蘿卜乙烯合成途徑基因的鑒定及對(duì)脅迫的響應(yīng)

劉同金，徐銘婕，崔群香，張愛慧，包崇來，王長義*

(1 金陵科技學(xué)院 園藝園林學(xué)院， 南京 210038；2 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所， 杭州 310021)

乙烯是一種重要的氣體植物激素，廣泛存在于植物的各種組織和器官。乙烯在植物生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用，不僅參與種子萌發(fā)、根毛發(fā)育、抽薹開花、果實(shí)軟化和成熟、器官衰老和脫落等植物生長發(fā)育過程[1]，也參與了植物對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒、線蟲和昆蟲等生物脅迫的響應(yīng)[2]，及機(jī)械損傷、低氧、冷害和凍害、水分脅迫、鹽脅迫等非生物脅迫的響應(yīng)[3-4]。因此，乙烯的內(nèi)源產(chǎn)生和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑得到研究者的廣泛關(guān)注和深入研究。

乙烯生物合成起始于甲硫氨酸，在S-腺苷甲硫氨酸合成酶(S-adenosylmethionine synthesis，SAMS)催化下生成S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。SAM是植物體內(nèi)乙烯、精胺/亞精胺等生物合成途徑主要的甲基供體，由ACC合酶(ACC synthesis，ACS)催化生成氨基環(huán)丙烷羧酸(1-aminocyalopropane-1-carboxylate，ACC)和5′-甲硫酰苷，前者進(jìn)行乙烯合成，而后者則進(jìn)入甲硫氨酸循環(huán)途徑重新合成甲硫氨酸。ACC在ACC氧化酶(ACC oxidase，ACO)的催化下產(chǎn)生乙烯[1]。植物中SAMS、ACS和ACO均由多基因家族編碼。

SAMS也被稱為蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶(methionine adenosyltransferase，MAT)，烏拉爾圖小麥(Triticumurartu)、水稻(OryzasativaL.)和高粱[Sorghumbicolor(L.) Moench]基因組中各有3個(gè)MAT，擬南芥(Arabidopsisthaliana)、番茄(Lycopersiconesculentum)、茄子(SolanummelongenaL.)和大麥(HordeumvulgareL.)基因組中各有4個(gè)MAT，而蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)、向日葵(HelianthusannuusL.)和大豆[Glycinemax(Linn.) Merr.]基因組中分別有5、7和9個(gè)MAT基因[5]。研究表明MAT基因參與了植物對(duì)多種脅迫的響應(yīng)。低溫、ABA、H2O2和NO等非生物脅迫顯著誘導(dǎo)紫花苜蓿MfSAMS1上調(diào)表達(dá)，在煙草中過表達(dá)該基因顯著提高了其耐寒性[6]。番茄中MAT不同成員對(duì)非生物脅迫和外源激素處理的響應(yīng)不同[5]。

ACS是乙烯生物合成的限速酶，ACO催化乙烯生物合成的最后一步，二者的活性影響植物體內(nèi)乙烯的含量。擬南芥基因組上分別有12個(gè)ACS基因(AtACS1-12)[7]和5個(gè)ACO基因(AtACO1-5)[8]。AtACS3是假基因，ACS10和ACS12特異的對(duì)天冬氨酸和芳環(huán)氨基酸進(jìn)行氨基轉(zhuǎn)移，其余9個(gè)AtACS具有催化ACC生物合成的功能[7]。研究表明，ACS和ACO基因在植物生長發(fā)育、抵抗生物和非生物脅迫過程中起重要作用。梨(Pyrusspp.)基因組中分別有13個(gè)ACS和11個(gè)ACO基因，其中2個(gè)ACS和3個(gè)ACO在果實(shí)中不表達(dá)，4個(gè)ACS和3個(gè)ACO被乙烯利誘導(dǎo)顯著上調(diào)表達(dá)，且1-甲基環(huán)丙烯(1-MCP)顯著抑制其表達(dá)[9]。乙烯利、茉莉酸甲酯、水楊酸和低溫顯著誘導(dǎo)匍匐翦股穎ACO上調(diào)表達(dá)，而干旱和NaCl處理抑制其表達(dá)[10]。過表達(dá)ACO顯著提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐水淹能力[11]。

