植物jaz家族基因的分子進化分析

植物jaz家族基因的分子進化分析

ja是植物體內(nèi)的一個內(nèi)源激素，廣泛存在于植物體內(nèi)，對植物的生長發(fā)育、應(yīng)激反應(yīng)和次生代謝起到了重要的控制作用（chungetal.2009；jezon等人，2010）。JA不僅作為一種內(nèi)源激素,直接參與植物生長發(fā)育過程的調(diào)控(Browse,2005),而且還可作為信號分子參與植物響應(yīng)生物及非生物脅迫的防御應(yīng)答(Shanetal.,2007;Chehabetal.,2008;Kooetal.,2009;李文燕,2010)。在植物中,JA信號途徑是一個由多基因或蛋白參與的復(fù)雜過程(AcostaandFarmer,2010;Gfelleretal.,2010;蔣科技等,2010;王臺等,2010),其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程可劃分為3個階段,即JA信號的產(chǎn)生(生物合成及代謝)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及誘導(dǎo)下游基因表達(基因應(yīng)答)。已有研究表明,在JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,JA信號、SCFCOI1受體復(fù)合物、轉(zhuǎn)錄抑制因子JAZ蛋白和轉(zhuǎn)錄激活因子MYC2等共同參與并相互作用(Katsiretal.,2008;Staswick,2008;Chinietal.,2009;Yanetal.,2009;王臺等,2010;Shanetal.,2012;瞿禮嘉等,2012)。在含有較低濃度JA的植物細胞中,JA早期應(yīng)答基因的表達因JAZ蛋白與轉(zhuǎn)錄激活因子MYC2結(jié)合而受到抑制。當植物受到脅迫或發(fā)育刺激時,JA在植物細胞中合成并積累;高濃度的JA可促進JAZ蛋白與SCFCOI1受體復(fù)合物結(jié)合并使JAZ蛋白泛素化,進而被26S蛋白酶體選擇性降解,從而解除JAZ蛋白對轉(zhuǎn)錄激活因子MYC2轉(zhuǎn)錄活性的抑制,最后激活JA早期應(yīng)答基因的表達(Chinietal.,2009;李文燕,2010)。由此可見,轉(zhuǎn)錄抑制因子JAZ蛋白是JA信號從SCFCOI1受體復(fù)合物向下游JA應(yīng)答基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的紐帶(Chinietal.,2009;黃文峰等,2009;瞿禮嘉等,2012)。JAZ蛋白家族屬于TIFY轉(zhuǎn)錄因子超家族成員之一,且該家族蛋白具有2個保守的功能結(jié)構(gòu)域,即ZIM(又稱TIFY)和Jas(又稱CCT_2)結(jié)構(gòu)域(Melottoetal.,2008;ChungandHowe,2009;Baietal.,2011)。在JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,ZIM(TIFY)結(jié)構(gòu)域可介導(dǎo)JAZ蛋白與其共抑制因子NINJA相互作用,進而共同抑制JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(Pauwelsetal.,2010;瞿禮嘉等,2012);而Jas(CCT_2)結(jié)構(gòu)域則介導(dǎo)JAZ蛋白直接與JA信號通路上轉(zhuǎn)錄激活因子MYC2結(jié)合并抑制其轉(zhuǎn)錄活性(Gangappaetal.,2010;GangappaandChattopadhyay,2011),進而抑制JA應(yīng)答基因的表達。目前,在模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)中,已分離鑒定12個JAZ蛋白基因(KazanandManners,2012);其中AtJAZ1、AtJAZ3、AtJAZ9和AtJAZ10蛋白可直接與JA受體AtCOI1和轉(zhuǎn)錄激活因子AtMYC2相互作用(Chungetal.,2009)。另外,已有研究表明,在苔蘚植物、裸子植物及其被子植物中均已發(fā)現(xiàn)JAZ家族基因(Katsiretal.,2008)。在低等的藻類植物基因組中是否也存在JAZ及其同源基因還有待進一步研究?；诖?