肋果沙棘和西藏沙棘转录因子bHLH94基因对海拔适应性分化的研究

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.06.007

摘要/Abstract

摘要：

bHLH转录因子是植物体内的第二大类转录因子，在植物的生长发育、生理代谢及逆境应答过程中起着重要的作用。以肋果沙棘（Hippophae neurocarpa）和西藏沙棘（H. tibetana）为研究材料，通过转录组测序，筛选出受正选择作用的转录因子bHLH94基因，基于HnbHLH94、HtbHLH94基因序列和基因表达量分析，研究肋果沙棘和西藏沙棘bHLH94基因对海拔的响应机制。HnbHLH94和HtbHLH94基因分别编码338和335个氨基酸，Sanger法测序验证序列的正确性及二者DNA结合结构域之外的10个非同义突变位点，推测与该基因的适应性进化有关；qRT-PCR验证HnbHLH94基因表达量随海拔的升高而减小，HtbHLH94基因表达量随海拔的升高而增大，提示二者可能在干旱、冷冻及辐射等方面提供了对海拔适应的分子基础。综上，HnbHLH94 和HtbHLH94基因在序列结构和表达量两个方面来响应海拔升高的生境条件。

关键词: bHLH94转录因子, 肋果沙棘, 西藏沙棘, 海拔, 适应性分化

Abstract:

The bHLH proteins are the second large family of transcription factors， which play important roles in plant growth development， physiological metabolism and stress responses. In this study， Hippophae neurocarpa and H.tibetana were used as materials， the positive selection of the transcription factor bHLH94 genewas screened out using transcriptome sequencing. Based on the analysis of gene sequence and expression of HnbHLH94 and HtbHLH94， the response mechanism of bHLH94 genein H.neurocarpa and H.tibetana adapted to altitude was studied. The HnbHLH94 and HtbHLH94 gene encoded 338 and 335 amino acids respectively. Sanger sequencing method verified the correctness of sequences， however there were 10 non-synonymous mutation sites outside the DNA binding domain of the two genes， which was speculated to be related to the adaptive evolution of the gene. As the altitude increased， the HnbHLH94 gene expression decreased， while the HtbHLH94 gene expression increased based on qRT-PCR technology. It suggested that gene might provide a molecular basis for adaptation to altitude， drought， freezing and radiation respectively， and the sequence structure and expression of HnbHLH94 and HtbHLH94 genes responded to the habitat conditions of elevation.

Key words: bHLH94 transcription factor, Hippophae neurocarpa, H.tibetana, altitude, adaptive differentiation

中图分类号:

S793.6

钱婷, 赵凡, 张玉洁, 李雪丽, 孙坤, 张辉. 肋果沙棘和西藏沙棘转录因子bHLH94基因对海拔适应性分化的研究[J]. 植物研究, 2022, 42(6): 976-985.

Ting QIAN, Fan ZHAO, Yujie ZHANG, Xueli LI, Kun SUN, Hui ZHANG. Study on Adaptive Differentiation of Transcription Factor bHLH94 Gene to Altitude in Hippophae neurocarpa and H.tibetana[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(6): 976-985.

