林　峰，葛　敏，周　玲，趙　涵

（1江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所/江蘇省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點實驗室，南京 210014；2上海市能源作物育種及應(yīng)用重點實驗室，上海 200444）

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玉米Glyco-hydro-16糖苷酶家族全基因組的鑒定及其遺傳分化

林峰1, 2，葛敏1，周玲1，趙涵1

（1江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所/江蘇省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點實驗室，南京 210014；2上海市能源作物育種及應(yīng)用重點實驗室，上海 200444）

摘要：【目的】全基因組水平鑒定玉米Glyco-hydro-16家族，分析該家族基因在不同組織中的表達(dá)模式以及在不同玉米雜種優(yōu)勢群中的遺傳分化。【方法】根據(jù) Glyco-hydro-16家族相對保守的序列及結(jié)構(gòu)域，構(gòu)建Glyco-hydro-16家族的隱馬爾科夫模型文件（Glyco-hydro-16.hmm），利用hmmersearch程序在玉米全基因組中進(jìn)行比對，獲得玉米中含有該家族保守結(jié)構(gòu)域的所有序列。通過Blast2GO進(jìn)行功能注釋，利用蛋白質(zhì)序列構(gòu)建該家族的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹。使用玉米自交系B73不同組織及不同發(fā)育時期的RNA-seq數(shù)據(jù)庫分析該家族基因的表達(dá)模式。根據(jù)該家族基因在染色體上的位置篩選 SNP標(biāo)記，計算其在不同玉米雜種優(yōu)勢群間的群間遺傳分化系數(shù)（genetic differentiation coefficient，F(xiàn)st），分析其遺傳分化?！窘Y(jié)果】根據(jù)該家族相對保守的序列及結(jié)構(gòu)域，在全基因組水平共鑒定出 34個玉米 Glyco-hydro-16家族成員，注釋表明所有基因都是木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因，3個保守性較高的Motif區(qū)段存在于該家族所有成員中。通過系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和序列相似性將該家族分為8個亞家族，每個亞家族有2—8個基因，分布在除第3和第6染色體外的其他8條染色體上，在第2、第5及第10染色體上成簇分布。該家族在禾本科作物中同源性較高，與擬南芥分屬不同的分支，但只有3個玉米成員（AC210669.3、GRMZM2G413006和GRMZM2G166944）被劃分到禾本科分支中，其他玉米成員被劃分到單獨的分支中。通過表達(dá)譜分析表明該家族成員在玉米中均有表達(dá)，但在不同組織中的表達(dá)水平有差異。為解析該家族基因在不同玉米種質(zhì)資源中等位基因的變異，根據(jù)玉米Glyco-hydro-16家族基因在染色體上的位置篩選SNP標(biāo)記，計算其在玉米雜種優(yōu)勢群SS及NSS間的群間遺傳分化系數(shù)。結(jié)果顯示，共有10個該家族基因所處位點的Fst值高于閾值0.15，達(dá)到高度分化水平，分別位于第1、第2、第4、第5、第7以及第9染色體上。其中，位于第2染色體上的GRMZM2G091118相應(yīng)位點的Fst值為0.52，表明該位點在SS群和NSS群間的群間遺傳分化度極大。【結(jié)論】通過全基因組掃描在玉米中鑒定出34個Glyco-hydro-16家族成員，均為木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因，在不同組織中，其表達(dá)模式不同，可能參與不同生理發(fā)育過程。部分該家族成員所處位點在玉米雜種優(yōu)勢群SS和NSS間的等位基因分化極大。

關(guān)鍵詞：玉米；Glyco-hydro-16；基因家族；雜種優(yōu)勢群；RNA-seq

聯(lián)系方式：林峰，E-mail：fenglin@jaas.ac.cn。通信作者趙涵，Tel：025-84390751；E-mail：zhaohan@jaas.ac.cn

