盐生草AKR基因家族成员的鉴定及根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐分析

doi:10.11686/cyxb2023335

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (7): 68-83.DOI: 10.11686/cyxb2023335

盐生草AKR基因家族成员的鉴定及根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐分析

张震欢¹^,²(), 姚立蓉¹^,³, 汪军成¹^,³, 司二静¹^,³, 张宏¹^,³, 杨轲¹^,³, 马小乐¹^,³, 孟亚雄¹^,³, 王化俊¹^,³, 李葆春¹^,²()

^1.甘肃农业大学省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃兰州 730070
^2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070
^3.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070

收稿日期:2023-09-14 修回日期:2023-11-03 出版日期:2024-07-20 发布日期:2024-04-08
通讯作者: 李葆春
作者简介:E-mail： libc@gsau.edu.cn
张震欢（2000-），女，侗族，贵州黔东南人，在读硕士。E-mail： 2495252135@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(31960072);财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系项目(CARS-05-04B-2);甘肃省教育厅：产业支撑计划项目(2021CYZC-12);甘肃省青年基金项目(22JR5A880);甘肃省自然基金项目(20JR10RA507);甘肃农业大学伏羲青年英才计划(Ganfx-04Y11);甘肃农业大学国家级大学生创新创业训练计划重点支持领域项目(202110733001)

Identification of AKR gene family members in Halogeton glomeratus and salt tolerance analysis of the root salt stress response gene HgAKR42639

Zhen-huan ZHANG¹^,²(), Li-rong YAO¹^,³, Jun-cheng WANG¹^,³, Er-jing SI¹^,³, Hong ZHANG¹^,³, Ke YANG¹^,³, Xiao-le MA¹^,³, Ya-xiong MENG¹^,³, Hua-jun WANG¹^,³, Bao-chun LI¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Aridland Crop Science by Gansu Agricultural University，Gansu Key Laboratory of Crop Improvement and Germplasm Enhancement，Lanzhou 730070，China
^2.College of Life Sciences and Technology，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^3.College of Agronomy，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China

Received:2023-09-14 Revised:2023-11-03 Online:2024-07-20 Published:2024-04-08
Contact: Bao-chun LI

摘要/Abstract

摘要：

为探究盐生草AKR基因家族的生物学功能和根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐性，基于盐生草全长转录组测序鉴定醛酮还原酶基因（AKRs），采用生物信息学方法分析盐生草AKRs编码的蛋白质序列特性，并在200 mmol·L^-1 NaCl胁迫0、6、12、24和48 h处理下，测定盐生草幼苗根系和转HgAKR42639基因拟南芥的目的基因表达量、生理指标和钠钾离子含量。结果表明：从盐生草转录组中鉴定出23个HgAKRs，编码的氨基酸数量在165~664 aa，亚细胞定位预测主要在细胞质中，AKR蛋白保守结构域高度相似，具有3个motif，启动子顺式作用元件分析存在核心元件、增强元件和胁迫响应元件；qRT-PCR结果显示HgAKR42639基因相对表达量在盐生草根系和拟南芥中均先上升后下降，24 h两者的表达量达到峰值；随着盐胁迫时间的增长两者的过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性和脯氨酸含量呈上升趋势，丙二醛（MDA）和可溶性蛋白含量呈下降趋势，在24 h达到最低；Na⁺和K⁺含量测定结果显示，两者于24 h盐胁迫处理下Na⁺含量下降，K⁺/Na⁺达到最大值。综上所述，本研究获得了盐生草AKR家族基因，为后续研究盐生草AKR基因响应盐胁迫的分子机制提供理论依据；以期为进一步验证HgAKR42639基因的耐盐性奠定基础。

关键词: 盐生草, AKR基因家族, 生物信息学分析, 盐胁迫

Abstract:

