花生紫色酸性磷酸酶基因家族的鉴定及表达分析

杜普旋, 刘浩, 胡冬秀, 陈小平, 洪彦彬, 李友国

中国油料作物学报 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (3) : 522-531.

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中国油料作物学报 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (3) : 522-531. DOI: 10.19802/j.issn.1007-9084.2021093
遗传育种·种质资源

花生紫色酸性磷酸酶基因家族的鉴定及表达分析

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Genome-wide identification and expression analysis of purple acid phosphatase (PAP) gene family in peanut

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本文亮点

紫色酸性磷酸酶(purple acid phosphatase, PAP)是一类金属磷酸酯酶,参与植物的磷素利用、碳代谢、细胞壁合成等多种生理功能,尤其是对磷缺乏的适应。本研究利用生物信息学手段在花生(Arachis hypogaea L.)全基因组水平上对PAP基因家族进行了鉴定,并对其系统进化关系、保守结构域、基因结构以及它们在22个组织中的表达模式进行了分析。结果表明:花生基因组中有39个AhPAP基因,氨基酸序列长度为205~905,等电点大多数都小于7,蛋白质C端均含有金属磷酸酶结构域。以花生、拟南芥、水稻、苜蓿共74个PAP蛋白构建的系统发育树可分为四组,每组中都含有来自不同物种的PAP,并没有因为物种差异而各自聚为一类。AhPAP基因家族中部分成员的表达具有组织特异性,arahy.P03NMEarahy.DAPS6C在根瘤中表达量最高,而它们在其他组织中表达量较低或未检测到表达。本研究为揭示AhPAP基因家族在花生中的生物学功能奠定了基础。

HeighLight

Purple acid phosphatases (PAPs) are the members of metallo-phosphoesterase family genes, which involve in multiple physiological functions, such as phosphorus utilization, carbon metabolism, and cell wall synthesis, especially adapt to phosphorus deficiency. In this study, we used bioinformatics method to identify the PAP gene family in peanut plant (Arachis hypogaea L.) at genome-wide level, analyzed their phylogenetic relationship, conserved domain, gene structure, and expression pattern in 22 tissues. Results showed that a total of 39 AhPAP genes were characterized in peanut genome, their amino acid sequence length ranged from 205 to 905, the isoelectric points of majority PAP proteins were less than 7, as well the metallophosphatase domain existed in the C-terminal of PAP protein sequences. Phylogenetic tree was constructed with 74 PAPs that obtained from peanut, Arabidopsis, rice and medicago genome, and the entire PAPs could be divided into 4 subgroups. Each subgroup contained PAPs from different plant species, and they were not clustered into one category due to the species difference. Furthermore, the expression of several AhPAPs presented tissue-specific, arahy.P03NME and arahy.DAPS6C exhibited the highest expression levels in nodule, but lower or not detected in other tissues. Totally, our results laid a foundation for next revealing the biological function of AhPAPs in peanut.