图/表 10

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参考文献 30

1	WANG J Y， HU Z Z， ZHAO T M，et al.Genome-wide analysis of bHLH transcription factor and involvement in the infection by yellow leaf curl virus in tomato（Solanum lycopersicum）［J］.BMC Genomics，2015，16（1）：39.
2	GUO J R， SUN B X， HE H R，et al.Current understanding of bHLH transcription factors in plant abiotic stress tolerance［J］.International Journal of Molecular Sciences，2021，22（9）：4921.
3	MURRE C， BAIN G， VAN DIJK M A，et al.Structure and function of helix-loop-helix proteins［J］.Biochim Biophys Acta，1994 Jun 21；1218（2）：129-35.
4	王力伟，房永雨，刘红葵，等.bHLH转录因子的研究进展［J］.畜牧与饲料科学，2020，41（1）：23-27.
	WANG L W， FANG Y Y， LIU H K，et al.Research progress of bHLH transcription factors［J］.Animal Husbandry and Feed Science，2020，41（1）：23-27.
5	XIE X B， LI S， ZHANG R F，et al.The bHLH transcription factor MdbHLH3 promotes anthocyanin accumulation and fruit colouration in response to low temperature in apples［J］.Plant，Cell & Environment，2012，35（11）：1884-1897.
6	ZHU J H， XIA D N， XU J，et al.Identification of the bHLH gene family in Dracaena cambodiana reveals candidate genes involved in flavonoid biosynthesis［J］.Industrial Crops & Products，2020，150：112407.
7	LIU W W， TAI H H， LI S S，et al. bHLH122 is important for drought and osmotic stress resistance in Arabidopsis and in the repression of ABA catabolism［J］.New Phytologist，2014， 201（4）：1192-1204.
8	SEO J S，JOO J， KIM M J，et al. OsbHLH148，a basic helix-loop-helix protein，interacts with OsJAZ proteins in a jasmonate signaling pathway leading to drought tolerance in rice［J］.The Plant Journal，2011，65（6）：907-921.
9	孙坤，丁雪洋，张辉，等.NBA1/MERIT40在3种沙棘中的适应性分化研究-兼论二代测序技术在杂种鉴定中的应用［J］.植物研究，2020，40（5）：648-658.
	SUN K， DING X Y， ZHANG H，et al.Adaptive differentiation of NBA1/MERIT40 of three species of Hippophae L.-discussion on the application of next-generation sequencing technology in hybrid identification［J］.Bulletin of Botanical Research，2020，40（5）：648-658.
10	李雪丽.肋果沙棘和西藏沙棘自然杂交的转录组学研究［D］.兰州：西北师范大学，2021.
	LI X L.Transcriptomics study on natural hybridization of Hippophae neurocarpa and H .thibetana［D］.Lanzhou：Northwest Normal University，2021.
11	张玉娜，孙坤，张辉，等.肋果沙棘（Hippophae neurocarpa S.W.Liu et T.N.He）自然种群的风媒传粉特征［J］.生态学报，2009，29（1）：508-514.
	ZHANG Y N， SUN K， ZHANG H，et al.Characteristics of wind pollination in a natural population of Hippophae neurocarpa S.W.Liu et T.N.He（Elaeagnaceae）［J］.Acta Ecologica Sinica，2009，29（1）：508-514.
12	周璇，贾志鹏，王娟，等.肋果沙棘幼苗抗氧化酶系统及总黄酮对UV-B辐射增强的响应［J］.广西植物，2020，40（11）：1595-1601.
	ZHOU X， JIA Z P， WANG J，et al.Response of antioxidant enzyme system and total flavonoid of woody plant Hippophae neurocarpa seedlings to enhanced UV-B radiation［J］.Guihaia，2020，40（11）：1595-1601.
13	温江波，孙坤，晏民生，等.青藏高原东缘西藏沙棘（Hippophae tibetana）果实性状变异［J］.植物研究，2010，30（2）：164-169.
	WEN J B， SUN K， YAN M S，et al.Variation in fruit characteristics of Hippophae tibetana（Elaeagnaceae）in the eastern Qinghai-Tibet plateau，China［J］.Bulletin of Botanical Research，2010，30（2）：164-169.
14	赵雪艳，李思锋，柏国清，等.百合属5种植物的比较转录组分析［J］.植物研究，2021，41（4）：614-625.
	ZHAO X Y， LI S F， BAI G Q，et al.Comparative transcriptome analysis of five species of Lilium ［J］.Bulletin of Botanical Research，2021，41（4）：614-625.
15	张莞晨，阮成江，李景滨，等.四种木本油料内参基因筛选及Actin基因时空表达分析［J］.分子植物育种，2018，16（14）：4576-4582.