In order to explore the biological function of the AKR gene family and the salt tolerance of the root salt stress response gene HgAKR42639 in Halogeton glomeratus， the aldo-keto reductase gene （AKRs） was identified based on full-length transcriptome sequencing of H. glomeratus， and the protein sequence encoded by AKRs in H. glomeratus was analyzed by bioinformatics methods. The target gene expression， physiological indexes and sodium and potassium content in roots of H. glomeratus and the Arabidopsis thaliana HgAKR42639 gene were measured under 200 mmol·L^-1 NaCl stress for 0， 6， 12， 24 and 48 hours. We found that 23 HgAKRs were identified from the H. glomeratus transcriptome， encoding amino acid sequences ranging from 165 to 664 aa， and the prediction of subcellular localization was mainly in the cytoplasm. AKR protein conserved domains were highly similar with 3 motifs， and there were core elements， enhancing elements and stress response elements in the analysis of promoter cis-acting elements. The results of qRT-PCR showed that the relative expression of HgAKR42639 increased initially and then decreased in both H. glomeratus roots and A. thaliana， and the expression of HgAKR42639 peaked at 24 hours. With increase in exposure time to salt stress， the activities of catalase （CAT）， peroxidase （POD）， superoxide dismutase （SOD） and the proline content showed an increasing trend， while the contents of malondialdehyde （MDA） and soluble protein showed a downward trend， reaching their lowest levels at 24 hours. The content of Na⁺ and K⁺ decreased under the salt stress treatment for 24 hours， and K⁺/Na⁺ reached the maximum value. In summary， the AKR family genes of H. glomeratus were obtained in this study， and the results provide a theoretical basis for further research on the molecular mechanism of regulation of response to salt stress in AKR genes in H. glomeratus. This research provides a foundation for further verification of the HgAKR42639 gene role in salt tolerance.

Key words: Halogeton glomeratus, AKR gene family, bioinformatics analysis, salt stress

张震欢, 姚立蓉, 汪军成, 司二静, 张宏, 杨轲, 马小乐, 孟亚雄, 王化俊, 李葆春. 盐生草AKR基因家族成员的鉴定及根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐分析[J]. 草业学报, 2024, 33(7): 68-83.

Zhen-huan ZHANG, Li-rong YAO, Jun-cheng WANG, Er-jing SI, Hong ZHANG, Ke YANG, Xiao-le MA, Ya-xiong MENG, Hua-jun WANG, Bao-chun LI. Identification of AKR gene family members in Halogeton glomeratus and salt tolerance analysis of the root salt stress response gene HgAKR42639[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(7): 68-83.

图/表 14

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引物名称Name of primers	引物序列Sequences of primers （5’→3’）	用途Purpose
HgAKR42639-F	AGGAAGCACATCGTTGAGGG	实时荧光定量PCR Real-time fluorescence quantitative PCR
HgAKR42639-R	TTCATTGCCCGGACAGTCTC	实时荧光定量PCR Real-time fluorescence quantitative PCR
HgActin-F	TGTTCTCAGTGGTGGTACAA	盐生草内参基因引物 Reference gene primers in H. glomeratus
HgActin-R	GTGCCACCACCTTAATCTTC	盐生草内参基因引物 Reference gene primers in H. glomeratus
AtActin-F	ACCCAAAGGCCAACAGAGAG	拟南芥内参基因引物 Reference gene primers in A. thaliana
AtActin-R	CACGTCCAGCAAGGTCAAGA	拟南芥内参基因引物 Reference gene primers in A. thaliana

引物名称Name of primers	引物序列Sequences of primers （5’→3’）	用途Purpose
HgAKR42639-F	AGGAAGCACATCGTTGAGGG	实时荧光定量PCR Real-time fluorescence quantitative PCR
HgAKR42639-R	TTCATTGCCCGGACAGTCTC	实时荧光定量PCR Real-time fluorescence quantitative PCR
HgActin-F	TGTTCTCAGTGGTGGTACAA	盐生草内参基因引物 Reference gene primers in H. glomeratus
HgActin-R	GTGCCACCACCTTAATCTTC	盐生草内参基因引物 Reference gene primers in H. glomeratus
AtActin-F	ACCCAAAGGCCAACAGAGAG	拟南芥内参基因引物 Reference gene primers in A. thaliana
AtActin-R	CACGTCCAGCAAGGTCAAGA	拟南芥内参基因引物 Reference gene primers in A. thaliana

