-
细胞壁是植物重要的结构，它可以决定植物细胞形状，并为细胞提供机械支撑和硬度，但其限制了植物细胞的伸长以及植物细胞原生质量的增加[1]。扩展蛋白(EXP)是植物细胞壁的重要组成部分，是细胞壁蛋白，能够调节细胞的伸展性，其作用机制一般被认为是通过打断细胞壁纤维素和半纤维素之间的非共价键，从而改变细胞壁承重网络，使其产生位移，导致细胞壁伸展，加速细胞生长，调节组织生长[2-6]。
1992年Cosgrove从黄瓜(Cucumis sativus Linn)根尖细胞壁中提取分离出EXP[7-8]。近年来，EXP在木材形成过程中所起的重要作用逐渐被重视[9-11]。研究认为, EXP是调控植物初生细胞壁生长的最关键因子之一[4]，植物木质部细胞分化经过形成层区初生细胞壁的扩展和次生细胞壁的沉积，EXP作为细胞壁修饰蛋白，能够塑造初生细胞壁中纤维素-半纤维素网络，EXP的活动能够影响细胞壁的结构和组分，进而影响纤维和导管的形态[12-13]。
在EXP基因家族中，不同成员行使不同的功能，基因表达亦不尽相同，且具有时空效应，不同的EXP基因在植物不同的生长发育阶段、不同的组织器官表达活性不同[14-15]。不同EXP家族基因成员亦参与植物的形态发生[16-18]、根毛生长[19-20]、花粉受精[21]、果实软化[22]以及植物抗逆性[23-26]等过程。
桉树(Eucalyptus robusta Smith)原产于澳大利亚及其周围岛屿，其品种多、生长快、适应性广、抗逆性以及萌芽力强[27]，作为一种速生用材树种，在我国已大规模种植[28]。随着基因组学、分子生物学迅猛发展，亦加之巨桉(E. grandis Hill)基因组的发表，加快了桉树分子生物学的研究进程，为全基因组范围研究桉树的基因资源奠定夯实的基础。
EXP广泛存在于植物基因组中，是植物细胞壁不可或缺的重要组成部分，本文依据巨桉基因组测序结果，对其EXP基因家族成员的序列信息，主要包括巨桉EXP基因家族成员的基本信息，基因和蛋白质结构以及表达模式等生物学信息进行了系统分析，进一步了解EXP基因的基本特征，为深入研究桉树EXP基因的功能搭建平台。
-
巨桉、毛果杨、拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh)、玉米(Zea mays Linn)以及水稻(Oryza sativa L.)EXP基因家族成员基因序列信息下载于Phytozome (http://www.phytozome.net)、美国国立生物技术信息中心数据库(NCBI) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)。
-
利用ExPASy中的ProtParam(http://web.expasy.org/protparam/)研究EgrEXP相对分子质量、理论等电点、不稳定系数、亲水性指数以及脂溶指数。利用SignalP(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)预测EgrEXP家族蛋白的信号肽。利用WoLF PSORT(http://www.genscript.com/wolf-psort.html)预测EgrEXP家族蛋白亚细胞定位。
-
利用GSDS2.0(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)分析基因的CDS序列和全基因组序列。SOPMA(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=npsa_sopma.html)分析蛋白序列二级结构，SWISS-MODEL(https://swissmodel.expasy.org/interactive#sequence)分析蛋白序列三级结构。
-
利用ClustalW软件比对分析巨桉EXP家族蛋白序列同毛果杨、拟南芥、玉米以及水稻EXP家族蛋白序列，参数为默认值。利用MEGA6.0中的邻接(Neighbor-Joining)算法绘制系统发生树，用重复1 000次的bootstrap进行检验。
-
巨桉EXP在未成熟的木质部、成熟的叶片、韧皮部、茎尖、木质部以及幼叶的转录组数据下载于Phytozome (http://www.phytozome.net)。利用巨桉EXP基因的FPKM值表示基因的表达丰度。每个表达量的数值均取以2作为底数的对数(Log2)，绘制基因表达热图。
-
挑选巨桉EXP在未成熟的木质部、韧皮部以及木质部中表达量相对较高的基因，从Phytozome中筛选出共表达的关联基因(取其最大的关联系数)。
-
从Phytozome与NCBI数据库中筛选获得35条巨桉EXP基因序列，依次命名为EgrEXP1~EgrEXP35，共分布在8条染色体上，其中，有13个EXP基因位于5号染色体之上(表 1)。巨桉EXP基因编码蛋白质长度为97~295个aa，编码氨基酸最长的是EgrEXP7；EgrEXP18的相对分析质量最大为32 328.81 D，EgrEXP10的相对分析质量最小为10 791.26 D；35个EXP蛋白的理论等电点为4.84~12.18，EgrEXP1、EgrEXP10、EgrEXP15、EgrEXP19、EgrEXP21、EgrEXP25、EgrEXP27、EgrEXP28、EgrEXP34均为酸性氨基酸。EgrEXP33不稳定系数最小为9.99。根据亲水性系数可知，EXP基因家族编码的蛋白均为亲水蛋白，EXP脂溶指数为58.24~80.53；巨桉EXP蛋白定位在细胞质膜上，EgrEXP9、EgrEXP11、EgrEXP12、EgrEXP21、EgrEXP26、EgrEXP32和EgrEXP34不存在信号肽。
表 1 巨桉EXP基因家族成员信息
Table 1. Information about members of the EXP gene family in Eucalyptus grandis
基因编号
Gene number基因名称
Gene name染色体
Chromosome氨基酸长度
aa length相对分子质量
Relative molecular mass/D理论等电点
PI不稳定系数
Instability index亲水性指数
Hydrophilic index脂溶指数
Aliphaticindex亚细胞定位
Subcellular localization信号肽
