黄瓜MGT基因的鉴定和特征分析

Identification and Characterization of Cucumber MGT Genes

摘要: 本文从黄瓜基因组中鉴定出7个镁离子转运载体MGT基因，并对这些基因的基因组分布、基因结构、系统进化和顺式元件进行了系统分析。结果显示，黄瓜的MGT基因不均匀地分布在基因组中，它们的基因结构差异较大，但都存在一个CorA类镁离子载体蛋白结构域。在进化上这些基因分为三个不同的类群，在它们的上游序列中存在多个顺式元件，能够应答不同的激素和逆境信号，且不同MGT成员间顺式元件有所不同。这些结果预示黄瓜的MGT基因在功能上具有一定的相似性，但又有所分化。

Abstract: In this text, 7 magnesium transporter genes (MGT) were identified in cucumber genome. Also their genome distribution, gene structure, phylogeny, and cis-elements were systemically analyzed. The results showed that, the cucumber MGT genes unevenly distributed in genome, and their gene structures were different from each other. However, their encoded putative proteins all have a conserved CorA magnesium transporter like domain. As for their phylogeny, they were divided into three subgroups. In their upstream region, there were multiple cis-elements responsive to different hormones and environmental stimuli. And the cis-element type and number of each cucumber MGT was some different. All these results implicated that cucumber MGT genes have similar but divergent roles.

1. 引言

镁是植物生长发育所必需的矿质元素，在植物生长发育过程中具有重要功能 [1] [2] [3] [4] [5]。它是叶绿素的核心组分，在植物的光合作用和同化产物转运中具有重要功能。镁离子可以作为ATP的辅助因子和许多重要酶的组成部分和活化剂，如激酶、磷酸化酶和硝酸还原酶等。镁还有稳定基因组的功能，为DNA复制和修复所必需，并在核糖体组装及转录和翻译过程中发挥重要作用。游离的Mg²⁺不仅能够维持细胞内的渗透势，还能保持细胞膜稳定性，减轻植物的铝害。植物缺镁导致叶片黄化，光合作用受到抑制，生长发育异常。目前，有关植物镁离子吸收转运的研究已取得很大进展 [6] [7]，越来越多的植物镁离子转运基因被克隆 [8] [9] [10] [11]，研究的物种日益增多 [12] [13] [14] [15] [16]。植物中存在两类镁离子转运蛋白：一类是质子依赖型Mg²⁺/H⁺交换体(AtMHX)，另一类是CorA类Mg²⁺转运体MGT/MRS2。CorA类Mg²⁺转运体MGT/MRS2在模式植物拟南芥及玉米等物种中研究较为深入。例如，拟南芥和水稻的MGT1基因能提高植物铝的耐受性 [17] [18]；在拟南芥中，MGT2和MGT3促进高镁条件下叶肉细胞液泡中镁离子的积累 [19]，MGT4、MGT5和MGT9对花粉的发育是必需的，突变会导致化药发育异常和花粉败育 [20] [21] [22] [23]，MGT6不仅对植株在低镁条件下的生长至关重要，而且还能提高植株对高镁胁迫的耐受性 [24] [25]，MGT7既响应低镁胁迫，又参与对高钙环境的适应 [26] [27]，MGT10对叶绿体的形成和光合作用至关重要 [28]。此外，玉米的MGT10受缺镁诱导表达，过表达转化拟南芥可以提高植株对低镁的耐受性 [29] [30]，MGT12与叶绿体中镁离子的转运相关 [31] [32]，油菜中MGT7能促进植株镁的积累 [33]，水稻的MGT1能提高植株缺镁的耐受性和盐胁迫抗性 [34] [35]。

黄瓜作为主要栽培蔬菜，在生产过程中也常常遇到镁元素不平衡的问题。鉴于镁离子转运蛋白基因对植物生长发育和镁离子吸收平衡的重要性，本文利用比较基因组学和计算生物学的方法从黄瓜基因组中鉴定出7个MGT基因，并对这些基因的基因组分布、结构特征、进化和顺式元件进行了系统分析。

2. 材料和方法

根据文献信息 [6]，在NCBI数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中获得拟南芥镁离子转运载体蛋白序列，作为诱饵来搜索黄瓜基因组数据库(http://cucumber.genomics.org.cn/page/cucumber/blast.jsp)和NCBI数据库(http://blast.st-va.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?CMD=Web&PAGE_TYPE=BlastHome)，鉴定黄瓜的MGT基因。然后根据其编码蛋白 3’ 端三肽基序GMN的有无和拟南芥基因组数据库TAIR中Blastp的比对结果进行确证。基因结构分析和系统进化、基因启动子区顺式元件分析和基因编码蛋白亚细胞定位参照李利斌等人的方法 [36]。利用Mega4.1软件对黄瓜的MGT进行系统进化分析，采用Joining-neighbour method方法。利用motif-Scan(http://myhits.isb-sib.ch/cgi-bin/motif_scan)对黄瓜MGT的编码蛋白进行结构域和基序分析，利用PLANTCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools./plantcare/html/)对启动子区的顺式反应元件进行预测分析。利用WoLF PSORT(http://www.genscript.com/psort/wolf_psort.html)对黄瓜MGT基因编码的蛋白进行亚细胞定位预测。