蘿卜是中國重要的蔬菜作物，其生長發(fā)育過程中可能遭受營養(yǎng)元素缺乏、病蟲危害、極端溫度等生物和非生物脅迫。乙烯及其參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在植物品質(zhì)形成、抵抗多種生物和非生物脅迫過程中起重要作用[11]。本研究在全基因組水平對(duì)蘿卜乙烯合成途徑MAT、ACS和ACO基因家族成員進(jìn)行鑒定，分析其啟動(dòng)子包含的順式作用元件，并分析其在蘿卜不同組織中的表達(dá)及對(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)，為其生物學(xué)功能的解析奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材 料

以‘北京心里美’蘿卜種子為供試材料，經(jīng)10%次氯酸鈉消毒后置于28 ℃恒溫箱中避光催芽24 h。出芽后播種于10×10 cm育苗缽，于光照培養(yǎng)箱(16 h光照，22 ℃；8 h黑暗，20 ℃)中培養(yǎng)至三葉一心期，分別澆灌1.5% NaCl、20% PEG、2% 葡萄糖、2%果糖和2%蔗糖溶液，以蒸餾水處理為對(duì)照。每個(gè)處理8株，3次生物學(xué)重復(fù)。處理3 h后用蒸餾水將根系洗凈，擦干后于液氮速凍后置于-80 ℃冰箱中保存。

1.2 方 法

1.2.1MAT、ACS和ACO基因家族成員鑒定與蛋白理化性質(zhì)分析由TAIR網(wǎng)站(http://arabidopsis.org/)下載擬南芥MAT、ACS和ACO基因家族成員的核苷酸序列，在XYB36-2蘿卜基因(https://www.ncbi. nlm.nih.gov/assembly/GCA_002197605.1/)[12]中執(zhí)行本地BlastN(E-value=10-5)，獲得蘿卜MAT、ACS和ACO基因家族成員的候選序列；將其在TAIR 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BlastN搜索，最終篩選分別獲得蘿卜MAT、ACS和ACO基因家族成員序列。利用ExPASy(http://web.expasy.org/protparam/)對(duì)蘿卜MAT、ACS和ACO蛋白的分子量、等電點(diǎn)等理化性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

1.2.2 染色體定位分析根據(jù)XYB36-2蘿卜參考基因組注釋文件確定MAT、ACS和ACO基因的染色體位置信息，使用MapInspect軟件進(jìn)行染色體定位作圖。

1.2.3 系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建擬南芥MAT、ACS和ACO蛋白質(zhì)序列由TAIR網(wǎng)站(http://arabidopsis.org/)下載，水稻MAT、ACS和ACO蛋白質(zhì)序列下載于MBKbase網(wǎng)站(http://mbkbase.org/R498/)[13]，并根據(jù)Heidari等[5]、Houben等[8]和Xu等[14]報(bào)道進(jìn)行命名。使用MEGA5.05的ClustalW進(jìn)行序列比對(duì)，鄰接法(NJ，Neighbor-Joining)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，Bootstrap設(shè)為1 000次。

1.2.4 啟動(dòng)子順式作用元件分析利用TBtools軟件(https://github.com/CJ-Chen/TBtools/releases)[15]提取蘿卜MAT、ACS和ACO基因起始密碼子上游1 500 bp序列作為啟動(dòng)子區(qū)域，通過PlantCARE網(wǎng)站(http://bioinformat ics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)的Search for CARE工具進(jìn)行順式作用元件的預(yù)測(cè)。

1.2.5MAT、ACS和ACO基因轉(zhuǎn)錄組表達(dá)分析根據(jù)前人發(fā)表的XYB36-2蘿卜芽期、破肚期、膨大前期、膨大盛期和成熟期共5個(gè)不同發(fā)育時(shí)期的肉質(zhì)根和5個(gè)不同組織(薹、愈傷組織、花、葉和角果)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[16-17]，分析MAT、ACS和ACO在蘿卜不同組織中的表達(dá)；利用Tkachenko等[18]報(bào)道的抗、感根癌農(nóng)桿菌蘿卜自交系接種根癌農(nóng)桿菌7 d后下胚軸的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，分析MAT、ACS和ACO對(duì)生物脅迫的響應(yīng)；利用前人報(bào)道的鎘脅迫(0.876 mmol/L CdCl2·2.5H2O)、鉻脅迫(600 mg/L K2Cr2O7)和鉛脅迫[1 000 mg/L Pb(NO3)2]蘿卜根的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，分析MAT、ACS和ACO對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)[19-21]；利用4 ℃低溫處理3 d的蘿卜幼苗轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析MAT、ACS和ACO對(duì)冷脅迫的響應(yīng)[22]。轉(zhuǎn)錄組表達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)log2均一化處理后，利用TBtools軟件進(jìn)行表達(dá)熱圖的繪制[15]。

