镉(Cd)胁迫及褪黑素处理下生菜(Lactuca sativa)中HMA基因家族的鉴定与表征

《Genetic Resources and Crop Evolution》：Identification and characterization of HMA gene family in Lactuca sativa under Cadmium (Cd) stress and melatonin treatment

　　

摘要

镉（Cd）毒性是一个主要的环境问题，由于其高移动性和在食物链中的富集，会不利影响植物生长、生理过程和食品安全。重金属ATP酶（HMAs）是重要的P1B型转运蛋白，参与植物中的金属转运、解毒和稳态维持。本研究中，对生菜（Lactuca sativa）进行了全基因组层面的HMA基因家族鉴定和计算机模拟表征，以考察该转运蛋白家族在重金属胁迫下的结构、进化和预测功能特征。共鉴定出14个LsHMA基因，分布于第1、5、6、7、8和9号染色体上。系统发育分析将这些蛋白质分为三个分支，归属于两个主要群：群I（Zn/Co/Cd/Pb-ATPases）和群II（Cu/Ag-ATPases）。保守基序和结构域分析表明，每个系统发育群内的基序组织高度相似，大多数蛋白质包含E1-E2 ATPase、HMA和水解酶相关结构域。多序列比对鉴定出保守的DKTG磷酸化基序和CPC/SPC金属结合区域。顺式调控元件分析在LsHMA基因启动子区域检测到光响应、激素响应、发育相关和胁迫响应元件。基因本体分析显示，LsHMA蛋白主要与膜相关细胞组分以及结合、催化、水解酶、核苷酸结合和转运活动等分子功能相关。共线性分析显示，LsHMA基因与拟南芥（Arabidopsis）和芸薹属（Brassica）物种的HMA同源基因之间存在少量保守共线性关系。蛋白质相互作用和结构建模分析（均为计算预测而非实验测量）与LsHMA蛋白保守的P1B型ATPase结构一致。对公开可得表达数据的再分析表明，在Cd胁迫和褪黑素处理条件下，各基因的转录模式存在差异，而非统一的家族整体响应。LsHMA4a-c、LsHMA6和LsHMA7c在所有采样时间点均表现出持续高表达（表S4），表明这些基因具有组成性高基线表达，而非严格意义上的Cd或褪黑素诱导性表达。LsHMA4d、LsHMA4e和LsHMA5在根部表达随Cd暴露时间延长而逐步增加，这一模式最符合家族中真正的Cd响应特征；而LsHMA2b、LsHMA7a和LsHMA7b在Cd暴露下表现出较低或下降的表达。在根部，LsHMA2a和LsHMA8a/b观察到中等表达。这些表达趋势基于对已处理的公共RNA-seq数据的描述性比较，而非正式的统计时间-处理交互分析，应视为未来验证的假设。综上，这些发现提供了基础基因组资源，并鉴定了候选LsHMA基因，供未来实验研究生菜中Cd转运和解毒功能。