DOI 10 11829 j issn 1001 0629 2023 0142 韓曉文 韓碩 胡義鋒 王夢如 陳中義 朱永興 尹軍良 空心蓮子草ApCAT基因家族鑒定和表達(dá)模式 草業(yè)科學(xué) 2023 40 11 2889 2901 HAN X W HAN S HU Y F WANG M R CHEN Z Y ZHU Y X YIN J L Genome wide identification and expression analysis of ApCAT gene family in Alternanthera philoxeroides Pratacultural Science 2023 40 11 2889 2901 空心蓮子草ApCAT基因家族鑒定和表達(dá)模式 韓曉文1 韓 碩1 胡義鋒2 王夢如1 陳中義1 朱永興1 尹軍良1 1 長江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心 長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院 長江大學(xué)園藝園林學(xué)院 湖北 荊州 434025 2 中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430074 摘要 過氧化氫酶 CAT 是可清除生物體內(nèi)多余的過氧化氫 H2O2 并將其還原成水和氧氣的氧化還原酶 在植物 響應(yīng)脅迫的過程中發(fā)揮多種功能 保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧毒害 目前 尚缺乏對空心蓮子草 Alternanthera philoxeroides CAT基因家族成員的系統(tǒng)研究 本研究通過生物信息學(xué)分析 從空心蓮子草中鑒定到20個ApCAT基 因 根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系將其依次命名為ApCAT1至ApCAT20 特征分析表明 所有ApCATs均為親水性蛋白 亞細(xì)胞 定位預(yù)測發(fā)現(xiàn) 所有ApCATs均預(yù)測定位于過氧化物酶體 個別ApCATs也預(yù)測有定位線粒體 葉綠體和細(xì)胞核的 可能 表達(dá)模式分析表明 ApCAT成員受緯度 海拔 溫度 光照 水分條件等的影響較小 表達(dá)水平相對穩(wěn)定 除草劑藥效測試發(fā)現(xiàn) 20 氯氟吡氧乙酸和13 噁草酮的防治效果最好 結(jié)合定量PCR分析發(fā)現(xiàn) ApCAT家族成 員在空心蓮子草響應(yīng)除草劑處理過程中顯著差異表達(dá) 參與對除草劑脅迫的應(yīng)答過程 本研究系統(tǒng)分析了 ApCATs家族成員的基本特征和表達(dá)模式 揭示了其除草劑誘導(dǎo)表達(dá)特征 為進(jìn)一步研究ApCATs在空心蓮子草響應(yīng) 除草劑脅迫中的生物學(xué)功能奠定了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 過氧化氫酶 生物信息學(xué) 轉(zhuǎn)錄組 表達(dá)特征分析 除草劑 活性氧 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1001 0629 2023 11 2889 13 Genome wide identification and expression analysis of ApCAT gene family in Alternanthera philoxeroides HAN Xiaowen1 HAN Shuo1 HU Yifeng2 WANG Mengru1 CHEN Zhongyi1 ZHU Yongxing1 YIN Junliang1 1 Engineering Research Center of Wetland Ecology and Agricultural Use Ministry of Education College of Agriculture College of Horticulture and Gardening Yangtze University Jingzhou 434025 Hubei China 2 College of Life Science South Central University for Nationalities Wuhan 430074 Hubei China Abstract Catalase CAT is a REDOX enzyme that catalyzes the removal of excess hydrogen peroxide H2O2 from living organisms and reduces H2O2 to oxygen and water CAT has a variety of functions in plant responses to various stresses which helps