坛紫菜HSP20基因家族成员的全基因组鉴定及生物信息学分析

摘要

【目的】鉴定坛紫菜(Pyropia haitanensis)HSP20基因家族成员(PhHSP20s),并进行生物信息学及表达谱分析,为揭示PhHSP20s基因在坛紫菜生长发育和非生物胁迫下的调控机理提供理论依据。【方法】对坛紫菜基因组序列进行基因结构预测,利用隐马尔可夫模型在坛紫菜蛋白序列中搜索含有ACD结构域且分子量为12~43 kD的HSP20家族蛋白,并对其理化性质、系统进化及编码基因启动子顺式作用元件和表达特性进行分析。【结果】从坛紫菜全基因组鉴定出8个PhHSP20s基因,其不均匀地分布在5条Scaffolds上,均只含有1个外显子,无内含子,开放阅读框(ORF)长度为402~930 bp,其编码蛋白的氨基酸残基数量为133~309个,分子量为13.7~31.9 kD,理论等电点(pI)为5.50~10.49,多数蛋白呈酸性。系统发育进化树分析结果显示,陆生植物(拟南芥)、红藻(脐形紫菜和坛紫菜)和细菌(大肠杆菌)HSP20分别聚类为独立的一支,但绿藻(莱茵衣藻)HSP20聚类为2个分支,分别与陆生植物和红藻HSP20聚类在一起;红藻(脐形紫菜和坛紫菜)HSP20蛋白高度相似,亲缘关系近,可分为2个小分支,均与陆生植物HSP20的亲缘关系较远,不属于陆生植物中已报道过的任何HSP20亚族。PhHSP20s基因启动子上除了含有保守的通用元件外,还含有非生物胁迫响应元件。在PhHSP20s基因中,除PhHSP32基因几乎不在任何条件下表达外,其余PhHSP20s基因至少在1种条件下高表达,且部分PhHSP20s基因表现出相似的表达模式;部分PhHSP20s基因在不同生长阶段、光质培养条件、失水胁迫和盐胁迫下具有表达特异性,即在生殖细胞发育阶段和单性生殖孢子发育期高表达,在低盐胁迫下高表达。【结论】坛紫菜HSP20家族基因在基因数目、基因结构及系统进化上明显不同于陆生植物HSP20家族基因,推测HSP20基因复制事件在红藻和陆生植物分化之后独立发生,且在坛紫菜生长发育和非生物胁迫应答中发挥作用。