空心莲子草ApCAT基因家族鉴定和表达模式_韩晓文.pdf

DOI 10 11829 j issn 1001 0629 2023 0142 韩晓文 韩硕 胡义锋 王梦如 陈中义 朱永兴 尹军良 空心莲子草ApCAT基因家族鉴定和表达模式 草业科学 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 空心莲子草ApCAT基因家族鉴定和表达模式 韩晓文1 韩 硕1 胡义锋2 王梦如1 陈中义1 朱永兴1 尹军良1 1 长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心 长江大学农学院 长江大学园艺园林学院 湖北 荆州 434025 2 中南民族大学生命科学学院 湖北 武汉 430074 摘要 过氧化氢酶 CAT 是可清除生物体内多余的过氧化氢 H2O2 并将其还原成水和氧气的氧化还原酶 在植物 响应胁迫的过程中发挥多种功能 保护植物细胞免受活性氧毒害 目前 尚缺乏对空心莲子草 Alternanthera philoxeroides CAT基因家族成员的系统研究 本研究通过生物信息学分析 从空心莲子草中鉴定到20个ApCAT基 因 根据系统发育关系将其依次命名为ApCAT1至ApCAT20 特征分析表明 所有ApCATs均为亲水性蛋白 亚细胞 定位预测发现 所有ApCATs均预测定位于过氧化物酶体 个别ApCATs也预测有定位线粒体 叶绿体和细胞核的 可能 表达模式分析表明 ApCAT成员受纬度 海拔 温度 光照 水分条件等的影响较小 表达水平相对稳定 除草剂药效测试发现 20 氯氟吡氧乙酸和13 噁草酮的防治效果最好 结合定量PCR分析发现 ApCAT家族成 员在空心莲子草响应除草剂处理过程中显著差异表达 参与对除草剂胁迫的应答过程 本研究系统分析了 ApCATs家族成员的基本特征和表达模式 揭示了其除草剂诱导表达特征 为进一步研究ApCATs在空心莲子草响应 除草剂胁迫中的生物学功能奠定了基础 关键词 过氧化氢酶 生物信息学 转录组 表达特征分析 除草剂 活性氧 文献标识码 A 文章编号 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 基金项目 长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金项目 KFT202305 KF201909 第一作者 韩晓文 2000 男 湖北宜昌人 在读硕士生 研究方向为植物抗逆基因资源挖掘与利用 E mail 2022710817 通信作者 尹军良 1985 男 山东安丘人 副教授 博士 研究方向为植物病理学 E mail w yinzi 第 40 卷第 11 期 草 业 科 学 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 空心莲子 草 Alternanthera philoxeroides 也称 水花生 空心苋 属多年生宿根草本植物 原产于南 美洲 是一种 水陆两侵 的外来入侵物种 1 目前 空心莲子草 在 20余个 省 市 均有分布 黄河以南 的区域为害尤其严重 据 2016年统计 全国中度以 上 盖度大 于 30 危害面积超 过 500万 hm2 直接 经济损失每 年 16亿 18亿元 2 如何高效防治空心 莲子草已成为国内外研究的热点之一 植物受到生物 非生物胁迫时 其细胞内的氧化 还原动态平衡被打破 导致过氧化 氢 H2O2 羟自 由 基 OH 超氧阴离 子 O2 等氧自由 基 ROS 的 过量产生 3 4 适量 的 ROS在生物体内可作为第二 信使参与细胞信号转导 激活免疫细胞 引起细胞 增殖 衰老和凋亡 5 但 ROS的过度积累会导致 植物细胞的氧化应激损伤 3 其中过氧化氢 酶 catalase CAT 能够通过催化电子转移 将生物体内 多 余 H2O2还原 成 H2O和 O2 有效清除植物光呼吸 和线粒体电子传递过程中产生的过氧化氢 6 CAT的相对分子质量 在 200 400 kDa 通常 由 4个 亚基组成 7 每个亚基在羧基端含 有 1个血红素分 子 和 1个 CAT体靶向信号 肽 PTS1 序列 8 根 据 CAT 催化中心结构的不同 CAT可分为铁卟啉结 构 CAT FeCAT 和锰卟啉结构CAT MnCAT 大量研究表明 CATs基因具有时空表达特异 性 例如玉 米 Zea mays ZmCAT1和 ZmCAT3在籽粒 发育整个过程均有表达 ZmCAT2仅在籽粒发育后 期表达 9 10 水 稻 Oryza sativa OsCATA和 OsCATC 的表达受昼夜节律调控 OsCATA在晚上特异性表 达 OsCATC在清晨特异性表达 11 同 时 CATs基因 在胁迫应答响应过程中发挥重要作用 12 拟南 芥 Arabidopsis thaliana AtCAT1通过降 解 H2O2来响应 非生物胁迫 此外 AtCAT2和 AtCAT3可以降 