0 引言

【研究意義】糖是構(gòu)成生物體的基本成份之一，既是生命活動的主要能源，又是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要成分，是生物體存在的基礎(chǔ)。糖苷酶又稱糖苷水解酶，是水解糖苷鍵酶類的總稱，是糖代謝過程的重要組成部分，參與多種生物學(xué)功能［1］。隨著糖類物質(zhì)在生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究的開展，關(guān)于糖苷酶的研究與應(yīng)用越來越重要。因此，從全基因組水平解析糖苷酶家族的結(jié)構(gòu)和功能有助于糖生物學(xué)的發(fā)展并為糖類的生物學(xué)功能研究奠定基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】糖苷酶是水解酶類中的一大類，種類繁多，主要有按底物分類和按序列相似性分類等分類方式。根據(jù)序列相似性進(jìn)行分類可以反映出這些酶的結(jié)構(gòu)特征，有助于分析其進(jìn)化關(guān)系，并且為機制研究提供便利。根據(jù)這種分類方式，目前可將糖苷酶劃分為 135個不同家族［2-3］（http：//www.cazy.org/Glycoside-Hydrolases.html）。Glyco-hydro-16是其中一個家族，含有多個成員，包括木葡聚糖基轉(zhuǎn)移酶（xyloglucan：xyloglucosyl transferase）、硫酸角質(zhì)素 β-1，4-半乳糖苷內(nèi)切酶（keratan-sulfate endo-1，4-β-galactosidase）、β-1，3-葡聚糖內(nèi)切酶（endo-1，3-β-glucanase）、地衣淀粉酶（licheninase）、β-瓊膠酶（β-agarase）、κ-卡拉膠酶（κ-carrageenase）、木葡聚糖酶（xyloglucanase）、β-1，3-半乳糖內(nèi)切酶（endo-β-1，3-galactanase）、β-紫菜聚糖酶（β-porphyranase）、透明質(zhì)酸酶（hyaluronidase）、β-1，4-半乳糖苷內(nèi)切酶（endo-β-1，4-galactosidase）、β-1，6-幾丁質(zhì)糖基轉(zhuǎn)移酶（chitin β-1，6-glucanosyl transferase）等。該家族成員具有多種功能，參與不同碳水化合物復(fù)合體的新陳代謝，主要是具有轉(zhuǎn)糖基酶或水解酶作用，通過水解木葡聚糖影響植物細(xì)胞壁的松馳［4］。在擬南芥中該類基因通過影響雄蕊花絲形成時細(xì)胞壁的變化，調(diào)控自花授粉［5］。木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移/水解酶不僅作用于木葡聚糖，而且對葡聚糖和阿拉伯木聚糖也起作用［6］。在水稻中其同源基因在生長發(fā)育和抗鹽脅迫中發(fā)揮功能［7］。在甲殼類生物中與內(nèi)源 β-1，3-葡聚糖酶的合成有關(guān)［8］。禾本科生物中的xyloglucan transglucosylases hydrolases主要與細(xì)胞壁的降解相關(guān)［6］，并與蕓芥自交親和性的調(diào)控相關(guān)［9］。另外，玉米中的Glyco-hydro-16家族成員可能與低磷脅迫響應(yīng)相關(guān)［10］?！颈狙芯壳腥朦c】雖然在玉米中已鑒定出少量Glyco-hydro-16家族成員，但全基因組系統(tǒng)研究以及該家族基因在不同玉米種質(zhì)資源中等位基因遺傳分化的研究尚未見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究通過全基因組掃描鑒定玉米Glyco-hydro-16家族，從家族成員基因結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)育關(guān)系、成員在玉米不同組織及不同發(fā)育時期的表達(dá)譜等方面分析該家族的結(jié)構(gòu)與功能，利用玉米雜種優(yōu)勢群SS和NSS分析該家族基因在不同玉米種質(zhì)資源中等位基因的遺傳分化。

1 材料與方法

1.1 玉米Glyco-hydro-16家族的鑒定

Glyco-hydro-16家族屬于糖苷水解酶家族，根據(jù)其相對保守的序列信息及結(jié)構(gòu)域，利用 Pfam數(shù)據(jù)庫構(gòu)建 Glyco-hydro-16家族的隱馬爾科夫模型文件（Glyco-hydro-16.hmm），然后利用HMMER3.0軟件包中的hmmersearch程序在V3版玉米自交系B73的參考基因組數(shù)據(jù)庫（http：//www.maizegdb.org/）中進(jìn)行比對，獲得玉米中含有Glyco-hydro-16家族保守結(jié)構(gòu)域的所有序列。所有Glyco-hydro-16家族成員通過NCBI CDD（Conserved Domain Database）數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步驗證，并根據(jù)序列相似性進(jìn)行去冗余處理。最后獲得玉米Glyco-hydro-16家族信息。

