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氮是影响植物生长发育的重要矿质营养元素,也是叶绿体、核酸、蛋白质以及很多次生代谢产物的重要组成成分[1]。大多数陆生植物以硝态氮作为主要氮源,并以主动运输的方式从外部环境吸收硝态氮,运输到其它组织器官中,供植物生长发育[2]。植物体内的硝态氮转运体( NRTs)负责从土壤中吸收硝态氮、植物体内硝态氮的运输和细胞内硝态氮再分配,如NRT1、NRT2和NRT3等[3-4]。植物在进化过程中形成2类不同的转运蛋白,即高亲和力转运蛋白/系统( HATS)和低亲和力转运蛋白/系统(LATS),它们又分别分为组成型(cHATS和cLATS)和诱导型(iHATS和iLATS)转运系统。拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtNRT1.1 (CHL1)是高等植物中第1个被克隆的硝态氮转运蛋白基因,它的突变导致硝态氮的吸收减少[5],之后又在水稻(Oryza sativa L.)、玉米(Zea mays L.)和小麦(Triticum aestivum L.)中获得了多种同源基因[6-8]。由于NRT1和PTR (Peptide transporter)成员序列同源性高,且能转运种类广泛的底物,它们被统一命名为NRT1/PTR FAMILY,即NPF家族[9]。
植物NPF蛋白可运输硝态氮、多肽和脱落酸(ABA)等多种底物,是一个功能广泛的家族,可分为8个亚家族[9-10]。研究表明,在拟南芥中AtNPF4.6负责硝态氮的吸收,它是一个组成型表达的低亲和转运蛋白,也可转运ABA;AtNPF7.3介导硝态氮的木质部装载[11];AtNPF1.2的作用是负责木质部到韧皮部的转移,将硝酸盐重新分配到正在发育的叶片中[12]。水稻NPF8.9负责硝酸盐的吸收,有2个不同剪接形式的转录本(NPF8.9a和NPF8.9b),它们过表达可增加植株地上干质量;OsNPF6.5作用于硝态氮的吸收和地上地下硝态氮的转运[13]。玉米中ZmNPF6.6是一个高亲和硝酸盐特异转运蛋白,而ZmNPF6.4是一个低亲和转运蛋白,同时具有转入和转出硝酸盐的双向转运活性[14]。NPF广泛存在于多种植物中,且成员众多,如拟南芥NPF家族有53个成员,水稻NPF家族有93个成员[13],之后在黄瓜(Cucumis sativus L.)、毛果杨(Populus trichocarpa Torr. & Gray)、苹果(Malus domestica Borkh.)、甘蔗(Saccharum officinarum L.)中相继鉴定了多个NPF成员[15-18],而竹子中NPFs的相关研究尚属空白。
竹子是禾本科(Gramineae)竹亚科(Bambusoideae)植物,其中,毛竹(Phyllostachys edulis (Carrière) J. Houz.)是最具特色的竹种之一,具有生长快、材性好、笋材两用、固碳能力强等特点[19-20]。速生的特点,使得毛竹必须从外界吸收大量的氮素供其快速生长所需[21],因此,生产中毛竹林施用氮肥非常普遍。在一定范围内(250 kg·hm−2),随着氮肥施用量增加,毛竹冬笋、春笋和竹材的产量均呈增加的趋势[22];然而,毛竹如何吸收利用氮素仍不清楚,其分子调节机制及对外界胁迫的响应机制等均有待深入研究。NPF家族成员为氮素的重要运输者,因此,开展毛竹NPF基因的鉴定与表达模式研究对于揭示其功能具有重要意义。本研究以毛竹为研究对象,利用已有基因组数据[23]对其中NPF家族基因成员进行全面分析,包括基因启动子、基因结构、编码蛋白理化性质、保守结构域、系统进化等,并利用毛竹转录组数据分析NPF基因的组织表达特异性,以及非生物胁迫冷和干旱处理、激素GA3和NAA处理后的表达模式,以期为深入研究毛竹中NPF基因的功能奠定基础,为探索毛竹快速生长发育期的氮素吸收利用机制提供科学依据。
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植物NPF蛋白通常含有PTR2保守结构域,通过比对分析,在毛竹基因组中共鉴定到具有编码完整PTR2的候选基因27个,其编码蛋白均含有保守的跨膜结构域,符合MFS (Major Facilitator Superfamily)超家族的NPF家族的特征[31]。根据候选基因在毛竹Scaffold中的位置以及同源基因的名称,依次命名为:PeNPF1.1~PeNPF8.8。