解 H2O2 来维持细胞 内 ROS的动态平衡 13 过表 达 OsCATA 和 OsCATC提高了水稻的抗旱性 同 时 OsCATC也 可以 被 STRK1磷酸化激活 从而提高水稻的耐盐性 和抗氧化性 11 ZmCAT2转基因烟 草 Nocetoana tabacum 与野生型相比具有更强抗病性和活性氧胁 迫的耐受性 14 此外 CAT在植物响应除草剂胁迫 中发挥重要作用 例如不同浓度的乙草胺和阿特拉 津均能使肉芝软珊瑚和短指软珊 瑚 CAT酶活性快 速上升 且在一定范围内 CAT酶活性随着除草剂 浓度升高和胁迫时间延长而持续上升 15 不同浓度 的噻隆 异噁酮施 药 7 14 d时玉 米 CAT酶活性显著 提高 且活性随着施药时间的延长和药剂浓度的降 低而逐渐降低 16 到目前为止 CAT基因家族已在小 麦 Triticum aestivum 5 水稻 11 油 菜 Brassica napus 17 等多 种植物中进行了鉴定分析 并对其胁迫响应模式进 行了研究 但尚缺乏对空心莲子 草 CAT家族成员的 系统认识 因此 本研究对空心莲子草 的 CAT基因 进行系统鉴定 并分析了该基因家族成员在除草剂 胁迫下的表达模式 旨在了 解 CAT在空心莲子草胁 迫应答响应过程中的潜在作用 为空心莲子草的防 治提供新思路 1 材料与方法 1 1 空心莲子草ApCAT的鉴定 获取空心莲子草基因组数据库 18 从 Pfam http pfam xfam org 下 载 CAT PF00199 的隐马尔 可夫模型序列 BLASTp搜索空心莲子草氨基酸序 列数据库 鉴定候 选 ApCAT e value 1e 10 19 获 得的候选序列通 过 Pfam v35 0 http Pfam xfam org 和 InterProScan v93 0 http www ebi ac uk InterPro Scan 进行确认 排除不包含CAT结构域的序列 2890 草 业 科 学 第 40 卷 1 2 ApCAT系统发育分析 使 用 ClustalW2软件 将 ApCAT与已知物 种 水 稻 拟南芥 CAT氨基酸序列进行多序列比对 使 用 ITOL工 具 Interactive tree of Life http ITOL embl de 绘制包 含 ApCATs AtCATs和 OsCATs的 系统发育树 说 明 ApCATs的系统发育关系 并辅 助它们的命名 20 1 3 ApCAT保守结构域和基序分析 根 据 GFF3基因结构注释信息 利 用 TBtools绘 制 ApCATs的外显子 内含子结构图 使 用 MEME 版 本 5 5 1 http meme suite org tools meme 识 别 ApCATs的保守基序 21 参数设置如下 每个序列 可以包含任意个的非重叠基序 不同基序的数量 为 10 基序宽度范围 为 6到 50个氨基酸 利 用 TBtools 绘制蛋白基序结构图 1 4 ApCAT蛋白质特征分析 使 用 ExPASyServer10 https prosite expasy org PS 50011 分 析 ApCATs的蛋白质基本特征 包括蛋白 序列长 度 Len 分子 量 MW 等电 点 pI 总亲水 性 GRAVY 22 使 用 Plant mPLoc http www csbio multi 预 测 ApCATs的亚细胞定 位 23 使 用 SWISS MODEL https www swissmodel expasy org 对ApCATs的三维结构进行同源建模 1 5 ApCATs表达模式分析 从 NCBI的 SRA数据库收 集 4组空心莲子草的 转录组测序数据 24 详情信息 PRJNA256235 陆地 和池塘中采集的混合组织样本 PRJNA256237 低钾 胁迫下根部组织样本 PRJNA263573 水中和盆栽种 植的茎节组织样本 PRJNA268359 山东济南收集的 北方 种群和上海收集的 中央 种群上部 第 1 3对叶片组织样本 通 过 Cufflinks计 算 ApCATs基 因的表达水 平 用标准化 的 FPKM值表示 使 用 log2 FPKM 1 值 通 过 R软件 包 pheatmap绘制热 图 展示不同条件下ApCATs基因的表达模式 25 1 6 除草剂防效测试 试验 于 10月中旬在长江大学农学院实验田中 进行 选取平均高度 为 10 15 cm 长势一致的空心 莲子草植株 每次处理重 复 3次 共 18个小区 小 区面 积 1 m2 每个处理喷施药液量 为 250 mL 重 复 3次 空白对照为清水 分别 于 0 5 1 3 5 7 d观 察防治效果并取样 供试药剂及浓度如表1所列 1 7 RT qPCR分析 除草剂处 理 0 5 1 3 5 7 d时分别收集顶端嫩 叶 80 保存 使 用 TRizol试 剂 GenStar 中国北 京 提取 总 RNA 并 用 DNaseI TaKaRa 中国大 连 去 除 DNA 使 用 