protect plant cells from the toxicity of reactive oxygen species Systematic research of CAT in Alternanthera philoxeroides has not been reported In this study 20 ApCAT genes were identified by bioinformatics analysis They were designated ApCAT1 to ApCAT20 according to their phylogenetic relationships All 20 ApCATs were hydrophilic proteins Subcellular localization predictions included the peroxisome for all ApCATs with some ApCATs additionally predicted the in cell mitochondria chloroplast and nucleus The analysis of expression patterns showed that ApCAT members were less affected by latitude altitude temperature light and moisture conditions and that their expression levels were relatively 收稿日期 2023 03 25 接受日期 2023 04 26 基金項目 長江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心開放基金項目 KFT202305 KF201909 第一作者 韓曉文 2000 男 湖北宜昌人 在讀碩士生 研究方向為植物抗逆基因資源挖掘與利用 E mail 2022710817 通信作者 尹軍良 1985 男 山東安丘人 副教授 博士 研究方向為植物病理學(xué) E mail w yinzi 第 40 卷第 11 期 草 業(yè) 科 學(xué) 2889 2901 Vol 40 No 11 PRATACULTURAL SCIENCE 11 2023 stable Herbicide efficacy testing revealed the best control by 20 clofluropyloxyacetic acid and 13 oxalone RT qPCR analysis determined that ApCAT family members were significantly differentially expressed in response to herbicide treatment and participated in plant response to herbicide stress The findings from the systematic analysis of the basic characteristics and expression patterns of ApCATs family members and the herbicide induced expression profiles of ApCATs lay a foundation for further studies of the biological functions of ApCATs in the response to herbicide stress in A philoxeroides Keywords catalase bioinformatics transcriptome expression feature analysis herbicides reactive oxygen species Corresponding author YIN Junliang E mail w yinzi 空心蓮子 草 Alternanthera philoxeroides 也稱 水花生 空心莧 屬多年生宿根草本植物 原產(chǎn)于南 美洲 是一種 水陸兩侵 的外來入侵物種 1 目前 空心蓮子草 在 20余個 省 市 均有分布 黃河以南 的區(qū)域為害尤其嚴(yán)重 據(jù) 2016年統(tǒng)計 全國中度以 上 蓋度大 于 30 危害面積超 過 500萬 hm2 直接 經(jīng)濟(jì)損失每 年 16億 18億元 2 如何高效防治空心 蓮子草已成為國內(nèi)外研究的熱點之一 植物受到生物 非生物脅迫時 其細(xì)胞內(nèi)的氧化 還原動態(tài)平衡被打破 導(dǎo)致過氧化 氫 H2O2 羥自 由 基 OH 超氧陰離 子 O2 等氧自由 基 ROS 的 過量產(chǎn)生 3 4 適量 的 ROS在生物體內(nèi)可作為第二 信使參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 激活免疫細(xì)胞 引起細(xì)胞 增殖 衰老和凋亡 