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杜普旋 , 刘浩 , 胡冬秀 , 陈小平 , 洪彦彬 , 李友国. 花生紫色酸性磷酸酶基因家族的鉴定及表达分析[J]. 中国油料作物学报, 2022, 44(3): 522-531 https://doi.org/10.19802/j.issn.1007-9084.2021093
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中图分类号: S565.2   
磷是植物生长发育过程中不可缺少的大量元素,它不仅在糖代谢、蛋白质代谢和脂肪代谢等生理代谢过程中起着重要作用,而且对提高植物抗逆性及增加作物产量有着重大影响。然而在大多数土壤中无机磷的含量远低于植物生长所需,大多数磷以有机形式或难溶性的磷酸钙、磷酸铁和磷酸铝的形式存在,难以直接被植物利用[1]。为了能在低有效磷环境中生存,植物产生了各种各样的适应性反应以提高磷利用效率,如改变根系结构、释放有机酸、诱导和分泌酸性磷酸酶等[2]。紫色酸性磷酸酶(Purple acid phosphatase,PAP)是金属磷酸酶超家族(Metallo-phosphatase superfamily)的成员,在植物组织中含量丰富,大多数PAP是非特异性的,能水解一系列的磷酸酯,包括ATP、PEP、糖磷酸酯、单核苷酸和无机焦磷酸酯等[3]。PAPs含有一个双核金属离子活性中心,在哺乳动物中多为Fe(Ⅲ)-Fe(Ⅱ)中心,在植物中则为Fe(Ⅲ)-Zn(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)-Mn(Ⅱ)中心,其特征性的粉红色或紫色源自双核中心内酪氨酸残基和三价铁离子之间的电荷转移跃迁[4]。植物中的PAP可分为两类,大分子量PAP和小分子量PAP。系统发育分析表明大分子量PAP与真菌和分枝杆菌中的PAP亲缘关系较近,而小分子量PAP与哺乳动物和细菌中的PAP亲缘关系较近。大分子量PAP常以二聚体形式存在,其单体分子量约为55 kDa,通常含有N端和C端两个结构域,而小分子量PAP通常是分子量在35 kDa左右的单体蛋白质,只有一个C端结构域[5]。N端结构域由两个β-折叠构成,每个β-折叠由三条反向平行的β-链组成。C端结构域由两个β-α-β-α-β结构组成的混合β-折叠结构构成,并且含有五个高度保守基序(DXG/GDXXY/GNH(D/E)/VXXH/GHXH),粗体为结合金属离子的七个保守氨基酸残基[6]。目前,PAP已经在多种植物中被鉴定和分离,拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、大豆(Glycine max)中分别含有29个、26个、35个PAP基因。
酸性磷酸酶(APase)的诱导和分泌被认为是在低无机磷条件下促进植物生长的重要策略,PAP是一类重要的植物APase,可分泌到根际,利用有机磷促进植物生长发育[7]。大豆GmPAP14在有机磷(植酸)处理后强烈诱导表达,体外酶活性测定表明GmPAP14具有较高的植酸酶活性。此外,GmPAP14过表达增加了分泌型酸性磷酸酶和植酸酶活性,提高了植物对外源植酸的利用率,进而使植株磷含量上升,地上部分重量增加[8]。拟南芥的衰老叶片中AtPAP26的转录本和免疫反应性多肽显著积累,酸性磷酸酶活性增加了8倍,而AtPAP26的T-DNA插入突变体的衰老叶片中酸性磷酸酶活性显著降低,黑暗处理诱导条件下叶片衰老时间延迟了3天,揭示了AtPAP26可以通过提高磷从衰老叶片到发育组织和种子的再利用来提高作物磷利用效率[9]。除了参与磷素的利用外,PAP还参与其他的生理生化反应。GmPAP3的表达受盐胁迫和氧胁迫诱导却不受低磷胁迫诱导,可以通过减少活性氧的积累来应对非生物胁迫[10]。当进行NaCl、PEG处理时,GmPAP3在烟草细胞中异位表达的结果与抗坏血酸的保护作用相似,都使死亡细胞百分比和活性氧积累减少;经NaCl、PEG、百草枯处理后拟南芥GmPAP3转基因植株的根伸长率显著高于野生型,脂质过氧化作用降低[11]AtPAP2是第一个被证明调节碳代谢的紫色酸性磷酸酶,通过其C-末端疏水基序(TMD/CT)靶向叶绿体和线粒体,AtPAP2过表达拟南芥植株抽薹提前,种子产量增加,地上部的糖类(蔗糖和己糖)与三羧酸循环代谢产物含量升高[12]NtPAP12过表达的烟草细胞中糖苷酶活性降低,纤维素和胼胝质合成酶的活性增强,进而促进了细胞壁的合成[13]AtPAP23的启动子定位发现其在花中转录水平较高,而在根、茎、叶、花萼、角果、种子中未检测到表达,表明AtPAP23可能参与调节花的生长发育[14]。总而言之,现有的证据表明PAP是多功能蛋白,无论在正常还是逆境条件下,它们都可能在植物的生长发育中发挥重要作用。
花生(Arachis hypogaea L.)是重要的油料经济作物,主要种植于亚洲、非洲和美洲,种植面积超过2.5×106 hm2,全球总产量超过4200万吨,因此与大豆、棉籽、油菜籽和向日葵并列世界五大油料作物[15,16]。栽培种花生为异源四倍体(AABB 2n=4×=40),A亚基因组来源于二倍体野生种花生A. duranensis,B亚基因组来源于二倍体野生种花生A. ipaensis [17]。花生的基础生物学研究相较于模式植物来说进展比较缓慢,但栽培种花生的全基因组测序为功能基因组学和花生品种改良奠定了基础[18]。土壤有效磷缺乏已经成为制约花生生长发育的主要因素,选育磷高效花生品种具有重要意义。鉴于植物PAP在磷素利用中的潜在作用已被广泛研究,而目前对花生中PAP的研究尚未见报道,因此本研究通过生物信息学手段从花生基因组数据库中鉴定AhPAPs基因家族成员,对候选基因的系统进化关系、基因结构、蛋白质保守结构域与理化性质以及组织特异性表达模式进行分析,为揭示AhPAP基因家族的功能提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 AhPAP基因家族成员的鉴定