RevertAid逆转录 酶 Vazyme 中国南京 将 RNA逆转录 为 cDNA 然后 将 cDNA 稀释 至 100 ng L 1 按照制造商的说明书 使 用 SYBR GreenMaster Mix Vazyme 南 京 中 国 在 CFX96实 时 PCR系 统 BioRad HercuLes CA USA 上进 行 RT qPCR 使 用 PrimerPremier5软件设计基 表 1 试验药剂和浓度 Table 1 Data for the agents and their concentrations 常用名 Common name 施液量 Application amount g m 2 生产商 Manufacturer 试验措施 Test measures 草甘膦 Glyphosate 0 08 江苏快达农化股份有限公司 Jiangsu Kuaida Agrochemical Co Ltd 41 草甘膦 水剂 41 Glyphosate Aqueous agent 异丙隆 Isoproturon 0 05 美丰农业科技 上海 有限公司 Meifeng Agricultural Technology Shanghai Co Ltd 50 异丙隆 可湿性粉剂 50 Isoproturon Wettable powders 噁草酮 Oxadiazon 0 04 大连越达农药化工有限公司 Dalian Yueda Pesticide Chemical Co Ltd 13 噁草酮 乳油 13 Oxadiazon Emulsifiable concentrate 乙羧氟草醚 Fluoroglycofen 0 008 潍坊鸿汇化工有限公司 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 山东绿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 韩晓文 等 空心莲子 草 ApCAT基因家族鉴定和表达模式 2891 因特异性引物 20 L RT qPCR反应体系 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组成 试验流程如下 95 预变 性 30 s 步 骤 1 95 变 性 5 s 步 骤 2 58 退 火 15s 72 延 伸 30 s 60 荧光信号采 集 30 s 步骤3 步骤2至步骤3循环40次 1 8 统计分析 使 用 2 Ct方法计 算 ApCAT基因的相对表达水 平 5 运 用 Excel 2016对数据进行整理分析 使用单 因素方差分析来计算平均值之间的显著差异 本研 究差异显著水平均为P 0 05 2 结果与分析 2 1 ApCAT的鉴定及系统发育分析 为鉴定空心莲子草基因组中 的 ApCAT基因 以 CAT PF00199 种子序列作为参考序列进行本 地 BLASTp 并利 用 Pfam验证候选序列中是否含 有 CAT结构域 最终从空心莲子草基因组中鉴定 到 20个 ApCAT基 因 图 1 根据系统发育树所示的进 化关系 将它们分别命名 为 ApCAT1到 ApCAT20 根据系统发育树的聚类情况 将 ApCAT基因家族分 为3个亚群 Group a b c 2 2 ApCATs蛋白基序和基因结构 根 据 GFF3基因结构注释信息 使 用 TBtools绘 制 ApCATs的外显子 内含子结构图 并根据系统发 育树的顺序排 列 图 2A 所 有 ApCATs均不含内含 子 其 中 ApCAT7 a ApCAT17 b和 ApCAT16 b仅 在 5 端包 含 UTR区域 ApCAT2 c ApCAT8 c ApCAT15 c ApCAT9 c和 ApCAT1 c仅 在 3 端包 含 UTR区域 而 ApCAT13 b和 ApCAT19 c在两端均含 有 UTR区 域 图 2B 保守基序分析发现 从 ApCATs中鉴定 到 10个 motif 其 中 ApCATs3 c含有 的 motif最少 为 2个 ApCATs13 b含有 的 motif最多 为 11个 结合 系统发育分析发现 亲缘关系越近 的 ApCATs含有 越相似 的 motif 图 2A B 结构域分析发现 motif 1到 motif 4和 motif 7到 motif 9均为氧化氢酶核心 结构 域 catalase domain motif 5为过氧化氢酶相关 的免疫应答结构 域 catalase related immune responsive domain 其 他 motif未匹配到已知的关键功能结构 域 图3 2 3 ApCATs蛋白特征和三维结构 蛋白质特性分析发现 ApCATs氨基酸数量平 均值 为 194 aa 分布范围 为 74 492 aa 分子量平均 值 为 22 32 kDa 分布范围 为 8 51 57 05 kDa 等电 点平均值 为 7 39 分布范围 为 4 26 9 69 平均值小 于 8 故大部 分 