5 但 ROS的過度積累會導(dǎo)致 植物細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷 3 其中過氧化氫 酶 catalase CAT 能夠通過催化電子轉(zhuǎn)移 將生物體內(nèi) 多 余 H2O2還原 成 H2O和 O2 有效清除植物光呼吸 和線粒體電子傳遞過程中產(chǎn)生的過氧化氫 6 CAT的相對分子質(zhì)量 在 200 400 kDa 通常 由 4個 亞基組成 7 每個亞基在羧基端含 有 1個血紅素分 子 和 1個 CAT體靶向信號 肽 PTS1 序列 8 根 據(jù) CAT 催化中心結(jié)構(gòu)的不同 CAT可分為鐵卟啉結(jié) 構(gòu) CAT FeCAT 和錳卟啉結(jié)構(gòu)CAT MnCAT 大量研究表明 CATs基因具有時空表達(dá)特異 性 例如玉 米 Zea mays ZmCAT1和 ZmCAT3在籽粒 發(fā)育整個過程均有表達(dá) ZmCAT2僅在籽粒發(fā)育后 期表達(dá) 9 10 水 稻 Oryza sativa OsCATA和 OsCATC 的表達(dá)受晝夜節(jié)律調(diào)控 OsCATA在晚上特異性表 達(dá) OsCATC在清晨特異性表達(dá) 11 同 時 CATs基因 在脅迫應(yīng)答響應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用 12 擬南 芥 Arabidopsis thaliana AtCAT1通過降 解 H2O2來響應(yīng) 非生物脅迫 此外 AtCAT2和 AtCAT3可以降 解 H2O2 來維持細(xì)胞 內(nèi) ROS的動態(tài)平衡 13 過表 達(dá) OsCATA 和 OsCATC提高了水稻的抗旱性 同 時 OsCATC也 可以 被 STRK1磷酸化激活 從而提高水稻的耐鹽性 和抗氧化性 11 ZmCAT2轉(zhuǎn)基因煙 草 Nocetoana tabacum 與野生型相比具有更強(qiáng)抗病性和活性氧脅 迫的耐受性 14 此外 CAT在植物響應(yīng)除草劑脅迫 中發(fā)揮重要作用 例如不同濃度的乙草胺和阿特拉 津均能使肉芝軟珊瑚和短指軟珊 瑚 CAT酶活性快 速上升 且在一定范圍內(nèi) CAT酶活性隨著除草劑 濃度升高和脅迫時間延長而持續(xù)上升 15 不同濃度 的噻隆 異噁酮施 藥 7 14 d時玉 米 CAT酶活性顯著 提高 且活性隨著施藥時間的延長和藥劑濃度的降 低而逐漸降低 16 到目前為止 CAT基因家族已在小 麥 Triticum aestivum 5 水稻 11 油 菜 Brassica napus 17 等多 種植物中進(jìn)行了鑒定分析 并對其脅迫響應(yīng)模式進(jìn) 行了研究 但尚缺乏對空心蓮子 草 CAT家族成員的 系統(tǒng)認(rèn)識 因此 本研究對空心蓮子草 的 CAT基因 進(jìn)行系統(tǒng)鑒定 并分析了該基因家族成員在除草劑 脅迫下的表達(dá)模式 旨在了 解 CAT在空心蓮子草脅 迫應(yīng)答響應(yīng)過程中的潛在作用 為空心蓮子草的防 治提供新思路 1 材料與方法 1 1 空心蓮子草ApCAT的鑒定 獲取空心蓮子草基因組數(shù)據(jù)庫 18 從 Pfam http pfam xfam org 下 載 CAT PF00199 的隱馬爾 可夫模型序列 BLASTp搜索空心蓮子草氨基酸序 列數(shù)據(jù)庫 鑒定候 選 ApCAT e value 1e 10 19 獲 得的候選序列通 過 Pfam v35 0 http Pfam xfam org 和 InterProScan v93 0 http www ebi ac uk InterPro Scan 進(jìn)行確認(rèn) 排除不包含CAT結(jié)構(gòu)域的序列 2890 草 業(yè) 科 學(xué) 第 40 卷 1 2 ApCAT系統(tǒng)發(fā)育分析 使 用 ClustalW2軟件 將 ApCAT與已知物 種 水 稻 擬南芥 CAT氨基酸序列進(jìn)行多序列比對 使 用 ITOL工 具 Interactive tree of Life http ITOL embl de 繪制包 含 ApCATs AtCATs和 OsCATs的 系統(tǒng)發(fā)育樹 說 明 ApCATs的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系 并輔 助它們的命名 20 1 3 ApCAT保守結(jié)構(gòu)域和基序分析 根 據(jù) GFF3基因結(jié)構(gòu)注釋信息 利 用 TBtools繪 制 ApCATs的外顯子 內(nèi)含子結(jié)構(gòu)圖 使 用 MEME 版 本 5 5 1 http meme suite org tools meme 識 別 ApCATs的保守基序 21 參數(shù)設(shè)置如下 每個序列 可以包含任意個的非重疊基序 不同基序的數(shù)量 為 10 基序?qū)挾确秶?