查爾酮合成酶（chalcone synthase, CHS）是植物類黃酮生物合成途徑的第一個(gè)關(guān)鍵酶,在植物的次生代謝途徑中發(fā)揮重要作用。本研究基于課題組構(gòu)建的甘蔗轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫,挖掘獲得7個(gè)具有完整編碼區(qū)的甘蔗ScCHS基因（ScCHS1～ScCHS7）。序列分析結(jié)果顯示,ScCHS1～Sc CHS7基因大約編碼400個(gè)氨基酸,7者之間的氨基酸序列相似性介于12.47%～87.22%之間,且其編碼蛋白均含有c （Cys）、f （Phe）、h （His）和n （Asn）這4個(gè)構(gòu)成CHS蛋白催化中心的保守殘基。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明,ScCHS1、ScCHS2和ScCHS6聚類在CHS家族的第Ⅵ亞類,ScCHS3和ScCHS4聚在第Ⅲ亞類,ScCHS5聚在第Ⅴ亞類,ScCHS7聚在第Ⅷ亞類。實(shí)時(shí)熒光定量PCR （quantitative real-time PCR, qRT-PCR）結(jié)果顯示,接種甘蔗黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）后,ScCHS1基因的表達(dá)水平在感黑穗病品種‘ROC22’中沒有顯著變化,但在抗黑穗病品種‘NCo376’中被誘導(dǎo)上調(diào)。此外,在低氮脅迫下,... 

【文章來源】：分子植物育種. 2020,18(22)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

7個(gè)甘蔗查爾酮合成酶家族基因編碼蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)

CHS基因?qū)儆诙嗷蚣易?Han et al.,2017)。本研究基于甘蔗轉(zhuǎn)錄組注釋庫挖掘到7條Sc CHS基因，生物信息學(xué)分析表明Sc CHS1～Sc CHS7基因編碼蛋白的氨基酸數(shù)量為400個(gè)左右，與其他植物CHS基因編碼的氨基酸數(shù)量大致相同(Chen et al.,2017)。不同植物中CHS基因亞細(xì)胞定位情況不同，同一類型基因在不同植物中的亞細(xì)胞定位也存在差異(Saslowsky and Winkel-Shirley,2001;Dastmalchi et al.,2016)。Dastmalchi等(2016)研究顯示大豆(Glycine max) CHSs蛋白定位在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。Saslowsky和Winkel-Shirley (2001)研究發(fā)現(xiàn)擬南芥CHSs蛋白定位于質(zhì)膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核和液泡。本研究利用PSORT軟件預(yù)測(cè)Sc CHSs的亞細(xì)胞定位，結(jié)果顯示Sc CHS1～Sc CHS7蛋白可能在質(zhì)膜、細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中定位。Sc CHS1～Sc CHS7蛋白的平均親疏水性數(shù)值介于-0.113～0.0.9，其中Sc CHS3和Sc CHS4蛋白的平均親疏水性數(shù)值均大于0，表現(xiàn)為弱疏水性，而用Prot Scale軟件預(yù)測(cè)這兩個(gè)蛋白均為親水性蛋白，具體還需進(jìn)一步研究。此外，Ex PASy軟件預(yù)測(cè)結(jié)果顯示僅Sc CHS1蛋白含有CHS活性位點(diǎn)c(Cys)，但SMART軟件預(yù)測(cè)Sc CHS1～Sc CHS7均含有查兒酮合成酶結(jié)構(gòu)域，且序列多重比對(duì)結(jié)果也顯示7個(gè)Sc CHS均含有c (Cys)、f (Phe)、h (His)和n(Asn)這4個(gè)構(gòu)成CHS蛋白催化中心的保守殘基。由此可見，在蛋白親疏水性和蛋白功能位點(diǎn)等預(yù)測(cè)時(shí)可采用不同生物信息學(xué)軟件和算法綜合考慮分析結(jié)果。甘蔗Sc CHS1～Sc CHS7蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)以α-螺旋和無規(guī)則卷曲數(shù)量居多，在蛋白質(zhì)外分布廣泛，可能對(duì)蛋白質(zhì)骨架起穩(wěn)固作用(秦政等,2018)。Sc CHS1～Sc CHS7之間的氨基酸序列相似性差異較大，介于12.47%～87.22%之間，系統(tǒng)進(jìn)化樹分析顯示Sc CHS1～Sc CHS7聚在4個(gè)亞類上，Ex PASy軟件預(yù)測(cè)7個(gè)Sc CHS蛋白預(yù)測(cè)均含有N-糖基化位點(diǎn)和蛋白激酶c磷酸化位點(diǎn)，除了Sc CHS3和Sc CHS4蛋白不含3-酮酰基-Co A合酶結(jié)構(gòu)域外，其他5個(gè)Sc CHS蛋白均含有3-酮酰基-Co A合酶結(jié)構(gòu)域，且Sc CHS1～Sc CHS7蛋白之間的空間構(gòu)象略有差異，上述結(jié)果表明甘蔗Sc CHS基因具有遺傳多樣性，這與小麥(Glagoleva et al.,2019)和煙草(Chen et al.,2017)等作物CHS基因的研究相似。