ApCATs为酸性蛋白质 不稳定指 数平均值 为 32 52 分布范围 为 13 72 49 10 除 ApCAT1 c ApCAT3 c ApCAT9 c ApCAT13 b ApCAT15 c ApCAT19 c ApCAT20 c外 其 他 ApCATs 属于稳定蛋白质 亲水性平均值 0 55 分布范围为 1 17 0 05 所有亲水性的数值小 于 0 说 明 ApCATs都是亲水性蛋白质 亚细胞定位预测分析 发现 所 有 ApCATs均分布在过氧化物酶体中 同 时部 分 ApCATs也预测可能分布在线粒体 叶绿体 和细胞核内 表2 通 过 SWISS MODEL完成 了 ApCATs的三维同 源性建 模 图 4 所有 的 ApCATs主要 由 螺旋 转角 延伸链和随机卷曲构成 而 这 4种结构 在 ApCATs蛋白中的比例不同 随机卷曲所占比例最 大 23 71 51 14 其次 是 螺 旋 14 58 37 11 和延伸 链 9 60 33 98 转角所占比例最 小 5 75 19 42 图 1 空心莲子草 拟南芥和水稻CAT成员的系统发育分析 Figure 1 Phylogenetic analyses of catalase CAT from Alternanthera philoxeroides Arabidopsis thaliana and Oryza sativa 2892 草 业 科 学 第 40 卷 图 2 ApCATs系统发育树 A ApCATs基因结构 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 氧化氢酶核心结构域 Catalase motif 2 氧化氢酶核心结构域 Catalase motif 3 氧化氢酶核心结构域 Catalase motif 4 氧化氢酶核心结构域 Catalase motif 5 过氧化氢酶相关的免疫应答结构域 Catalase related immune responsive motif 6 motif 7 氧化氢酶核心结构域 Catalase motif 8 氧化氢酶核心结构域 Catalase motif 9 氧化氢酶核心结构域 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 图 3 ApCATs保守基序 Figure 3 Conservative motif in ApCATs 第 11 期 韩晓文 等 空心莲子 草 ApCAT基因家族鉴定和表达模式 2893 2 4 ApCATs的表达模式分析 ApCAT1 c ApCAT2 c ApCAT3 c ApCAT12 b ApCAT14 b ApCAT16 b ApCAT17 b ApCAT18 b和 ApCAT19 c在不同处理下的表达水平普遍较高 而 其 他 ApCATs表达水平偏低或不表达 在水中和盆 栽种植的茎节组织样本中 ApCAT14 b ApCAT18 b ApCAT17 b ApCAT3 c和 ApCAT19 c的表达量先上 升 在 12 h时达到峰值后下降 而 ApCAT16 b的表 达量先下降 在 12 h降到最低后回升 此外 根系组 织在低钾胁迫下 ApCAT6 a ApCAT14 b ApCAT17 b ApCAT18 b和 ApCAT19 c的表达量下降 ApCAT4 a 和 ApCAT12 b的表达量上升 对于空心莲子草的不 同种群 除 了 ApCAT14 b在山东济南收集的 北方 种群中的表达量高于上海收集的 中央 种群外 其 余 ApCATs在两个种群中的表达水平相差不大 图5 2 5 除草剂对空心莲子草的防治效果 5种除草剂对空心莲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 氯氟吡氧乙酸在药 后 5 d时引起植株退绿 萎 蔫 停止生长 而 13 噁草酮在药 后 3 d时引起顶 端幼嫩组织坏死 其次 是 10 乙羧氟草醚 和 41 草 表 2 ApCATs蛋白质特征分析 Table 2 Characterization of Alternanthera philoxeroides ApCAT proteins 命名 Name 基因ID Gene ID 长度 Length aa 分子量 Molecular weight kDa 等电点 Isoelectric point pI 不稳定指数 Instability index 亲水性 Grand average of hydropathicity 亚细胞定位 Subcellular localization ApCAT1 c TR104330 c1 g1 i1 p1 157 18 80 9 69 47 11 1 01过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT2 c TR106268 c0 g2 i8 p1 438 50 73 6 64 38 48 0 