1.2 玉米Glyco-hydro-16家族基因的功能注釋

利用 Blast2GO V3.1.3［11］對所獲得基因進(jìn)行注釋，首先運行BLASTX，閾值設(shè)為1.0E-3，然后運行mapping得到GO term，最后進(jìn)行注釋，閾值為1.0E-6。

1.3 玉米Glyco-hydro-16家族保守基序的鑒定與分析

為解析玉米Glyco-hydro-16家族的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，利用MEME V4.11.1［12］（http：//meme-suite.org/tools/ meme）對候選玉米Glyco-hydro-16家族成員的序列進(jìn)行分析，鑒定保守基序。

1.4 玉米Glyco-hydro-16家族的系統(tǒng)發(fā)育分析

利用Clustal X程序［13］對玉米Glyco-hydro-16家族的蛋白質(zhì)序列進(jìn)行多重比對，然后使用MEGA6.0軟件中的鄰近法（Neighbor-Joining algorithm）［14］構(gòu)建該家族的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，Bootstrap值設(shè)為1 000。

1.5 玉米Glyco-hydro-16家族基因在不同組織中的表達(dá)分析

為解析玉米 Glyco-hydro-16家族基因的表達(dá)模式，利用玉米自交系B73不同組織及不同發(fā)育時期的RNA-seq數(shù)據(jù)庫（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Traces/ sra/？study=SRP010680）分析該家族成員在不同組織中的表達(dá)情況。B73的RNA-seq數(shù)據(jù)庫由NCBI網(wǎng)站下載后，先利用SolexaQA［15］軟件包對原始測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量（Q20，Phred-Score≥20即1％的錯誤率）和測序長度（L20，長度≥20 bp）過濾，然后使用 Bowtie2 （V2.1.0）［16］將過濾后的序列錨定到B73 V3版參考基因組上。通過 Cufflinks（V2.1.1）［17］計算得到Glyco-hydro-16家族基因表達(dá)量的 FPKM 值。利用MEV4.9軟件繪制Glyco-hydro-16家族基因的Heatmap圖，分析其表達(dá)模式。

1.6 Glyco-hydro-16家族基因在玉米SS和NSS群中的遺傳分化分析

為解析該家族基因在不同玉米種質(zhì)資源中的變異，利用玉米雜種優(yōu)勢群SS和NSS分析該家族基因的分化。玉米是典型的異交作物，20世紀(jì)50年代美國形成了稱為SS、NSS以及IDT的3個雜種優(yōu)勢群［18-19］，群間的配組能夠產(chǎn)生較高的雜種優(yōu)勢。根據(jù)前人研究結(jié)果，下載分別被劃入SS群和NSS群的289個玉米自交系的基因型數(shù)據(jù)［20-21］，根據(jù)Glyco-hydro-16家族基因所處位置，篩選位于該家族基因內(nèi)部及上下游1 kb內(nèi)的SNP位點，使用vcftools計算上述位點在2個雜種優(yōu)勢群間的群間遺傳分化系數(shù)（genetic differentiation coefficient，F(xiàn)st），window-size設(shè)為5 000，window-step設(shè)為 1 000，度量該家族基因在玉米雜種優(yōu)勢群 SS 及NSS中的遺傳分化程度。Fst值在0—0.05表示群體間不存在分化；Fst值在0.05—0.15為中度分化；Fst值在0.15—0.25為高度分化，大于0.25表明分化度極大［22］。

2 結(jié)果

2.1 玉米Glyco-hydro-16家族的鑒定與分析

根據(jù)該家族相對保守的序列及結(jié)構(gòu)域，在 Pfam數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建其隱馬爾科夫模型文件（Glyco-hydro-16.hmm），通過HMMER軟件在B73 V3版玉米參考基因組序列中進(jìn)行比對，搜索到 61條含有Glyco-hydro-16家族保守結(jié)構(gòu)域的序列，經(jīng)過去冗余處理，共對應(yīng)34個基因。通過Blast2GO注釋表明所有基因都是木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因。通過MEME對上述Glyco-hydro-16家族蛋白的保守Motif進(jìn)行分析，結(jié)果表明，3個保守性較高的Motif區(qū)段存在該家族所有成員中（圖1）。