CHS基因在植物抗病中發(fā)揮重要的作用(齊放軍等,2000;Kai et al.,2018)。齊放軍等(2000)發(fā)現(xiàn)水稻CHS基因在水稻與白葉枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae)的親和互作中不受誘導(dǎo)表達(dá)，但該基因的轉(zhuǎn)錄本在水稻與白葉枯菌的非親和互作中被誘導(dǎo)差異表達(dá)，表明CHS基因調(diào)控的苯丙烷途徑有助于增強(qiáng)水稻對(duì)白葉枯病菌的抗性。Cui等(1996)研究顯示高粱CHS基因的m RNA轉(zhuǎn)錄本在高粱幼苗接種玉米小斑病菌(Bipolaris maydis)后迅速累積到高水平，當(dāng)接種蜀黍指霜霉(Peronosclerophthora mcrospora)后，該基因m RNA水平在高粱抗病品種和感病品種中均高于未接種的對(duì)照品種，且在抗性品種的m RNA積累量高于感病品種。在本研究中，接種甘蔗黑穗病菌后，Sc CHS1基因的表達(dá)水平在感黑穗病品種‘ROC22’中沒有顯著的變化，但在抗黑穗病品種‘NCo376’中被誘導(dǎo)上調(diào)，推測(cè)Sc CHS1基因可能參與抵御甘蔗黑穗病，相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。甘蔗是重要的糖料作物，氮素的供應(yīng)是制約甘蔗產(chǎn)量高低的重要因素。目前在甘蔗生產(chǎn)過程，施用的化學(xué)氮肥過多，氮肥利用率相對(duì)較低。低氮脅迫可以改變甘蔗的低氮耐受性，增加作物的產(chǎn)量，減少氮肥施用(Yang et al.,2019)。挖掘響應(yīng)低氮脅迫的甘蔗基因，培育耐低氮品種是減少氮肥施用的有效途徑之一(張剛等,2017;Yang et al.,2019)。在低氮脅迫下，甘蔗Sc CHS1基因在‘ROC22’葉片和根部組織中均被誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)，表明Sc CHS1基因積極響應(yīng)低氮脅迫處理。Soubeyrand等(2014)研究也表明，相較于120 kg/ha的氮肥施用量，在低氮脅迫下會(huì)誘導(dǎo)葡萄(Vitis vinifera)漿果中CHS的上調(diào)表達(dá)。Tsukaya等(1991)研究顯示，對(duì)轉(zhuǎn)ph CHS-A基因的擬南芥植株進(jìn)行蔗糖處理，可以誘導(dǎo)CHS-A的上調(diào)表達(dá)。水稻幼苗中的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析也顯示，CHS基因的表達(dá)與碳和氮的平衡有關(guān)(Huang et al.,2016)。下一步可以通過基因克隆和功能鑒定探究Sc CHS1基因在甘蔗抗黑穗病和耐低氮脅迫的作用機(jī)理，為甘蔗抗逆遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]毛竹萜類合成酶基因家族序列鑒定與表達(dá)分析[J]. 秦政,鄭永杰,張文根,張龍,黎祖堯,楊光耀.  植物科學(xué)學(xué)報(bào). 2018(04)
[2]不同施氮水平對(duì)煙草葉片黃酮類化合物含量及其代謝途徑的調(diào)控[J]. 張剛,逄濤,王莎莎,黎旺姐,李軍營,馬俊紅,龔明.  基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué). 2017(03)
[3]攜帶不同抗白葉枯病基因的水稻防衛(wèi)基因pal和chs的轉(zhuǎn)錄特征[J]. 齊放軍,高學(xué)文,王金生,何晨陽.  農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào). 2000(04)



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