小麦及其祖先物种Hsp70基因家族鉴定与表达分析

doi:10.11686/cyxb2023334

摘要/Abstract

摘要：

热激蛋白70（heat shock protein 70， Hsp70）在植物发育过程以及响应生物和非生物胁迫中起着重要作用。为探究小麦Hsp70基因家族进化关系、功能以及表达模式，本研究对乌拉尔图小麦、拟斯卑尔脱山羊草、二粒小麦、粗山羊草以及普通小麦的Hsp70基因进行全面的生物信息学分析，并通过RT-qPCR方法分析其部分Hsp70基因在不同外源激素和环境胁迫条件下的表达模式。结果表明，从乌拉尔图小麦、拟斯卑尔脱山羊草、二粒小麦、粗山羊草和普通小麦5个物种中，分别鉴定出30、41、60、28和94个Hsp70基因；系统发育分析表明5个物种Hsp70家族成员分为5个亚家族组，每组成员数量不相等，其中大部分成员分布在第Ⅰ组，且同一亚家族中大多数的Hsp70成员具有相似的基因结构和保守基序；进一步综合分析5个物种Hsp70基因的染色体定位和重复事件，发现Hsp70基因在5个物种的各染色体上分布不均匀，此外从5个物种中共发现12个串联重复事件和110个片段复制事件，表明片段复制事件促进了小麦Hsp70基因家族的扩张；顺式作用元件分析表明，5个物种Hsp70基因的启动子区域存在多种光响应元件、逆境响应元件、激素响应元件以及生长发育调节元件；此外RT-qPCR结果表明，5个物种部分Hsp70基因在不同激素处理和逆境胁迫下具有不同程度的响应，在高温和干旱胁迫下，所选8个Hsp70基因均上调表达。小麦及其祖先物种Hsp70基因的鉴定及其进化过程为进一步研究Hsp70基因在小麦生长发育过程中的功能以及在逆境胁迫下的响应机制提供理论基础。

关键词: 小麦, Hsp70基因家族, 生物信息学分析, 表达模式

Abstract:

Heat shock protein 70 （Hsp70） exerts a crucial influence on plant development and response to biotic and abiotic stresses. In order to explore the evolutionary relationships， functions and expression patterns of the Hsp70 gene family in wheat （Triticum aestivum）， this study conducted a comprehensive bioinformatics analysis of the Hsp70 gene family in Triticum urartu， Aegilops speltoides， Triticum turgidum， Aegilops tauschii and common wheat， and the expression patterns of some Hsp70 genes under different exogenous hormones and environmental stress were analyzed by RT-qPCR. The results showed that， respectively， from the five species， 30， 41， 60， 28 and 94 Hsp70 genes were identified. Phylogenetic analysis showed that the members of the Hsp70 family in the five species were divided into 5 subfamily groups， and the number of members in each group was not equal. Most of the members are distributed in Group I， and most of the Hsp70 members in the same subfamily have similar gene structures and conserved motifs. Further comprehensive analysis of chromosome localization and repetition events of the Hsp70 gene in the five species revealed that the Hsp70 gene was unevenly distributed on each of the chromosomes， and a total of 12 tandem repeat events and 110 fragment replication events were found from the five species， indicating that fragment replication events promoted the expansion of the Hsp70 gene family in wheat. The analysis of cis-acting elements showed that there were various light response elements， stress response elements， hormone response elements and growth as well as development regulatory elements in the promoter region of Hsp70 gene in the five wheat species. In addition， RT-qPCR results indicated that particular Hsp70 genes in the five wheat species had varying degrees of response under different hormone treatments and stress. The expression of eight Hsp70 genes was up-regulated under high temperature and drought stress. The identification of the Hsp70 gene in wheat and its ancestral species and elucidation of its evolution provides a theoretical basis for further research on the function of the Hsp70 gene in wheat growth and development， as well as its response mechanism under stress.

