木豆类黄酮代谢通路关键基因家族的鉴定与表达分析

作者：杜婷婷; 宋治华; 董碧莹; 曹红燕; 刘腾跃; 杨琬珑; 祁萌; 陈婷; 王梦莹; 孟冬; 杨清^*; 付玉杰^*

来源：农业生物技术学报, 2021, 29(12): 2289-2303.

• 类黄酮代谢通路
• 基因家族分析
• 铝胁迫
• 茉莉酸甲酯处理

黄酮类化合物是植物体内重要的次生代谢产物,在植物生长发育和抵御逆境胁迫中均发挥着重要作用。木豆(Cajanus cajan)是一种生长在喀斯特地域高酸铝土壤的木本豆科先锋树种,富含多种类黄酮等次生代谢物。本研究针对鉴定类黄酮生物合成的关键通路,筛选和鉴定了木豆中8类关键酶基因家族,分别是苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase, PAL)、肉桂酸4-羟化酶(cinnamic acid-4-hydroxylase, C4H)、4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate-CoA ligase, 4CL)、查尔酮合成酶(chalcone synthase, CHS)、查尔酮异构酶(chalcone isomerase, CHI)、黄烷酮-3-羟化酶(flavanone 3-hydroxylase, F3H)、黄酮醇合成酶(flavonol synthase, FLS)、二氢黄酮醇4-还原酶(dihydroflavonol 4-reductase, DFR),并利用生物信息学软件对其进行了系统发育、基因结构、蛋白结构和启动子顺式作用元件分析以及胁迫条件下的代谢通路基因表达调控分析。系统进化分析显示,PAL、C4H、4CL、CHI基因家族中的部分成员能够与大豆(Glycine max)中的基因聚类在一起,而CHS、FLS、DFR基因家族中仅体现出家族内部成员之间存在序列相似性。蛋白结构分析表明,每个基因家族均含有特殊的保守结构域。启动子顺式作用元件分析结果显示,6类基因家族中含茉莉酸甲酯(MeJA)响应元件的基因占总基因的50%以上。同时,针对木豆的生境特点,本研究对其在铝胁迫和茉莉酸甲酯处理下的8类基因家族进行了RNA-seq分析,结果显示铝胁迫处理下,相对表达量较高的CcPAL2、CcC4H1、CcCHS5～7和CcCHS12均显著上调,而CcCHI4～5和CcFLS7均呈现明显下调趋势,表明铝胁迫下木豆的查尔酮可能积累,推测其可能在抗铝方面发挥一定作用。MeJA处理中,CcC4H1、CcCHS5、CcCHS7、CcCHI4显著上调,而CcF3H下调为对照的0.6倍;同时,下游分支通路中的CcFLS1、CcFLS5、CcFLS6均显著上调,以上结果表明MeJA也可能促进了柚皮素和黄酮醇的积累,推测该物质可能在MeJA信号调控通路中可能发挥着重要作用。以上类黄酮生物合成酶基因在不同阶段的表达变化经qPCR验证与转录组测序结果一致。本研究揭示了类黄酮生物合成关键酶在不同胁迫下的表达模式,为进一步探究查尔酮、黄酮醇等类黄酮物质在逆境胁迫中的调控作用提供参考依据。

• 单位
  东北林业大学; 北京林业大学