为确定PeNPFs与其它物种中已鉴定的NPF蛋白之间的进化关系,预测其潜在功能,对毛竹、水稻和拟南芥NPF的氨基酸序列进行了多重序列比对,并利用MEGA7.0软件构建了系统进化树。结果表明:所有毛竹、水稻和拟南芥的NPFs被聚类到8个亚家族(S1~S8),PeNPFs成员分布在除S3之外的其它7个亚家族中,每个亚家族中成员数量不等,其中,亚家族S1、S4、S6分别只有1个成员,S8中的成员最多为8个,其余亚家族分别有3~7个成员不等(图1)。
Figure 1. Phylogenetic tree constructed based on amino acid sequence of NPFs from moso bamboo, rice and Arabidopsis
进一步分析发现,PeNPFs半数成员被聚类在S7 (7个)和S8 (8个)亚家族,而双子叶植物拟南芥在这2个亚家族的成员分别只有3个和5个,在S5亚家族中,水稻和拟南芥NPF成员分别达到17个和16个,但仅包含6个毛竹成员。虽然NPF家族成员在功能上具有相似性,但不同亚家族成员在功能上也存在一定的差异,如AtNPF1.1和AtNPF1.2负责硝酸盐向嫩叶的分配[32],而OsNPF2.4主要在表皮、木质部薄壁细胞和韧皮部的伴胞中表达[33]。另外,所有PeNPFs均优先与水稻NPF聚类在一起,说明在功能上PeNPFs或许与水稻等单子叶植物的同源基因相似。
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基因结构分析表明,PeNPFs均有内含子,数量为2~5个,单个内含子在基因组上的跨度为33 bp (PeNPF7.6的第5个内含子)~3489 bp (PeNPF2.2的第2个内含子),而单个外显子在基因组上的跨度为36 bp (PeNPF7.3的第1个外显子)~1601 bp (PeNPF7.3第3个外显子) (图2)。PeNPFs各个成员之间的内含子和外显子的数量以及所在的位置存在一定的差异,这可能是影响其转录表达的主要原因之一。
为更好地了解PeNPFs对外界环境的响应和受内在调控因子调节的情况,对PeNPFs的起始密码子ATG上游2 000 bp的序列所含顺式作用元件和应答元件进行分析。结果表明:所有序列中均含有启动子必需的核心元件TATA-box和CAAT-box。27个PeNPFs的启动子序列中均包含多种参与基因表达调控的顺式作用元件和外界刺激的应答元件,如低温响应元件LTR,干旱响应元件MBS和TC-rich repeats,赤霉素响应元件TATC-box、P-box和GARE-motif,生长素响应元件TGA-element、AuxRR-core和AuxRE,茉莉酸甲酯响应元件CGTCA-motif和TGACG-motif,脱落酸响应元件ABRE等(图3)。由此表明,PeNPFs的转录表达可能会受到非生物胁迫和激素的影响。
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保守基序分析表明:在毛竹PeNPFs序列中共获得10个保守基序,分别命名为motif 1~motif 10,其中,motif 1、motif 2和motif 4是27个PeNPFs共有的高度保守基序,而其它基序则在部分序列中缺失。27个PeNPFs中有15个成员含有10个motif,其它12个成员缺失1~3个motif,如PeNPF2.1、PeNPF4.1和PeNPF8.8缺少motif 3,PeNPF8.2缺少motif 5,PeNPF2.1缺少motif 6,PeNPF2.1、PeNPF7.5、PeNPF7.7、PeNPF8.2、PeNPF8.3和PeNPF8.8缺少motif 7,PeNPF5.2、PeNPF5.5缺少motif 8,PeNPF7.6缺少motif 9,PeNPF5.1、PeNPF5.2、PeNPF5.3、PeNPF5.5缺少motif 10 (图4A)。
另外,各motif在氨基酸组成的偏好性方面有一定相似性,如motif 1、motif 2和motif 4高度保守,均富含疏水性氨基酸,但各motif在氨基酸组成的偏好性方面也存在一定的差异,如motif 1富含亮氨酸,motif 2富含丝氨酸,motif 4富含甘氨酸(图4B)。
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PeNPFs编码氨基酸序列最长的为761 aa (PeNPF7.4),最短的为452 aa (PeNPF8.8),蛋白分子量介于49.56~82.08 kDa之间,理论等电点介于5.17~9.85之间,大部分是中性或碱性蛋白。亲疏水性分析显示,PeNPFs的亲水性值(GRAVY)为0.063~0.607,推测它们属于亲水性蛋白。亚细胞定位预测显示,所有PeNPFs均定位于细胞膜或液泡中,其中,有8个成员在细胞膜和液泡中均有定位(表1)。
