蒺藜苜蓿OSCA基因家族鉴定及低温逆境表达分析

doi:10.11686/cyxb2023393

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (9): 111-125.DOI: 10.11686/cyxb2023393

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蒺藜苜蓿OSCA基因家族鉴定及低温逆境表达分析

崔红丽¹(), 孙明哲¹, 贾博为¹^,²(), 孙晓丽¹()

^1.黑龙江八一农垦大学作物逆境分子生物学实验室，黑龙江大庆 163319
^2.东北农业大学寒地粮食作物种质创新与生理生态教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150030

收稿日期:2023-10-19 修回日期:2023-11-29 出版日期:2024-09-20 发布日期:2024-06-20
通讯作者: 贾博为,孙晓丽
作者简介:csmbl2016@126.com
Email： jiabowei_paper@163.com
崔红丽（1996-），女，山东菏泽人，硕士。E-mail： chl8023165@163.com
基金资助:
科技创新2030-重大项目(2022ZD04012);国家自然科学基金(32000212);黑龙江省自然科学基金(YQ2023C035);黑龙江省“双一流”学科协同创新成果项目(LJGXCG2023-072);黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目(YJSCX2022-Y02)

Genome-wide analysis and expression of the OSCA family genes from Medicago truncatula in response to low temperature stresses

Hong-li CUI¹(), Ming-zhe SUN¹, Bo-wei JIA¹^,²(), Xiao-li SUN¹()

^1.Crop Stress Molecular Biology Laboratory，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China
^2.Key Laboratory of Germplasm Enhancement，Physiology and Ecology of Food Crops in Cold Region，Ministry of Education，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China

Received:2023-10-19 Revised:2023-11-29 Online:2024-09-20 Published:2024-06-20
Contact: Bo-wei JIA,Xiao-li SUN

摘要/Abstract

摘要：

高渗门控钙渗透通道（hyperosmolality-gated calcium-permeable channel，OSCA）是一类高渗胁迫感受器。本研究通过全基因组鉴定，从蒺藜苜蓿中筛选鉴定出13个MtOSCAs基因，并根据其与拟南芥OSCA基因家族成员的同源性命名为MtOSCA1.1~4.1。染色体定位分析表明MtOSCAs基因不均匀地分布在8条染色体上。MtOSCA家族按系统进化关系可分为4个亚家族，且同一亚家族内的成员具有相似的内含子-外显子模式。功能结构域和保守基序分析表明该家族在进化中高度保守，进一步共线性分析发现MtOSCAs和大豆OSCAs亲缘关系近，而与拟南芥OSCAs亲缘关系远。基因表达模式分析发现，不同亚家族的MtOSCAs基因表现出组织特异性。非生物胁迫转录组数据分析及qRT-PCR分析表明MtOSCA2.5/2.6/3.1显著受低温胁迫诱导表达。顺式作用元件分析证实MtOSCAs启动子区包含多种光、激素和逆境响应的顺式作用元件。上述结果为今后MtOSCAs基因调控蒺藜苜蓿抗逆性的功能研究奠定了坚实的理论基础。

关键词: 蒺藜苜蓿, OSCA基因家族, 全基因组鉴定, 表达分析

Abstract:

Hyperosmolality-gated calcium-permeable channel （OSCA） is a class of hyperosmotic sensors. A total of 13 MtOSCAs genes were identified by searching the alfalfa （Medicago truncatula） genome， and named MtOSCA1.1-MtOSCA4.1 according to their homology with AtOSCAs （Mt here denotes M. truncatula， and At denotes Arabidopsis thaliana）. Chromosomal location analysis showed that the 13 MtOSCA genes were unevenly distributed on the 8 chromosomes. Furthermore， the MtOSCA family was phylogenetically divided into four subfamilies， and members from each subfamily were conserved in terms of intron-exon organization. Conserved functional domains and conserved motifs further indicated high conservatism of the MtOSCA family during evolution. Collinearity analysis suggested that MtOSCAs were closely related to GmOSCAs （Gm denotes Glycine max）， but far from AtOSCAs. Gene expression pattern analysis revealed that MtOSCAs from different subfamilies exhibited tissue specificity. The expression of MtOSCA2.5/2.6/3.1 was found to be dramatically up-regulated by low temperature stress through transcriptome data and qRT-PCR analysis. In addition， the promoter sequences of MtOSCAs contained numbers of light-， hormone-， and stress-responsive cis-elements. In conclusion， results presented in this study lay a solid foundation for functional characterization of MtOSCA genes in regulating alfalfa tolerance to environmental stress.

Key words: Medicago truncatula, OSCA gene family, genome-wide characterization, expression analysis

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图/表 11

表 1 qRT-PCR验证引物

Table 1 qRT-PCR validation primers

基因名Gene name	正向引物Forward primer （5'-3'）	反向引物Reverse primer （5'-3'）
MtOSCA1.1	GCTGGGTCAGCATTTCAACA	CTTCAGCAGCTATACCAGACCA
MtOSCA2.2	CAATATGTGAGGCGGGTGGT	CTTCCTTCCACTGCGGGAAA
MtOSCA2.5	CTCCGGCACCTAAGGATGTT	GTTGGTAAGCCCCTGAACGA
MtOSCA2.6	CAGAGGCTTCATTGGCAGGA	GAGGTTCTGGAGCCAACTCA
MtOSCA3.1	GCCTTGAGCTGTCCCGATTA	AGCGGGGATTCTTGTTGCAT
MtActin	CCCACTGGATGTCTGTAGGTT	AGAATTAAGTAGCAGCGCAAA