為 6到 50個氨基酸 利 用 TBtools 繪制蛋白基序結(jié)構(gòu)圖 1 4 ApCAT蛋白質(zhì)特征分析 使 用 ExPASyServer10 https prosite expasy org PS 50011 分 析 ApCATs的蛋白質(zhì)基本特征 包括蛋白 序列長 度 Len 分子 量 MW 等電 點 pI 總親水 性 GRAVY 22 使 用 Plant mPLoc http www csbio multi 預(yù) 測 ApCATs的亞細(xì)胞定 位 23 使 用 SWISS MODEL https www swissmodel expasy org 對ApCATs的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行同源建模 1 5 ApCATs表達(dá)模式分析 從 NCBI的 SRA數(shù)據(jù)庫收 集 4組空心蓮子草的 轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù) 24 詳情信息 PRJNA256235 陸地 和池塘中采集的混合組織樣本 PRJNA256237 低鉀 脅迫下根部組織樣本 PRJNA263573 水中和盆栽種 植的莖節(jié)組織樣本 PRJNA268359 山東濟(jì)南收集的 北方 種群和上海收集的 中央 種群上部 第 1 3對葉片組織樣本 通 過 Cufflinks計 算 ApCATs基 因的表達(dá)水 平 用標(biāo)準(zhǔn)化 的 FPKM值表示 使 用 log2 FPKM 1 值 通 過 R軟件 包 pheatmap繪制熱 圖 展示不同條件下ApCATs基因的表達(dá)模式 25 1 6 除草劑防效測試 試驗 于 10月中旬在長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗田中 進(jìn)行 選取平均高度 為 10 15 cm 長勢一致的空心 蓮子草植株 每次處理重 復(fù) 3次 共 18個小區(qū) 小 區(qū)面 積 1 m2 每個處理噴施藥液量 為 250 mL 重 復(fù) 3次 空白對照為清水 分別 于 0 5 1 3 5 7 d觀 察防治效果并取樣 供試藥劑及濃度如表1所列 1 7 RT qPCR分析 除草劑處 理 0 5 1 3 5 7 d時分別收集頂端嫩 葉 80 保存 使 用 TRizol試 劑 GenStar 中國北 京 提取 總 RNA 并 用 DNaseI TaKaRa 中國大 連 去 除 DNA 使 用 RevertAid逆轉(zhuǎn)錄 酶 Vazyme 中國南京 將 RNA逆轉(zhuǎn)錄 為 cDNA 然后 將 cDNA 稀釋 至 100 ng L 1 按照制造商的說明書 使 用 SYBR GreenMaster Mix Vazyme 南 京 中 國 在 CFX96實 時 PCR系 統(tǒng) BioRad HercuLes CA USA 上進(jìn) 行 RT qPCR 使 用 PrimerPremier5軟件設(shè)計基 表 1 試驗藥劑和濃度 Table 1 Data for the agents and their concentrations 常用名 Common name 施液量 Application amount g m 2 生產(chǎn)商 Manufacturer 試驗措施 Test measures 草甘膦 Glyphosate 0 08 江蘇快達(dá)農(nóng)化股份有限公司 Jiangsu Kuaida Agrochemical Co Ltd 41 草甘膦 水劑 41 Glyphosate Aqueous agent 異丙隆 Isoproturon 0 05 美豐農(nóng)業(yè)科技 上海 有限公司 Meifeng Agricultural Technology Shanghai Co Ltd 50 異丙隆 可濕性粉劑 50 Isoproturon Wettable powders 噁草酮 Oxadiazon 0 04 大連越達(dá)農(nóng)藥化工有限公司 Dalian Yueda Pesticide Chemical Co Ltd 13 噁草酮 乳油 13 Oxadiazon Emulsifiable concentrate 乙羧氟草醚 Fluoroglycofen 0 008 濰坊鴻匯化工有限公司 Weifang Honghui Chemical Co Ltd 10 乙羧氟草醚 乳油 10 Fluoroglycofen Emulsifiable concentrate 氯氟吡氧乙酸 Fluroxypyr 0 01 山東綠霸化工股份有限公司 Shandong Lvba Chemical Co Ltd 20 氯氟吡氧乙酸 乳油 20 Fluroxypyr Emulsifiable concentrate 第 11 期 韓曉文 等 空心蓮子 草 ApCAT基因家族鑒定和表達(dá)模式 2891 因特異性引物 20 L RT qPCR反應(yīng)體系 由 10 L 2 SYBR Premix Extaq 正向和反向引物 各 0 4 L cDNA 