53过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT3 c TR106268 c0 g3 i1 p1 87 9 86 4 26 40 26 0 05过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT4 a TR111001 c0 g1 i1 p1 331 37 75 6 20 34 20 0 64线粒体 过氧化物酶体Mitochondria peroxysome ApCAT5 a TR149003 c0 g1 i1 p1 202 23 27 7 82 29 19 0 71线粒体 细胞核 过氧化物酶体Mitochondria nucleus peroxysome ApCAT6 a TR153045 c0 g1 i1 p1 97 11 15 6 63 14 18 0 50叶绿体 过氧化物酶体Chloroplast peroxysome ApCAT7 a TR155693 c0 g1 i1 p1 478 53 94 7 72 19 64 0 48细胞质 线粒体 过氧化物酶体Cytoplasm mitochondria peroxysome ApCAT8 c TR171569 c0 g1 i1 p1 166 18 87 9 42 35 30 0 67过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT9 c TR20752 c0 g1 i1 p1 125 15 06 9 38 49 10 1 17过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT10 b TR213162 c0 g1 i1 p1 80 8 74 6 30 15 09 0 37过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT11 b TR213162 c0 g2 i1 p1 78 8 51 6 30 13 72 0 39过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT12 b TR238954 c0 g1 i1 p1 96 10 80 8 36 26 32 0 49过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT13 b TR255198 c0 g1 i1 p1 492 57 05 6 84 42 25 0 55过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT14 b TR269266 c0 g1 i1 p1 103 11 44 9 02 26 27 0 05细胞质 线粒体 过氧化物酶体Cytoplasm mitochondria peroxysome ApCAT15 c TR82869 c0 g1 i1 p1 234 26 61 7 73 43 02 0 68线粒体 过氧化物酶体Mitochondria peroxysome ApCAT16 b TR98226 c3 g1 i1 p1 134 15 13 7 96 30 23 0 51过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT17 b TR98226 c4 g1 i3 p1 135 15 29 7 02 28 70 0 48过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT18 b TR98226 c4 g2 i1 p3 74 8 83 8 15 28 83 0 48线粒体 过氧化物酶体Mitochondria peroxysome ApCAT19 c TR98226 c4 g3 i1 p1 219 25 69 7 03 48 47 0 72过氧化物酶体 Peroxysome ApCAT20 c TR99124 c0 g1 i1 p1 166 18 92 5 23 40 07 0 48过氧化物酶体 Peroxysome 2894 草 业 科 学 第 40 卷 甘膦 在药 后 5 7 d时引起顶端幼嫩组织失绿枯 黄 并 且 41 草甘膦在药 后 7 d时开始出现褐色枯 斑 50 异丙隆防治效果不明显 药 后 7 d后均无明 显变化 图6 2 6 ApCATs的除草剂诱导表达模式分析 挑 选 6个高水平表达 的 ApCATs基因 利 用 RT qPCR检测其 在 5种农药处理下的相对表达 量 图 7 ApCATs对5种农药处理均有响应 在氯氟吡氧乙酸处理下 2个 ApCATs的表达量 呈下降趋势 4个 ApCATs的表达量呈先升高后降低 的趋势 但 5 d时 6个 ApCATs表达量显著升高 其 中 ApCAT12 b的表达量升高最显著 是 CK的 5 5 倍 此外 6个 ApCATs在 