Key words: wheat, Hsp70 gene family, bioinformatics analysis, expression patterns

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图/表 10

表1 部分Hsp70基因荧光定量所用的引物

Table 1 Some primers for RT-qPCR of Hsp70 genes

基因号Gene ID	基因名Gene name	正向引物Forward primer （5’-3’）	反向引物Reverse primer （5’-3’）
TraesCS5A02G479300.1	TaHsp70-54	GCCACAGCTGGTGACACTCAC	TGGAATAGAAATCAACTCCCTCG
TraesCS5B02G087700.1	TaHsp70-57	CATCAGTGGCAACCCGAGAG	GAAGTCAATGCCCTCAAACAGC
TraesCS5D02G492900.1	TaHsp70-68	GGTGGCACTTTTGATGTCTCC	CCAAGATGAGTGTCACCAGCC
TRITD5Av1G040700.2	TtHsp70-36	GGACTCTCTCCTCCACTGCG	TGGACAGCAGCCCCGTAG
TRITD5Bv1G039950.1	TtHsp70-44	GCAAAGATGGACAAGAGCACC	TGGACAGCAGCCCCGTAC
XP_048532408.1	TuHsp70-18	GCCACAGCTGGTGACACTCAC	TGGAATAGAAATCAACTCCCTCG
AespeY2032CH5S01G103600.1	AesHsp70-25	CATCAGTGGCAACCCGAGAG	GAAGTCAATGCCCTCAAACAGC
XP_020200619.1	AetHsp70-20	GGTGGCACTTTTGATGTCTCC	CCAAGATGAGTGTCACCAGCC
TraesCS1B02G283900.1	Actin	GTTCCAATCTATGAGGGATACACGC	GAACCTCCACTGAGAACAACATTACC

图1 小麦及其祖先物种的Hsp70基因家族成员的系统进化树

Fig.1 Phylogenetic tree of Hsp70 gene family members in wheat and its ancestral species

图2 Hsp70家族成员的保守序列标识

Fig.2 Identification of conserved sequence of Hsp70 family members

图3 小麦及其祖先物种Hsp70基因的保守基序及基因结构分析A： Hsp70基因家族的系统进化树 Phylogenetic tree of the Hsp70 family； B： Hsp70基因家族的保守基序 Conserved motifs of the Hsp70 family； C： Hsp70基因家族的基因结构 Gene structure of the Hsp70 family.CDS：编码区Coding sequences； UTR：非翻译区Untranslated regions.

Fig.3 Analysis of the phylogenetic relationship and gene structure of Hsp70 gene in wheat and its ancestral species

图4 小麦及其祖先物种Hsp70基因的染色体分布染色体中条带颜色的深浅表示基因密度的大小。The depth of band color in chromosomes indicates the size of gene density.

Fig.4 Chromosomal distribution of Hsp70 gene in wheat and its ancestral species

图5 小麦及其祖先物种Hsp70基因的染色体位置及共线性关系所有共线性区域和基因由灰线连接，红线表示Hsp70基因的片段重复基因对。All syntenic blocks and genes are linked by the grey lines， and red lines represent the fragment-repeat gene pair of the Hsp70 genes.

Fig.5 Chromosomal positions and synteny relationships of Hsp70 genes in wheat and its ancestral species

图6 小麦及其祖先物种Hsp70基因的同源性分析背景中的灰色线表示两个基因组内的共线块，蓝色线突出显示共线的Hsp70基因对。Gray lines in the background indicate the collinear blocks within two genomes， while blue lines highlight the syntenic Hsp70 gene pairs.

Fig.6 Homologous analysis of the Hsp70 genes in wheat and its ancestral species

图7 小麦及其祖先物种Hsp70基因启动子顺式作用元件不同的启动子由不同颜色的色块表示。Different promoters are represented by blocks of different colors.

Fig.7 Promoter cis-regulatory element of the Hsp70 genes in wheat and its ancestral species

图8 Hsp70基因家族成员在4种激素处理下的表达模式分析CK：对照Control； IAA：生长素Auxin； ABA：脱落酸Abscisic acid； GA：赤霉素Gibberellin； ZT：玉米素Zeatin； *： P<0.05. 下同The same below.

Fig.8 Expression pattern analysis of Hsp70 gene family members under four hormone treatments

图9 Hsp70基因家族成员在4种逆境胁迫下的表达模式分析CK：对照Control； S：盐Salting； LT：低温Low temperature； HT：高温High temperature； D：干旱Drought.

Fig.9 Expression patterns analysis of Hsp70 gene family members under four kinds of stress

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