶结构域(PME结构域),N端保守性较差。大多数ZjPMEs家族成员同时含有PME和PMEI结构域。多重序列比对发现,44个ZjPMEs蛋白具有5个典型的保守结构区域:G410xYxE414(RegionⅠ)、Q504AVAxR509(Region Ⅱ)、Q526DTL529(Region Ⅲ)、G545xxDFIFG552(Region Ⅳ)、x622LGRxWx628(RegionⅤ),(图3)。其中2个不包含保守结构域Ⅴ(x622LGRxWx628)的ZjPMEs被分到了GroupⅠ,此外,还有一部分ZjPMEs蛋白保守基序中个别氨基酸发生变异,如‘Q504 AVAxR509 ’中的“Q”变成“W”或“P”、“A”变成“V”或“S”、“V”变成“P”或“A”、“A”变成“T”。‘G545xx DFIFG552’中第2个“F”变成“C”。基因结构分析显示ZjPMEs基因家族成员大多数有2 ~ 3个外显子,少数基因有4 ~ 6个外显子(图4)。

      图  3  ZjPMEs蛋白多重序列比对

      Figure 3.  Multiple sequence alignment of ZjPMEs protein

      图  4  ZjPMEs基因结构和蛋白结构域

      Figure 4.  The exon-intron structures and putative motifs of ZjPMEs

      ZjPMEs蛋白保守基序分析共发现10个Motifs,其中Motif 1对应保守结构域III和IV,Motif 6、Motif 10和Motif 2分别对应I、Ⅱ和Ⅴ保守结构域。一般来说,同一亚家族的ZjPMEs蛋白具有相似的基序(表2),含有6 ~ 10个Motifs。所有成员均包含Motif 1、Motif 3、Motif 4、Motif 6、Motif 7和Motif 10。Group I不含Motif 9,Group Ⅱ不含Motif 8。

    • 本研究基于‘冬枣’的根、茎、叶、花和半红期果实的转录组数据,检测到21个ZjPMEs基因呈现组织特异性表达(图5)。第一组基因ZjPME17、ZjPME30、ZjPME09、ZjPME15、ZjPME26、ZjPME43、ZjPME10和ZjPME18在根、叶、花和枝中表达量较高。第二组基因ZjPME27、ZjPME29和ZjPME36在叶中表达量较高。第三组基因ZjPME20、ZjPME11、ZjPME39、ZjPME28和ZjPME32在花中的表达量比其他器官更高,第四组基因ZjPME19、ZjPME31、ZjPME25、ZjPME02和ZjPME16在枝和果实中的表达量更高。ZjPME25、ZjPME02、ZjPME16和ZjPME18在果实中有较高的表达,表明它们可能在果实发育中发挥重要作用。ZjPME02和ZjPME25表现出相似的表达模式,它们可能在同一生物过程中具有相似的功能。

      图  5  ‘冬枣’不同组织中ZjPME基因 RNA-seq 数据

      Figure 5.  RNA-seq data showing ZjPME genes expression in different tissues

    • ‘冬枣’是品质优良的鲜食枣品种,从白熟期到全红期,果实细胞壁中原果胶含量在逐渐减少,但一直保持酥脆状态;而制干枣代表品种‘骏枣’在脆熟期酥脆度较差,这两个品种质地有明显差异。在两个品种果实发育不同阶段检测到11个ZjPMEs基因的表达(图6)。第一组基因除ZjPME18和ZjPME43外,在‘骏枣’膨大期表达量较高,并显著性高于‘冬枣’膨大期。第二组基因在‘冬枣’比‘骏枣’果实中表达量高。ZjPME17和ZjPME25表达量随着‘冬枣’、‘骏枣’果实发育逐渐降低。其中ZjPME17在‘冬枣’幼果期和膨大期表达量为半红期的8倍,而在‘骏枣’膨大期表达量为半红期的20倍;比起‘骏枣’,ZjPME25在‘冬枣’果实中表达量更高,其中在‘冬枣’幼果期的表达量最高,为半红期的1.5倍,‘骏枣’中膨大期表达量最高为半红期的413倍,此外,ZjPME18在‘骏枣’各时期表达量均高于‘冬枣’,在‘骏枣’半红期表达量出现峰值,在‘冬枣’各时期表达量无显著差异。

      图  6  ‘冬枣’和‘骏枣’果实发育不同阶段 ZjME 基因 RNA-seq 数据

      Figure 6.  RNA-seq data showing ZjPL genes expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’and ‘Junzao’

    • 依据酥脆质地‘冬枣’和硬质‘P15’两个品种不同发育阶段果皮和果肉转录组数据,分析了11 个 ZjPMEs基因在‘冬枣’和‘P15’两个品种从花后40天到半红期的表达模式(图8)。第一组基因ZjPME12、ZjPME26、ZjPME09和ZjPME30主要在‘冬枣’果肉中表达。第二组基因中的ZjPME02分别在‘冬枣’白熟期,‘P15’半红期表达量最高。第三组基因ZjPME17、ZjPME25和ZjPME43在‘冬枣’和‘P15’花后40天、花后80天两个时期表达量最高,果皮和果肉的总表达量趋势显示花后40天高于花后80天,且‘P15’高于‘冬枣’。第四组基因ZjPME20和ZjPME27在‘冬枣’和‘P15’果皮的前两个时期表达量最高。ZjPME25和ZjPME43在两个品种中的表达趋势一致,均随着果实发育表达量逐渐降低。

