麦类作物学报 2021,41(10):1181-1188
J o u r n a l o fT r i t i c e a eC r o p
s d o i :10.7606/j刺杀希特勒
.i s s n .1009-1041.2021.10.01网络出版时间:2021-10-13
网络出版地址:h t t p
s ://k n s .c n k i .n e t /k c m s /d e t a i l /61.1359.S .20211012.1736.006.h t m l 小麦B E S 1基因家族的比较基因组学分析
收稿日期:2021-01-22 修回日期:2021-04-27
基金项目：国家重点研发计划项目(2017Y F D 0301101
)第一作者E -m a i l :n x y j y
m@h e n a u .e d u .c n 通讯作者：李磊(E -m a i l :l i l e i @h e n a u .e d u .c n
)姜玉梅1,2，姜如云1，李俊畅1，杨进威1，牛吉山1,2，李磊1,2
空间照片(1.河南农业大学农学院，河南郑州450046;2.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南郑州450046
)摘 要:B E S 1基因是植物体内一类重要的转录因子㊂本研究利用基因组测序数据,
在小麦基因组中鉴定到20个B E S 1基因家族成员，它们分布在14条染色体上㊂为进一步研究B E S 1基因在小麦以及其他禾本科作物(水稻㊁玉米㊁高梁㊁谷子和大麦)中的功能和进化关系，对小麦等6种禾本科作物以及十字花科模式植物拟南芥的B E S 1基因家族进行系统发育关系㊁结构特性和共线性关系分析，结果发现，系统发育分析将该家族成员分为G r o u p A ㊁G r o u p B ㊁G r o u p C 和G r o u p D 四类，大部分小麦B E S 1基因集中在G r o u p A ;
大部分小麦B E S 1基因家族成员有2个外显子，最多有10个外显子；小麦与水稻B E S 1基因之间存在更多的共线性关系㊂此外，在小麦根和穗中还鉴定到3个具有较高表达水平的B E S 1基因(T a B E S 1-3A -2㊁T a B E S 1-3B -2和T a B E S 1-3D -2)，表明B E S 1基因在小麦生长发育过程中发挥着重要作用㊂
关键词：小麦;B E S 1基因家族;
系统进化；共线性；表达分析中图分类号:S 512.1;S 330 文献标识码:A 文章编号:1009-1041(2021)10-1181-08
C o m p a r a t i v eG e n o m i c sA n a l y s i s o fW h e a t B E S 1G e n eF a m i l y
J I A N GY u m e i 1,
2,J I A N GR u y u n 1,L I J u n c h a n g 1,
Y A N GJ i n w e i 1,N I UJ i s h a n 1,
2,L IL e i 1,
2(1.C o l l e g e o fA g r o n o m y ,H e n a nA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y ,Z h e n g
z h o u ,H e n a n450046,C h i n a ;2.N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o rW h e a t ,H e n a nA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y ,Z h e n g
z h o u ,H e n a n450046,C h i n a )A b s t r a c t :B E S 1g e n e i s a n i m p o r t a n t t r a n s c r i p t i o n f a c t o r i n p l a n t s .I nt h i s s t u d y
,a t o t a l o f 20B E S 1g e n e f a m i l y m
e m b e r sw e r e i d e n t i
f i e d i nt h ew h e a t
g e n o m e ,d i s t r i b u t e do n14c
h r o m o s o m e sb a s e do n g e n o m e s e q u e n c
i n g d a t a .I no r d e r t o f u r t h e r s t u d y t h e f u n c t i o na n de v o l u t i o n a r y r e l a t i o n s h i p o f B E S 1g e n e i nw h e a t a n do t h e r g r a m i n e o u s c r o p s ,p h y l o g e n e t i c t r e e ,s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s a n dc o l l i n e a r i t y
a n a l y s i sw e r e c o n d u c t e d f o r t h e B E S 1g e n e f a m i l y f r o ms i x g r a s s c r o p s (T r i t i c u ma e s t i v u m L .,O r y