表2 蒺藜苜蓿OSCA基因家族成员信息

Table 2 Information of OSCA gene family in M. truncatula

序号 Number	基因名 Gene name	基因ID Gene ID	DNA （bp）	mRNA （bp）	cDNA （bp）	蛋白Protein （aa）	分子量 Molecular weight （KD）	等电点 Isoelectric point （pI）	跨膜结构域数量Numbers of transmembrane domains	亚细胞定位 Subcellular localization
1	MtOSCA1.1	Medtr4g132570	5714	2325	2325	774	88.26	9.22	10	质膜Plasma membrane
2	MtOSCA1.2	Medtr5g086610	6495	2919	2301	766	87.40	8.83	8	质膜Plasma membrane
3	MtOSCA1.3	Medtr7g094570	5471	2295	2295	764	87.18	8.29	8	质膜Plasma membrane
4	MtOSCA1.4	Medtr5g027510	6020	2899	2400	799	92.16	9.35	7	质膜Plasma membrane
5	MtOSCA2.1	Medtr3g103560	9504	2211	2211	736	83.45	8.90	9	质膜Plasma membrane
6	MtOSCA2.2	Medtr1g017170	9579	2961	2307	768	86.60	8.93	10	质膜Plasma membrane
7	MtOSCA2.3	Medtr6g012870	6782	2697	2139	712	81.25	8.72	10	质膜Plasma membrane
8	MtOSCA2.4	Medtr7g011610	5670	2373	2373	790	89.60	8.09	11	质膜Plasma membrane
9	MtOSCA2.5	Medtr4g082340	4734	2911	2169	722	82.28	9.01	8	质膜Plasma membrane
10	MtOSCA2.6	Medtr5g042560	6634	2593	2136	711	80.74	9.12	11	质膜Plasma membrane
11	MtOSCA2.7	Medtr3g019070	5019	2136	2136	711	81.10	8.80	9	质膜Plasma membrane
12	MtOSCA3.1	Medtr2g018780	5377	2916	2169	722	81.61	9.25	9	质膜Plasma membrane
13	MtOSCA4.1	Medtr8g074970	3216	3216	2406	801	90.09	6.81	9	质膜Plasma membrane

图1 MtOSCAs蛋白跨膜结构域分析

Fig.1 Analysis of transmembrane domains within MtOSCA proteins

图2 拟南芥、蒺藜苜蓿与大豆OSCA基因家族系统进化关系

Fig.2 Phylogenetic relationship of OSCA genes family from A. thaliana， M. truncatula， and G. max

图3 蒺藜苜蓿、拟南芥和大豆OSCA基因共线性关系蓝色实线表示蒺藜苜蓿旁系同源基因，红色实线表示蒺藜苜蓿与拟南芥直系同源基因，绿色实线表示蒺藜苜蓿与大豆直系同源基因，紫色实线表示大豆与拟南芥直系同源基因。Blue lines indicate alfalfa paralogous genes， red lines indicate orthologous genes between alfalfa and A. thaliana， green lines indicate orthologous genes between alfalfa and soybean， purple lines indicate orthologous genes between soybean and A. thaliana.

Fig.3 Syntenic relationship of OSCA genes among M. truncatula， A. thaliana and G. max

图4 蒺藜苜蓿OSCA家族基因结构分析CDS：编码区Coding regions； UTR：非翻译区Untranslated regions.

Fig.4 Gene structure analysis of OSCA family genes in M. truncatula

图5 蒺藜苜蓿OSCA基因家族的保守结构域和基序分析a：蒺藜苜蓿OSCA基因家族保守功能结构域The conserved domains of the OSCA gene family from M. truncatula； b：蒺藜苜蓿OSCA基因家族保守基序The conserved motifs of the OSCA gene family from M. truncatula.

Fig.5 Conserved domains and motifs analysis of OSCA family from M. truncatula

图6 蒺藜苜蓿OSCA基因家族组织表达特性分析a：蒺藜苜蓿OSCA基因家族在整个发育过程中的相对表达变化Variation of relative expression of OSCA family gene in M. truncatula throughout a developmental time course； b：蒺藜苜蓿OSCA基因家族在不同组织中的表达分析Expression analysis of OSCA family gene of M. truncatula in different tissues. 黑色代表未检测到基因表达量Black stands for no expression was detected.

Fig.6 Expression feature analysis of OSCA genes family of M. truncatula in different tissues

图7 蒺藜苜蓿OSCA基因响应非生物胁迫表达模式分析

Fig.7 Expression pattern analysis of OSCA genes of M. truncatula in response to various abiotic stress

图8 低温胁迫应答中MtOSCA基因的qRT-PCR验证a：蒺藜苜蓿MtOSCA基因冷胁迫表达模式验证The expression validation of MtOSCA gene of M. truncatula under cold stress； b：蒺藜苜蓿MtOSCA基因冻害胁迫表达模式验证The expression validation of MtOSCA gene of M. truncatula under freezing stress. *： P<0.05； **： P<0.01； ns： P>0.05.

Fig.8 qRT-PCR validation of MtOSCA genes in the response to low temperature stresses

图9 MtOSCA家族基因启动子顺式作用元件分布

Fig.9 Distribution of the putative cis-acting elements in promoters of MtOSCA genes family

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蒺藜苜蓿OSCA基因家族鉴定及低温逆境表达分析

Genome-wide analysis and expression of the OSCA family genes from Medicago truncatula in response to low temperature stresses

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图/表 11

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