2 L和 7 2 L ddH2O組成 試驗流程如下 95 預(yù)變 性 30 s 步 驟 1 95 變 性 5 s 步 驟 2 58 退 火 15s 72 延 伸 30 s 60 熒光信號采 集 30 s 步驟3 步驟2至步驟3循環(huán)40次 1 8 統(tǒng)計分析 使 用 2 Ct方法計 算 ApCAT基因的相對表達(dá)水 平 5 運(yùn) 用 Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析 使用單 因素方差分析來計算平均值之間的顯著差異 本研 究差異顯著水平均為P 0 05 2 結(jié)果與分析 2 1 ApCAT的鑒定及系統(tǒng)發(fā)育分析 為鑒定空心蓮子草基因組中 的 ApCAT基因 以 CAT PF00199 種子序列作為參考序列進(jìn)行本 地 BLASTp 并利 用 Pfam驗證候選序列中是否含 有 CAT結(jié)構(gòu)域 最終從空心蓮子草基因組中鑒定 到 20個 ApCAT基 因 圖 1 根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹所示的進(jìn) 化關(guān)系 將它們分別命名 為 ApCAT1到 ApCAT20 根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹的聚類情況 將 ApCAT基因家族分 為3個亞群 Group a b c 2 2 ApCATs蛋白基序和基因結(jié)構(gòu) 根 據(jù) GFF3基因結(jié)構(gòu)注釋信息 使 用 TBtools繪 制 ApCATs的外顯子 內(nèi)含子結(jié)構(gòu)圖 并根據(jù)系統(tǒng)發(fā) 育樹的順序排 列 圖 2A 所 有 ApCATs均不含內(nèi)含 子 其 中 ApCAT7 a ApCAT17 b和 ApCAT16 b僅 在 5 端包 含 UTR區(qū)域 ApCAT2 c ApCAT8 c ApCAT15 c ApCAT9 c和 ApCAT1 c僅 在 3 端包 含 UTR區(qū)域 而 ApCAT13 b和 ApCAT19 c在兩端均含 有 UTR區(qū) 域 圖 2B 保守基序分析發(fā)現(xiàn) 從 ApCATs中鑒定 到 10個 motif 其 中 ApCATs3 c含有 的 motif最少 為 2個 ApCATs13 b含有 的 motif最多 為 11個 結(jié)合 系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn) 親緣關(guān)系越近 的 ApCATs含有 越相似 的 motif 圖 2A B 結(jié)構(gòu)域分析發(fā)現(xiàn) motif 1到 motif 4和 motif 7到 motif 9均為氧化氫酶核心 結(jié)構(gòu) 域 catalase domain motif 5為過氧化氫酶相關(guān) 的免疫應(yīng)答結(jié)構(gòu) 域 catalase related immune responsive domain 其 他 motif未匹配到已知的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu) 域 圖3 2 3 ApCATs蛋白特征和三維結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)特性分析發(fā)現(xiàn) ApCATs氨基酸數(shù)量平 均值 為 194 aa 分布范圍 為 74 492 aa 分子量平均 值 為 22 32 kDa 分布范圍 為 8 51 57 05 kDa 等電 點平均值 為 7 39 分布范圍 為 4 26 9 69 平均值小 于 8 故大部 分 ApCATs為酸性蛋白質(zhì) 不穩(wěn)定指 數(shù)平均值 為 32 52 分布范圍 為 13 72 49 10 除 ApCAT1 c ApCAT3 c ApCAT9 c ApCAT13 b ApCAT15 c ApCAT19 c ApCAT20 c外 其 他 ApCATs 屬于穩(wěn)定蛋白質(zhì) 親水性平均值 0 55 分布范圍為 1 17 0 05 所有親水性的數(shù)值小 于 0 說 明 ApCATs都是親水性蛋白質(zhì) 亞細(xì)胞定位預(yù)測分析 發(fā)現(xiàn) 所 有 ApCATs均分布在過氧化物酶體中 同 時部 分 ApCATs也預(yù)測可能分布在線粒體 葉綠體 和細(xì)胞核內(nèi) 表2 通 過 SWISS MODEL完成 了 ApCATs的三維同 源性建 模 圖 4 所有 的 ApCATs主要 由 螺旋 轉(zhuǎn)角 延伸鏈和隨機(jī)卷曲構(gòu)成 而 這 4種結(jié)構(gòu) 在 ApCATs蛋白中的比例不同 隨機(jī)卷曲所占比例最 大 23 71 51 14 其次 是 螺 旋 14 58 37 11 和延伸 鏈 9 60 33 98 轉(zhuǎn)角所占比例最 小 5 75 19 42 圖 