z a s a t i v a L .,Z e a m a y s L .,S o r g h u mb i c o l o r (L .)M o e n c h ,S e t a r i ai t a l i c a L .,H o r d e u m v u l g a r e L .)a n d a c r u c i f e r a e p l a n t A r a b i d o p
s i s t h a l i a n a .T h e B E S 1g e n e f a m i l y m e m b e r sw e r ed i v i d e d i n t o f o u r g r o u p s a c c o r d i n g t o p h y l o g e n e t i c a n a l y s i s ,n a m e dG r o u p A ,G r o u p B ,G r o u p Ca n dG r o u p D ,
a n dm o s t w h e a t B E S 1g e n e s
b e l o n g e dt oG r o u p A ;A n d m o s tw h e a t B E S 1g e n e f a m i l y m e m b e r s
c o n t a i n2e x -o n s ,w i t ham a x i m u mo f 10e x o n s .C o l l i n e a r i t y a n a l y
s i s s h o w e d t h a t B E S 1g e n e sw e r em o r e c o l l i n e a r i -t y r
e l a t i o n s b e t w e e nw h e a t a n dr i c e .T h r e e B E S 1g e n e s (T a B E S 1-3A -2,T a B E S 1-3B -2a n d T a B E S 1-3D -2)w e r e i d e n t i
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i m p o r t a n t r o l e i nw h e a t g r o w t ha n dd e v e l o p
m e n t .K e y w o r d s :T r i t i c u m a e s t i v u m L ;B E S 1g e n ef a m i l y ;P h y l o g e n e t i ct r e e ;C o l l i n e a r i t y ;E x p r e s s i o n a n a l y
s i s
B E S1基因家族是植物特有的调节油菜素内酯(b r a s s i n o s t e r o i d s,B R s)信号通路的重要转录因子，可通过调节B R s信号传导的代谢通路发挥作用[1-3]㊂研究表明,B R s是一种重要的植物内源激素，影响多种生物学进程，比如植物茎的伸长㊁叶片发育㊁花粉管生长㊁木质部分化㊁衰老㊁光形态发生㊁胁迫响应等[4]，其在生长发育以及胁迫应答过程中的生理活性远高于其他植物激素[5]㊂S a h-n i等[6]研究发现,B E S1主要通过激活下游基因的转录，调控B R s靶基因的表达，最终调控植物的生长发育和抗逆能力㊂Y a n g等[7]研究发现，在拟南芥中,B E S1通过调节B R s的生物合成，抑制防御素和硫苷生物合成基因的表达，对植物防御反应起促进作用㊂B E S1在B R s信号通路中上调表达，不仅可以调控靶基因的表达并促进茎的伸长[1]，还可以抑制黄酮类化合物的生物合成，使植物能够及时从生长状态转换为响应紫外线胁迫的状态[8]㊂小麦(T r i t i c u ma e s t i v u m L.)是一种重要的粮食作物，其生长由于B R s的保护，可免受各种逆境胁迫的冲击，包括低温㊁高温㊁盐度㊁干旱㊁组织损伤㊁病原体入侵㊁昆虫攻击等[9-12]㊂截止目前,B E S1基因家族已经在拟南芥[13]㊁油菜[14]㊁棉花[15]㊁玉米[16]㊁番茄[17]㊁茶树[18]等作物中得到鉴定，但对禾本科作物中B E S1基因家族的鉴定还相对较少㊂因此，研究B E S1基因家族成员在小麦中的功能就显得更为重要㊂
近年来，小麦以及其他禾本科作物的基因组序列陆续发布，为进一步研究B E S1基因在小麦以及其他禾本科作物中的功能和进化关系奠定了基础㊂本研究对小麦等6种禾本科作物和十字花科模式植物拟南芥在系统发育㊁基因结构和共线性关系等方面进行了全基因组比较分析，同时进一步探讨了小麦B
E S1基因家族成员在小麦不同组织(器官)的表达模式，以期为进一步探索B E S1基因家族成员的功能及其进化情况奠定基础㊂
1材料与方法
1.1B E S1基因家族的鉴定
女秘书条件从植物参考基因组数据库E n s e m b lP l a n t s (h t t p://p l a n t s.e n s e m b l.o r g/)下载小麦㊁大麦㊁水稻㊁玉米㊁高粱㊁谷子(6种常见的禾本科作物)以及拟南芥(十字花科模式植物)的基因组数据，包括基因组序列文件和蛋白序列文件㊂通过P f a m网站(h t t p://p f a m.x f a m.o r g/)下载B E S1蛋白保守结构域(P F05687)的隐马尔可夫模型，利用HMM E R网站(h t t p s://w w w.e b i.a c.u k/ T o o l s/h mm e r/)进行序列比对，阈值设置为1ˑ10-5，每条序列保留其对应的最长转录本序列作为最终结果，删除冗余蛋白序列，获得各个物种的B E S1家族成员㊂对得到的B E S1家族成员用S MA R T网站(h t t p://s m a r t.e m b l.d e/i n d e x2.