利用花生基因组数据库(https://www.peanutbase.org/)中的Gene & Gene Family功能,以Purple acid phosphatase为关键词检索AhPAP基因家族成员;然后从拟南芥数据库(https://www.arabidopsis.org/index.jsp)下载AtPAP基因家族28个成员的氨基酸序列,以28个AtPAP氨基酸序列为模板在花生基因组数据库中进行Blastp同源比对,将比对结果与通过关键词检索获得的AhPAP基因进行合并整理,并通过NCBI在线网站CDD(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml)对蛋白保守结构域进行分析,剔除不含有金属磷酸酶结构域(MPP_PAP)的蛋白序列,筛选出花生基因组中的AhPAP候选基因序列。从花生基因组数据库中获取候选AhPAP基因的染色体位置信息,采用MG2C(http://mg2c.iask.in)在线网站绘制AhPAP基因的染色体定位图。

1.2 AhPAP基因家族系统发育关系及基因结构分析

使用MEGA-X软件对拟南芥、水稻、苜蓿、花生PAP的氨基酸序列进行比对,并采用Neighbor-Joining方法对其构建系统进化树,各参数设定为:Possion model、Gamma Distributed、Pairwise deletion、Bootstrap Replications 设为2000。在花生基因组数据库中下载候选AhPAP基因家族成员的基因组DNA序列和mRNA序列,将mRNA序列提交到NCBI的ORFfinder在线网站(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)获得其CDS序列,根据候选AhPAP基因的基因组DNA序列和CDS序列,利用在线网站GSDS 2.0(http://gsds.cbi.pku.edu.cn)对其基因结构进行分析。利用在线网站ExPasy(https://www.expasy.org/)预测AhPAP基因家族蛋白的分子量和等电点等理化性质。

1.3 AhPAP基因家族的表达特征分析

从花生基因组数据库中下载AhPAP基因家族成员在主茎叶、根、根瘤、花、雌蕊、雄蕊、营养茎尖、生殖芽尖、果针、荚果、种子等22个组织转录组数据的FPKM值,利用TBtools软件中的heatmap功能对AhPAP基因在不同组织中的表达量进行聚类、绘制表达热图。以航花2号花生为材料,分别取成熟期的根、根瘤、茎、叶、花、种子、果壳、外露果针等部位100 mg,利用RNAprep Pure多糖多酚植物总RNA提取试剂盒(TIANGEN)提取总RNA。取1 μg总RNA,使用FSK-101反转录试剂盒(TOYOBO)进行cDNA的合成,反应体系为20 μL。采用ABI StepOne Plus系统与SYBR Premix ExTaq(TaKaRa)试剂进行荧光定量PCR反应,每个样品设置3个生物学重复。以根中的表达量为对照,利用2-∆∆CT法计算相对表达量,内参基因为Ah18S [19]