1 空心蓮子草 擬南芥和水稻CAT成員的系統(tǒng)發(fā)育分析 Figure 1 Phylogenetic analyses of catalase CAT from Alternanthera philoxeroides Arabidopsis thaliana and Oryza sativa 2892 草 業(yè) 科 學(xué) 第 40 卷 圖 2 ApCATs系統(tǒng)發(fā)育樹 A ApCATs基因結(jié)構(gòu) B ApCATs蛋白motif分布 C Figure 2 Phylogenetic tree of ApCATs A gene structure of ApCATs B and motif distribution of ApCATs C motif 1 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 2 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 3 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 4 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 5 過氧化氫酶相關(guān)的免疫應(yīng)答結(jié)構(gòu)域 Catalase related immune responsive motif 6 motif 7 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 8 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 9 氧化氫酶核心結(jié)構(gòu)域 Catalase motif 10 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 Bits 01 23 4 圖 3 ApCATs保守基序 Figure 3 Conservative motif in ApCATs 第 11 期 韓曉文 等 空心蓮子 草 ApCAT基因家族鑒定和表達(dá)模式 2893 2 4 ApCATs的表達(dá)模式分析 ApCAT1 c ApCAT2 c ApCAT3 c ApCAT12 b ApCAT14 b ApCAT16 b ApCAT17 b ApCAT18 b和 ApCAT19 c在不同處理下的表達(dá)水平普遍較高 而 其 他 ApCATs表達(dá)水平偏低或不表達(dá) 在水中和盆 栽種植的莖節(jié)組織樣本中 ApCAT14 b ApCAT18 b ApCAT17 b ApCAT3 c和 ApCAT19 c的表達(dá)量先上 升 在 12 h時達(dá)到峰值后下降 而 ApCAT16 b的表 達(dá)量先下降 在 12 h降到最低后回升 此外 根系組 織在低鉀脅迫下 ApCAT6 a ApCAT14 b ApCAT17 b ApCAT18 b和 ApCAT19 c的表達(dá)量下降 ApCAT4 a 和 ApCAT12 b的表達(dá)量上升 對于空心蓮子草的不 同種群 除 了 ApCAT14 b在山東濟(jì)南收集的 北方 種群中的表達(dá)量高于上海收集的 中央 種群外 其 余 ApCATs在兩個種群中的表達(dá)水平相差不大 圖5 2 5 除草劑對空心蓮子草的防治效果 5種除草劑對空心蓮子草的防治效果不同 20 氯氟吡氧乙酸 和 13 噁草酮防治效果最好 20 氯氟吡氧乙酸在藥 后 5 d時引起植株退綠 萎 蔫 停止生長 而 13 噁草酮在藥 后 3 d時引起頂 端幼嫩組織壞死 其次 是 10 乙羧氟草醚 和 41 草 表 2 ApCATs蛋白質(zhì)特征分析 Table 2 Characterization of Alternanthera philoxeroides ApCAT proteins 命名 Name 基因ID Gene ID 長度 Length aa 分子量 Molecular weight kDa 等電點 Isoelectric point pI 不穩(wěn)定指數(shù) Instability index 親水性 Grand average of hydropathicity 亞細(xì)胞定位 Subcellular localization ApCAT1 c TR104330 c1 g1 i1 p1 157 18 80 9 69 47 11 1 01過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT2 c TR106268 c0 g2 i8 p1 438 50 73 6 64 38 48 0 53過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT3 c TR106268 c0 g3 i1 p1 87 9 86 4 26 40 26 0 05過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT4 a TR111001 