1、分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 3 期，第 717-728 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,717-728研究报告Research Report大豆 SPL 基因家族生物信息学分析王文丽1,2董英山2刘晓冬2王玉民2赵洪锟2袁翠平2齐广勋2王英男2郑梅竹1*李玉秋2*1 长春师范大学生命科学学院,长春,130032;2 吉林省农业科学院大豆研究所,长春,130033*共同通信作者,;摘要SQUAMOSA 启动子结合蛋白样(SPL)转录因子广泛存在于植物中，主要参与植物生长、发育以及多种生理生化过程。为明确大豆 SPL 基因家族
2、在染色体上的分布、保守结构域、亚族种类、进化关系等，采用生物信息学方法对大豆 SPL 家族基因进行分析。本研究从大豆基因组数据库中筛选得到 43 个 SPL 基因家族成员，系统发育树分析得到 5 个亚群。保守结构同源性分析发现，SPL 基因家族都含有 SBP-box 的锌指结构和核定位信号。染色体定位发现除 14 号染色体没有 SPL 分布外，其他染色体均有不同数量的 SPL 基因分布。基因加倍、扩张分析表明，大豆 SPL 基因家族成员之间不存在串联重复，但是存在 36 对片段重复，表明部分大豆 SPL 基因可能是由基因重复产生；大豆与拟南芥 SPL 基因家族之间有 29 个基因之间存在共线性
3、关系，表明大豆与拟南芥 SPL 基因家族之间具有较高同源性。本研究对 SPL 基因家族的进化分析，将有助于理解大豆 SPL 基因的结构、功能及进化关系，为深入研究大豆 SPL 基因的功能提供有利的理论依据。关键词大豆;SPL;基因家族;生物信息;转录因子Bioinformatics Analysis of Soybean SPL Gene FamilyWang Wenli1,2Dong Yingshan2Liu Xiaodong2Wang Yumin2Zhao Hongkun2Yuan Cuiping2QiGuangxun2Wang Yingnan2Zheng Meizhu1*Li Yuqiu
4、2*1 College of Life Sciences,Changchun Normal University,Changchun,130032;2 Soybean Research Institute,Jilin Academy of Agricultural Science,Changchun,130033*Co-corresponding authors,;DOI:10.13271/j.mpb.021.000717AbstractSQUAMOSA promoter-binding protein-like(SPL)transcription factors widely exist i
5、n plants,mainlyinvolved in plant growth,development and a variety of physiological and biochemical processes.In order to clarifythe distribution,conserved domains,subfamily types and evolutionary relationships of soybean SPL gene family onchromosomes,bioinformatics methods were used to analyze soybe
6、an SPL family genes.In this study,43 membersof SPL gene family were screened from soybean genome database,and 5 subgroups were obtained by phylogenetictree analysis.Conservative structural homology analysis showed that SPL gene family contained SBP-box zinc fin-ger structure and nuclear localization
7、 signal.Chromosome mapping showed that except chromosome 14,therewere different numbers of SPL genes in other chromosomes.The gene doubling and expansion analysis showedthat there was no tandem repeat among the members of soybean SPL gene family,but there were 36 pairs of frag-ment repeats,indicatin
8、g that some soybean SPL genes might be generated by gene repeats.There were 29 colli-nearity genes between soybean and Arabidopsis SPL gene family,indicating that soybean and Arabidopsis SPLgene family had high homology.The results will deepen our understanding of the structure,function and evolutio