基因名称
Gene name基因登录号
Accession number开放阅读框
ORF length/bp蛋白长度
Protein length/aa分子量
Molecular weight/kDa理论等电点
pI蛋白疏水性
GRAVY亚细胞位置
Subcellular locationPeNPF1.1 PH01000336G0830 2 031 676 72.98 9.85 0.063 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF2.1 PH01000134G0780 1443 480 52.29 9.50 0.083 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF2.2 PH01000652G0130 1770 589 64.22 8.73 0.300 液泡(Vacuole) PeNPF2.3 PH01001828G0100 1680 559 60.05 9.65 0.415 液泡(Vacuole) PeNPF4.1 PH01002847G0050 1641 546 58.48 8.27 0.423 液泡(Vacuole) PeNPF5.1 PH01000066G1670 1578 525 56.96 9.14 0.427 液泡(Vacuole) PeNPF5.2 PH01000401G0210 1653 550 60.51 6.03 0.327 液泡(Vacuole) PeNPF5.3 PH01000587G0060 1638 545 59.43 9.10 0.459 液泡(Vacuole) PeNPF5.4 PH01000693G0160 1 986 661 71.33 8.59 0.185 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF5.5 PH01003505G0080 1758 585 62.97 8.00 0.404 液泡(Vacuole) PeNPF5.6 PH01003529G0160 1 878 625 69.08 9.18 0.156 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF6.1 PH01002186G0050 1695 564 60.95 9.13 0.401 液泡(Vacuole) PeNPF7.1 PH01000062G1290 1752 583 64.08 7.09 0.348 液泡(Vacuole) PeNPF7.2 PH01000672G0410 1 818 605 65.93 7.09 0.201 液泡(Vacuole) PeNPF7.3 PH01000690G0310 1731 576 62.16 5.17 0.473 液泡(Vacuole) PeNPF7.4 PH01001425G0190 2286 761 82.08 8.38 0.100 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF7.5 PH01001510G0300 1 890 629 67.90 9.26 0.311 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF7.6 PH01002667G0160 1650 549 59.78 7.54 0.442 液泡(Vacuole) PeNPF7.7 PH01002743G0200 1500 499 54.36 8.57 0.607 液泡(Vacuole) PeNPF8.1 PH01000015G1630 1740 579 63.72 7.09 0.258 液泡(Vacuole) PeNPF8.2 PH01000031G0520 1641 546 58.87 8.91 0.171 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF8.3 PH01000220G1120 2175 724 79.79 8.60 0.228 细胞膜/液泡(Plasma membrane/Vacuole) PeNPF8.4 PH01000220G1270 1713 570 63.13 7.03 0.325 液泡(Vacuole) PeNPF8.5 PH01000723G0460 1584 527 58.04 8.32 0.513 液泡(Vacuole) PeNPF8.6 PH01001374G0490 1734 577 63.75 7.18 0.341 液泡(Vacuole) PeNPF8.7 PH01001586G0390 1725 574 63.29 8.26 0.304 液泡(Vacuole) PeNPF8.8 PH01002730G0140 1359 452 49.56 6.70 0.357 液泡(Vacuole) Table 1. Basic characteristics of the proteins encoded by PeNPFs