3 d时表达量均降低 其 中ApCAT17 b最显著 仅为CK的9 图7A 在 噁 草 酮 处 理 下 ApCAT3 c ApCAT12 b和 ApCAT14 b在 3 7 d时 有 明 显 的 下 降 趋 势 ApCAT16 b ApCAT17 b和 ApCAT18 b在 1 5 d时有 明显的上升趋势 此外 在 1和 7 d时 6个 ApCATs 的表达量均下降 其 中 ApCAT18的表达量最低 分 别只有CK的0 3 和0 2 图7B 在乙羧氟草醚处理下 5个 ApCATs呈先升高后 下降再升高的趋势 4个 ApCATs在 3 d时表达量显 著降低 其 中 ApCAT14 b的表达量最低 仅 为 CK的 0 8 而 ApCAT17 b在 1 d时表达量最低 为 CK的 19 此 外 ApCAT18 b在 0 5 d时表达量升高 最显著 是 CK的 1 9倍 随后 在 1 d时下降并稳定 在CK的78 94 图7C 草甘膦处理下 6个 ApCATs基因的相对表达量 呈下降趋 势 图 7A 其 中 ApCAT14 b ApCAT17 b 和 ApCAT18 b表达量降低最为明显 分别下降 至 CK的 19 9 和 17 ApCAT3 c和 ApCAT12 b 在 3和 7 d时表达量高 于 CK 最高达 到 1 5倍 图 7D 异丙隆处理下 处 理 1 d时 ApCAT12 b表达量 与 CK相比上 升 3 1倍 其 余 5个 ApCATs均低 于 CK 其 中 ApCAT18最低 仅 为 CK的 0 4 此 外 图 4 使用SWISS MODEL生成的ApCATs的3D模型预测 Figure 4 Predicted three dimensional models of ApCATs generated by using SWISS MODEL 第 11 期 韩晓文 等 空心莲子 草 ApCAT基因家族鉴定和表达模式 2895 ApCAT12在 0 7 d时表达量均较高 是 CK的 1 7 4 2倍 而 ApCAT14 b ApCAT16 b和 ApCAT18 b表 达量持续下降 尤其 是 ApCAT16 b在处 理 1 d后均 不足CK的15 图7E 3 讨论 空心莲子草 在 2003年被列入 中国第一批外来 入侵物种名单 具有极强表型可塑性和入侵性 对 我国生态系统和社会经济造成恶劣的影响 已有研 究表 明 CAT在空心莲子草响应锌 铜等重金属胁 迫 26 28 和涝渍胁迫 29 中发挥调控作用 同时 CAT 在植物响应除草剂中发挥重要作用 30 33 而 CAT在 空心莲子草响应除草剂中的作用尚未研究 因此 开展基因组水平空心莲子 草 ApCATs基因的系统鉴 定和分析 了解其表达模式 尤其揭示其响应除草 剂的诱导表达特征 可为开 展 ApCATs逆境胁迫响 应功能研究奠定基础 也为空心莲子草的有效防治 提供指导 本研究从空心莲子草全基因组中鉴定 了 20个 ApCAT基因家族成 员 ApCAT1 ApCAT20 其成员 数量高于拟南 芥 3个 13 水 稻 3个 11 小 麦 10个 5 和甘蓝型油 菜 14个 17 其 中 ApCAT编 码的蛋白质长度 为 74 492 aa 表 2 其蛋白长度差 异较大且相对于其他物种来说长度较短 例如在油 菜中 17 BnCATs长度 为 477 BnCAT13 1 040 aa BnCAT10 在 小 麦 中 5 TaCATs长 度 为 290 TaCAT3 A2 494 aa TaCAT2 A 而水稻 11 和大 豆 34 中 所有 的 CAT长度均 为 492 aa 通过保守基 序分析发现 ApCAT基因含 有 10个 motif 其 中 motif1到 motif5 motif7到 motif9均注释为过氧化氢 酶功能结构域 此外结合系统发育分析发现 处于 同一亚组 的 ApCAT含有越相似的基因结构 和 motif 但个别家族成员 的 motif数量存在一定的差 别 推测该现象是因 为 ApCAT在进化过程中丢失 图 5 不同组织和处理的ApCATs表达热图 Figure 5 Heat map of ApCATs in different tissues and under different treatments 图例中不同的颜色代表不同大小的log2 FPKM 1 值 红色代表的log2 FPKM 1 值最大 蓝色最小 Upland 陆地中采集的空心莲 子草样本 Pond 池塘中采集的空心莲子草样本 CK 根部对照 Low K 根部低钾胁迫 Pond CK到Pond 288h 水中种植的茎节组 织样本 Up CK到Up 288h 盆栽种植的茎节组织样本 JN 山东济南收集的 北方 种群 上部第1 3对叶片组织样本 SH 上海收 集的 中央 种群 上部第1 3对叶片组织样本 Different colors in the legend represent different log2 FPKM 1 values red and b