序号Number	名称Name	基因登录号Gene accession ID	序号Number	名称Name	基因登录号Gene accession ID
1	HgAKR01	Hg02G012880.1	13	HgAKR13	Hg16G006890.1
2	HgAKR02	Hg02G012940.1	14	HgAKR14	Hg16G006900.1
3	HgAKR03	Hg03G002550.1	15	HgAKR15	Hg16G006910.1
4	HgAKR04	Hg07G000220.1	16	HgAKR16	Hg171G001710.2
5	HgAKR05	Hg09G006350.1	17	HgAKR17	Hg214G001090.1
6	HgAKR06	Hg09G010750.1	18	HgAKR18	Hg238G000730.2
7	HgAKR07	Hg09G010800.1	19	HgAKR19	Hg248G001020.1
8	HgAKR08	Hg102G000790.1	20	HgAKR20	Hg30G002300.1
9	HgAKR09	Hg15G004360.1	21	HgAKR21	Hg465G000090.1
10	HgAKR10	Hg16G006840.1	22	HgAKR22	Hg53G002170.1
11	HgAKR11	Hg16G006850.1	23	HgAKR42639	Hg02G042639.1
12	HgAKR12	Hg16G006870.1

序号Number	名称Name	基因登录号Gene accession ID	序号Number	名称Name	基因登录号Gene accession ID
1	HgAKR01	Hg02G012880.1	13	HgAKR13	Hg16G006890.1
2	HgAKR02	Hg02G012940.1	14	HgAKR14	Hg16G006900.1
3	HgAKR03	Hg03G002550.1	15	HgAKR15	Hg16G006910.1
4	HgAKR04	Hg07G000220.1	16	HgAKR16	Hg171G001710.2
5	HgAKR05	Hg09G006350.1	17	HgAKR17	Hg214G001090.1
6	HgAKR06	Hg09G010750.1	18	HgAKR18	Hg238G000730.2
7	HgAKR07	Hg09G010800.1	19	HgAKR19	Hg248G001020.1
8	HgAKR08	Hg102G000790.1	20	HgAKR20	Hg30G002300.1
9	HgAKR09	Hg15G004360.1	21	HgAKR21	Hg465G000090.1
10	HgAKR10	Hg16G006840.1	22	HgAKR22	Hg53G002170.1
11	HgAKR11	Hg16G006850.1	23	HgAKR42639	Hg02G042639.1
12	HgAKR12	Hg16G006870.1