c0 g1 i1 p1 331 37 75 6 20 34 20 0 64線粒體 過氧化物酶體Mitochondria peroxysome ApCAT5 a TR149003 c0 g1 i1 p1 202 23 27 7 82 29 19 0 71線粒體 細(xì)胞核 過氧化物酶體Mitochondria nucleus peroxysome ApCAT6 a TR153045 c0 g1 i1 p1 97 11 15 6 63 14 18 0 50葉綠體 過氧化物酶體Chloroplast peroxysome ApCAT7 a TR155693 c0 g1 i1 p1 478 53 94 7 72 19 64 0 48細(xì)胞質(zhì) 線粒體 過氧化物酶體Cytoplasm mitochondria peroxysome ApCAT8 c TR171569 c0 g1 i1 p1 166 18 87 9 42 35 30 0 67過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT9 c TR20752 c0 g1 i1 p1 125 15 06 9 38 49 10 1 17過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT10 b TR213162 c0 g1 i1 p1 80 8 74 6 30 15 09 0 37過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT11 b TR213162 c0 g2 i1 p1 78 8 51 6 30 13 72 0 39過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT12 b TR238954 c0 g1 i1 p1 96 10 80 8 36 26 32 0 49過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT13 b TR255198 c0 g1 i1 p1 492 57 05 6 84 42 25 0 55過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT14 b TR269266 c0 g1 i1 p1 103 11 44 9 02 26 27 0 05細(xì)胞質(zhì) 線粒體 過氧化物酶體Cytoplasm mitochondria peroxysome ApCAT15 c TR82869 c0 g1 i1 p1 234 26 61 7 73 43 02 0 68線粒體 過氧化物酶體Mitochondria peroxysome ApCAT16 b TR98226 c3 g1 i1 p1 134 15 13 7 96 30 23 0 51過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT17 b TR98226 c4 g1 i3 p1 135 15 29 7 02 28 70 0 48過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT18 b TR98226 c4 g2 i1 p3 74 8 83 8 15 28 83 0 48線粒體 過氧化物酶體Mitochondria peroxysome ApCAT19 c TR98226 c4 g3 i1 p1 219 25 69 7 03 48 47 0 72過氧化物酶體 Peroxysome ApCAT20 c TR99124 c0 g1 i1 p1 166 18 92 5 23 40 07 0 48過氧化物酶體 Peroxysome 2894 草 業(yè) 科 學(xué) 第 40 卷 甘膦 在藥 后 5 7 d時引起頂端幼嫩組織失綠枯 黃 并 且 41 草甘膦在藥 后 7 d時開始出現(xiàn)褐色枯 斑 50 異丙隆防治效果不明顯 藥 后 7 d后均無明 顯變化 圖6 2 6 ApCATs的除草劑誘導(dǎo)表達(dá)模式分析 挑 選 6個高水平表達(dá) 的 ApCATs基因 利 用 RT qPCR檢測其 在 5種農(nóng)藥處理下的相對表達(dá) 量 圖 7 ApCATs對5種農(nóng)藥處理均有響應(yīng) 在氯氟吡氧乙酸處理下 2個 ApCATs的表達(dá)量 呈下降趨勢 4個 ApCATs的表達(dá)量呈先升高后降低 的趨勢 但 5 d時 6個 ApCATs表達(dá)量顯著升高 其 中 ApCAT12 b的表達(dá)量升高最顯著 是 CK的 5 5 倍 此外 6個 ApCATs在 3 d時表達(dá)量均降低 其 中ApCAT17 b最顯著 僅為CK的9 圖7A 在 噁 草 酮 處 理 下 ApCAT3 c ApCAT12 b和 ApCAT14 b在 3 7 d時 有 明 顯 的 下 降 趨 勢 ApCAT16 b ApCAT17 b和 ApCAT18 b在 1 5 d時有 明顯的上升趨勢 此外 在 1和 7 d時 6個 ApCATs 的表達(dá)量均下降 其 中 