2 结果与分析

2.1 AhPAP基因家族成员的鉴定

通过关键词检索和同源比对从花生基因组数据库中获得了59个AhPAP基因,利用NCBI在线分析工具CDD分析其蛋白保守结构域,剔除20个不含有金属磷酸酶结构域的蛋白序列,最终鉴定得到了39个AhPAP基因家族候选基因。采用MG2C在线网站对39个AhPAP基因进行染色体定位(图1),结果显示:大多数AhPAP基因对称分布于两个亚基因组内,13号染色体上含有6个AhPAP基因,3号染色体上含有5个AhPAP基因,1号和11号染色体上各含有4个AhPAP基因,6号、8号、16号、18号染色体上各含有3个AhPAP基因,2号、4号、7号、10号、12号、14号、17号、20号染色体上每条只含有1个AhPAP基因,而5号、9号、15号、19号染色体上不含有AhPAP基因。
图1 AhPAP基因家族成员的染色体定位

Fig. 1 Chromosome location of AhPAP gene family

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2.2 AhPAP基因家族的系统发育关系分析

为了分析AhPAP基因家族的进化关系,将其与拟南芥、水稻、苜蓿PAP共74个蛋白序列(花生39个、拟南芥28个、水稻5个、苜蓿2个)构建系统发育树(图2),结果表明它们可分为四组(GroupⅠ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ),Group Ⅳ又可分为两个亚组(Group Ⅳa和Ⅳb)。GroupⅠ包含9个序列,GroupⅡ包含15个序列,GroupⅢ和Ⅳ都包含25个序列。GroupⅠ中含有8个AtPAP基因家族成员,而AhPAP基因家族成员只有一个,而且它们之间的系统进化距离较远,arahy.GT2ITI单独形成一个分支,推测该组成员在相应物种中的进化程度比较高。
图2 PAPs基因家族系统进化分析

Fig. 2 Phylogenetic analysis of PAPs gene family

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2.3 AhPAP基因家族保守基序及理化性质分析

使用MEGA-X软件将39个AhPAP基因家族成员的氨基酸序列比对,然后利用Highlight conversed sites功能统计这些序列中5个保守基序(DXG/GDXXY/GNH(D/E)/VXXH/GHXH)的存在状态,连同分子量和等电点等理化性质列于表1。从表中可以看出AhPAP基因家族的氨基酸长度为205~905,分子量为21.92~102.09 kDa。等电点为4.45~8.64,arahy.DVRM94arahy.EV9SA5arahy.M3CDHDarahy.N79JF7的等电点大于7,为碱性蛋白质;其余蛋白的等电点均小于7,为酸性蛋白质。39个AhPAP基因家族成员中有29个具有上述5个高度保守基序,arahy.3M27LRarahy.F1IP1Zarahy.M7XEUY具有4个保守基序,arahy.61LQT8arahy.BWQM5Varahy.IXNR8Tarahy.N79JF7具有3个保守基序,arahy.F7KBIJ具有2个保守基序,arahy.FHX6WZ、arahy.GT2ITI具有1个保守基序。
表1 AhPAP基因家族保守基序及理化性质

