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亚麻生氰糖苷合成关键酶CYP79基因家族的鉴定及表达分析
齐燕妮, 李闻娟, 赵丽蓉, 李雯, 王利民, 谢亚萍, 赵玮, 党照, 张建平
作物学报    2023, 49 (3): 687-702.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2023.24042
摘要   (379 HTML18 PDF(pc) (1530KB)(345)  

CYP79蛋白是生氰糖苷合成关键酶, 但关于亚麻CYP79基因的研究鲜有报道。本研究对包括亚麻在内的9种作物的CYP79基因家族进行了鉴定, 并分析了亚麻CYP79基因的序列特征、复制事件、共线性关系、系统进化、顺式作用元件及表达模式。结果表明, 在亚麻、白亚麻、毛果杨、木薯、芝麻、高粱、大豆、葡萄及水稻中分别鉴定到9、9、3、2、5、7、6、16和4个CYP79家族成员; 系统进化分析显示, CYP79基因的进化具有物种特异性; LuCYP79不均匀分布在4条染色体上, 具有1~3个外显子, 其启动子区含大量激素与逆境响应相关元件; 共克隆到8个亚麻CYP79基因的全长DNA序列及5个成员的全长cDNA序列; LuCYP79蛋白序列长度为282~565 aa, 等电点为5.84~9.14, 分子量为31.56~62.86 kD, 均为亲水性蛋白, 定位于内质网; 共有5对基因发生复制事件, 占全部基因的77.8%, 全部经历了强烈的纯化选择, 其中LuCYP79-1LuCYP79-9在拟南芥和木薯中均具有同源基因。表达分析表明, LuCYP79家族成员具有组织特异性, 且各成员在不同遗传背景下表达模式不同, 其中LuCYP79-1LuCYP79-7LuCYP79-8LuCYP79-9在4个品种中的表达差异显著。相关分析表明, 50 d时的LuCYP79-1/LuCYP79-7与成熟亚麻籽中生氰糖苷含量呈极显著正相关, 20 d时的LuCYP79-7/LuCYP79-8及(LuCYP79-7+LuCYP79-9)/LuCYP79-8分别与成熟亚麻籽中生氰糖苷含量呈极显著正相关, 初步推测其可能是亚麻籽生氰糖苷合成的关键基因。研究结果对进一步阐明亚麻CYP79蛋白的功能具有积极意义, 并为培育低生氰糖苷亚麻品种提供了理论参考。



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图5 亚麻基因组内LuCYP79基因共线性及其与拟南芥和木薯间的共线性
A: 灰色线条表示具有共线性的LuCYP79基因对。B: 灰色线条表示亚麻与其他物种的共线性区域, 彩色线条表示与不同物种具有共线性的CYP79基因对。
正文中引用本图/表的段落
LuCYP79家族成员分布在4条染色体上, 其中LuCYP79-1LuCYP79-2LuCYP79-3分布在2号染色体, LuCYP79-4LuCYP79-5分布在6号染色体, LuCYP79-6LuCYP79-7LuCYP79-8分布在12号染色体, 15号染色体仅有LuCYP79-9分布(图4)。亚麻基因组内部共线性分析显示, 2对基因(LuCYP79-1/LuCYP79-9LuCYP79-4/LuCYP79-8)存在共线性关系, 分布在4条染色体上(图5-A)。进一步分析发现, 有5对LuCYP79基因发生复制事件, 其中3对为串联复制(LuCYP79-1/LuCYP79-2、LuCYP79-2/LuCYP79-3LuCYP79-4/LuCYP79-5), 2对发生片段复制(LuCYP79-1/LuCYP79-9LuCYP79- 4/LuCYP79-8) (图4和表2)。串联复制基因占全部LuCYP79基因的55.6%, 说明串联复制事件在LuCYP79基因家族扩张中起主要作用。通过Ka/Ks比值判断LuCYP79基因有无选择压力。LuCYP79复制基因的Ka/Ks比值全部小于1, 说明所有发生复制的基因经历了纯化选择(表2)。有4对基因的Ka/Ks比值在0.1左右, Ka/Ks平均值为0.1548, 说明LuCYP79基因进化非常保守。对复制事件发生的分歧时间进行计算发现, LuCYP79发生串联复制的分歧时间最短和最长分别在5412万和9053万年前, 发生片段复制的分歧时间最短和最长分别在134万和8796万年前。为进一步了解亚麻LuCYP79家族的进化机制, 分别分析其与拟南芥、木薯、芝麻、葡萄、高粱、水稻之间的共线性关系, 3个LuCYP79基因与拟南芥存在共线性关系, AtCYP79B2, AtCYP79B3AtCYP79C1在亚麻中有1~2个同源基因; 2个与木薯存在共线性关系, MeCYP79D2在亚麻中有2个同源基因(图5-B); 亚麻LuCYP79基因与葡萄、芝麻及2个单子叶植物没有共线性。
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