c g i)进行蛋白保守结构域的鉴定确认，对验证通过的小麦B E S1家族成员利用E x p a s y网站(h t-t p s://w e b.e x p a s y.o r g/c o m p u t e_p i/)对其氨基酸序列的分子质量㊁等电点等理化性质进行分析㊂1.2系统发育分析
利用M E G A7.0软件[19]内置的C l u a t a l W 工具对小麦㊁大麦㊁水稻㊁玉米㊁高粱和谷子B E S1基因家族成员的氨基酸序列进行比对分析㊂使用邻近法(n e i g h b o r-j o i n i n g)构建系统发育树,b o o t-s t r a p参数为1000㊂得到的进化树利用i T O L网站(h t t p s://i t o l.e m b l.d e/)进行美化㊂
1.3基因结构分析
从S MA R T网站获得小麦B E S1基因家族成员的蛋白保守结构域的位置信息㊂从基因组注释文件中提取小麦B E S1基因家族成员的内含子㊁外显子㊁染色体位置等信息㊂利用T B t o o l s软件[20]进行氨基酸序列保守结构域和对应核酸序列基因结构的可视化㊂
1.4染色体定位和共线性分析
根据下载的小麦基因组数据库中的物理位置信息，利用R语言包C i r c o s将所有B E S1家族成员的基因定位到小麦染色体上㊂采用多重共线性扫描工具M C S c a nX对基因重复事件进行分析，用T B t o o l s软件内置的M u l t i p l eS y s t e n y P l o t绘图工具进行物种间共线性分析㊂
1.5小麦B E S1基因家族的表达分析
从小麦基因表达谱网站W h e a tE x p r e s s i o n B r o w s e r(h t t p://w w w.w h e a t-e x p r e s s i o n.
c o m/)获取B E S1家族成员在小麦不同组织(器官)中的表达量数据，基因表达水平以T P M (t r a n s c r i p t s p e rm i l l i o n)为单位，利用T B t o o l s软件绘制表达量热图㊂
2结果与分析
2.1小麦和6个代表性植物B E S1基因家族成员的鉴定结果
什么什么若狂利用从P f a m数据库中下载得到的隐马尔可
㊃2811㊃麦类作物学报第41卷
夫模型，对小麦基因组数据进行序列比对，以e-v a l u e<1ˑ10-5作为筛选标准，在小麦中共鉴定到20个B E S1基因家族成员，按照小麦B E S1基因家族成员在染色体上的位置信息对其进行命名(表1)㊂除T a B E S1-U位于未知染色体外，其他家族成员分布在14条染色体上㊂小麦B E S1基因家族成员编码蛋白氨基酸长度为178~686a a，分子量为19.27~75.48k D a，等电点为5.4~9.4㊂在水稻㊁玉米㊁高粱㊁谷子㊁大麦和拟南芥中分别鉴定到6㊁11㊁10㊁11㊁9和8个B E S1基因家族成员㊂可以看出，水稻的B E S1基因家族成员数最少，小麦的最多㊂
表1小麦B E S1基因家族成员T a b l e1B E S1g e n e f a m i l y i nw h e a t
基因名
G e n e n a m e转录名
A c c e s s i o nN o.染色体
C h r o m o s o m e物理位置
P h y s i c a l p o s i t i o n
蛋白质预测P r o t e i n p r e d i c t i o n
氨基酸
A m i n o
a c i d/a a
分子量
M o l e c u l a r
岩崎峰子
m a s s/k D a
等电点
p I
