高粱高亲和硝酸盐转运蛋白NRT2/3基因家族鉴定、表达与DNA变异分析

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作   者：

赵珊珊;  郭志强;  朱立勋;  范佳利;  杨博慧;  柴文婷;  孙慧琼;  冯凡;  粱月秀;  邹春雷;  姜晓东;  赵威军;  吕晋慧;  张春来; 

作者机构：

山西农业大学林学院;  山西农业大学农学院教育部省部共建黄土高原特色作物高效生产协同创新中心;  山西农业大学高粱研究所; 

关键词：

硝酸盐同化相关蛋白2 (NAR2);  基因表达;  DNA变异;  硝酸盐转运蛋白2(NRT2);  高粱基因组; 

期刊名称：

生物工程学报

i s s n：

1000-3061

年卷期：

2023 年 07 期

页   码：

2743-2761

摘   要：

硝态氮是作物吸收无机氮素的主要形态，硝酸盐转运蛋白2 (nitrate transporter 2, NRT2)作为高亲和性的转运蛋白，以硝酸盐作为特异性底物，在可利用的硝酸盐受限时，高亲和性转运系统被激活，在硝酸盐吸收、转运过程中发挥着重要作用。大多数NRT2不能单独转运硝酸盐，需在硝酸盐同化相关蛋白2 (nitrate assimilation related protein 2, NAR2)的协助下才能完成硝酸盐的吸收或转运。作物氮利用效率受环境条件影响，品种间存在差异，因此培育高氮素利用效率品种有重大意义。高粱(Sorghum bicolor)具有耐贫瘠特性，对土壤中的氮素吸收和利用效率较高。本研究结合高粱基因组数据库对NRT2/3基因家族成员基因结构、染色体定位、理化性质、二级结构与跨膜结构域、信号肽与亚细胞定位、启动子区顺式作用元件、系统进化、单核苷酸多态性(singlenucleotide polymorphism,SNP)的识别与注释及选择压力进行了全面分析。通过生物信息学分析，筛选出5个NRT2s(命名为SbNRT2-1a、2-1b、SbNRT2-2–4)基因和2个NAR2s(SbNRT3-1–2)基因，较谷子略少。分布在3条染色体上，分为4个亚家族，同一亚族中基因结构高度相似；高粱NRT2/3亲水性平均值均为正值，表明均为疏水性蛋白；α-螺旋和无规则卷曲占二级结构总量的比例大于70%；亚细胞定位均在质膜上，其中NRT2s蛋白不含信号肽，NRT3s蛋白含信号肽；进一步对其跨膜结构域进行分析，发现NRT2s家族成员跨膜结构域个数均大于10个，而NRT3s家族成员跨膜结构域个数为2个；高粱与玉米(Zea mays) NRT2/3s的共线性较好；蛋白结构域显示存在MFS＿1和NAR2蛋白结构域，可执行高亲和力硝酸盐转运；系统进化树分析可知，高粱与玉米和谷子的NRT2/3基因亲缘关系更近；基因启动子顺式作用元件分析发现，SbNRT2/3基因的启动子区均具有数个植物激素和逆境应答元件，可以响应高粱生长和环境变化；基因表达热图显示低氮条件下在根诱导表达的是SbNRT2-1a、SbNRT2-1b和SbNRT3-1，推测可在高粱根部表达并调控对硝酸盐的吸收或转运过程。在SbNRT2-4和SbNRT2-1a等发现多个非同义SNP变异；选择压力分析表明，高粱NRT2/3基因家族在进化过程中受纯化选择作用。SbNRT2/3基因表达及蚜虫侵染影响与基因在不同组织中的表达分析结果一致，SbNRT2-1b和SbNRT3-1在感染蚜虫品系5-27sug根部表达显著，高粱蚜虫侵染叶片显著降低了SbNRT2-3、SbNRT2-4和SbNRT3-2的表达水平。本研究初步对高粱全基因组NRT2/3基因家族进行鉴定、表达与DNA变异分析，为高粱氮高效研究提供了基础。