Signal peptideEgrEXP1 Eucgr.E01620 5 274 28 342.87 5.56 41.86 -0.014 75.55 细胞质膜 有 EgrEXP2 Eucgr.F02618 6 247 27 082.80 8.67 23.10 -0.192 70.73 细胞质膜 有 EgrEXP3 Eucgr.F03723 6 255 27 300.84 8.72 30.67 -0.052 66.67 细胞质膜 有 EgrEXP4 Eucgr.E03359 5 246 26 685.57 8.56 26.62 -0.008 74.55 细胞质膜 有 EgrEXP5 Eucgr.E01621 5 273 28 414.21 7.51 42.20 -0.033 74.36 细胞质膜 有 EgrEXP6 Eucgr.F02908 6 268 28 745.67 9.06 45.20 -0.100 74.78 细胞质膜 有 EgrEXP7 Eucgr.G02938 7 295 28 059.84 9.60 40.01 -0.098 67.41 细胞质膜 有 EgrEXP8 Eucgr.A00986 1 258 27 686.43 8.90 32.50 -0.065 74.15 细胞质膜 有 EgrEXP9 Eucgr.D01943 4 233 25 389.64 8.61 36.40 -0.138 58.24 细胞质膜 _ EgrEXP10 Eucgr.E01617 5 273 28 172.70 5.56 41.57 -0.005 75.09 细胞质膜 有 EgrEXP11 Eucgr.H05003 7 283 31 201.39 7.49 51.04 -0.211 67.88 细胞质膜 _ EgrEXP12 Eucgr.G00712 7 166 18 669.25 11.71 58.67 -0.286 75.12 细胞质膜 _ EgrEXP13 Eucgr.L02610 _ 266 29 444.81 9.22 25.77 -0.204 71.05 细胞质膜 有 EgrEXP14 Eucgr.F02621 6 247 26 922.68 8.01 29.30 -0.092 67.17 细胞质膜 有 EgrEXP15 Eucgr.E01622 5 273 28 321.03 6.79 41.96 -0.014 75.49 细胞质膜 有 EgrEXP16 Eucgr.B02358 2 97 10 791.26 12.18 33.38 -0.171 69.28 细胞质膜 有 EgrEXP17 Eucgr.B02355 2 260 28 085.94 9.84 33.75 -0.036 62.35 细胞质膜 有 EgrEXP18 Eucgr.I01493 9 294 32 328.81 8.78 40.71 -0.044 80.31 细胞质膜 有 EgrEXP19 Eucgr.E01615 5 273 28 244.76 5.31 41.12 -0.018 75.46 细胞质膜 有 EgrEXP20 Eucgr.J02048 10 263 28 310.19 9.86 37.38 -0.044 65.36 细胞质膜 有 EgrEXP21 Eucgr.E01616 5 206 22 259.32 6.28 39.85 -0.088 80.53 细胞质膜 _ EgrEXP22 Eucgr.A01806 1 276 29 564.72 9.54 47.15 -0.175 75.29 细胞质膜 有 EgrEXP23 Eucgr.E00513 5 272 29 397.53 9.26 31.19 0.010 65.33 细胞质膜 有 EgrEXP24 Eucgr.A01269 1 238 25 851.58 10.15 32.15 -0.067 69.75 细胞质膜 有 EgrEXP25 Eucgr.E01625 5 273 28 272.77 4.84 43.89 -0.033 75.09 细胞质膜 有 EgrEXP26 Eucgr.A00988 1 179 19 820.62 9.10 34.19 -0.152 76.87 细胞质膜 _ EgrEXP27 Eucgr.E00360 5 246 27 438.02 5.94 33.81 -0.283 68.94 细胞质膜 有 EgrEXP28 Eucgr.E00358 5 246 27 393.90 5.43 36.98 -0.259 70.53 细胞质膜 有 EgrEXP29 Eucgr.E00357 5 245 27 435.96 7.94 39.11 -0.342 68.41 细胞质膜 有 EgrEXP30 Eucgr.A00721 1 258 27 539.14 9.08 37.00 -0.079 66.37 细胞质膜 有 EgrEXP31 Eucgr.G03134 7 229 24 230.20 7.52 34.85 -0.043 66.94 细胞质膜 有 EgrEXP32 Eucgr.F01688 6 210 22 721.61 8.80 23.49 -0.149 65.95 细胞质膜 _ EgrEXP33 Eucgr.F02620 6 103 11 381.06 9.92 9.99 -0.120 70.87 细胞质膜 有 EgrEXP34 Eucgr.E01626 5 204 21 749.63 6.80 37.78 -0.154 76.03 细胞质膜 _ EgrEXP35 Eucgr.J00120 10 249 26 524.70 7.53 31.20 -0.100 61.20 细胞质膜 有 -
巨桉EXP家族基因成员的结构中除去EgrEXP16、EgrEXP33仅含有外显子外，其余均含有内含子、外显子(图 1)。进一步分析发现，巨桉EXP基因家族各成员的结构有明显的差异，表现为外显子、内含子的数量以及位置的不同。巨桉EXP基因家族各成员的外显子数量最多均超过5个，大多数为4个。
图 1 巨桉EXP家族基因结构
Figure 1. Structural diagram of EXP gene family in Eucalyptus grandis
蛋白质的二级结构主要包含α-螺旋、β-折叠等，预测巨桉EXP基因家族35条蛋白序列的二级结构，发现巨桉EXP编码的蛋白质由α-螺旋、延伸链、无规卷曲、β-转角组成。巨桉EXP编码的蛋白质的无规卷曲占比最高，其次为延伸链(表 2)。
表 2 巨桉EXP蛋白家族成员的二级结构分析
Table 2. Secondary structures of members of EXP protein family in Eucalyptus grandis
蛋白质Protein α-螺旋α-helix 延伸链Extending chain 无规卷曲Random coil β-转角β-angle 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% EgrEXP1 45 16.42 71 25.91 113 41.24 45 16.42 EgrEXP2 59 23.89 68 27.53 86 34.82 34 13.77 EgrEXP3 45 17.65 67 26.27 112 43.92 31 12.16 EgrEXP4 47 19.11 71 28.86 87 35.37 41 16.67 EgrEXP5 48 17.58 75 27.47 105 38.46 45 16.48 EgrEXP6 62 23.13 67 25.00 103 38.43 36 13.43 EgrEXP7 41 15.83 67 25.87 123 47.49 28 10.81 EgrEXP8 46 17.83 71 27.52 112 43.41 29 11.24 EgrEXP9 37 15.88 76 32.62 91 39.06 29 12.45 EgrEXP10 42 15.38 74 27.11 108 39.56 49 