Tabel 1 Conserved motifs and physicochemical properties of AhPAPs gene family

基因名称 保守基序 氨基酸 分子量 等电点
Gene name Motif Amino acid MW /kDa PI
arahy.228PAQ GDMG/GDMPY/GHVH/GNHE/FAAH 630 71.20 6.42
arahy.3M27LR GDLG/GDLSY/GNHE/VLLH 443 50.77 5.95
arahy.4A70PZ GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 466 53.69 6.78
arahy.5CG709 GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLFH 441 50.20 5.65
arahy.5V4R1D GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 464 53.81 6.60
arahy.61LQT8 GDLG/GDVSY/ATWH 431 47.88 4.88
arahy.6Q5NXQ GDLG/GDLAY/GHVH/GNHE/VLIH 432 48.46 5.35
arahy.6TI6M9 GDMG/GDMTY/GHVH/GNHE/FAAH 628 70.66 6.18
arahy.718L0E GDMG/GDMTY/GHVH/GNHE/FAAH 628 70.71 6.07
arahy.9CTC13 GDLG/GDVSY/GHVH/GNHE/ATWH 543 61.01 5.23
arahy.A37YDA GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLVH 476 54.43 6.34
arahy.BWQM5V GHVH/GNHE/ASWH 276 31.44 5.05
arahy.DAPS6C GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 468 54.01 6.31
arahy.DVRM94 GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 485 55.31 7.03
arahy.EV9SA5 GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 473 54.35 7.15
arahy.F1IP1Z GDLSY/GHVH/GNHE/VLMH 475 54.92 6.34
arahy.F7KBIJ GDISY/GNHE 205 22.63 5.81
arahy.F8NQNF GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLFH 441 50.18 5.71
arahy.FB8STF GDMG/GDMPY/GHVH/GNHE/FAAH 630 71.26 6.32
arahy.FHX6WZ GDISY 205 21.92 4.65
arahy.FXM0G0 GDMG/GDLCY/GHVH/GNHE/FLAH 905 102.09 6.75
arahy.GT2ITI VLFH 283 31.32 4.45
arahy.HA8IQE GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLMH 479 54.99 6.44
arahy.HQ66FD GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLMH 466 53.63 6.33
arahy.IXNR8T GHVH/GNHE/VLFH 224 25.37 5.91
arahy.J3JZ4F GDMG/GDISY/GHVH/GNHE/FMGH 580 64.78 5.83
arahy.JNP8X9 GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 493 56.90 6.98
arahy.L8AQGG GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLVH 476 54.45 6.26
arahy.L8MD46 GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 351 39.40 5.55
arahy.M3CDHD GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLMH 567 65.11 8.64
arahy.M7XEUY GDLG/GDLSY/GNHE/VLLH 443 50.77 5.95
arahy.N79JF7 GDLG/GDLSY/GNHE 248 27.84 7.82
arahy.P03NME GDLG/GDLSY/GHVH/GNHE/VLLH 470 54.40 6.20
arahy.Q94Q39 GDMG/GDLCY/GHVH/GNHE/FLAH 635 71.74 5.65
arahy.S2YQMD GDLG/GDLTY/GHVH/GNHE/AAWH 591 66.57 5.84
arahy.V6RGS7 GDLG/GDLAY/GHVH/GNHE/VLFH 434 48.85 6.08
arahy.WB69FN GDLG/GDLAY/GHVH/GNHE/VLIH 435 48.77 5.42
arahy.WLS0EB GDLG/GDLTY/GHVH/GNHE/AAWH 597 67.20 5.77
arahy.ZE4J6B GDMG/GDISY/GHVH/GNHE/FMGH 579 64.70 6.15

2.4 AhPAP基因家族的基因结构分析

使用TBtools软件将AhPAP进化树与基因结构分析结果一起进行可视化作图(图3)。结果显示AhPAP基因的外显子数量存在较大差异,39个基因分别含有1~20个外显子,其中含有8个外显子的基因数目最多。arahy.FXM0G0含有20个外显子,arahy.DAPS6C含有8个外显子,而arahy.5CG709只含有1个外显子。此外大部分基因可聚类成两两一组,同一组内两个AhPAP基因具有相似的结构,如arahy.228PAQarahy.FB8STF都含有12个外显子、arahy.S2YQMDarahy.WLS0EB含有9个外显子、arahy.A37YDAarahy.L8AQGG含有8个外显子等。arahy.F7KBIJ只存在5’非编码区,arahy.ZE4J6B只存在3’非编码区,而arahy.GT2ITI基因两端都不具有非编码区,其余基因均含有5’非编码区和3’非编码区。
图3 AhPAP基因家族的基因结构分析