2.2 玉米Glyco-hydro-16家族的系統(tǒng)發(fā)育分析

利用Glyco-hydro-16家族蛋白質(zhì)序列，通過鄰近法（Neighbor-Joining algorithm）構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹。雖然玉米Glyco-hydro-16家族各成員具有相對保守的序列及結(jié)構(gòu)域，但彼此之間仍有差異，可劃分成8個亞家族，各個亞家族分別含有2—8個基因（圖2-a）。為解析玉米中 Glyco-hydro-16家族與其他植物同源基因在進(jìn)化上的關(guān)系，對包括擬南芥、水稻、小麥、大麥以及高粱等在內(nèi)的Glyco-hydro-16家族蛋白序列進(jìn)行聚類分析?？梢钥闯鲈摷易逶诤瘫究谱魑镏型葱暂^高，與擬南芥分屬不同的分支，但只有3個玉米成員（AC210669.3、GRMZM2G413006以及GRMZM2G166944）劃分到禾本科分支中，其他玉米成員的變異都較大，劃分為單獨的分支（圖2-b）。

圖1　玉米Glyco-hydro-16家族保守的MotifFig. 1 The conserved motif of Glyco-hydro-16 family in maize

2.3 玉米Glyco-hydro-16家族基因的表達(dá)模式分析

根據(jù)玉米不同組織及不同發(fā)育時期的表達(dá)數(shù)據(jù)，分析玉米Glyco-hydro-16家族基因的表達(dá)（圖3）。該家族成員在玉米中均有表達(dá)，但各成員的表達(dá)模式不同。大部分成員在不同組織中的表達(dá)水平有差異，如GRMZM2G063566在播種6 d幼根中表達(dá)量最高，在其他檢測組織中表達(dá)量偏低；AC210669.3只在 V5時期的葉尖中表達(dá)量較低，在其他組織中表達(dá)量都比較高；另外，GRMZM2G364748在不同組織中表達(dá)量均較高，只在萌發(fā) 24 h種子和授粉16 d后的幼胚中表達(dá)量略低；GRMZM2G319798在大部分組織中的表達(dá)均較低或不表達(dá)，只在少數(shù)組織中表達(dá)且表達(dá)水平不高。GRMZM2G845080在所有組織中的表達(dá)水平比較一致，可能是組成型表達(dá)（圖3）。

2.4 玉米Glyco-hydro-16家族基因的染色體定位

根據(jù)玉米Glyco-hydro-16家族成員的基因組位置信息繪制該家族的染色體分布圖（圖4），除第3和第6染色體外，玉米的其他8條染色體上都有該家族基因的分布。第 10染色體上分布最為密集，其中 5個基因成簇分布。另外，在第2及第5染色體上也存在成簇分布的基因（圖4）。第8染色體上只存在一個該家族基因。

2.5 玉米Glyco-hydro-16家族基因在SS及NSS雜種優(yōu)勢群中的遺傳分化分析

共獲得289個玉米自交系的數(shù)據(jù)，其中109個被劃分為SS群，180個被劃為NSS群，包含294 378個位點。使用vcftools計算所有位點在2個雜種優(yōu)勢群間的群間遺傳分化系數(shù)，平均值為0.13。根據(jù)玉米Glyco-hydro-16家族基因在染色體上的位置，篩選位于 Glyco-hydro-16家族基因內(nèi)部及上下游1 kb以內(nèi)區(qū)段的SNP位點，分析該位點在2個雜種優(yōu)勢群間的遺傳變異。GRMZM2G070271和GRMZM2G076157的該區(qū)段內(nèi)未找到合適位點。共有 10個基因所在位點的Fst值高于 0.15，且高于各染色體位點平均Fst值，達(dá)到高度分化水平，分別位于第1、第2、第4、第5、第7以及第9染色體上（圖5）。其中一個位于第2染色體上位點的Fst值為0.52，對應(yīng)基因為GRMZM2G091118，表明該位點在 SS群和 NSS群的群間遺傳分化度極大。