T a B E S1-2A T r a e s C S2A02G187800.12A150123158-15012498231333.688.26 T a B E S1-2B T r a e s C S2B02G219300.12B209436541-20943829331333.618.26 T a B E S1-2D T r a e s C S2D02G199900.12D151325675-15132727831333.638.26 T a B E S1-3A-1T r a e s C S3A02G123500.13A99587987-9958864118519.979.26 T a B E S1-3A-2T r a e s C S3A02G139000.13A116518694-11652147435637.418.82 T a B E S1-3B-1T r a e s C S3B02G142600.13B130257382-13025848418219.769.18 T a B E S1-3B-2T r a e s C S3B02G156600.13B149453513-14945618235437.288.82 T a B E S1-3D-1T r a e s C S3D02G125100.13D83703140-8370603517819.279.40 T a B E S1-3D-2T r a e s C S3D02G139300.13D98871655-9887485235837.518.82 T a B E S1-4B T r a e s C S4B02G009900.14B6145862-615010355162.345.40 T a B E S1-4D T r a e s C S4D02G006100.14D3396041-340009068675.475.42 T a B E S1-6A-1T r a e s C S6A02G085800.26A54114528-5412032565373.236.01 T a B E S1-6A-2T r a e s C S6A02G338000.16A571795464-57179851234736.428.79 T a B E S1-6B-1T r a e s C S6B02G116400.46B101917058-10192254867275.486.61 T a B E S1-6B-2T r a e s C S6B02G3687
00.16B642915733-64291868735637.728.97 T a B E S1-6D T r a e s C S6D02G318800.16D427088164-42709159234836.458.62 T a B E S1-7A T r a e s C S7A02G354800.17A519130893-51913431635937.858.13 T a B E S1-7B T r a e s C S7B02G272900.17B500729832-50073299635937.868.13 T a B E S1-7D T r a e s C S7D02G368000.17D476686048-47669014935937.818.13 T a B E S1-U T r a e s C S U02G078100.3U70282885-7029069765373.096.01
2.2小麦和6个代表性植物B E S1基因家族的系统发育分析
为了研究小麦㊁水稻㊁玉米㊁高粱㊁谷子㊁大麦和拟南芥中B E S1基因的进化关系，利用这7个物种B E S1家族基因的蛋白序列构建系统发育树㊂根据C l u s t a l W比对结果，去掉进化距离较远的一个谷子基因K Q L10972，对其他74个B E S1基因家族成员利用M E G A7.0软件构建系统发育树(图1)，根据拟南芥B E S1家族成员的分类，同时结合不同禾本科作物的进化关系，将74个B E S1基因家族成员划分为G r o u p A㊁G r o u p B㊁G r o u p C㊁G r o u p D四大类，分别包含31㊁11㊁26和6个家族成员㊂小麦和6个代表性植物B E S1基因家族成员在四个大类中的分布见表2㊂
2.3B E S1基因家族的基因结构
对小麦和6个代表性植物的B E S1家族成员进行基因结构分析，结果(图2)表明，在小麦中, B E S1基
因家族成员外显子数目差异较大，大部分有2个外显子，最多有10个㊂整体来说，不同物种的外显子和内含子的结构与进化树分组有较好的对应关系，如G r o u p A㊁G r o u p B和G r o u p D中的B E S1基因一般含有2个外显子，而G r o u p C
㊃3811㊃
第10期姜玉梅等：小麦B E S1基因家族的比较基因组学分析漂动
图1 小麦和6个代表性植物B E S 1的系统发育树