Fig. 3 Gene structure anlysis of AhPAP gene family

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2.5 AhPAP基因家族的表达特征分析

为了初步了解AhPAP基因家族的功能,从Peanutbase中下载鉴定出的39个AhPAP基因在22个组织中的表达量数据,使用TBtools软件绘制表达热图(图4),图中灰色表示未检测到基因的表达。结果显示,这些基因呈现出不同的表达特征。arahy.A37YDAarahy.L8AQGG在雌蕊中表达量较高,在其他组织中表达量低或未检测到表达。arahy.P03NMEarahy.DAPS6C在根瘤中有较高表达量,在其他组织中表达量较低。arahy.6Q5NXQarahy.WB69FNarahy.DVRM94arahy.J3JZ4Farahy.ZE4J6Barahy.F7KBIJarahy.L8MD46等在花中高度表达,其中arahy.6Q5NXQarahy.WB69FNarahy.DVRM94arahy.J3JZ4F在雌蕊中表达量也比较高。arahy.3M27LRarahy.M7XEUYarahy.JNP8X9arahy.N79JF7等在果壳、荚果中表达量显著高于其他组织。arahy.6TI6M9arahy.718L0E在营养茎尖、生殖芽尖、根、根瘤、荚果中表达量较高,在根瘤中的表达量最高。arahy.4A70PZarahy.EV9SA5在根、种子中表达量高于其他组织。
图4 AhPAP基因家族的表达模式

Fig. 4 Expression pattern of AhPAP gene family

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2.6 AhPAP基因表达量验证

为了验证转录组数据的可靠性,对花生不同组织(根、根瘤、茎、叶、花、种子、果壳、外露果针等)中arahy.718L0Earahy.DVRM94arahy.HQ66FDarahy.V6RGS7 四个AhPAPs基因家族成员进行qRT-PCR分析,利用TBtools软件的Super Heatmap Browser功能对每个基因的相对表达量绘制热图(图5),所用引物列于表2。结果表明,arahy.718L0Earahy.DVRM94arahy.HQ66FDarahy.V6RGS7四个基因分别在根瘤、花、外露果针、种子中的相对表达量最高,与Peanutbase中的RNA-seq数据基本一致。
图5 AhPAPs的组织表达量分析

Fig. 5 Analysis of tissue expression of AhPAPs

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表2 qRT-PCR引物

Tabel 2 Primers used for qRT-PCR

基因 正向引物(5’-3’) 反向引物(5’-3’)
Gene Forward primer Reverse primer
arahy.718L0E ATGGAAGTATTATACGATGGTCAT TTAAGTGGCTAAAGTGGTTGGTTC
arahy.DVRM94 ATGTATTCTCTCTCGTTCTCTGTT CTACAGTTCTTCATGAACAACCTT
arahy.HQ66FD ATGGATTCAGTGGGTTTCAAAGTT TTAATGAGAACTATGAGACGTGGA
arahy.V6RGS7 ATGGCACTCTTAAAACTCATTCTA TTATGGTGTCGTAAGTGTATTCCC
Ah18S ATTCCTAGTAAGCGCGAGTCATCAG CAATGATCCTTCCGCAGGTTCAC

