桫椤CAD基因家族生物信息学分析

[目的]桫椤是现存唯一的木本蕨类植物，被称为“树蕨”，其树干中含有大量的木质素，对桫椤生长和树干支撑起到重要的作用。肉桂醇脱氢酶(CAD)是参与木质素生物合成的关键酶，其类型和活性会引起木质素总量和单体含量的显著变化。通过对桫椤 CAD 基因家族成员鉴定及生物信息学分析，以期明确桫椤 CAD基因的进化关系、功能及表达模式。[方法]基于课题组前期对桫椤CAD 基因家族进行鉴定得到的 51 个成员，对其进行编号，分别为AspiCAD1～AspiCAD49.结合生物信息学分析和表达谱分析，通过MEGA、TBtools、prismchs等软件，itol、ExPASy、Plantcare、WOLF PSORT等在线网站对51个AspiCADs基因的理化性质、染色体定位、系统发育、基因结构等进行了分析，并采用半定量PCR法探究了桫椤不同部位中AspiCAD基因的表达谱。[结果]51 个AspiCADs基因，其编码蛋白的氨基酸数量为 229-876 aa，分子质量为32495.55-97695.47 Da，等电点为 5.18-9.75，不稳定数为20.43-44.93，脂肪指数为 81.92-109.58，有27个AspiCAD蛋白为亲水蛋白，蛋白预测亚细胞定位大多位于细胞质，也有部分位于质膜、线粒体、内质网等，反映了桫椤细胞内CAD基因功能和机制的多样性;51个AspiCADs基因在23条染色体上不均匀分布，染色体Chr07 上分布最多，并在染色体Chr07、Chr08、Chr12、Chr23、Chr39、Chr46、Chr56 上检测到连续重复基因，串联重复和片段重复被认为是影响植物基因家族进化的主要因素;结合对毛果杨CAD家族成员的鉴定，与AspiCADs共同进行系统发育分析，将51个AspiCADs基因分为 4大类，且AspiCAD1与Potri.009G095800.1(PtrCAD1)为同源基因;同一家族的成员具有相似的基因结构和功能结构域，同一类中的AspiCADs蛋白的Motif分布大致相似，且AspiCADs基因家族成员含有内含子 4～12个不等，外显子4～13 个不等;AspiCADs基因中植物生长发育元件数量最多为587 个，表明该家族具有潜在的促进植物生长发育的功能;转录组和 qRT-PCR 数据共同表明，AspiCAD1、AspiCAD32、AspiCAD17、AspiCAD4、AspiCAD38、AspiCAD39、AspiCAD42 在木质部中表达量较高，其中AspiCAD1 在木质部中的表达量显著高于叶片、韧皮部、髓和厚壁组织。[结论]桫椤 AspiCADs 家族成员在进化特征上高度保守，可能参与多种激素以及植物生长发育反应，AspiCAD1 可能是木质素生物合成的关键基因。本研究结果为桫椤 CAD 基因的进化关系和功能提供新的见解，进一步为解析桫椤木质素生物合成的分子机制提供候选基因。