高粱ＰＨＤ－Ｆｉｎｇｅｒ基因家族的鉴定、分类及表达特征分析

杨溥原 崔江慧 任根增 高玉坤 魏世林 常金华

摘 要：PHD（PHD-Finger）家族基因广泛存在于真核生物中，基因功能广泛。本文在高粱中筛选、鉴定出79个PHD家族成员，对其进行系统发育、蛋白结构域、基因结构、染色体定位、共线性分析和顺式作用元件分析。结果表明，高粱PHD基因在系统发育、蛋白结构域和基因结构上存在较大变异;通过对高粱PHD基因在盐胁迫下，不同品种，不同时期的表达分析，获得1个耐盐候选基因（SORBI_3001G425900），为进一步研究PHD基因在高粱中的功能提供了参考。

关键词：高粱;PHD;基因家族;表达特征

中图分类号：S514文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2020）04-0010-11 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.04.002

Abstract：The plant homeodomain （PHD）-finger family gene are widespread in eukaryotes and have a wide range of functions. In this paper， a total of 79 PHD genes were screened. We also analysed PHD genes phylogenetic， protein domain， gene structure， chromosome location， synteny analysis and cis-acting element analysis. The results revealed that the PHD genes of sorghum displayed a great divergence in phylogenetic， protein domain and gene structure. Expression analysis of sorghum PHD gene at different salt-treatment times in different sorghum variety revealed a candidate gene for salt tolerance （SORBI_3001G425900）. This result providesa reference for further studying on the function of PHD genes in sorghum.

Keywords：sorghum;PHD;gene family;express characteristics

高粱（Sorghum bicolor）具有极强抗逆性，属禾本科C4植物，在谷类作物中位列世界第五位[1]，是我国白酒酿造的主要原料[2]。2009年高粱全基因组测定工作顺利完成，加速了对高粱基因的挖掘和鉴定。

锌指蛋白是依靠锌离子结合组氨酸和半胱氨酸残基，形成的一类具有稳定结构域的“指状”蛋白[3-4]。锌指蛋白可分为PHD、RING、LIM等多种类型，其区别在于组氨酸和半胱氨酸残基的排列方式，其中PHD-finger蛋白结构域由50到80个氨基酸组成[5-6]，虽然PHD（Cys4-His-Cys3）、RING（Cys3-His-Cys4）和LIM（Cys2-His-Cys5）的保守基序极其相似，但是蛋白质的空间结构却相差很大[7-8]。

随着测序技术的不断成熟，在植物、哺乳动物和线虫中均发现PHD家族基因 [9]，表明PHD家族基因广泛存在于生物界中。第一个PHD结构域由Schindler[10]在拟南芥中发现并命名，随后越来越多的PHD家族基因被鉴定，如在大豆、玉米、杨树、梨等植物中分别鉴定出95个、67个、73个、31个PHD家族基因[11-14]，目前尚未见高粱PHD家族成员的相关报导。为探究PHD家族成员在高粱中的功能及作用，本文对高粱PHD家族进行全基因组鉴定、分类及表达特征分析，并利用转录组数据，分析高粱PHD家族成员在盐胁迫下的表達情况，为筛选和分析PHD家族基因及其在高粱抗逆中的作用提供参考。

1 材料与方法

1.1 高粱PHD家族数据下载和鉴定

高粱PHD家族基因组数据于Ensembl Plants数据库（http：//plants.ensembl.org/index.html）下载得到， PHD家族保守结构域蛋白序列的hmm文件于Pfam数据库（http：//pfam.xfam.org/）下载。

1.2 高粱PHD家族成员筛选、定位及理化性质的预测

利用Linux系统下的HMM3.0软件筛选高粱中存在PHD家族结构域的蛋白序列，去除重复及不完整的蛋白序列，最终得到高粱PHD家族基因，利用软件MapChart2.32绘制基因染色体分布图。通过在线软件ExPASy-ProtParam（http：//web.expasy.org/protparam/）分析家族基因的氨基酸数目、分子量、等电点以及亲水性等理化性质。

1.3 高粱PHD系统发育、保守结构域及基因结构分析

利用同样方法筛选得到谷子PHD基因，将高粱和谷子PHD家族蛋白序列整合到一个FA文件中，利用进化分析软件MEGA7.0进行分析[15]，再选择邻接法（Neighbor-Joining）构建PHD家族系统发育树[16]。通过MEME软件对高粱PHD家族成员进行蛋白保守结构域（motif）分析，moiif数目设置为10个，基序长度30～200。利用TBtools软件整合数据绘制高粱PHD家族进化树+保守结构域+基因结构图。

1.4 共线性分析

运用Linux系统下McscanX软件对高粱PHD家族成员进行染色体定位，利用Blastp与McscanX软件对高粱基因组信息进行分析，通过Circos将高粱种内基因关系可视化;利用McscanX构建高粱与谷子间的共线性图谱。

3 结论与讨论

高粱因其抗性强和产量高的特点，作为耐盐模式植物，受到科学家青睐。前人研究表明，PHD基因参与高盐[11]、干旱[13]和低温等逆境胁迫，并对根系发育及木质素合成[14]等具有重要作用。

本文利用生物信息学技术筛选出79个高粱PHD家族基因，并结合转录组数据对盐胁迫下高粱PHD家族基因表达模式进行了分析。高粱的基因组大小约为730Mb，约为谷子基因组（490Mb）的1.5倍，但高粱PHD家族基因的数量仅为谷子PHD家族基因的1.2倍，这可能是在高粱进化过程中，部分高粱PHD家族基因丢失。系统发育树显示，高粱PHD家族基因可以分为6个亚族，这与马卉[22]对水稻PHD家族基因的分组一致，相同亚族内的PHD基因亲缘关系较近，且相同分支的PHD基因可能具有相似的功能;鉴定出的79个高粱PHD家族基因中69个内含子较短，10个无内含子，可能是过强的选择压力导致部分PHD家族基因内含子丢失[23];79个高粱PHD基因中有1对基因的Ka/Ks值小于1，表明该对基因可能长期受到人类的定向选择;顺式作用元件分析显示高粱PHD基因含有生长发育、激素调节、胁迫应答和防御机制相关的多种顺式作用元件，推测这些基因可能参与高粱的胁迫应答反应。植物遇到盐胁迫时，往往通过调节光合作用、维持渗透压平衡、提高抗氧化能力和调节吲哚乙酸（IAA）、脱落酸（ABA）等激素来抵御盐胁迫[24-25]。研究发现，过表达水稻PHD家族基因OsMsr16可以提高脯氨酸和可溶性糖含量，增强植株的渗透调节能力，从而增强水稻的耐盐能力[26]。水稻和高粱的亲缘关系较近，可以推测高粱中可能也存在类似功能的PHD家族基因。对高粱不同品种盐胁迫下转录组数据分析显示，79个高粱PHD基因中65个有表达，其中SORBI_3001G425900基因在‘河农16盐胁迫下48h和高粱蔗72h下表达量显著升高;该基因的顺式作用元件含有多个抗逆胁迫响应元件，因此推测该基因可能参与高粱盐胁迫下的应答过程，受盐胁迫的诱导表达。

本研究通过生物信息学技术从高粱中筛选出79个PHD家族基因，结合盐胁迫下的基因表达数据分析，发现SORBI_3001G425900可能参与高粱盐胁迫下的应答过程，该基因在盐胁迫下的调控模式有待进一步研究。本研究结果为研究PHD家族基因在高粱中逆境应答机制提供了参考。

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