本研究采用比較基因組學的方法,從藻類植物、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物及單、雙子葉植物等多譜系的角度對植物JAZ蛋白家族進行分子進化分析,以期揭示植物JAZ蛋白家族起源及進化機制,為進一步了解JA信號途徑的起源與進化奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1同源選擇蛋白qp-pcr利用Pfam(/)(Sonnhammeretal.,1998;Puntaetal.,2012)分析預(yù)測JAZ蛋白的特征結(jié)構(gòu)域,即TIFY(PF06200)和CCT_2(PF09425)。從Pfam數(shù)據(jù)庫中下載上述2個特征結(jié)構(gòu)域的種子序列并利用HMMERv2.3.2(Johnsonetal.,2010;Finnetal.,2011)軟件包中的hmmbuild程序分別構(gòu)建JAZ蛋白的2個結(jié)構(gòu)域特征文件,即HMMprofile。然后,利用HMMER軟件包中的hmmsearch程序在默認參數(shù)條件下進行基于本地蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的檢索,并篩選出符合以下條件的序列作為同源候選蛋白:(1)E≤1×e–4;(2)具有完整的TIFY和CCT_2結(jié)構(gòu)域。最后,從相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中,下載最終確認的候選蛋白所對應(yīng)的CDS序列及基因組序列用于后續(xù)進行基因外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)分析。1.2序列比較和系統(tǒng)發(fā)育樹的建設(shè)1.3jaz家族成員的染色體定位及物種內(nèi)片段重復(fù)分析利用在線基因結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)GSDS(GeneStructureDisplayServer,GSDS;/)(Guoetal.,2007),將JAZ蛋白家族同源候選基因的CDS序列與其對應(yīng)的基因組序列進行比較,分析基因外顯子-內(nèi)含子的結(jié)構(gòu)(李文燕,2010)。利用植物基因組重復(fù)數(shù)據(jù)庫PGDD(PlantGenomeDuplicationDatabase,PGDD;/duplication/index/home)中的“Map-View”和“LocusSearch”在線工具對JAZ基因家族成員進行染色體定位及物種內(nèi)區(qū)段重復(fù)分析(Tangetal.,2008a,2008b;李文燕,2010)。1.4go.berkely.coli的思想環(huán)境分析利用在線WebLogo(/logo.cgi)(Crooksetal.,2004)對JAZ蛋白家族的TIFY和CCT_2保守結(jié)構(gòu)域序列進行分析。2結(jié)果與討論2.1jaz蛋白家族在植物基因組中的檢索利用基于本地數(shù)據(jù)庫的HMMsearch,從所選的15種代表性植物基因組中,鑒定了82個JAZ及其同源基因(圖1;表1)。除了綠藻類植物外,在苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物和單、雙子葉植物基因組中均鑒定到JAZ同源基因,其中苔蘚植物小立碗蘚7個PpJAZs、蕨類植物中華卷柏6個SmJAZs、裸子植物云杉13個PsJAZs、單子葉植物水稻15個OsJAZs和高粱16個SbJAZs、雙子葉植物擬南芥12個AtJAZs和毛果楊13個PtJAZs(圖1)。為進一步探究除了綠藻類植物以外的其它低等藻類植物基因組中是否存在JAZ及其同源基因,我們分別利用擬南芥的12個JAZ蛋白(即AtJAZ1–AtJAZ12)氨基酸序列對NCBI數(shù)據(jù)庫中的灰胞藻類(Glaucophytes)、紅藻類(Rhodophytes)、硅藻類(Bacillariophytes)及褐藻類(Phaeophytes)等低等藻類植物基因組數(shù)據(jù)進行BLASTP和PSI-BLAST(Altschuletal.,1997;PrzybylskiandRost,2007)檢索。結(jié)果顯示,在上述藻類植物基因組中仍未能檢索到JAZ及其同源基因(圖1)。上述結(jié)果提示在低等的藻類植物基因組中,可能不存在JAZ及其同源基因。類似的,還檢索了細菌(Bacteria)、真菌(Fungi)和動物(Animalia)基因組,但仍未發(fā)現(xiàn)JAZ同源基因(圖1)。因此,我們推測JAZ蛋白家族可能為植物所特有的,這與Chini等(2007)報道的結(jié)果相一致。綜合上述結(jié)果表明,JAZ蛋白家族可能只存在于植物基因組中,并且在低等的水生藻類植物中未能檢索到JAZ及其同源基因。