	ZHANG W C， RUAN C J， LI J B，et al.Screening of reference genes in four woody-oil trees and spatio-temporal expression analysis of actin gene［J］.Molecular Plant Breeding，2018，16（14）：4576-4582.
16	TARCZEWSKA A， GREB-MARKIEWICZ B.The significance of the intrinsically disordered regions for the functions of the bHLH transcription factors［J］.International Journal of Molecular Sciences，2019，20（21）：5306.
17	赵小明.家蚕丝腺特异表达的bHLH转录因子Bmsage和Bmdimm的功能研究［D］.重庆：西南大学，2014.
	ZHAO X M.Function on BHLH transcription factors，Bmsage and Bmdimm，expressed specially in the silk gland of silkworm，Bombyx mori ［D］.Chongqing：Southwest University，2014.
18	PIRES N， DOLAN L.Origin and diversification of basic-helix-loop-helix proteins in plants［J］.Molecular Biology and Evolution，2010，27（4）：862-874.
19	HACHEZ C， OHASHI-ITO K， DONG J，et al.Differentiation of Arabidopsis guard cells：analysis of the networks incorporating the basic helix-loop-helix transcription factor，FAMA［J］.Plant Physiology，2011，155（3）：1458-1472.
20	DONG Y， WANG C P， HAN X，et al.A novel bHLH transcription factor PebHLH35 from Populus euphratica confers drought tolerance through regulating stomatal development，photosynthesis and growth in Arabidopsis［J］.Biochemical and Biophysical Research Communications，2014，450（1）：453-458.
21	ZHAO Q， FAN Z H， QIU L N，et al. MdbHLH130，an apple bHLH transcription factor，confers water stress resistance by regulating stomatal closure and ROS homeostasis in transgenic tobacco［J］.Frontiers in Plant Science，2020，11：543696.
22	王汉，乔枫.沙棘属逆境生理研究进展［J］.北方园艺，2021（9）：138-142.
	WANG H， Qiao F.Research advances in stress physiology of Hippophae rhamnoides L.［J］.Northern Horticulture，2021（9）：138-142.
23	王昊.西藏沙棘的谱系地理学研究［D］.上海：复旦大学，2011.
	WANG H.Phylogeography of Hippophae tibetana schlecht［D］.Shanghai：Fudan University，2011.
24	SUN X， WANG Y， SUI N.Transcriptional regulation of bHLH during plant response to stress［J］.Biochemical and Biophysical Research Communications，2018，503（2）：397-401.
25	WANG Y J， ZHANG Z G， HE X J，et al.A rice transcription factor OsbHLH1 is involved in cold stress response［J］.Theoretical and Applied Genetics，2003，107（8）：1402-1409.
26	ZHAO Q， XIANG X H， LIU D，et al.Tobacco transcription factor NtbHLH123 confers tolerance to cold stress by regulating the NtCBF pathway and reactive oxygen species homeostasis［J］.Frontiers in Plant Science，2018，9：381.
27	XU W R， ZHANG N B， JIAO Y T，et al.The grapevine basic helix-loop-helix（bHLH） transcription factor positively modulates CBF-pathway and confers tolerance to cold-stress in Arabidopsis ［J］.Molecular Biology Reports，2014，41（8）：5329-5342.
28	李小伟，张宏涛，张泽婧.西藏沙棘叶片黄酮含量与生态因子的相关性［J］.生态环境学报，2018，27（2）：239-245.
	LI X W， ZHANG H T， ZHANG Z J.The relation between contents of flavonoids in leaves of Hippophae tibetana schlecht.and ecological factors［J］.Ecology and Environmental Sciences，2018，27（2）：239-245.
29	WANG X Y， JENSEN-TAUBMAN S M， KEEFE K M，et al.Achaete-scute complex homolog-1 promotes DNA repair in the lung carcinogenesis through matrix metalloproteinase-7 and O（6）-methylguanine-DNA methyltransferase［J］.PLoS One，2012，7（12）：e52832.
30	CARBONELL-BEJERANO P， DIAGO M P， MARTÍNEZ-ABAIGAR J，et al.Solar ultraviolet radiation is necessary to enhance grapevine fruit ripening transcriptional and phenolic responses［J］.BMC Plant Biology，2014，14（1）：183.