17.95 EgrEXP11 58 20.49 87 30.74 104 36.75 34 12.01 EgrEXP12 33 19.88 54 32.53 63 37.95 16 9.64 EgrEXP13 34 12.78 83 31.20 123 46.24 26 9.77 EgrEXP14 52 21.05 67 27.13 89 36.03 39 15.79 EgrEXP15 54 19.78 68 24.91 106 38.83 45 16.48 EgrEXP16 4 4.12 40 41.24 36 37.11 17 17.53 EgrEXP17 45 17.31 64 24.62 116 44.62 35 13.46 EgrEXP18 78 26.53 86 29.25 92 31.29 38 12.93 EgrEXP19 47 17.22 71 26.01 107 39.19 48 17.58 EgrEXP20 46 17.49 68 25.86 116 44.11 33 12.55 EgrEXP21 63 30.58 51 24.76 56 27.18 36 17.48 EgrEXP22 48 17.39 84 30.43 122 44.20 22 7.97 EgrEXP23 60 22.06 72 26.47 109 40.07 31 11.40 EgrEXP24 36 15.13 71 29.83 106 44.54 25 10.50 EgrEXP25 41 15.02 76 27.84 111 40.66 45 16.48 EgrEXP26 45 25.14 58 32.40 60 33.52 16 8.94 EgrEXP27 69 28.05 66 26.83 92 37.40 19 7.72 EgrEXP28 69 28.05 66 26.83 92 37.40 19 7.72 EgrEXP29 70 28.57 61 24.90 95 38.78 19 7.76 EgrEXP30 36 14.06 64 25.00 115 44.92 41 16.02 EgrEXP31 43 18.78 51 22.27 103 44.98 32 13.97 EgrEXP32 14 6.67 70 33.33 96 45.71 30 14.29 EgrEXP33 11 10.68 43 41.75 35 33.98 14 13.59 EgrEXP34 61 29.90 54 26.47 60 29.41 29 14.22 EgrEXP35 41 16.47 61 24.50 107 42.97 40 16.06 由图 2巨桉EXP编码蛋白质的三级结构可知：巨桉EXP蛋白含有多个螺旋、延伸链及转角结构组成。SWISS-MODEL结果显示：巨桉EXP蛋白质的三级结构拟南芥三级结构的相似性均未超过50%。
图 2 巨桉EXP蛋白家族成员的三级结构分析
Figure 2. Tertiary structures of members of EXP protein family in Eucalyptus grandis
-
构建基于巨桉、毛果杨、拟南芥、玉米以及水稻EXP基因家族的共173个成员的系统发育树(包括毛白杨33条EXP，拟南芥37条EXP，玉米14条EXP，水稻58条EXP)(图 3)。分析可知，在巨桉中EgrEXP27、EgrEXP28、EgrEXP29蛋白进化关系较近，EgrEXP34、EgrEXP5、EgrEXP15、EgrEXP25、EgrEXP19、EgrEXP1、EgrEXP21、EgrEXP10蛋白进化关系较近，EgrEXP14、EgrEXP2、EgrEXP4、EgrEXP13蛋白进化关系较近，EgrEXP9、EgrEXP23蛋白进化关系较近，EgrEXP3、EgrEXP32蛋白进化关系较近，EgrEXP17、EgrEXP20蛋白进化关系较近。进化树分析表明，巨桉EXP蛋白同毛果杨EXP蛋白的进化关系接近。图 3可知，EgrEXP10、EgrEXP19、EgrEXP27、EgrEXP28蛋白进化关系接近，图 1显示其基因结构相似；EgrEXP2、EgrEXP4、EgrEXP14蛋白进化关系接近，图 1显示其基因结构相似；EgrEXP7、EgrEXP17、EgrEXP30、EgrEXP31蛋白进化关系接近，图 1显示其基因结构相似。
图 3 基于巨桉、毛果杨、拟南芥EXP蛋白构建的系统进化树
Figure 3. Phylogenetic tree constructed with the protein of EXP from Eucalyptus grandis, Populus trichocarpa and Arabidopsis
-
通过分析巨桉EXP基因家族表达数据，从基因表达谱热图可以看出：巨桉EXP基因在未成熟木质部、成熟叶片、韧皮部、茎尖、木质部以及幼叶组织中表达度有所不同(图 4)，EgrEXP6、EgrEXP7、EgrEXP12、EgrEXP16、EgrEXP17、EgrEXP18、EgrEXP20及EgrEXP24在6个组织中均有表达。EgrEXP17、EgrEXP18在未成熟木质部、韧皮部表达量较高。一部分的EXP基因家族成员在成熟叶片、韧皮部、茎尖、木质部以及幼叶组织中未表达。EgrEXP16在未成熟的木质部表达量相对较低以外，其他的EXP基因家族成员在未成熟的木质部表达量均相对较高。巨桉EXP基因家族各基因在不同组织中的差异表达，说明它们在巨桉不同组织、发育时期的功能存在差异。
图 4 EXP基因在巨桉6个组织中表达分析
Figure 4. Expression analysis of EXP in six tissues of Eucalyptus grandis
-
本文挑选了12个在巨桉未成熟的木质部、韧皮部以及木质部中表达量相对较高的EXP基因，并筛选出与其共表达的60个关联基因(表 3)。从表 3中可以看出：EgrEXP29基因的关联系数为1的关联基因多达42个。
表 3 巨桉EXP关联基因分析
Table 3. Analysis of Eucalyptus grandis associated gene
EXP家族基因
EXP family gene关联基因
Associated gene关联系数
