紫花苜蓿CAMTA基因家族鉴定及其在非生物胁迫下的表达模式分析

doi:10.11686/cyxb2023240

摘要/Abstract

摘要：

钙调蛋白结合转录激活因子（CAMTA）是一类重要的钙调素结合蛋白，在激素信号转导、发育调控和环境胁迫耐受中发挥着重要作用。本研究采用生物信息学技术，基于紫花苜蓿“新疆大叶”参考基因组，对紫花苜蓿中CAMTA家族成员进行鉴定，并对这些基因的理化性质、系统发育树、保守结构域、染色体上位置、顺式作用元件、转录表达谱进行分析和验证。结果表明，共鉴定出17个MsCAMTA基因，MsCAMTA家族成员可划分为3个亚家族，亚家族成员在基因结构、保守基序位置上较为相似。染色体定位结果显示，MsCAMTA家族成员不均匀地分布在7条染色体上。启动子区具有大量响应低温、盐胁迫及植物激素信号相关的顺式作用元件。此外，采用RT-qPCR对盐（300 mmol·L^-1 NaCl）、模拟干旱（400 mmol·L^-1 甘露醇）、低温（10 ℃）和脱落酸（100 μmol·L^-1）处理下紫花苜蓿叶片中MsCAMTA1、MsCAMTA3、MsCAMTA11和MsCAMTA12的表达模式进行了初步研究。结果表明，4个MsCAMTA候选基因在各胁迫处理下均有一定程度的响应，且在盐胁迫下的表达量都呈上调趋势，表明MsCAMTA基因可能通过整合多种逆境应激信号，参与紫花苜蓿响应各非生物胁迫的应答过程。本研究结果将为进一步探索MsCAMTA基因在植物应对逆境胁迫中的功能提供参考。

关键词: 紫花苜蓿, CAMTA基因, 生物信息学分析, 基因表达

Abstract:

Calmodulin-binding transcription activating factors （CAMTA） are calmodulin-binding proteins that play important roles in hormone signal transduction， developmental regulation， and environmental stress tolerance. In this study， bioinformatic methods were used to identify members of the CAMTA family in alfalfa （Medicago sativa） based on the reference genome of M. sativa “XinjiangDaye”. A phylogenetic analysis was conducted to evaluate relationships among the MsCAMTA genes. The physicochemical properties and conserved domains of the putative proteins were determined. The chromosomal positions of MsCAMTA genes were mapped， and cis-acting elements were identified in their promoter regions. The transcriptional profiles of MsCAMTA genes under various stress conditions were analyzed and validated. Seventeen MsCAMTA genes were identified， and the MsCAMTA family members grouped into three subfamilies in the phylogenetic analysis. Members of the same subfamily had relatively similar gene structures and positions of conserved motifs. The chromosomal localization results showed that members of the MsCAMTA family were unevenly distributed on seven chromosomes. A large number of cis-acting elements that respond to low temperature， salt stress， and plant hormone signals were identified in the promoter regions of these genes. We conducted RT-qPCR analyses to determine the transcript levels of MsCAMTA1， MsCAMTA3， MsCAMTA11， and MsCAMTA12 in alfalfa leaves under salt （300 mmol·L^-1 NaCl）， simulated drought （400 mmol·L^-1 mannitol）， low temperature （10 ℃）， and abscisic acid （100 μmol·L^-1） treatments. All four MsCAMTA candidate genes responded to various stressors to varying degrees. All four were up-regulated under salt stress. The results suggested that MsCAMTA may participate in the responses of alfalfa to various abiotic stresses by integrating multiple stress signals. The results of this study provide a reference for further studies on the functions of MsCAMTA genes in plant response to stress.

Key words: alfalfa, CAMTA gene, bioinformatics analysis, gene expression

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图/表 8

表1 RT-qPCR引物信息

Table 1 Primers used for RT-qPCR

基因Gene	正向引物Forward primer （5′-3′）	反向引物Reverse primer （5′-3′）
MsCAMTA1	GAGGAGGAAGCACGCCAG	GCGGCTGCCATTGCTTTT
MsCAMTA3	GCGGACAGTTGGCTTCCT	GCCCTTTGTGCCCATTGC
MsCAMTA11	TCTTCATTGGGCGGCGTT	AGCTAGGTCGGCTGGTGT
MsCAMTA12	TGGTGCATCTGCTGGAGC	CCAGTCCCTTATGCCCGC
MsActin	GACAATGGAACTGGAATGG	CAATACCGTGCTCAATGG

