紫花苜蓿CAX基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应分析

doi:10.11686/cyxb2021471

草业学报 ›› 2022, Vol. 31 ›› Issue (12): 106-117.DOI: 10.11686/cyxb2021471

紫花苜蓿CAX基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应分析

张国香(), 郭卫冷(), 毕铭钰, 张力爽, 王丹, 郭长虹()

黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室，哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150000

收稿日期:2021-12-14 修回日期:2022-01-27 出版日期:2022-12-20 发布日期:2022-10-17
通讯作者: 郭长虹
作者简介:E-mail： kaku3008@126.com
张国香（1995-），女，内蒙古兴安盟人，在读硕士。E-mail： 2231484016@qq.com
郭卫冷（2000-），女，河南焦作人，在读硕士。E-mail： 18860362610@163.com。第一联系人：共同第一作者These authors contributed equally to this work.
基金资助:
国家自然科学基金项目(31770575);黑龙江省自然科学基金优青项目(YQ2020C033);哈尔滨师范大学研究生创新基金(HSDSSCX2021-04)

Identification of CAX gene family and expression profile analysis of response to abiotic stress in alfalfa

Guo-xiang ZHANG(), Wei-leng GUO(), Ming-yu BI, Li-shuang ZHANG, Dan WANG, Chang-hong GUO()

Key Laboratory of Molecular Cytogenetics and Genetic Breeding of Heilongjiang Province，College of Life Science and Technology，Harbin Normal University，Harbin 150000，China

Received:2021-12-14 Revised:2022-01-27 Online:2022-12-20 Published:2022-10-17
Contact: Chang-hong GUO

摘要/Abstract

摘要：

Ca²⁺/H⁺反向转运蛋白（CAX）是一类重要的跨膜转运蛋白，在调控植物Ca²⁺平衡、抵抗非生物胁迫和转运重金属离子等方面具有重要作用。利用生物信息学方法在全基因组水平对紫花苜蓿CAX基因家族进行了鉴定，并对其理化性质、结构特征、系统进化关系、顺式作用元件、染色体定位等进行了分析。结果表明，在紫花苜蓿全基因组中共筛选鉴定出15个MsCAX基因，分布于紫花苜蓿15条染色体上，发生22对基因片段重复事件，编码367~460个氨基酸，等电点为5.2~6.5，且均表现为疏水性蛋白。系统进化关系分析结果表明，MsCAXs分为2个亚家族，同一亚家族成员具有相似的基因结构、保守基序和跨膜结构域数量。MsCAXs启动子区域存在光响应性、激素反应性和胁迫响应元件。利用qRT-PCR分析了6个MsCAXs基因在非生物胁迫下的表达模式，结果表明，在干旱和低温胁迫下，6个MsCAX基因均显著下调表达，在盐和盐碱胁迫下，3个MsCAX基因上调表达。说明在不同的非生物胁迫下，MsCAXs基因表现出不同的表达模式。研究结果为进一步探索紫花苜蓿CAX基因家族的功能提供了参考。

关键词: 紫花苜蓿, CAX基因家族, 全基因组, 非生物胁迫, 基因表达

Abstract:

Ca²⁺/H⁺ reverse transporter proteins （CAX） are an important group of transmembrane transporters， which plays important roles in regulating Ca²⁺ balance， resisting abiotic stresses and transporting heavy metal ions in plants. Using bioinformatics methods， we performed a genome-wide identification of CAX gene family occurrence in alfalfa. In this work， the physicochemical properties， structural characteristics， phylogenetic relationships， cis-acting elements and chromosome locations of CAX gene family members were analyzed. Fifteen MsCAX genes were identified and these were distributed on 15 alfalfa chromosomes with 22 pairs of segmental duplication events. Further analysis showed that they encoded 367-460 amino acids with isoelectric points ranging from pH 5.2 to 6.5. All of them were hydrophobic proteins. Phylogenetic analysis showed that MsCAXs were divided into two subfamilies， and members of the same subfamily had similar genetic structures， conserved motifs， and the number of transmembrane domains. The promoter region of MsCAXs contained the light， hormone and stress-responsive elements. The expression patterns of six MsCAXs genes in response to abiotic stress were analyzed by qRT-PCR. It was found that all six MsCAX genes were significantly down-regulated under drought and low temperature stress， and three MsCAX genes were up-regulated under salt and saline-alkali stress. These results indicate that MsCAX gene has different expression patterns under different abiotic stresses. The results provide a reference for further exploration of the functions of the MsCAX gene family.