Arabidopsis thaliana 擬南芥；Arabidopsis lyrata subsp. lyrata 琴葉擬南芥；Hordeum vulgare subsp. vulgare 大麥；Oryza sativa Japonica Group 水稻粳稻；Oryza brachyantha 短花藥野生稻；Sorghum bicolor 高粱；Triticum aestivum 小麥；Triticum urartu 烏拉爾圖小麥；Zea mays 玉米圖2　玉米Glyco-hydro-16家族蛋白系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系及分類Fig.2 Phylogenetic relationships and subgroup of Glyco-hydro-16 proteins in maize

1：萌發(fā)24 h種子24 h germinating seed；2：播種6 d后幼根6 days after sowing （DAS） primary root；3：V3時期莖和頂端分生組織V3 stem and shoot apical meristem （SAM）；4：V5時期葉尖V5 tip leaf；5：V9時期第8片葉V9 eighth leaf；6：V9時期第11片葉V9 eleventh leaf；7：V9時期第13片葉V9 thirteenth leaf；8：V9時期幼葉V9 immature leaves；9：VT時期第13片葉VT thirteenth leaf；10：R2時期第13片葉R2 thirteenth leaf；11：授粉10 d后種子10 days after pollination （DAP） whole seed；12：授粉12 d后種子12 DAP whole seed；13：授粉14 d后種子14 DAP whole seed；14：授粉16 d后種子16 DAP whole seed；15：授粉12 d后胚乳12 DAP endosperm；16：授粉14 d后胚乳14 DAP endosperm；17：授粉16 d后胚乳16 DAP endosperm；18：授粉16 d后幼胚16 DAP embryo圖3　玉米Glyco-hydro-16家族基因的表達(dá)模式Fig. 3 Expression patterns of Glyco-hydro-16 family genes in maize

3 討論

糖苷酶即糖苷水解酶，是使糖苷鍵水解的酶的總稱。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分成不同的類型。按照序列相似性可分為135個家族，每個家族的內(nèi)部成員間具有很高的結(jié)構(gòu)相似度（http：//www.cazy.org/ Glycoside-Hydrolases.html）。Glyco-hydro-16家族是其中一個家族，含有多個家族成員，包括半乳糖苷酶、葡聚糖酶、瓊膠酶以及木葡聚糖酶等，主要涉及β-1，3 和 β-1，4糖苷鍵的水解。也有部分成員喪失了催化功能，而參與到免疫系統(tǒng)的響應(yīng)過程中。

圖4　玉米Glyco-hydro-16家族基因在染色體上的分布Fig. 4 Chromosomal locations of maize Glyco-hydro-16 family genes

圖5　玉米Glyco-hydro-16家族基因在玉米雜種優(yōu)勢群SS及NSS中的遺傳分化系數(shù)Fig. 5 The F-statistic （Fst） of Glyco-hydro-16 family genes in heterotic group SS and NSS