Associated indexEgrEXP3 F03049 1.000 EgrEXP6 G03243 0.997 EgrEXP7 C00742 0.996 EgrEXP11 D00023 0.998 EgrEXP11 A01011 0.998 EgrEXP11 A00797 0.998 EgrEXP12 E00110 1.000 EgrEXP16 C02889 0.998 EgrEXP17 K00578 0.991 EgrEXP18 J01600 0.999 EgrEXP20 A01455 0.997 EgrEXP27 E01677 1.000 EgrEXP27 J00460 1.000 EgrEXP27 C00580 1.000 EgrEXP27 E03553 1.000 EgrEXP27 C00726 1.000 EgrEXP28 F04138 1.000 EgrEXP28 E02782 1.000 EgrEXP29 F01721 1.000 EgrEXP29 H03672 1.000 EgrEXP29 D02013 1.000 EgrEXP29 C02749 1.000 EgrEXP29 E04370 1.000 EgrEXP29 J01898 1.000 EgrEXP29 K02952 1.000 EgrEXP29 L02351 1.000 EgrEXP29 F04094 1.000 EgrEXP29 I01448 1.000 EgrEXP29 A01537 1.000 EgrEXP29 E01078 1.000 EgrEXP29 J03014 1.000 EgrEXP29 D02084 1.000 EgrEXP29 C02784 1.000 EgrEXP29 A01548 1.000 EgrEXP29 B02894 1.000 EgrEXP29 C01502 1.000 EgrEXP29 K02071 1.000 EgrEXP29 C03340 1.000 EgrEXP29 L02553 1.000 EgrEXP29 C04239 1.000 EgrEXP29 H02079 1.000 EgrEXP29 C00193 1.000 EgrEXP29 K00045 1.000 EgrEXP29 E02415 1.000 EgrEXP29 E00449 1.000 EgrEXP29 E02748 1.000 EgrEXP29 F03264 1.000 EgrEXP29 H04719 1.000 EgrEXP29 B03158 1.000 EgrEXP29 H01849 1.000 EgrEXP29 K02761 1.000 EgrEXP29 J01307 1.000 EgrEXP29 C03174 1.000 EgrEXP29 B00014 1.000 EgrEXP29 C01754 1.000 EgrEXP29 D02498 1.000 EgrEXP29 H01761 1.000 EgrEXP29 D00593 1.000 EgrEXP29 H04058 1.000 EgrEXP29 I00689 1.000 -
在自然界中，木材是十分重要的可再生的能源，并具有重要的生态价值。由于植物重要的经济、生态价值，植物木材已成为如今的研究热点[29]。EXP基因能够控制植物细胞壁的生长、修饰植物细胞壁的结构和物理特性，对木材的形成、纤维细胞的伸长、组织器官的形成等发挥着重要的调控作用，改变木材、纺织品等商业产品的质地[30]。Madoka等[31]克隆了杨树几条α-EXP基因和1条β-EXP基因，发现PttEXP1基因在成熟茎段的次生生长较为活跃；Xu等[32]发现在棉花纤维细胞的伸长过程中，α-expansin蛋白发挥了重要的调控作用；Sara等[33]从牵牛中获得了1条PhEXP1基因，反义转化后，发现牵牛花表皮细胞面积也相应的减少，细胞壁发生了改变，细胞壁机械强度下降。
EXP基因和蛋白结构特征基因和蛋白序列结构分析显示，所有EXP家族基因来源于一个共同的祖先基因[34]。巨桉EXP基因家族的大多数成员具有信号肽，植物扩展蛋白其氨基末端为20~30个氨基酸编码的信号肽，后进入分泌途径被剪切，扩展蛋白成为成熟肽[35-36]。
基因表达模式是基因生物学的具体表现形式之一，巨桉的基因组共有35个EXP基因，基因表达模式发现，EXP基因主要表达于巨桉的木质部、韧皮部中。Jane等[37]研究表明，利用转录组测序结果发现，EXP基因不同生理时期的茎段基因表达量具有显著差别。
-
EgrEXP17、EgrEXP18两个基因在未成熟木质部、韧皮部表达量较在其他部位表达量高，故推测EgrEXP17、EgrEXP18可能在在巨桉木材形成过程中起重要作用，这亦是笔者今后研究的重点。EXP基因家族成员的表达模式不尽相同，EXP基因在巨桉中具体功能还有待更深一步实验研究。到目前为止，并未发现与巨桉EXP基因相互关联基因对巨桉木材影响的互作研究，文中列出的与巨桉EXP基因相互关联的基因，是笔者今后实验的一个研究方向，在巨桉木材形成过程中，EXP家族基因的表达特性、功能以及EXP基因调控木纤维细胞的伸长等问题仍是笔者研究的重点。
巨桉EXP基因家族的生物信息学分析
Bioinformatics Analysis of EXP Gene Family in Eucalyptus grandis
-
摘要:
目的 本研究有助于了解EXP基因家族的基本特征，为深入研究其功能搭建平台。 方法 本研究对从巨桉（Eucalyptus grandis Hill）中筛选出35个EXP基因家族成员（EgrEXP1~EgrEXP35），利用生物信息学方法对其基因特征与表达模式进行综合分析。 结果 巨桉EXP基因分布在8条染色体之上，EXP蛋白均定位在细胞质膜上发挥作用，大多数的家族成员具有信号肽。巨桉EXP编码的蛋白质由α-螺旋、延伸链、无规卷曲、β-转角组成。进化分析结果表明，巨桉EXP蛋白与毛果杨（Populus trichocarpa）EXP蛋白的进化关系接近。35个巨桉EXP基因在巨桉未成熟木质部、成熟叶片、韧皮部、茎尖、木质部以及幼叶组织中表达模式存在显著差异。 结论 EXP基因家族各成员的表达模式不同，EgrEXP17、EgrEXP18可能在巨桉木材形成过程中起重要作用。 Abstract:Objective To understand the basic features of EXP gene family and build a platform for further research on its function. Method The Bioinformatics methods were used to analyze 35 EXP gene family members of the genome-wide sequence in Eucalyptus grandis (EgrEXP1~EgrEXP35). Result The result indicated that E. grandis EXP genes located in 8 different chromosomes, and the subcellular localization were located on the cytoplasmic membrane. Most of the family members had a signal peptide. The proteins encoded by the E. grandis EXP genes were composed by alpha helix, extending chain, random coil and beta corner. Phylogenetic analysis revealed that E. grandis EXP protein shared close relationship with those in Populus trichocarpa. The 35 E. grandis EXP expression patterns were significantly different in the tissues including immature xylem, mature leaf, phloem, shoot tips, xylem and young leaf. Conclusion The EXP expression pattern of E. grandis was different among family members. It could be inferred that EgrEXP17 and EgrEXP18 may play an important role in the process of wood formation in E. grandis. -