F i g .1 P h y l o g e n e t i c t r e e o fB E S 1i nw h e a t a n d t h e s i x r e p
r e s e n t a t i v e p l a n t s 中除两个大麦B E S 1基因外，其他B E S 1基因家族成员均含有较多的外显子㊂
2.4 小麦和其他6个代表性植物的共线性分析
对小麦和其他6个代表性植物进行共线性分析，结果(图3)表明，小麦和拟南芥基因组中仅有
3个T a B E S 1基因存在共线性关系,
小麦和水稻㊁玉米㊁高粱㊁谷子㊁大麦的共线性基因对数目分别为25㊁16㊁15㊁10㊁11,
说明小麦和水稻基因组拥有的共线性基因对数目最多㊂T a B E S 1-3A -1
㊁T a B E S 1-3B -1和T a B E S 1-3D -1同时存在于小麦与
thefts拟南芥㊁水稻㊁玉米㊁高梁㊁谷子和大麦这6个物种
的共线性基因对中，表明这3个基因可能在单子叶植物和双子叶植物中普遍存在，形成于物种分化之前，拥有更长的进化时间㊂
表2 B E S 1基因家族成员在系统发育树的分布情况
T a b l e 2 D i s t r i b u t i o no f B E S 1g e n e f a m i l y m e m b e r s i n p h y l o g
e n e t i c t r e e 物种S p e c i e s G r o u p A
G r o u p B
G r o u p C
G r o u p D
总计T o t a l
小麦W h e a t 965020水稻R i c e 41106
玉米M a i z e
413311高粱S o r g h u m 313310谷子M i l l e t 307010大麦B a r l e y 22509拟南芥A r a b i d o p
s i s 6
2
08总计T o t a l
3111266
74
㊃4811㊃麦 类 作 物 学 报 第41卷
图2小麦和6个代表性植物B E S1基因家族成员的基因结构分析
F i g.2
G e n e s t r u c t u r e a n a l y s i s o f B E S1g e n e f a m i l y m e m b e r s i nw h e a t a n d t h e s i x r e p r e s e n t a t i v e p l a n t s
2.5T a B E S1基因在不同组织中的表达模式
曹一楠对20个T a B E S1基因家族成员的表达模式进行分析，结果(图4)表明,T a B E S1基因在不同组织中的表达模式差异明显㊂T a B E S1-2A㊁T a B E S1-2B㊁T a B E S1-2D㊁T a B E S1-3A-2㊁T a B E S1-3B-2和T a B E S1-3D-2这6个基因在穗部(特别是雄蕊中)表达量明显较高㊂T a B E S1-7A㊁T a B E S1-7B和T a B E S1-7D这3个基因在根部表达量较高㊂有8个T a B E S1基因(T a B E S1-3A-1㊁T a B E S1-3B-1㊁T a B E S1-3D-1㊁T a B E S1-6A-1㊁T a B E S1-6A-2㊁T a B E S1-6B-1㊁T a B E S1-6B-2和T a B E S1-6D)在各个组织(器官)表达量均很低或不表达㊂综上，小麦B E S1基因在不同组织(器官)中发挥的功能可能存在差异，部分基因的表达呈现出组织特异性㊂3讨论
小麦是典型的异源六倍体，其基因组在所有禾本科作物中最为庞大，约为水稻基因组的40倍[21]㊂本研究共鉴定到20个小麦B E S1基因家族成员，在数量上超过了水稻㊁玉米㊁高粱㊁谷子㊁大麦等其他禾本科作物㊂普通小麦是具有
A A
B B D D基因组的异源六倍体，这可能是小麦中
B E S1基因大量存在的一个关键原因，相比其他禾本科作物，小麦B E S1基因经历了更长的进化时间㊂在系统发育树中，相同亚家族中大部分B E S1基因有着相似的基因结构，表明结构相似的B E S1基因有着相似的进化历史和基因功能[22-23]㊂共线性分析显示，小麦B E S1基因与拟南芥的共线性最低，
但是与其他禾本科作物的共线性关系
㊃5811㊃
第10期姜玉梅等：小麦B E S1基因家族的比较基因组学分析