ApCAT18的表達(dá)量最低 分 別只有CK的0 3 和0 2 圖7B 在乙羧氟草醚處理下 5個 ApCATs呈先升高后 下降再升高的趨勢 4個 ApCATs在 3 d時表達(dá)量顯 著降低 其 中 ApCAT14 b的表達(dá)量最低 僅 為 CK的 0 8 而 ApCAT17 b在 1 d時表達(dá)量最低 為 CK的 19 此 外 ApCAT18 b在 0 5 d時表達(dá)量升高 最顯著 是 CK的 1 9倍 隨后 在 1 d時下降并穩(wěn)定 在CK的78 94 圖7C 草甘膦處理下 6個 ApCATs基因的相對表達(dá)量 呈下降趨 勢 圖 7A 其 中 ApCAT14 b ApCAT17 b 和 ApCAT18 b表達(dá)量降低最為明顯 分別下降 至 CK的 19 9 和 17 ApCAT3 c和 ApCAT12 b 在 3和 7 d時表達(dá)量高 于 CK 最高達(dá) 到 1 5倍 圖 7D 異丙隆處理下 處 理 1 d時 ApCAT12 b表達(dá)量 與 CK相比上 升 3 1倍 其 余 5個 ApCATs均低 于 CK 其 中 ApCAT18最低 僅 為 CK的 0 4 此 外 圖 4 使用SWISS MODEL生成的ApCATs的3D模型預(yù)測 Figure 4 Predicted three dimensional models of ApCATs generated by using SWISS MODEL 第 11 期 韓曉文 等 空心蓮子 草 ApCAT基因家族鑒定和表達(dá)模式 2895 ApCAT12在 0 7 d時表達(dá)量均較高 是 CK的 1 7 4 2倍 而 ApCAT14 b ApCAT16 b和 ApCAT18 b表 達(dá)量持續(xù)下降 尤其 是 ApCAT16 b在處 理 1 d后均 不足CK的15 圖7E 3 討論 空心蓮子草 在 2003年被列入 中國第一批外來 入侵物種名單 具有極強(qiáng)表型可塑性和入侵性 對 我國生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)造成惡劣的影響 已有研 究表 明 CAT在空心蓮子草響應(yīng)鋅 銅等重金屬脅 迫 26 28 和澇漬脅迫 29 中發(fā)揮調(diào)控作用 同時 CAT 在植物響應(yīng)除草劑中發(fā)揮重要作用 30 33 而 CAT在 空心蓮子草響應(yīng)除草劑中的作用尚未研究 因此 開展基因組水平空心蓮子 草 ApCATs基因的系統(tǒng)鑒 定和分析 了解其表達(dá)模式 尤其揭示其響應(yīng)除草 劑的誘導(dǎo)表達(dá)特征 可為開 展 ApCATs逆境脅迫響 應(yīng)功能研究奠定基礎(chǔ) 也為空心蓮子草的有效防治 提供指導(dǎo) 本研究從空心蓮子草全基因組中鑒定 了 20個 ApCAT基因家族成 員 ApCAT1 ApCAT20 其成員 數(shù)量高于擬南 芥 3個 13 水 稻 3個 11 小 麥 10個 5 和甘藍(lán)型油 菜 14個 17 其 中 ApCAT編 碼的蛋白質(zhì)長度 為 74 492 aa 表 2 其蛋白長度差 異較大且相對于其他物種來說長度較短 例如在油 菜中 17 BnCATs長度 為 477 BnCAT13 1 040 aa BnCAT10 在 小 麥 中 5 TaCATs長 度 為 290 TaCAT3 A2 494 aa TaCAT2 A 而水稻 11 和大 豆 34 中 所有 的 CAT長度均 為 492 aa 通過保守基 序分析發(fā)現(xiàn) ApCAT基因含 有 10個 motif 其 中 motif1到 motif5 motif7到 motif9均注釋為過氧化氫 酶功能結(jié)構(gòu)域 此外結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn) 處于 同一亞組 的 ApCAT含有越相似的基因結(jié)構(gòu) 和 motif 但個別家族成員 的 motif數(shù)量存在一定的差 別 推測該現(xiàn)象是因 為 ApCAT在進(jìn)化過程中丟失 圖 5 不同組織和處理的ApCATs表達(dá)熱圖 Figure 5 Heat map of ApCATs in different tissues and under different treatments 圖例中不同的顏色代表不同大小的log2 FPKM 1 值 紅色代表的log2 FPKM 1 值最大 藍(lán)色最小 Upland 陸地中采集的空心蓮 子草樣本 Pond 池塘中采集的空心蓮子草樣本 CK 根部對照 Low K 根部低鉀脅迫 Pond CK到Pond 288h 水中種植的莖節(jié)組 織樣本 Up CK到Up 288h 盆栽種植的莖節(jié)組織樣本 JN 山東濟(jì)南收集的 北方 種群 上部第1 3對葉片組織樣本 SH 上海收 集的 中央 種群 上部第1 3對葉片組織樣本 Different colors in the legend represent different log2 FPKM 1 values red and b