Key words:
- Eucalyptus grandis
- / EXP gene
- / bioinformatic analysis
- / expression pattern
-
图 2 巨桉EXP蛋白家族成员的三级结构分析
Figure 2. Tertiary structures of members of EXP protein family in Eucalyptus grandis
图 3 基于巨桉、毛果杨、拟南芥EXP蛋白构建的系统进化树
Figure 3. Phylogenetic tree constructed with the protein of EXP from Eucalyptus grandis, Populus trichocarpa and Arabidopsis
图 4 EXP基因在巨桉6个组织中表达分析
Figure 4. Expression analysis of EXP in six tissues of Eucalyptus grandis
表 1 巨桉EXP基因家族成员信息
Table 1. Information about members of the EXP gene family in Eucalyptus grandis
基因编号
Gene number基因名称
Gene name染色体
Chromosome氨基酸长度
aa length相对分子质量
Relative molecular mass/D理论等电点
PI不稳定系数
Instability index亲水性指数
Hydrophilic index脂溶指数
Aliphaticindex亚细胞定位
Subcellular localization信号肽
Signal peptideEgrEXP1 Eucgr.E01620 5 274 28 342.87 5.56 41.86 -0.014 75.55 细胞质膜 有 EgrEXP2 Eucgr.F02618 6 247 27 082.80 8.67 23.10 -0.192 70.73 细胞质膜 有 EgrEXP3 Eucgr.F03723 6 255 27 300.84 8.72 30.67 -0.052 66.67 细胞质膜 有 EgrEXP4 Eucgr.E03359 5 246 26 685.57 8.56 26.62 -0.008 74.55 细胞质膜 有 EgrEXP5 Eucgr.E01621 5 273 28 414.21 7.51 42.20 -0.033 74.36 细胞质膜 有 EgrEXP6 Eucgr.F02908 6 268 28 745.67 9.06 45.20 -0.100 74.78 细胞质膜 有 EgrEXP7 Eucgr.G02938 7 295 28 059.84 9.60 40.01 -0.098 67.41 细胞质膜 有 EgrEXP8 Eucgr.A00986 1 258 27 686.43 8.90 32.50 -0.065 74.15 细胞质膜 有 EgrEXP9 Eucgr.D01943 4 233 25 389.64 8.61 36.40 -0.138 58.24 细胞质膜 _ EgrEXP10 Eucgr.E01617 5 273 28 172.70 5.56 41.57 -0.005 75.09 细胞质膜 有 EgrEXP11 Eucgr.H05003 7 283 31 201.39 7.49 51.04 -0.211 67.88 细胞质膜 _ EgrEXP12 Eucgr.G00712 7 166 18 669.25 11.71 58.67 -0.286 75.12 细胞质膜 _ EgrEXP13 Eucgr.L02610 _ 266 29 444.81 9.22 25.77 -0.204 71.05 细胞质膜 有 EgrEXP14 Eucgr.F02621 6 247 26 922.68 8.01 29.30 -0.092 67.17 细胞质膜 有 EgrEXP15 Eucgr.E01622 5 273 28 321.03 6.79 41.96 -0.014 75.49 细胞质膜 有 EgrEXP16 Eucgr.B02358 2 97 10 791.26 12.18 33.38 -0.171 69.28 细胞质膜 有 EgrEXP17 Eucgr.B02355 2 260 28 085.94 9.84 33.75 -0.036 62.35 细胞质膜 有 EgrEXP18 Eucgr.I01493 9 294 32 328.81 8.78 40.71 -0.044 80.31 细胞质膜 有 EgrEXP19 Eucgr.E01615 5 273 28 244.76 5.31 41.12 -0.018 75.46 细胞质膜 有 EgrEXP20 Eucgr.J02048 10 263 28 310.19 9.86 37.38 -0.044 65.36 细胞质膜 有 EgrEXP21 Eucgr.E01616 5 206 22 259.32 6.28 39.85 -0.088 80.53 细胞质膜 _ EgrEXP22 Eucgr.A01806 1 276 29 564.72 9.54 47.15 -0.175 75.29 细胞质膜 有 EgrEXP23 Eucgr.E00513 5 272 29 397.53 9.26 31.19 0.010 65.33 细胞质膜 有 EgrEXP24 Eucgr.A01269 1 238 25 851.58 10.15 32.15 -0.067 69.75 细胞质膜 有 EgrEXP25 Eucgr.E01625 5 273 28 272.77 4.84 43.89 -0.033 75.09 细胞质膜 有 EgrEXP26 Eucgr.A00988 1 179 19 820.62 9.10 34.19 -0.152 76.87 细胞质膜 _ EgrEXP27 Eucgr.E00360 5 246 27 438.02 5.94 33.81 -0.283 68.94 细胞质膜 有 EgrEXP28 Eucgr.E00358 5 246 27 393.90 5.43 36.98 -0.259 70.53 细胞质膜 有 EgrEXP29 Eucgr.E00357 5 245 27 435.96 7.94 39.11 -0.342 68.41 细胞质膜 有 EgrEXP30 Eucgr.A00721 1 258 27 539.14 9.08 37.00 -0.079 66.37 细胞质膜 有 EgrEXP31 Eucgr.G03134 7 229 24 230.20 7.52 34.85 -0.043 66.94 细胞质膜 有 EgrEXP32 Eucgr.F01688 6 210 22 721.61 8.80 23.49 -0.149 65.95 细胞质膜 _ EgrEXP33 Eucgr.F02620 6 103 11 381.06 9.92 9.99 -0.120 70.87 细胞质膜 有 EgrEXP34 Eucgr.E01626 5 204 21 749.63 6.80 37.78 -0.154 76.03 细胞质膜 _ EgrEXP35 Eucgr.J00120 10 249 26 524.70 7.53 31.20 -0.100 61.20 细胞质膜 有 