Key words: alfalfa, CAX gene family, genome-wide gene identification, abiotic stress, gene expression

张国香, 郭卫冷, 毕铭钰, 张力爽, 王丹, 郭长虹. 紫花苜蓿CAX基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应分析[J]. 草业学报, 2022, 31(12): 106-117.

Guo-xiang ZHANG, Wei-leng GUO, Ming-yu BI, Li-shuang ZHANG, Dan WANG, Chang-hong GUO. Identification of CAX gene family and expression profile analysis of response to abiotic stress in alfalfa[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(12): 106-117.

图/表 10

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基因Gene	正向引物Forward primer （5′-3′）	反向引物Reverse primer （5′-3′）
MsCAX1	TTGTTGTTGATGGCTGTAATGG	CAAGTTCTTCCTCCTCGTCAG
MsCAX2	GTTGTTGATGGCTGTAATGGG	CCTCGTCAGAGTTTTCACTTGTA
MsCAX3	TTGGGAAGTCCGTCTTATCTC	GACAACACTGATACCCATACCG
MsCAX11	GACAGAAAACAGGCAGATGTAAAT	AATGTCATACCCACCAACCA
MsCAX12	ATGAGGCAGAAGAAGAGGCT	GCGAAAATGATTGCTCCTG
MsCAX15	ATGTGCTTCGCTTAGGGTC	CATTAAGAAGTCCTCCAACTGTAG
MsGAPDH	ACGAGCGTTTCAGATG	ACCTCCGATCCAGACA

基因Gene	正向引物Forward primer （5′-3′）	反向引物Reverse primer （5′-3′）
MsCAX1	TTGTTGTTGATGGCTGTAATGG	CAAGTTCTTCCTCCTCGTCAG
MsCAX2	GTTGTTGATGGCTGTAATGGG	CCTCGTCAGAGTTTTCACTTGTA
MsCAX3	TTGGGAAGTCCGTCTTATCTC	GACAACACTGATACCCATACCG
MsCAX11	GACAGAAAACAGGCAGATGTAAAT	AATGTCATACCCACCAACCA
MsCAX12	ATGAGGCAGAAGAAGAGGCT	GCGAAAATGATTGCTCCTG
MsCAX15	ATGTGCTTCGCTTAGGGTC	CATTAAGAAGTCCTCCAACTGTAG
MsGAPDH	ACGAGCGTTTCAGATG	ACCTCCGATCCAGACA

基因登录号 Gene ID	基因名 Gene name	氨基酸长度 Amino acid length （aa）	等电点 PI	分子量 Molecular weight （kDa）	不稳定指数 Instability index	疏水性指数 GRAVY	脂肪指数 Aliphatic index	跨膜结构数目 No. of transmembrane domains
MS.gene99860	MsCAX1	460	5.52	49.87385	44.42	0.516	104.72	11
MS.gene83511	MsCAX2	446	5.41	48.36603	44.32	0.544	105.81	11
MS.gene067498	MsCAX3	464	5.62	50.36244	44.47	0.511	104.44	11
MS.gene70485	MsCAX4	407	5.20	44.38009	37.15	0.562	120.69	9
MS.gene044358	MsCAX5	367	5.50	39.90768	34.51	0.483	120.84	8
MS.gene044315	MsCAX6	442	5.21	48.20153	34.66	0.570	117.08	9
MS.gene057847	MsCAX7	457	5.36	50.22957	29.72	0.524	116.56	10
MS.gene43800	MsCAX8	434	6.50	47.51891	31.02	0.609	121.98	10
MS.gene44897	MsCAX9	434	6.50	47.54693	30.85	0.608	121.98	10
MS.gene009878	MsCAX10	434	6.50	47.50088	31.46	0.615	122.88	10
MS.gene88788	MsCAX11	420	6.30	45.83903	28.84	0.656	126.98	10
MS.gene84200	MsCAX12	455	5.74	49.23152	37.33	0.580	123.25	11
MS.gene77339	MsCAX13	455	5.74	49.23355	38.06	0.582	122.62	11
MS.gene92638	MsCAX14	455	5.74	49.23355	38.06	0.582	122.62	11
MS.gene78431	MsCAX15	455	5.74	49.22955	36.91	0.586	123.47	11