本文通過該家族保守的序列信息及結(jié)構(gòu)域，通過全基因組掃描，共獲得34個成員。注釋表明所有基因都是木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因。該類基因編碼蛋白具有轉(zhuǎn)糖基酶或水解酶作用，通過水解木葡聚糖影響植物細(xì)胞壁的松馳［4］。在石竹開花過程中與花瓣的生長發(fā)育相關(guān)［23］。在擬南芥中該類基因通過雄蕊花絲形成時細(xì)胞壁的形成變化，調(diào)控自花授粉［5］。陳姣榮等［9］分析了蕓芥木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因EsXTH1，認(rèn)為其與蕓芥自交親和性的調(diào)控相關(guān)。木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移/水解酶不僅作用于木葡聚糖，而且對葡聚糖和阿拉伯木聚糖也起作用［6］。在水稻中其同源基因在生長發(fā)育和抗鹽脅迫中發(fā)揮功能［7］。糖苷酶的大部分功能與細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)及組成相關(guān)，進(jìn)而對生長發(fā)育、籽粒萌發(fā)、果實成熟脫落及細(xì)胞黏著產(chǎn)生調(diào)控作用［1］。根據(jù)玉米不同組織及不同發(fā)育時期的表達(dá)數(shù)據(jù)，表明該家族成員在玉米中都有表達(dá)，但表達(dá)模式各不相同，表明該類基因與多種生物學(xué)功能相關(guān)。雖然玉米中的該家族基因都是木葡聚糖相關(guān)基因，但通過構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，可劃分成8個亞家族（圖2-a）。表明該類基因在進(jìn)化過程中受到的選擇壓較小，分化比較大。而且玉米中該家族成員與水稻、小麥、大麥以及高粱中的同源基因分化較大（圖2-b），只有亞家族6中的3個成員（AC210669.3、GRMZM2G413006以及GRMZM2G166944）劃分到了禾本科分支中，三者蛋白質(zhì)序列的相似度較高，分別達(dá)76％、67％和69％，并且這三個基因的表達(dá)模式也比較一致，在大部分組織中的表達(dá)量都比較高，在V5時期葉尖、V9時期第8片葉、VT時期第13片葉以及R2時期第13片葉中的表達(dá)量較低（圖3），可能具有類似的功能。亞家族1包含6個基因，多數(shù)基因在不同組織中的表達(dá)量都比較低，只有GRMZM2G039919和GRMZM2G060837在某些組織中表達(dá)量較高（圖3）。亞家族2中基因的表達(dá)模式比較相似，在 V3時期莖和頂端分生組織中表達(dá)量都比較高。亞家族3中2個基因在不同組織中的表達(dá)量相對比較一致，其中GRMZM2G845080在所有組織中的表達(dá)量都很接近。亞家族6和7中部分成員的表達(dá)模式也比較類似（圖 3）。上述結(jié)果表明蛋白序列相似度高的玉米Glyco-hydro-16家族成員的基因表達(dá)模式也具有較高的相似性，可能參與了相同的生物學(xué)進(jìn)程。

為解析該家族基因在不同玉米種質(zhì)資源中的變異，利用玉米雜種優(yōu)勢群SS和NSS分析該家族基因的遺傳分化。SS群和NSS群是20世紀(jì)50年代美國形成的2個雜種優(yōu)勢群［18-19］，群間的配組能夠產(chǎn)生較高的雜種優(yōu)勢。結(jié)果顯示部分該家族成員在上述2個群體間達(dá)到了高度分化水平。其中，位于第2染色體上的一個位點的Fst值為0.52，遠(yuǎn)高于第2染色體上所有位點的平均Fst值0.12，表明該位點在SS群和NSS群間的群間遺傳分化度極大。Glyco-hydro-16家族中的GRMZM2G091118位于該位點，其在大部分組織中的表達(dá)比較一致，只在播種6 d幼根中表達(dá)較高（圖3）。GRMZM2G112198位于第4染色體，其所在位點的Fst為0.46，也達(dá)到了分化較大的水平，該基因在大部分組織中的表達(dá)水平都比較低，只在 V9時期幼葉、授粉12 d后胚乳以及授粉16 d后幼胚中的表達(dá)量稍高（圖 3）。另外，GRMZM2G113761、GRMZM2G180870、GRMZM2G112619、GRMZM2G026980、GRMZM2G413006、GRMZM5G886185、GRMZM2G174855 和GRMZM2G039919等基因所在位點在SS及NSS群間的分化水平也較高（Fst＞1.5），分別位于第1、第2、第4、第5、第7及第9染色體上。XIE等［24］鑒定了在2個水稻雜種優(yōu)勢群間存在差異的200個區(qū)域，發(fā)現(xiàn)這些差異位點的積累與產(chǎn)量成正相關(guān)。HUANG等［25］在水稻中鑒定出一些在雜交種中產(chǎn)生超顯性效應(yīng)的位點，認(rèn)為某些位點的聚合有助于產(chǎn)生雜種優(yōu)勢。上述結(jié)果表明某些基因?qū)Ξa(chǎn)生雜交優(yōu)勢具有比較重要的影響，并且這些基因積累的數(shù)量與產(chǎn)生的優(yōu)勢相關(guān)。目前，已發(fā)現(xiàn)一些與玉米雜種優(yōu)勢相關(guān)的基因，如ZAR1，通過轉(zhuǎn)基因試驗表明，其編碼的蛋白質(zhì)能夠提高雜交種的產(chǎn)量［26］。本研究鑒定出的部分Glyco-hydro-16家族基因在玉米雜種優(yōu)勢群SS和NSS間的分化較大，或許能為解析雜種優(yōu)勢的形成機制提供線索。