序号Number	基因编号 Genetic code	氨基酸数 Amino acid quantity （aa）	等电点 Isoelectric point （PI）	分子量 Molecular weight （Da）	分子式 Molecular formula	负电荷的残基总数Total number of negatively charged residues	正电荷的残基总数Total number of positively charged residues	脂肪系数 Aliphatic index	不稳定系数 Instability index	亲水性平均值Grand average of hydropathicity
1	HgAKR01	317	6.00	35036.93	C₁₅₇₉H₂₄₅₅N₄₁₉O₄₆₅S₉	34	30	89.53	43.19	-0.240
2	HgAKR02	316	5.57	34807.62	C₁₅₆₂H₂₄₃₆N₄₁₄O₄₆₇S₁₀	36	29	89.49	43.46	-0.234
3	HgAKR03	310	5.76	34512.44	C₁₅₃₆H₂₄₃₅N₄₂₁O₄₆₀S₁₁	41	34	92.81	27.01	-0.215
4	HgAKR04	311	5.84	34942.01	C₁₅₇₃H₂₄₇₀N₄₁₄O₄₆₅S₁₀	42	35	92.15	39.65	-0.336
5	HgAKR05	334	6.20	37468.25	C₁₆₈₅H₂₆₅₉N₄₄₇O₄₈₈S₁₅	38	35	93.65	45.44	-0.244
6	HgAKR06	324	6.34	35556.17	C₁₆₀₆H₂₅₄₁N₄₁₃O₄₆₇S₁₄	37	35	91.17	38.70	-0.126
7	HgAKR07	351	6.12	38937.70	C₁₇₁₅H₂₇₃₉N₄₆₉O₅₂₁S₂₁	43	39	84.96	34.53	-0.300
8	HgAKR08	350	5.66	38224.84	C₁₇₀₀H₂₇₂₃N₄₅₅O₅₁₇S₁₃	45	39	92.80	26.30	-0.174
9	HgAKR09	664	6.20	73942.76	C₃₂₉₃H₅₂₁₀N₈₉₈O₉₇₇S₂₉	90	80	85.78	40.27	-0.320
10	HgAKR10	338	5.70	37428.78	C₁₆₆₄H₂₆₂₆N₄₅₂O₄₉₉S₁₅	46	39	84.56	25.72	-0.275
11	HgAKR11	309	6.21	34774.88	C₁₅₆₂H₂₄₅₃N₄₁₅O₄₅₉S₁₂	43	39	90.91	22.12	-0.238
12	HgAKR12	165	6.20	18704.43	C₈₃₂H₁₃₁₃N₂₂₇O₂₄₇S₈	21	19	87.45	25.62	-0.250
13	HgAKR13	338	5.68	37512.86	C₁₆₆₈H₂₆₃₀N₄₅₂O₅₀₁S₁₅	46	38	85.12	29.62	-0.272
14	HgAKR14	343	5.57	37951.12	C₁₆₇₁H₂₆₅₂N₄₆₂O₅₁₆S₁₅	48	39	83.06	37.63	-0.385
15	HgAKR15	317	8.38	35411.57	C₁₅₈₂H₂₄₉₃N₄₂₉O₄₆₇S₁₃	35	38	87.03	34.98	-0.298
16	HgAKR16	371	9.07	41209.57	C₁₈₅₇H₂₉₂₆N₄₈₈O₅₃₈S₁₆	28	36	91.48	34.66	-0.149
17	HgAKR17	322	5.48	35141.09	C₁₅₆₃H₂₄₈₇N₄₁₅O₄₈₁S₁₁	42	34	94.50	33.28	-0.170
18	HgAKR18	328	7.59	36492.74	C₁₆₃₄H₂₅₆₉N₄₃₉O₄₈₄S₁₂	37	38	87.68	34.03	-0.295
19	HgAKR19	298	9.03	33006.76	C₁₄₈₇H₂₃₃₉N₃₉₉O₄₃₆S₇	31	37	89.36	12.19	-0.308
20	HgAKR20	323	6.24	36545.87	C₁₆₂₁H₂₅₅₂N₄₅₄O₄₇₅S₁₇	44	39	84.18	41.19	-0.401
21	HgAKR21	220	5.71	24337.91	C₁₀₈₀H₁₇₁₈N₂₉₆O₃₂₃S₁₀	30	25	94.41	36.36	-0.156
22	HgAKR22	384	7.57	42245.83	C₁₈₇₉H₂₉₇₄N₅₁₈O₅₇₅S₇	46	47	87.89	24.76	-0.396
23	HgAKR42639	317	6.25	35151.21	C₁₅₇₅H₂₄₇₃N₄₁₉O₄₆₈S₁₂	36	34	90.41	32.06	-0.219

盐生草AKR基因家族成员的鉴定及根系盐胁迫响应基因HgAKR42639的耐盐分析

Identification of AKR gene family members in Halogeton glomeratus and salt tolerance analysis of the root salt stress response gene HgAKR42639

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图/表 14

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Metrics

序号 Number	盐生草AKR基因家族编号 Halophytes AKR gene family number	信号肽 Signal peptides	亲疏水性 Hydrophilicity	亚细胞定位 Subcellular localization （%）
1	HgAKR01	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 67.04
2	HgAKR02	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 55.20
3	HgAKR03	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 95.71
4	HgAKR04	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 92.48
5	HgAKR05	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 80.73
6	HgAKR06	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 59.94
7	HgAKR07	无Without	疏水性Hydrophobicity	线粒体Mitochondrion 69.34
8	HgAKR08	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 99.87
9	HgAKR09	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞骨架Cytoskeleton 99.81
10	HgAKR10	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞骨架Cytoskeleton 98.79
11	HgAKR11	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 93.81
12	HgAKR12	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 93.06
13	HgAKR13	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 93.84
14	HgAKR14	无Without	疏水性Hydrophobicity	线粒体Mitochondrion 68.73
15	HgAKR15	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 57.76
16	HgAKR16	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 70.28
17	HgAKR17	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 63.66
18	HgAKR18	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 73.73
19	HgAKR19	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 66.95
20	HgAKR20	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 91.95
21	HgAKR21	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 67.89
22	HgAKR22	无Without	疏水性Hydrophobicity	叶绿体Chloroplast 94.25
23	HgAKR42639	无Without	疏水性Hydrophobicity	细胞质Cytoplasm 60.90

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