基因登录号 Gene ID	基因名 Gene name	氨基酸长度 Amino acid length （aa）	等电点 PI	分子量 Molecular weight （kDa）	不稳定指数 Instability index	疏水性指数 GRAVY	脂肪指数 Aliphatic index	跨膜结构数目 No. of transmembrane domains
MS.gene99860	MsCAX1	460	5.52	49.87385	44.42	0.516	104.72	11
MS.gene83511	MsCAX2	446	5.41	48.36603	44.32	0.544	105.81	11
MS.gene067498	MsCAX3	464	5.62	50.36244	44.47	0.511	104.44	11
MS.gene70485	MsCAX4	407	5.20	44.38009	37.15	0.562	120.69	9
MS.gene044358	MsCAX5	367	5.50	39.90768	34.51	0.483	120.84	8
MS.gene044315	MsCAX6	442	5.21	48.20153	34.66	0.570	117.08	9
MS.gene057847	MsCAX7	457	5.36	50.22957	29.72	0.524	116.56	10
MS.gene43800	MsCAX8	434	6.50	47.51891	31.02	0.609	121.98	10
MS.gene44897	MsCAX9	434	6.50	47.54693	30.85	0.608	121.98	10
MS.gene009878	MsCAX10	434	6.50	47.50088	31.46	0.615	122.88	10
MS.gene88788	MsCAX11	420	6.30	45.83903	28.84	0.656	126.98	10
MS.gene84200	MsCAX12	455	5.74	49.23152	37.33	0.580	123.25	11
MS.gene77339	MsCAX13	455	5.74	49.23355	38.06	0.582	122.62	11
MS.gene92638	MsCAX14	455	5.74	49.23355	38.06	0.582	122.62	11
MS.gene78431	MsCAX15	455	5.74	49.22955	36.91	0.586	123.47	11

蛋白质 Protein	α-螺旋 α-helix	β-转角 β-turn	无规则卷曲 Random coli	延伸链 Extended strand	蛋白质 Protein	α-螺旋 α-helix	β-转角 β-turn	无规则卷曲 Random coli	延伸链 Extended strand
MsCAX1	50.43	2.61	33.48	13.48	MsCAX9	52.30	2.53	29.95	15.21
MsCAX2	50.45	2.69	31.84	15.02	MsCAX10	55.30	3.23	27.42	14.06
MsCAX3	48.71	2.59	33.84	14.87	MsCAX11	52.29	3.57	27.39	14.76
MsCAX4	56.02	3.19	25.80	14.99	MsCAX12	48.57	2.86	30.33	18.27
MsCAX5	53.13	2.72	28.34	15.80	MsCAX13	52.53	2.20	30.99	14.29
MsCAX6	48.87	3.85	29.86	17.42	MsCAX14	51.87	2.20	31.43	14.51
MsCAX7	48.36	3.06	29.54	19.04	MsCAX15	49.45	3.08	31.21	16.26
MsCAX8	56.68	2.76	26.27	14.29

紫花苜蓿CAX基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应分析

Identification of CAX gene family and expression profile analysis of response to abiotic stress in alfalfa

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