下载: 导出CSV
表 2 巨桉EXP蛋白家族成员的二级结构分析
Table 2. Secondary structures of members of EXP protein family in Eucalyptus grandis
蛋白质Protein α-螺旋α-helix 延伸链Extending chain 无规卷曲Random coil β-转角β-angle 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% 氨基酸长度aa length 占比Proportion/% EgrEXP1 45 16.42 71 25.91 113 41.24 45 16.42 EgrEXP2 59 23.89 68 27.53 86 34.82 34 13.77 EgrEXP3 45 17.65 67 26.27 112 43.92 31 12.16 EgrEXP4 47 19.11 71 28.86 87 35.37 41 16.67 EgrEXP5 48 17.58 75 27.47 105 38.46 45 16.48 EgrEXP6 62 23.13 67 25.00 103 38.43 36 13.43 EgrEXP7 41 15.83 67 25.87 123 47.49 28 10.81 EgrEXP8 46 17.83 71 27.52 112 43.41 29 11.24 EgrEXP9 37 15.88 76 32.62 91 39.06 29 12.45 EgrEXP10 42 15.38 74 27.11 108 39.56 49 17.95 EgrEXP11 58 20.49 87 30.74 104 36.75 34 12.01 EgrEXP12 33 19.88 54 32.53 63 37.95 16 9.64 EgrEXP13 34 12.78 83 31.20 123 46.24 26 9.77 EgrEXP14 52 21.05 67 27.13 89 36.03 39 15.79 EgrEXP15 54 19.78 68 24.91 106 38.83 45 16.48 EgrEXP16 4 4.12 40 41.24 36 37.11 17 17.53 EgrEXP17 45 17.31 64 24.62 116 44.62 35 13.46 EgrEXP18 78 26.53 86 29.25 92 31.29 38 12.93 EgrEXP19 47 17.22 71 26.01 107 39.19 48 17.58 EgrEXP20 46 17.49 68 25.86 116 44.11 33 12.55 EgrEXP21 63 30.58 51 24.76 56 27.18 36 17.48 EgrEXP22 48 17.39 84 30.43 122 44.20 22 7.97 EgrEXP23 60 22.06 72 26.47 109 40.07 31 11.40 EgrEXP24 36 15.13 71 29.83 106 44.54 25 10.50 EgrEXP25 41 15.02 76 27.84 111 40.66 45 16.48 EgrEXP26 45 25.14 58 32.40 60 33.52 16 8.94 EgrEXP27 69 28.05 66 26.83 92 37.40 19 7.72 EgrEXP28 69 28.05 66 26.83 92 37.40 19 7.72 EgrEXP29 70 28.57 61 24.90 95 38.78 19 7.76 EgrEXP30 36 14.06 64 25.00 115 44.92 41 16.02 EgrEXP31 43 18.78 51 22.27 103 44.98 32 13.97 EgrEXP32 14 6.67 70 33.33 96 45.71 30 14.29 EgrEXP33 11 10.68 43 41.75 35 33.98 14 13.59 EgrEXP34 61 29.90 54 26.47 60 29.41 29 14.22 EgrEXP35 41 16.47 61 24.50 107 42.97 40 16.06
下载: 导出CSV
表 3 巨桉EXP关联基因分析
Table 3. Analysis of Eucalyptus grandis associated gene
EXP家族基因
EXP family gene关联基因
Associated gene关联系数
Associated indexEgrEXP3 F03049 1.000 EgrEXP6 G03243 0.997 EgrEXP7 C00742 0.996 EgrEXP11 D00023 0.998 EgrEXP11 A01011 0.998 EgrEXP11 A00797 0.998 EgrEXP12 E00110 1.000 EgrEXP16 C02889 0.998 EgrEXP17 K00578 0.991 EgrEXP18 J01600 0.999 EgrEXP20 A01455 0.997 EgrEXP27 E01677 1.000 EgrEXP27 J00460 1.000 EgrEXP27 C00580 1.000 EgrEXP27 E03553 1.000 EgrEXP27 C00726 1.000 EgrEXP28 F04138 1.000 EgrEXP28 E02782 1.000 EgrEXP29 F01721 1.000 EgrEXP29 H03672 1.000 EgrEXP29 D02013 1.000 EgrEXP29 C02749 1.000 EgrEXP29 E04370 1.000 EgrEXP29 J01898 1.000 EgrEXP29 K02952 1.000 EgrEXP29 L02351 1.000 EgrEXP29 F04094 1.000 EgrEXP29 I01448 1.000 EgrEXP29 A01537 1.000 EgrEXP29 E01078 1.000 EgrEXP29 J03014 1.000 EgrEXP29 D02084 1.000 EgrEXP29 C02784 1.000 EgrEXP29 A01548 1.000 