提示JAZ蛋白家族很可能起源于陸生植物。Pfam和SMART(Letunicetal.,2004)數(shù)據(jù)庫對植物82個JAZ蛋白結(jié)構(gòu)域的預(yù)測分析結(jié)果顯示,除了OsJAZ14蛋白含有2個序列完全相同的TIFY和1個CCT_2結(jié)構(gòu)域外,其它JAZ蛋白僅具有1個保守的TIFY和1個CCT_2結(jié)構(gòu)域(圖2,圖3B)。另外,WebLogo對植物JAZ蛋白TIFY和CCT_2結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列分析結(jié)果表明,TIFY結(jié)構(gòu)域的核心序列為X6QLTIFYXGXVXV[F/Y]DD[V/F]PX[D/E]KAX[A/E][I/L]MXLAX3;而CCT_2結(jié)構(gòu)域的核心序列為P[I/Q]ARKASLXRFLEKRK[D/E]RX5PY(圖2B)。另外,由于OsJAZ4和SmJAZ5兩個JAZ蛋白不具有完整的CCT_2功能結(jié)構(gòu)域,因而在后續(xù)的進化樹及基因結(jié)構(gòu)等分析中未包含上述2個基因。2.2ppjazs基因聚類為探究植物JAZ蛋白家族的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,本研究基于JAZ蛋白保守功能結(jié)構(gòu)域TIFY和CCT_2的氨基酸序列構(gòu)建了有根ML進化樹(圖3A)。根據(jù)進化樹的拓撲結(jié)構(gòu),植物JAZ蛋白家族可劃分為10個保守的亞家族,即Subs.I–X(圖3A)。進一步分析發(fā)現(xiàn),所有來源于苔蘚植物的PpJAZs基因聚為1類,即Sub.IX;蕨類植物的SmJAZs聚為2類,即Subs.VIII和X,其中Sub.X僅存在于蕨類植物;裸子植物的PsJAZs聚為4個亞家族,即Subs.V、VI、VII和VIII,其中Sub.VI僅存于裸子植物;單子葉植物的OsJAZs和SbJAZs聚為6個亞家族,即Subs.I、II、III、IV、V和VII,其中Sub.I僅存于單子葉植物;而雙子葉植物的AtJAZs和PtJAZs則聚為5個亞家族,即Subs.II、III、IV、V和VIII。上述研究結(jié)果提示,所有陸生植物的JAZ蛋白家族基因起源于共同的祖先,并且在苔蘚和蕨類植物與裸子植物和被子植物發(fā)生分化之后,JAZ家族基因在不同譜系的陸生植物基因組中發(fā)生譜系特異擴增與分化,并導(dǎo)致多個譜系特異的JAZ亞家族產(chǎn)生,如苔蘚植物的Sub.X、蕨類植物的Sub.IX、裸子植物的Sub.VI和單子葉植物的Sub.I。2.3串聯(lián)重復(fù)基因多態(tài)性和組分的擴增通過對單子葉植物水稻、高粱和雙子葉植物擬南芥、毛果楊的JAZ家族基因進行染色體定位分析,結(jié)果(圖4A)表明,OsJAZs和SbJAZs家族基因在染色體上成簇分布,如基因簇OsJAZ1/OsJAZ2/OsJAZ3、SbJAZ1/SbJAZ2/SbJAZ3/SbJAZ4和SbJAZ8/SbJA-Z9,提示在單子葉植物水稻和高粱基因組進化過程中,JAZ基因家族發(fā)生串聯(lián)重復(fù)事件,進而使該家族基因數(shù)量得到擴增。進一步分析發(fā)現(xiàn),串聯(lián)重復(fù)基因OsJAZ1/OsJAZ2/OsJAZ3、SbJAZ1/SbJAZ3/SbJA-Z4和SbJAZ8/SbJAZ9均屬于Sub.I亞家族,而只有SbJAZ2存在于Sub.IV亞家族(圖3A)。該結(jié)果提示,這些串聯(lián)重復(fù)基因可能起源于共同的祖先并在進化過程中發(fā)生分化,進而分屬于不同的亞家族。利用PDGG數(shù)據(jù)庫對植物JAZ家族基因進行物種內(nèi)區(qū)段重復(fù)分析,結(jié)果(圖4B)表明,在同一物種基因組內(nèi),JAZ家族基因在進化過程中發(fā)生了區(qū)段重復(fù)。其中,在單子葉植物高粱基因組中發(fā)現(xiàn)存在2對JAZ同源基因重復(fù)區(qū)段,即SbJAZ7/SbJAZ13和SbJAZ8/SbJAZ13(圖4)。在雙子葉植物擬南芥基因組中也發(fā)現(xiàn)存在3對JAZ同源基因重復(fù)區(qū)段,即AtJAZ3/AtJAZ4、AtJAZ5/AtJAZ6和AtJAZ7/AtJAZ8;而在毛果楊基因組中則存在7對JAZ同源基因重復(fù)區(qū)段,即PtJAZ1/PtJAZ4、PtJAZ2/PtJAZ3、PtJAZ2/PtJAZ6、PtJAZ3/PtJAZ6、PtJAZ7/PtJAZ13、PtJAZ8/PtJAZ9和PtJAZ11/PtJAZ12(圖4)。