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利用毛竹7个不同组织的转录组测序(RNA-Seq)表达谱数据,对PeNPFs的组织表达特异性进行分析。结果(图5)表明:在不同组织中,PeNPFs表达模式存在一定差异,其中,PeNPF5.3和PeNPF7.6在7个组织中均检测到表达,且在7个组织中的表达量变化不大,呈组成型表达模式,它们可能与毛竹整个生长发育过程密切相关;而其它PeNPFs成员至少在1个组织中检测到表达,但各成员的表达丰度差异较大,如在叶片中PeNPF2.3、PeNPF7.5、PeNPF7.7和PeNPF8.7的表达丰度较高;PeNPF2.1、PeNPF5.6、PeNPF6.1、PeNPF7.1、PeNPF7.2和PeNPF8.2在早花期花序中表达丰度较高;PeNPF1.1、PeNPF5.2、PeNPF5.6、PeNPF6.1和PeNPF8.1在盛花期花序中表达丰度较高。一些PeNPFs成员表现出组织特异性,如PeNPF4.1主要在竹鞭中表达;PeNPF5.1和PeNPF7.4主要在根中表达;PeNPF8.8主要在20 cm和50 cm高度笋中表达。PeNPFs在叶、花序、鞭和根等不同组织中的表达差异,表明它们在这些组织的生长发育中发挥着不同的功能。
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启动子调控元件分析表明:PeNPFs的表达可能会受到逆境胁迫的影响,因此,本文利用已发表的转录组数据,对冷和干旱处理下毛竹叶片中PeNPFs的表达进行分析。结果表明:在冷和干旱处理的毛竹叶片转录组数据中获得了18个PeNPFs的FPKM值,进一步分析发现它们的表达存在着一定的差异。与处理前(CK)相比,冷处理2 h后共有9个PeNPFs呈下调表达趋势,9个PeNPFs呈现上调表达趋势(图6A);其中,下调表达的基因中有6个(PeNPF2.3、PeNPF5.3、PeNPF5.4、PeNPF7.2、PeNPF7.3和PeNPF8.7)呈显著下调(p < 0.05),而在上调表达的基因中仅有3个基因(PeNPF5.2、PeNPF7.1和PeNPF8.1)表现为显著上调(p < 0.05) (图6B)。在干旱处理2 h后共有15个基因呈现下调表达趋势,仅有3个基因呈现上调表达趋势(图6C);其中下调表达的基因中有6个(PeNPF5.3、PeNPF7.2、PeNPF7.3、PeNPF8.1、PeNPF8.7和PeNPF8.8)呈现显著下调(p < 0.05),而上调基因的表达差异均不显著(图6D)。综合分析发现,4个基因(PeNPF5.3、PeNPF7.2、PeNPF7.3和PeNPF8.7)在冷和干旱处理后均表现出显著下调,这与其启动子序列中存在与低温和干旱响应调控元件(图2)相一致,推测它们可能在低温和干旱响应中发挥着重要作用。
另外,NPF基因的表达还受到激素的影响[34],本文对GA3和NAA处理毛竹幼苗的转录组数据中PeNPFs基因的表达模式进行分析。结果表明:在转录组数据中获得了18个PeNPFs的FPKM值,分析发现它们的表达在处理前后存在一定的差异。与处理前(CK)相比,18个PeNPFs在100 μmol·L−1 GA3处理4 h后,各有9个基因呈现上调或下调表达趋势(图7A),其中,上调表达的5个基因(PeNPF4.1、PeNPF5.3、PeNPF5.4、PeNPF7.1和PeNPF7.6),下调表达的3个基因(PeNPF2.1、PeNPF5.1和PeNPF7.3)的表达差异显著(p < 0.05) (图7B);在5 μmol·L−1 NAA处理4 h后,7个基因呈上调表达趋势,11个基因呈现下调表达趋势(图7C),其中,PeNPF7.1和PeNPF7.3表现为显著上调,而PeNPF2.2、PeNPF5.2和PeNPF7.6等基因表现为显著下调(p < 0.05) (图7D)。对比分析发现,PeNPF7.3和PeNPF7.6在2种激素处理后呈相反的表达变化,而PeNPF7.1的表达趋势相同,推测这些基因在响应激素方面可能发挥着不同的功能。