EgrEXP29 B02894 1.000 EgrEXP29 C01502 1.000 EgrEXP29 K02071 1.000 EgrEXP29 C03340 1.000 EgrEXP29 L02553 1.000 EgrEXP29 C04239 1.000 EgrEXP29 H02079 1.000 EgrEXP29 C00193 1.000 EgrEXP29 K00045 1.000 EgrEXP29 E02415 1.000 EgrEXP29 E00449 1.000 EgrEXP29 E02748 1.000 EgrEXP29 F03264 1.000 EgrEXP29 H04719 1.000 EgrEXP29 B03158 1.000 EgrEXP29 H01849 1.000 EgrEXP29 K02761 1.000 EgrEXP29 J01307 1.000 EgrEXP29 C03174 1.000 EgrEXP29 B00014 1.000 EgrEXP29 C01754 1.000 EgrEXP29 D02498 1.000 EgrEXP29 H01761 1.000 EgrEXP29 D00593 1.000 EgrEXP29 H04058 1.000 EgrEXP29 I00689 1.000
下载: 导出CSV
-
[1] Cosgrove D J. Loosening of plant cell walls by expansins[J]. Nature, 2000, 407(6802):321-326. doi: 10.1038/35030000 [2] 赵美荣.植物扩展蛋白基因及其表达调控的研究进展[J].赤峰学院学报:自然版, 2014(14):1-5. [3] Cosgrove D J. Characterization of long-term extension of isolated cell walls from growing cucumber hypocotyls[J]. Planta, 1989, 177(1):121-130. doi: 10.1007/BF00392162 [4] Cosgrove D J. Growth of the plant cell wall. Nat Rev Mol Cell Bio 6:850-861[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2005, 6(11):850-861. doi: 10.1038/nrm1746 [5] 陈爱国, 陈进红. Expansin的研究进展[J].植物学报, 2003, 20(6):752-758. doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2003.06.016 [6] EvelynStrauss, 李大卫, 何方淑.细胞壁:决定植物细胞命运的信使[J].世界科学, 1999(5):21-22. doi: 10.3969/j.issn.1000-0968.1999.05.008 [7] Mcqueen-Mason S, Durachko D M, Cosgrove D J. Two endogenous proteins that induce cell wall extension in plants[J]. Plant Cell, 1992, 4(4):1425-1433. [8] Mcqueenmason S, Cosgrove D J. Disruption of hydrogen bonding between plant cell wall polymers by proteins that induce wall extension[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1994, 91(14):6574-6578. doi: 10.1073/pnas.91.14.6574 [9] 郝西, 理向阳, 腊贵晓, 等.黄瓜扩展蛋白基因家族的鉴定与生物信息学分析[J].分子植物育种, 2015, 13(10):2280-2289. [10] 雷忠萍, 贺道华, 海江波, 等.雷蒙德氏棉扩展蛋白基因家族的鉴定和特征分析[J].华北农学报, 2016, 31(6):44-55. [11] 欧阳昆唏, 李娜, 张东方, 等.团花树形成层扩展蛋白基因cDNA的克隆和序列分析[J].热带亚热带植物学报, 2010, 18(2):151-158. doi: 10.3969/j.issn.1005-3395.2010.02.007 [12] Gray-Mitsumune M, Blomquist K, Mcqueen-Mason S, et al. Ectopic expression of a wood-abundant expansin PttEXPA1 promotes cell expansion in primary and secondary tissues in aspen[J]. Plant Biotechnology Journal, 2008, 6(1):62-72. [13] Graymitsumune M, Mellerowicz E J, Abe H, et al. Expansins Abundant in Secondary Xylem Belong to Subgroup A of the α-Expansin Gene Family[J]. Plant Physiology, 2004, 135(3):1552-1564. [14] 徐筱, 徐倩, 张铠, 等.植物扩展蛋白基因的研究进展[J].北京林业大学学报, 2010, 32(5):154-162. [15] 赵美荣, 李永春, 黄文婕.扩展蛋白在果实成熟过程中的作用研究进展[J].赤峰学院学报:自然版, 2016, 32(11):11-13. [16] Fleming A J, Mcqueen-Mason S, Mandel T, et al. Induction of Leaf Primordia by the Cell Wall Protein Expansin[J]. Science, 1997, 276(5317):1415-1418. [17] Choi D, Yi L, Cho H T, et al. Regulation of Expansin Gene Expression Affects Growth and Development in Transgenic Rice Plants[J]. Plant Cell, 2003, 15(6):1386-1398. [18] Dongsu C, Hyungtaeg C, Yi L. Expansins:expanding importance in plant growth and development[J]. Physiologia Plantarum, 2006, 126(4):511-518. [19] Cho H T, Cosgrove D J. Regulation of root hair