上述研究結(jié)果提示,在單子葉植物高粱和雙子葉植物擬南芥和毛果楊基因組進化過程中,區(qū)段重復(fù)可能是導(dǎo)致JAZ家族基因數(shù)量擴增的另一重要因素。2.4植物jaz家族基因的內(nèi)含子通過對除裸子植物以外的所有JAZ蛋白家族基因的結(jié)構(gòu)進行分析,以探究該家族基因外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)進化的可能機制。結(jié)果(圖3C)表明,植物JAZ家族基因的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性,且主要體現(xiàn)在基因內(nèi)含子的長度和數(shù)目上。在內(nèi)含子長度方面,JAZ家族基因內(nèi)含子的長度為62–4422bp不等(圖3B)。其中,最短的內(nèi)含子為SmJAZ1基因的第3個內(nèi)含子,僅長62bp,而最長的內(nèi)含子為PtJAZ13基因的第1個內(nèi)含子,長為4422bp。這些結(jié)果提示,在植物JAZ家族基因進化的過程中,可能發(fā)生了內(nèi)含子的插入缺失(indels)。在內(nèi)含子的數(shù)目方面,JAZ家族基因含有0–7個不等的內(nèi)含子。其中,Subs.VII、VIII和IX亞家族的絕大部分基因含有6個內(nèi)含子;Subs.II、III和IV亞家族的絕大部分基因含有4個內(nèi)含子;而Sub.I亞家族基因僅含有0–2個內(nèi)含子,并且該亞家族13個基因中,有9個基因沒有內(nèi)含子。結(jié)合植物JAZ家族基因的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系發(fā)現(xiàn):在進化關(guān)系上,較早出現(xiàn)的JAZ亞家族基因含有較多數(shù)目的內(nèi)含子(6個),如Subs.VII、VIII和IX;而最晚出現(xiàn)的JAZ亞家族(即Sub.I)基因則含有數(shù)目最少的內(nèi)含子(0–2個)。這些結(jié)果提示,在陸生植物進化過程中,JAZ蛋白家族基因的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了內(nèi)含子丟失。此外,對同一譜系來源的JAZ家族基因結(jié)構(gòu)分析顯示,在譜系內(nèi)JAZ家族基因的擴增和進化過程中,也可能發(fā)生內(nèi)含子丟失。例如,在單子葉植物OsJAZs和SbJAZs家族基因中,最晚出現(xiàn)的Sub.I基因僅含有0–2個內(nèi)含子,而較早出現(xiàn)的Sub.VII基因則含有6個內(nèi)含子;類似地,在雙子葉植物AtJAZs和PtJAZs家族基因中,較晚出現(xiàn)的Sub.II基因含有1–4個內(nèi)含子,而較早出現(xiàn)的Sub.VIII基因則含有5–6內(nèi)含子。2.5jaz家族在陸海諸基因中的功能分化和測序JAZ蛋白家族屬于TIFY轉(zhuǎn)錄因子超家族成員之一(Baietal.,2011),JAZ蛋白作為轉(zhuǎn)錄抑制因子參與調(diào)控茉莉酸信號從SCFCOI1受體復(fù)合物向下游茉莉酸反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)(Chinietal.,2009;黃文峰等,2009;瞿禮嘉等,2012)。本研究通過對6個譜系15種代表植物基因組中JAZ蛋白家族分子進化的分析表明,在低等的藻類植物中沒有發(fā)現(xiàn)JAZ的同源基因,而在陸生苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物中均存在JAZ的同源基因(圖1;表1)。提示在低等的藻類植物中可能不存在茉莉酸信號途徑。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果顯示,在陸生植物基因組中,存在10個保守的JAZ亞家族;而來源于苔蘚植物的7個JAZ基因聚為1類(Sub.IX),來源于蕨類植物、裸子植物和被子植物的JAZ基因則聚為其它9類,即Subs.I–VIII和X(圖3A)。上述這些結(jié)果說明在陸生植物發(fā)生分化之前,JAZ蛋白家族起源于共同的祖先。進一步分析顯示,在苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物和單子葉植物中,存在譜系特異的JAZ亞家族。提示在陸生植物分化之后,發(fā)生譜系特異擴增與分化事件,進而產(chǎn)生譜系特異的亞家族,即Subs.I、VI、IX和X。此外,通過對單、雙子葉植物的JAZ蛋白