物种 Species	采集地 Location	样品编号 Code. No	海拔 Altitude /m
肋果沙棘 H. neurocarpa	青海省果洛州达日桥头 Dari Bridge Head，Goluo Prefecture，Qinghai Province	N_H	3 895
	青海省野牛沟乡大浪村 Dalang Village，Ye niugou Township，Qinghai Province	N_M	3 533
	青海省祁连县八宝镇冰沟村 Binggou Village，Babao Town，Qilian County，Qinghai Province	N_ML	3 352
	青海省祁连县日旭村 Rixu Village，Qilian County，Qinghai Province	N_L	3 188
西藏沙棘 H. tibetana	青海省果洛州达日县东日寺 Dongri Temple，Dari County，Guoluo Prefecture，Qinghai Province	T_H	4 066
	青海省野牛沟乡大浪村 Dalang Village，Yeniugou Township，Qinghai Province	T_M	3 533
	青海省祁连县日旭村 Rixu Village，Qilian County，Qinghai Province	T_L	3 188

物种 Species	NCBI物种编号 Number of species in NCBI	数据来源 Data sources	蛋白序列版本 Version of protein sequence
Amborella trichopoda	txid13333	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	v1.0
Arabidopsis thaliana	txid3702	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	TAIR10
Zea mays	txid4577	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	v1.1
Helianthus annuus	txid4232	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	r1.2
Solanum lycopersicum	txid4081	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	ITAG2.4
Oryza sativa	txid4530	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	v7.0
Physcomitrium patens	txid3128	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	v3.3
Selaginella moellendorffii	txid88036	https：//phytozome.jgj.doe.gov/pz/portal.html	v1.0
Picea abies	txid3329	https：//congenie.org/	v1.0
Ziziphus jujuba	txid26968	https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/	1.1
Trema orientale	txid63057	https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/	asm01
Parasponia andersonii	txid3476	https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/	asm01
Chlamydomonas reinhardtii	txid3055	https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/	v3.0
Hippophae neurocarpa	txid193523	本研究提供 Provied from this research
Hippophae tibetana	txid193519	本研究提供 Provied from this research

样品 Sample	200~500 bp	500~1 kbp	1 k~2k bp	>2 kbp	合计 Total
N_L	191 173	29 975	12 141	6 310	239 599
N_ML	158 804	26 688	11 272	6 342	203 106
N_M	183 449	28 847	11 833	6 218	230 347
N_H	151 730	24 374	10 996	5 853	192 953
T_L	155 163	28 033	12 361	6 689	202 246
T_M	230 291	41 293	17 601	8 177	297 362
T_H	151 032	26 931	11 340	6 269	195 572

[1]	徐波, 石福孙, 王丽华, 杨子松. 海拔对暗紫贝母物候及形态特征的影响[J]. 植物研究, 2021, 41(5): 666-674.
[2]	孙坤, 丁雪洋, 张辉, 李雪丽, 汪颖, 王娟, 刘本立. NBA1/MERIT40在3种沙棘中的适应性分化研究——兼论二代测序技术在杂种鉴定中的应用[J]. 植物研究, 2020, 40(5): 648-658.
[3]	马文梅, 王一峰, 赵夏纬, 李蕾. 羌塘雪兔子繁殖特征及资源分配的海拔差异[J]. 植物研究, 2019, 39(5): 707-715.
[4]	王飞, 屠彩芸, 曹秀文, 刘锦乾, 杨永红, 张涛, 齐昊. 白龙江干旱河谷不同坡向主要灌丛群落随海拔梯度变化的物种多样性研究[J]. 植物研究, 2018, 38(1): 26-36.
[5]	丛明旸, 曹迪, 陈国平, 陈宝政, 孙丰宾. 燕山和太行山过渡区植物多样性垂直变化特点[J]. 植物研究, 2017, 37(5): 673-681.
[6]	马诣欣, 王一峰, 李怡颖, 王文越, 寇靖. 青藏高原东缘禾叶风毛菊的繁殖分配与海拔的相关性[J]. 植物研究, 2017, 37(1): 23-30.
[7]	李景浩, 李慧, 魏亚伟, 张淞著, 朱文旭, 邓继峰, 宋依璇, 周永斌. 樟子松、油松、蒙古栎水分利用效率种间变化及其对环境因子的响应差异[J]. 植物研究, 2016, 36(4): 581-587.
[8]	蒋严妃;严容;苏雪;陈纹;孙坤*. 二倍体杂交种棱果沙棘双向杂交起源及其母本主要来源于中国沙棘的分子证据[J]. 植物研究, 2014, 34(1): 32-36.
[9]	宁慧霞;努尔波拉提;刘敏;王卉;康喜亮;王晓军*. 低海拔种植天山雪莲一年生植株的生物学特性[J]. 植物研究, 2012, 32(6): 662-668.
[10]	温江波;孙坤;晏民生;虎瑞;孙文斌. 青藏高原东缘西藏沙棘（Hippophae tibetana*）果实性状变异[J]. 植物研究, 2010, 30(2): 164-169.
[11]	施海燕;王一峰*;王剑虹. 青藏高原不同海拔地7种风毛菊属植物叶片解剖结构的研究[J]. 植物研究, 2009, 29(3): 289-294.
[12]	许彬;张金屯*;杨洪晓;姜海凤. 百花山植物群落物种多样性研究[J]. 植物研究, 2007, 27(1): 112-118.
[13]	穆立蔷;马瑶;杨国亭;马大龙. 长白山地区不同海拔紫椴枝叶解剖构造比较分析[J]. 植物研究, 2006, 26(6): 658-662.
[14]	段喜华, 孙立夫, 马书荣, 祖元刚. 不同海拔高度泡沙参叶片形态研究[J]. 植物研究, 2003, 23(3): 334-336.
[15]	马书荣, 吴双秀, 吴宇, 阎秀峰, 祖元刚. 裂叶沙参气孔行为与光合蒸腾特性通径分析[J]. 植物研究, 2000, 20(4): 411-415.