9、n基金项目：本研究由国家自然科学基金青年基金项目(31901566)和吉林省农业科技创新工程项目(KYJF2021JQ010;CXGC-2021DX013)共同资助引用格式：Wang W.L.,Dong Y.S.,Liu X.D.,Wang Y.M.,Zhao H.K.,Yuan C.P.,Qi G.X.,Wang Y.N.,Zheng M.Z.,and Li Y.Q.,2023,Bioinformatics analysis of soybean SPL gene family,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(3):717-7
10、28.(王文丽,董英山,刘晓冬,王玉民,赵洪锟,袁翠平,齐广勋,王英男,郑梅竹,李玉秋,2023,大豆 SPL 基因家族生物信息学分析,分子植物育种,21(3):717-728.)分子植物育种Molecular Plant Breedingof SPLs and provide a basis for further study to SPLs in soybean.KeywordsSoybean;SPL;Gene family;Biological information;Transcription factor转录因子是存在于生物体内能与基因 5 端上游启动子区域顺式元件相互作用，从而保证
11、目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白质分子(Riechmann et al.,2000)。在调控特异性组织基因表达的过程中转录因子是关键的因素，在真核生物的生长发育过程中发挥重要的作用。生物体内特定转录因子的表达水平的改变，可以从很大程度上影响生物生长发育的整个过程。SQUAMOSA 启动子结合蛋白样(SPL)转录因子组成了一类重要的植物特异性转录因子家族，在植物的整个生长发育调控途径以及多种生理生化过程中扮演着重要的角色(Guo et al.,2008)。最初是 Huijser 等(1992)从金鱼草中分离出含有MADS-box 保守结构域的 2 个基因，Klein 等(1996
12、)将其命名为 SPL1 和 SPL2，并证明了这 2 个基因在金鱼草花的发育以及开花过程中起到调控作用。有研究证明，SPL 蛋白通过和 MA-DS-box 基因的 squamosa 启动子结合，从而对植物花的早期发育进行调控。从单细胞衣藻到多细胞高等植物，几乎所有绿色植物中都存在 SBP 结构域，但是原核生物、真菌或动物中是不存在的(Li et al.,2020)。SPL 转录因子家族成员均含有高度保守的 SBP结构域，除了可以特异性结合启动子的顺式作用元件，还能够与其他调控蛋白相互作用，共同调控相关基因的表达，其大小通常为 79 个氨基酸左右。它们的 DNA 结合域都具有一个相同的结构特征，
13、即都含有由 8 个半胱氨酸(Cys)或组氨酸(His)残基所组成的2 个锌指结构(Lietal.,2018)。随后 Birkenbihl 等(2005)又发现在 SPL 结构域的 C 端具有一个核定位信号，它与 DNA 结合结构域重叠，引导 SPL 蛋白进入到细胞核，调控下游相关基因的转录；在 SBP 结构域下游存在一个锚蛋白重复序列区域，SPL 蛋白可能通过该区域与其他蛋白发生相互作用(潘晓璐等,2020)。部分分子量较大的 SPL 蛋白可能还存在其他核定位信号。另外，在一部分 SPL 基因中还拥有高度保守的miR156/miR157 识别位点(李明等,2013)。SPL 家族基因的功能研究
14、表明，其在调控植物胚胎、叶片、花和果实发育，营养生长转变为生殖生长，花青素积累、应答生物和非生物胁迫反应以及体内铜离子稳态平衡等方面发挥重要作用(汪先菊等,2020)，此外还参与了 miR156 的调控(王俊文和石晶,2021)。SPL 转录因子通过直接或间接参与光周期途径、春化途径、赤霉素途径、自主途径以及年龄途径，从而调控植物的开花时间(田晶等,2018)；SPL 家族基因在作物遗传改良的许多方面，比如对作物产量、株型、抗逆性等都具有重要的实际应用价值。目前，SPL 基因家族成员不仅存在于拟南芥、水稻、大豆等模式作物，还存在于葡萄、白桦树等多种植物中。随着越来越多实验研究的开展，植物全基因
15、组数据也得到了飞快的积累，而采用生物信息学方法对基因家族成员的序列特征及进化关系进行详细剖析已经成为一种有效的工具。例如，分析基因家族的序列特征、表达及进化分析(朱红霞等,2012)、系统发育比较、表达谱及其调控等。目前，大豆 SPL 基因家族成员的数目、基因结构与进化关系等已得到预测和分析(Tripathi et al.,2017)。但随着更多的大豆SPL 基因被挖掘出来，使得大豆 SPL 基因家族成员得到了扩张与更新。因此，有必要重新对大豆 SPL 基因家族进行鉴定分析。本研究筛选得到 43 个大豆SPL 基因家族成员，分析了各成员基因结构、亚细胞定位、染色体定位、亲缘关系、蛋白保守序列、
16、顺式作用元件等并进行了共线性分析。此外，还分析了与拟南芥 SPL 基因家族成员的共线性关系，为大豆 SPL基因家族成员特异性功能分析提供前期数据。1结果与分析1.1大豆SPL基因家族成员鉴定从植物基因组数据库(Phytozome)中获得的大豆基因组数据，通过 Pfam(PF03110)搜索初步鉴定出61 个 SPL 候选基因。然后利用 CDD、SMART 以及Pfam 数据库检测候选基因，以确认 SBP 结构域的存在，排除不含完整 SBP 结构域的序列以及亲缘关系较远的序列，最终得到 43 条具有典型 SBP 结构域的序列，并且根据基因在染色体上的顺序进行命名Gm-SPL1GmSPL43(表 1)。大豆 SPL 基因家族蛋白长度在 1391 040 个氨基酸之间，相对分子量在 15 897.3114 831.3 Da 之间，其理论等电点在 6.119.95 之间，其中 Glyma.04G159600、Glyma.17G080700、Glyma.15G-099400、Glyma.15G076200、Glyma.13G213400 与 Gly-ma.05G019000 的 pI 小于 7，