另外有 2個基因（GRMZM2G413044和GRMZM2G143473）所在位點的Fst值為負(fù)值，表明這兩個基因在群體內(nèi)部變異較大，而在群體間的分化不顯著。其中，GRMZM2G413044所在位點的Fst值為-0.08，通過系統(tǒng)發(fā)育分析，該基因編碼的蛋白被劃入亞家族 2（圖 2-a）。與其劃入同一亞家族的GRMZM2G113761位點的Fst值為0.21，在SS和NSS群間達(dá)到較高的分化水平。雖然二者在群體間的遺傳分化不同，但它們的表達(dá)模式比較相似（圖 3）?？赡茉谶M(jìn)化過程中雖然序列發(fā)生了變化，但功能仍然相似。

4 結(jié)論

通過對玉米全基因組掃描共鑒定出 34個Glyco-hydro-16家族成員，屬于木葡聚糖轉(zhuǎn)移酶/水解酶基因，可分為8個亞家族。該家族基因的表達(dá)模式不同，表明其參與不同的生物學(xué)功能。該家族成員在玉米雜種優(yōu)勢群SS和NSS的群間分化極大。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Genome-Wide Identification of Glyco-hydro-16 Family in Maize and Differentiation Analysis

LIN Feng1，2， GE Min1， ZHOU Ling1， ZHAO Han1
（1Institute of Agro-Biotechnology， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Provincial Key Laboratory of Agrobiology，Nanjing 210014；2Shanghai Key Laboratory of Bio-Energy Crops， Shanghai 200444）

Abstract：【Objective】Genome-wide identification was carried out for Glycoside hydrolase family 16 in maize， and theirexpression profile across tissues and differentiation between heterotic groups were analyzed. 【Method】Based on the maize V3 sequences， genome-wide survey of Glycoside hydrolase family 16 was conducted according to conserved sequences and domains through hmmersearch program. Blast2GO was used for gene annotation and phylogenetic relationships were analyzed through protein sequences. Expression profiles were examined within the whole transcriptome context at different tissues across development stages in B73. In line with the chromosome locations of the family genes， the authors screened the SNP markers and analyzed their genetic differentiation in different heterotic groups. 【Result】Totally 34 genes were identified in maize throughout genome-wide survey and annotated as xyloglucan endotransglucosylase with 3 conserved motifs discovered in all members. According to the phylogenetic relationships and sequence similarity they were divided into 8 subgroups. Glycoside hydrolase family 16 members were conserved in Gramineae， however， most maize members were not closely related with other Gramineae plants except only 3 members （AC210669.3， GRMZM2G413006， and GRMZM2G166944）. The family genes in maize distributed on almost all chromosomes except on chromosomes 3 and 6 with several genes clustered on chromosomes 2， 5 and 10. Different expression profiles across tissues indicated their diversity functions. According to their chromosome location，the authors screened the SNP markers and calculated the genetic differentiation coefficient between the heterotic groups SS and NSS. Ten genes in Glycoside hydrolase family 16 differentiated significantly between the two heterotic groups， distributing on chromosomes 1， 2， 4， 5， 7 and 9. The one on chromosome 2 corresponding to GRMZM2G091118 got the highest Fst 0.52，indicating possible role contribute to heterosis. 【Conclusion】Based on the V3 sequences of maize， 34 genes were identified for Glycoside hydrolase family 16 and annotated as xyloglucan endotransglycosylase. Their expression profiles were different across tissues implying diversity functions. Some family members differentiated significantly between heterotic groups SS and NSS.

Key words：maize； Glyco-hydro-16； gene family； heterotic groups； RNA-seq

收稿日期：2016-02-22；接受日期：2016-04-20

基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK20141385）、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金（CX（14）5054）、上海市能源作物育種及應(yīng)用重點實驗室開放課題