      图  8  ‘冬枣’和‘P15’果实中 ZjPME 基因 RNA-seq 数据

      Figure 8.  RNA-seq data showing ZjPME genes expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’and ‘P15’

      通过分析枣果胶甲酯酶基因在不同质地品种发育阶段的表达情况,我们发现ZjPME18在‘P15’中4个时期果皮、果肉中的表达量均高于‘冬枣’,‘P15’中表达量在花后80天最高;‘冬枣’白熟期表达量达到峰值,如图9图10所示。

      图  9  ‘冬枣’和‘P15’果肉中ZjPME18基因RNA-seq数据

      Figure 9.  RNA-seq data showing ZjPME18 expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’ and ‘P15’

      图  10  ‘冬枣’和‘P15’果皮中ZjPME18基因RNA-seq数据

      Figure 10.  RNA-seq data showing ZjPME18 expression in different fruit development stages of ‘Dongzao’ and ‘P15’

      图  7  ‘冬枣’和‘P15’果实发育各时期图片

      Figure 7.  Picture in different fruit development stages of ‘Dongzao’and ‘P15’

    • 果胶甲酯酶广泛存在于植物界。本研究从枣基因组中鉴定出46个果胶甲酯酶基因家族成员。枣中果胶甲酯酶基因家族成员的数量高于单子叶植物水稻,低于拟南芥、杨树和番茄等双子叶植物[20]。尽管枣基因组(418.56 MB)与番茄相似,是拟南芥的3倍(146 MB)[21-22]。这些结果表明,不同物种PME家族成员数量差异很大,双子叶植物中基因组的复制与PME基因家族的扩增之间无必然联系。ZjPMEs基因家族基本信息显示ZjPMEs蛋白分子中富含碱性氨基酸,因此推测不同的ZjPMEs蛋白在不同的微环境中工作。Type-I ZjPMEs和Type-II ZjPMEs基因编码的蛋白质氨基酸数量有显著不同[23]。系统发育分析表明,PMEs在同一物种中序列相似性较高,亲缘关系相对接近,但与其他物种相距较远。PMEs蛋白在进化过程中N端保守性较差,只有部分家族成员含有 PMEI 保守结构域,这丰富了基因的多样性,减少了选择压力。研究表明,ZjPMEs基因结构的多样化在多基因家族的进化和功能分化中起关键作用[24],也是PMEs在植物发育过程中发挥广泛作用的原因。保守基序分析表明,鉴定出的10个基序存在于大多数ZjPMEs中,即ZjPMEs(特别是同一亚家族的成员)在枣生长发育中可能表现出相对保守的功能。

      系统发育分析和基因表达分析为基因功能的研究提供重要信息。转录组数据显示绝大多数ZjPMEs基因在花中表达,它们可能在生殖发育过程中具有重要作用[8-9]。拟南芥中的At2g47550和At4g02330与ZjPME17亲缘关系最近,其中At2g47550和At4g02330主要在花粉中表达,ZjPME17同样在花中表达丰富,因此ZjPME17可能参与花粉和花粉管的发育[25]。果实的成熟软化是在细胞壁相关水解酶作用下细胞壁聚合物降解/修饰的结果[26],果胶甲酯酶在调控果实质地中具有重要作用[10-13]。多数ZjPMEs基因在‘冬枣’各时期和‘骏枣’膨大期果实中表达更高,并呈下调趋势,这与苹果中报道的果胶裂解酶活性变化趋势一致,在‘Scifresh’和‘Royal Gala’的膨大期果实中测得高果胶甲酯酶活性,但在成熟果实中活性迅速降低[27]。果实成熟过程中果胶甲酯酶基因的下调表明它可能与果实发育密切相关,因为果胶甲酯酶的去甲基化会使细胞壁变硬[3],从而导致果实质地的改变。果实质地是评价果实品质的重要指标,主要表现在果实硬度和脆性等方面,不同品种果实的质地存在差异。ZjPME18在‘P15’中的表达量高于‘冬枣’,在两种质地果实的发育过程中表达差异显著,其可能是调控果实质地的关键基因。总的来看,多数ZjPMEs基因的表达丰度呈下降趋势,且‘P15’果实中ZjPMEs基因表达量高于‘冬枣’。通过对鲜食枣和制干枣果实发育表达分析,发现多数ZjPMEs基因在‘冬枣’各时期和‘骏枣’膨大期果实中表达更高。且这些基因随果实发育表达量下调,研究表明‘冬枣’中原果胶含量随果实发育也呈现下降趋势,二者变化趋势一致[28],因此这些基因可能参与膨大期果肉细胞增长及胞间层中果胶物质的降解。ZjPME18在两种枣中的表达差异显著,在鲜食枣品种成熟过程中表达量相对较低,在制干枣中表达量较高,推测此基因可能与鲜食枣、制干枣果实质地差异密切相关。本研究系统地研究了ZjPMEs的基因结构、理化性质和基因表达模式等信息,为揭示ZjPMEs在枣生长发育过程的调控功能奠定了重要基础。

参考文献 (28)

目录

    /

    返回文章
    返回