initiation and expansin gene expression in Arabidopsis[J]. Plant Cell, 2002, 14(12):3237-3253. doi: 10.1105/tpc.006437 [20] Guo W, Zhao J, Li X, et al. A soybean β-expansin gene GmEXPB2 intrinsically involved in root system architecture responses to abiotic stresses[J]. Plant Journal for Cell & Molecular Biology, 2011, 66(3):541-552. [21] Mario Pezzotti, Richard Feron, Celestina Mariani. Pollination modulates expression of the PPAL gene, a pistil-specific β-expansin[J]. Plant Molecular Biology, 2002, 49(2):187-197. doi: 10.1023/A:1014962923278 [22] Rose J K, Lee H H, Bennett A B. Expression of a divergent expansin gene is fruit-specific and ripening-regulated[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1997, 94(11):5955-5960. doi: 10.1073/pnas.94.11.5955 [23] 王辉, 孙涛, 赵会君, 等.商陆扩展蛋白基因PaEXP1在逆境胁迫下的表达[J].中国科学院大学学报, 2010, 27(4):448-455. [24] Liu W G, Jiang T, Zhou X R, et al. Characteristics of expansins in soybean (Glycine max) internodes and responses to shade stress[J]. Asian Journal of Crop Science, 2011, 3(1):26-34. doi: 10.3923/ajcs.2011.26.34 [25] Dotto M C, Pombo M A, Martínez G A, et al. Heat treatments and expansin gene expression in strawberry fruit[J]. Scientia Horticulturae, 2011, 130(4):775-780. doi: 10.1016/j.scienta.2011.09.002 [26] Yang Y H, Ai X L, Feng L, et al. Characterization of a wheat (Triticum aestivum L.) expansin gene, TaEXPB23, involved in the abiotic stress response and phytohormone regulation[J]. Plant Physiology & Biochemistry, 2012, 54:49-58. [27] LD普瑞尔著, 曾龄英.桉树生物学, (第2版)[M].爱德华-阿诺德出版有限公司, 1979. [28] 孟蕊.巨桉无性系生长早期选择[J].林业与环境科学, 2015, 31(3):11-15. doi: 10.3969/j.issn.1006-4427.2015.03.003 [29] 王桂凤.杉木木材形成过程中差异表达基因的鉴定与功能分析[D].南京: 南京林业大学, 2008. [30] 张安, 曹清河, 周志林, 等.植物细胞壁松弛因子-Expansin研究进展[J].江苏农业科学, 2013, 41(6):11-13. doi: 10.3969/j.issn.1002-1302.2013.06.004 [31] Gray M M, Mellerowicz E J, Abe H, et al. Expansins abundant in secondary xylem belong to subgroup A of the alpha-expansin gene family[J]. Plant Physiology, 2004, 135(3):1552-1564. [32] Xu B, Gou J Y, Li F G, et al. A Cotton BURP Domain Protein Interacts With α-Expansin and Their Co-Expression Promotes Plant Growth and Fruit Production[J]. Molecular Plant, 2013, 6(3):945-958. doi: 10.1093/mp/sss112 [33] Sara Z, Lara R, Giovanni B T, et al. Down regulation of the Petunia hybrida α-Expansin Gene PhEXP1 Reduces the Amount of Crystalline Cellulose in Cell Walls and Leads to Phenotypic Changes in Petal Limbs[J]. The Plant Cell, 2004, 16(2):295-308. doi: 10.1105/tpc.018705 [34] Javier S, Daniel J C. The expansin superfamily[J]. Genome Biology, 2005, 6(12):242. doi: 10.1186/gb-2005-6-12-242 [35] 高英, 王学臣.扩张蛋白(Expansin)研究进展[J].中国农学通报, 2005, 21(7):82-86. doi: 10.3969/j.issn.1000-6850.2005.07.026 [36] Sampedro J, Cosgrove D J. The expansin superfamily[J]. Genome Biology, 2005, 6(12):242. doi: 10.1186/gb-2005-6-12-242 [37] Geislerlee J, Geisler M, Coutinho P M, et al. Poplar carbohydrate-active enzymes. Gene identification and expression analyses.[J]. Plant Physiology, 2006, 140(3):946-962. -
点击查看大图
图(4) / 表(3)
计量
- 文章访问数: 5011
- HTML全文浏览量: 2038
- PDF下载量: 306
- 被引次数: 0
