本周推荐的文章为02月02日黄进课题组每周的文献分享组会上，由蒋文君（2022级生物技术与工程专业硕士研究生）分享的题为“Genome-wide identification and characterization of the LpSAPK family genes in perennial ryegrass highlight LpSAPK9 as an active regulator of drought stress”的文章。该文章发表于Frontiers in Plant Science（中科院二区，IF=5.6，第一作者：Jing Xing，通讯作者：Bin Xu）。

文献内容简介

多年生黑麦草（Lolium perenne L.）是一种具有重要经济价值的冷季型草种，广泛种植于世界各地的温带地区，可用作草坪和饲料。然而，灌溉往往是收获高效益牧草和保持草坪持久性的主要问题。为了进一步提高多年生黑麦草的抗旱性，我们就必须了解多年生黑麦草耐旱性背后的作用机制。

已有研究表明，SAPK（stress-activated protein kinase, 应激活化蛋白激酶; 又被称为SnRK2, sucrose non-fermenting 1-related protein kinase 2 subfamily, 蔗糖非酵解型蛋白激酶2）是一种植物中特异性地作用于 Ser/Thr 蛋白的激酶家族，通过依赖或非依赖ABA（abscisic acid, 脱落酸）信号通路，参与植物生长、发育和响应非生物胁迫反应。所有SAPK都存在两个结构域，即N端激酶结构域和C端调节结构域。到目前为止，多种植物中的SAPKs已被证实与非生物胁迫相关，比如水稻中的OsSAPK7，提高了水稻的耐盐能力；AtSnRK2.8提高了植物对干旱和盐的耐受能力；ZmSAPK8提高了植物对盐胁迫的耐受性等等。因此，了解多年生黑麦草中SAPK家族的作用机制，对于提高多年生黑麦草应对各种逆境胁迫具有重要意义。

在该研究中，作者首先在多年生黑麦草中找到10个LpSAPKs基因，并进行了多序列比对分析。结果表明，所有 LpSAPKs 都具有 SAPK 家族的典型结构域（图1）。

图1. LpSAPKs的多序列比对

为了了解不同植物中SAPKs同源物之间的进化关系，作者进行了系统发育分析。结果表明，SAPKs被分为三个亚类，其中5个LpSAPKs在1亚类，3个LpSAPKs在2亚类，2个LpSAPKs在3亚类（图2）。

图2. 拟南芥、水稻、玉米、短柄草和多年生黑麦草中 SAPK/SnRK2 蛋白的系统发育分析

为了进一步了解LpSAPKs ，作者进行了基因结构和保守基序分析。结果表明，10个LpSAPKs均存在内含子以及1-5 和 7-9 基序（图3）。

图3. LpSAPKs的基因结构和保守基序组成

由于多年生黑麦草中LpSAPKs的系统发育和基因结构与其他物种相似，作者推测LpSAPKs可能在进化过程中受到纯化选择，以维持其保守功能。为了验证这一猜想，作者对 LpSAPKs 及其在水稻和短柄草中的同源基因进行了 Ka/Ks 分析。结果表明，所有这些基因都受到纯化选择（表1）。

表1. LpSAPK 与水稻和短柄草中同源基因的纯化选择

为了进一步了解LpSAPKs的作用机制，作者进行了亚细胞定位分析。结果表明， LpSAPK5存在保卫细胞的细胞质中，而其余9个LpSAPKs存在叶表皮细胞的细胞质和细胞核中（图4）。

图4. LpSAPKs蛋白的亚细胞定位

通过对LpSAPKs的顺式作用元件分析发现，LpSAPKs存在多个响应元件，包括多种胁迫和激素响应元件（图5）。

图5. LpSAPKs启动子区域的顺式元件分析

随后作者检测了LpSAPKs的表达是否受到激素影响以及是否响应非生物胁迫，发现LpSAPKs在不同组织中表达存在差异（图6）。在不同非生物胁迫下LpSAPKs表达也存在差异（图7）。LpSAPKs表达受到ABA、6-BA（cytokinin，细胞分裂素）和ETH（ethephon，乙烯）激素的影响（图8）。

图6. LpSAPKs在不同组织中的表达水平

图7. LpSAPKs在不同胁迫下的表达水平

图8. LpSAPKs在不同激素下的表达水平

为了检测LpSAPKs是否调节生物对干旱和盐的耐受能力，作者构建了转基因酵母。结果表明，LpSAPK9 提高了酵母的耐旱能力，但却降低了酵母的耐盐能力（图9）。

图9. LpSAPKs在酵母细胞过表达的耐旱性和耐盐性分析

为了进一步检测LpSAPK9是否调节植物的耐旱性，作者检测了3个多年生黑麦草品种（耐旱性不同）中LpSAPK9的表达水平。结果显示，LpSAPK9 可能正向调控植物对干旱胁迫的耐受能力（图10）。

图10. LpSAPK 9在耐旱性不同的3个多年生黑麦草品种中对干旱胁迫的表达

文献总结与分析

研究表明，大部分SAPK / SnRK2被确定为植物生长发育、ABA信号转导和胁迫耐受性的重要调节因子。然而，SAPKs在多年生黑麦草中未被研究。在这里，作者通过对多年生黑麦草中的LpSAPKs进行生物信息学分析发现，LpSAPKs在进化过程中受到纯化选择作用显著，其基因结构和系统发育关系与近缘物种中的同源基因相似。然而，LpSAPKs 的启动子区域及其表达模式却与它们的同源基因不同，这表明尽管它们的功能是保守的，但在转录水平上仍可能存在差异。此外，LpSAPK9 可能还在黑麦草耐旱过程中发挥正向调控因子的作用。此研究结果将有助于进一步对 LpSAPKs 家族进行功能分析，从而促进黑麦草的分子育种。

于本课题组启示

本课题组的硕士研究生蒋文君研究多年生黑麦草中HIPPs家族在非生物胁迫下的作用机制。目前，对于某种植物中整个基因家族功能的初步分析多集中于生物信息学分析。对于成员较多基因家族开展功能分析时，应根据生物信息学数据及其他可参考研究结果，选择有代表性的成员进行较为深入的功能研究。此外，我们也可以充分利用我们酵母、微藻等基于微生物的基因功能分析系统，利用其操作简便、周期短、表型明显且量化分析容易等特点，在构建转基因植物进行功能分析之前，对目的基因的功能进行初步分析。

原文链接：https://doi.org/10.3389/fpls.2022.922564

　　　　　欢迎关注我们的公众号：黄进课题组　　　　　　欢迎关注我们课题组的主页