3. 结果与分析

3.1. 黄瓜MGT的基因组分布及分子特征

作者从黄瓜基因组中解析出7个MGT基因(表1)。其中，1、6和7号染色体上各有一个MGT基因，2号和3号染色体上各有两个MGT基因。因Csa006987和Csa015785的基因组解析结果与NCBI数据库中cDNA序列的结果不完全一致，我们以cDNA的结果为准进行修正后命名为Csa 006987m 和Csa 015785m 。黄瓜七个MGT基因的外显子数差异较大(图1)，Csa 006987m 外显子数最多有12个，而Csa 015785m 外显子最少，只有3个。编码区序列保守性较低，但在编码产物中均含有三肽基序GMN和CorA-类镁离子转运蛋白结构域。这些基因的编码产物预测分别定位在细胞质等不同的细胞器中。

Table 1. Identification, chromosome location, and molecular characteristics of cucumber MGT genes

表1. 黄瓜MGT基因的鉴定和染色体分布及分子特征

Figure 1. Intron-exon structure of cucumber MGT genes

图1. 黄瓜MGT基因的内含子–外显子结构

3.2. 黄瓜MGT的系统进化和蛋白基序分析

系统进化分析表明，黄瓜的MGT家族可分为三个类群：Csa004882、Csa013146和Csa003487为类群1；Csa015785m、Csa014662和Csa021316为类群II；Csa006987m为类群3 (图2)。其中Csa003487与AtMGT4，Csa015785m与AtMGT6/5，Csa014662和Csa021316与AtMGT9，Csa006987m与AtMGT10分别直系同源。和拟南芥MGT蛋白序列比对发现，Csa004882、Csa013146和Csa015785m分别与拟南芥的AtMGT1、AtMGT3和AtMGT6的蛋白序列一致性最高。蛋白基序分析结果表明，不同黄瓜MGT基因编码蛋白均含有若干个豆蔻酰化位点和磷酸激酶C磷酸化位点，以及一个CorA类镁离子载体蛋白结构域(表2)。但它们含有糖基化位点、豆蔻酰化位点及磷酸化位点的数目各不相同。

Figure 2. Phylogeny of cucumber MGT genes

图2. 黄瓜MGT基因的遗传进化分析

Table 2. Motifs of cucumber MGT proteins

表2. 黄瓜MGT的蛋白基序分析

注：A) 亮氨酸拉链模式；B) 豆蔻酰化位点；C) PKC磷酸化位点；D) CorA类镁离子载体蛋白；E) N-糖基化位点；F) 核定位信号。

3.3. 黄瓜MGT基因的顺式元件和功能预测

顺式元件是研究基因功能的重要线索。本文发现在黄瓜MGT基因的5’序列(1500 bp)中，存在多个不同的顺式作用元件(表3)，如干旱诱导表达元件(MBS)、热胁迫应答元件(HSE)等逆境应答元件和应答乙烯(ERE)、赤霉素(GARE-motif)和水杨酸(TCA-element)等植物激素的应答元件。根据黄瓜MGT顺式元件分析及系统进化结果，结合拟南芥MGT基因功能研究的结果，笔者推测Csa004882和Csa013146具有镁离子转运功能和在缺钙条件下渗透调节的功能，Csa003487、Csa014662和Csa021316具有影响花粉发育和育性的功能，Csa015785m具有维持在缺镁和高镁胁迫下植物体内镁离子平衡的功能，Csa006987m具有镁离子转运的功能。此外，Csa004882可能应答干旱胁迫、赤霉素和水杨酸信号，Csa013146可应答热、干旱胁迫及赤霉素、水杨酸和乙烯信号，Csa003487可应答干旱和热胁迫，以及赤霉素、水杨酸和茉莉酸甲酯(CGTCA-motif)，Csa015785m可应答干旱和热胁迫及乙烯信号，Csa021316可应答热胁迫和赤霉素信号，Csa014662可应答干旱、热胁迫及赤霉素、水杨酸和乙烯信号，Csa006987m可应答干旱、热胁迫及ABA和茉莉酸甲酯信号。总之，黄瓜的MGT基因可能具有多种生物学功能，需要深入系统的研究。

Table 3. Cis-elements of cucumber MGT genes

表3. 黄瓜MGT基因的顺式元件

4. 结论

蔬菜生产和模式植物的研究结果表明，镁和镁离子转运载体在植物体中具有重要功能。作者利用计算生物学方法，从黄瓜基因组中解析出7个MGT基因，并对它们的分子特征、系统进化和顺式元件进行了系统分析。结果显示，这些基因在结构上差异较大，但都存在一个保守的CorA类镁离子载体蛋白结构域。它们的5’序列中存在多个顺式元件，能够对不同的逆境和激素做出应答。而且，每个MGT基因含有的顺式元件各不相同。这些结果说明，黄瓜的MGT基因在功能上相似但又存在某种程度的分化。本文为进一步深入研究黄瓜MGT在镁离子吸收及生长发育中的功能奠定了基础。

基金项目

本文受山东省农业良种工程项目(2016LZGC033)、山东省农业科学院农业科技创新工程项目(CXGC2018D05)和山东省自然科学基金(ZR2019PC029)项目资助。

NOTES

^*共一作者。

^#通讯作者。