表2 紫花苜蓿CAMTA家族成员基本信息

Table 2 Basic information of CAMTA family members in M. sativa

基因名称 Gene name	基因号 Gene ID	染色体 Chromosome	不稳定指数 Instability index	疏水性指数 Grand average of hydrophobicity （GRAVY）	脂肪指数 Aliphatic index	蛋白质长度 Protein length （aa）	分子量 Molecular weight （kDa）	等电点 Isoelectric point （pI）	亚细胞定位 Subcellular localization
MsCAMTA1	MS.gene00191.t1	Chr2.1	42.00	-0.418	79.07	915	103.86	6.49	细胞核Nucleus
MsCAMTA2	MS.gene56018.t1	Chr2.3	42.52	-0.418	78.73	914	103.81	6.48	细胞核Nucleus
MsCAMTA3	MS.gene002202.t1	Chr2.3	47.33	-0.522	76.66	913	101.75	5.24	细胞核Nucleus
MsCAMTA4	MS.gene09226.t1	Chr4.1	47.88	-0.596	69.50	960	107.40	5.44	细胞核Nucleus
MsCAMTA5	MS.gene57296.t1	Chr4.1	43.64	-0.443	79.89	1745	196.21	6.12	细胞核Nucleus
MsCAMTA6	MS.gene028443.t1	Chr4.1	45.76	-0.575	70.13	1029	116.11	5.70	细胞核Nucleus
MsCAMTA7	MS.gene90181.t1	Chr4.2	45.67	-0.570	70.51	1029	116.11	5.67	细胞核Nucleus
MsCAMTA8	MS.gene030815.t1	Chr4.2	45.61	-0.619	74.79	1086	123.35	5.77	细胞核Nucleus
MsCAMTA9	MS.gene70367.t1	Chr4.3	45.59	-0.567	70.41	1029	116.08	5.73	细胞核Nucleus
MsCAMTA10	MS.gene023441.t1	Chr4.3	47.56	-0.603	69.40	960	107.42	5.44	细胞核Nucleus
MsCAMTA11	MS.gene061784.t1	Chr4.3	45.61	-0.619	74.79	1086	123.35	5.77	细胞核Nucleus
MsCAMTA12	MS.gene09019.t1	Chr4.4	47.56	-0.603	69.40	960	107.42	5.44	细胞核Nucleus
MsCAMTA13	MS.gene28071.t1	Chr4.4	44.14	-0.420	81.90	1437	161.54	6.30	叶绿体Chloroplast
MsCAMTA14	MS.gene35018.t1	Chr4.4	46.06	-0.572	70.13	1029	116.16	5.70	细胞核Nucleus
MsCAMTA15	MS.gene61520.t1	Chr8.3	39.09	-0.467	80.03	864	98.08	7.14	细胞核Nucleus
MsCAMTA16	MS.gene61521.t1	Chr8.3	40.02	-0.474	80.42	924	105.32	7.37	细胞核Nucleus
MsCAMTA17	MS.gene042294.t1	Chr8.3	39.70	-0.470	80.51	923	105.16	7.15	细胞核Nucleus

图1 基于紫花苜蓿、拟南芥和蒺藜苜蓿CAMTA氨基酸序列构建系统进化树

Fig.1 Construction of phylogenetic tree based on CAMTA amino acid sequences of M. sativa， A.thaliana and M. truncatula

图2 MsCAMTA的进化树和保守motif分布（A）、基因结构（B）和motif序列（C）字母越大，表示该位置越保守。The larger the letter， the more conservative the position is. 1~10：基序1~10 Motif 1-10.

Fig.2 The phylogenetic tree， distribution and characteristics of conserved motifs （A）， gene structure （B） and motif sequences of MsCAMTA

图3 紫花苜蓿CAMTA基因的染色体定位

Fig.3 Location of MsCAMTA genes on chromosome

图4 紫花苜蓿CAMTA家族成员启动子区域顺式作用元件STRE：胁迫响应元件Stress responsive element； ARE：厌氧响应元件Anaerobic induction responsive element； MYB： MYB结合位点MYB binding site； ABRE：脱落酸响应元件Abscisic acid responsive element； MYC： MYC结合位点MYC binding site； ERE：乙烯响应元件Ethylene responsive element.

Fig.4 Cis-regulatory element in promoter region of CAMTA family genes in alfalfa

图5 MsCAMTA基因的表达模式A：冷处理Cold treatment； B： 10 mol·L-1 ABA处理10 mol·L-1 ABA treatment； C： 250 mmol·L-1盐处理250 mmol·L-1 NaCl treatment； D： 400 mmol·L-1甘露醇处理400 mmol·L-1 mannitol treament. 表达谱中用蓝、黄、红3种颜色表示基因表达强度，红色越深说明信号越强，蓝色越深说明信号越弱，黄色代表中等水平。Three colors （blue， yellow， red） are used in the expression spectrum to indicate gene expression intensity. The darker the red color， the stronger the signal. The darker the blue color， the weaker the signal. Yellow represents a moderate level.

Fig.5 Expression patterns of MsCAMTA genes

图6 紫花苜蓿CAMTA基因家族在胁迫下的RT-qPCR表达分析A：冷处理Cold treatment； B： 100 μmol·L-1 ABA处理100 μmol·L-1 ABA treatment； C： 300 mmol·L-1盐处理300 mmol·L-1 NaCl treatment； D： 400 mmol·L-1甘露醇处理400 mmol·L-1 mannitol treament. 数据是3次生物学重复的平均值，不同小写字母表示在0.05水平存在显著性差异。The data is the average of three biological repetitions， the different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level.

Fig.6 RT-qPCR expression analysis of CAMTA gene family under abiotic stress in alfalfa

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