3 讨论

当今世界上几乎所有的粮食生产都依赖于磷矿作为单一的磷肥来源,20世纪中期加速使用开采的磷矿,加上使用哈伯-博施法(Haber-Bosch process)合成氮肥,极大地提高了全球作物产量。但是,磷素是通过农业从矿山向海洋单向流动的,我们正在迅速消耗一种关键但有限的资源,同时造成了世界河流和海洋的污染[20]。面对世界人口的增加、全球磷矿储量的减少、豆科植物对磷的需求相对较高等现状,提高豆科植物对磷的利用效率是一个全球性的挑战[21]。PAP参与植物的多种生理功能,尤其是对磷缺乏的适应。在低磷环境下植物PAP的转录丰度和蛋白质水平显著增加,进而将细胞内的磷活化再利用并且分解土壤环境中的有机磷供植物吸收利用[22]。随着基因组数据库的不断丰富,PAP基因已在多种植物中被分离鉴定,并证实有些PAP基因还参与碳代谢、调节花的生长发育和细胞壁合成等过程[23]。因此,AhPAP基因家族成员的鉴定和分离有助于揭示花生低磷适应机制,为选育磷高效花生品种提供候选基因,对提高花生的磷素利用效率具有重要意义。
本研究从花生全基因组中鉴定出39个AhPAP候选基因,其中29个基因含有完整的5个保守基序和7个保守氨基酸残基,其余10个基因虽然缺失了部分保守基序,但由于其C端含有金属磷酸酶结构域,因此仍把它们归为AhPAP基因家族成员。对AhPAP基因家族成员理化性质分析发现,其中33个成员的分子量大于35 kDa,因此花生中的PAP大多数为大分子量PAP。而且有35个成员的等电点在4.45~6.98之间,这与PAP在酸性条件下能够催化磷酸单酯或酸酐水解的特性相符。以花生、拟南芥、水稻、苜蓿共74个PAP蛋白构建的系统发育树可分为四组(GroupⅠ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ),每组中都含有来自不同物种的PAP,并没有因为物种差异而各自聚为一类,说明不同物种间的PAP可能具有相似功能。AtPAP15具有植酸酶活性,通过调节叶片抗坏血酸的合成来改变植物对盐和氧化胁迫的抗性[24]arahy.61LQT8arahy.9CTC13AtPAP15的系统进化距离最近,推测它们可能具有相似的抗逆功能。AhPAP基因家族中含有17对旁系同源基因,除arahy.JNP8X9arahy.EV9SA5为同一基因的两个拷贝之外,其余的16对基因多数为对称分布于不同亚基因组内的同一基因。而arahy.GT2ITIarahy.5V4R1Darahy.N79JF7arahy.4A70PZarahy.BWQM5V仅有一个基因存在于亚基因组内,在各自的分组内单独形成一个分支,可能在进化中发生了正向选择。基于转录组数据与qRT-PCR对AhPAP基因家族的表达特征进行了分析,结果显示一些基因的表达具有组织特异性。arahy.6Q5NXQarahy.WB69FNarahy.DVRM94arahy.J3JZ4F在花和雌蕊中的表达量显著高于其他组织,可能具有调节花的生长发育的功能。arahy.P03NMEarahy.DAPS6Carahy.6TI6M9arahy.718L0E在根瘤中表达量相对较高,推测它们参与根瘤中的磷代谢与共生固氮过程。AhPAP基因家族的具体功能还需要大量实验验证。
目前,PAP的功能已经在拟南芥、水稻、大豆等植物中得到了广泛探究,而花生作为我国重要的油料经济作物,却鲜有关于PAP的报道。本研究在花生全基因组水平上对AhPAP基因家族进行了鉴定,并对其染色体定位、系统进化关系、保守结构域、基因结构、蛋白理化性质、组织表达模式等进行了生物信息学分析,以期为深入研究AhPAP基因家族在花生中的功能及调控机制奠定基础。

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基金

国家自然科学基金青年项目(32001442)
广东省基础与应用基础研究面上项目(2020A1515010021)
国家现代农业产业技术体系(CARS-13)
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