1.2.6MAT、ACS和ACO基因熒光定量PCR(qRT-PCR)表達(dá)分析使用華越洋生物科技有限公司的通用植物RNA提取試劑盒進(jìn)行總RNA的提取，使用天根生化科技有限公司的FastKing RT Kit(With gDNase)反轉(zhuǎn)錄成cDNA。qRT-PCR采用TaKaRa公司的SYBR Green qPCR試劑盒，體系和反應(yīng)程序參見試劑盒說明書。引物序列見表1，以GAPDH作為內(nèi)參，生物學(xué)和技術(shù)重復(fù)均為3次，采用2-ΔΔCT方法進(jìn)行相對(duì)定量分析。使用SPSS17.0軟件進(jìn)行顯著性分析，并利用Excel繪圖。

表1 本實(shí)驗(yàn)所用引物

2 結(jié)果與分析

2.1 蘿卜MAT、ACS和ACO基因家族成員鑒定與蛋白理化性質(zhì)分析

利用生物信息學(xué)方法，在蘿卜基因組中分別鑒定出8個(gè)RsMAT、16個(gè)RsACS和7個(gè)RsACO基因(表2)，其CDS序列全長分別為1 173～1 182、1 017～1 656和933～966 bp，分別編碼390～393、338～551和310～321個(gè)氨基酸，RsMAT和RsACO基因序列長度比較保守，RsMAT和RsACS序列長度顯著大于ACO。RsMAT、RsACS和RsACO基因家族成員蛋白分子量分別為42.54～43.2、38.58～60.03和35.40～36.47 kD，理論等電點(diǎn)分別為5.36～6.08、5.19～8.21和4.96～7.83，親水性分別為-0.333～-0.243、-0.361～0.122和-0.575～-0.459，脂肪指數(shù)分別為80.08～84.05、81.11～91.88和74.04～81.03。

表2 蘿卜與擬南芥MAT、ACS和ACO基因家族成員信息

2.2 蘿卜MAT、ACS和ACO基因的染色體定位

參考XYB36-2基因組的注釋信息將乙烯生物合成途徑的30個(gè)基因定位于蘿卜的8條染色體，1個(gè)基因(RsACO1.1)定位于Scaffold2443(圖1)。它們?cè)谌旧w上的分布十分不均勻，1、2和9號(hào)染色體上各分布有5個(gè)，3和4號(hào)染色體各分布有4個(gè)，5和6號(hào)染色體各有3個(gè)，7號(hào)染色體上有1個(gè)，而8號(hào)染色體上無MAT、ACS和ACO分布。染色體定位分析(圖1)未發(fā)現(xiàn)蘿卜MAT、ACS和ACO基因存在串聯(lián)重復(fù)，其基因數(shù)目的增加是由于蘿卜基因組多倍化的結(jié)果。

左側(cè)比例尺表示染色體長度圖1 蘿卜MAT、ACS和ACO基因在染色體上的分布The scale on the left provides the relative length of chromosomeFig.1 The distribution of MAT, ACS and ACO genes on radish chromosomes

2.3 蘿卜MAT、ACS和ACO的系統(tǒng)進(jìn)化分析

利用蘿卜(Rs)、擬南芥(At)和水稻(Os)的MAT、ACS和ACO蛋白質(zhì)序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，結(jié)果可將其分別分成3類。MAT家族第Ⅰ類群包括3個(gè)RsMAT、2個(gè)AtMAT和全部的OsMAT，第Ⅱ類群為AtMAT4、RsMAT4.1和RsMAT4.2，第Ⅲ類群為AtMAT3及其在蘿卜中的3個(gè)同源基因(圖2，A)。蘿卜、擬南芥和水稻ACS(圖2，B)以及ACO(圖2，C)家族成員在3個(gè)類群中均有分布。ACS和ACO的編碼基因在3個(gè)物種雖然基因數(shù)目有較大差異，但在3個(gè)類群中均有成員分布，表明ACS和ACO進(jìn)化上比MAT保守，可能不同類群的成員在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮不同的功能。

圖2 蘿卜(Rs)、擬南芥(At)和水稻(Os)的MAT(A)、ACS(B)和ACO(C)系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.2 Phylogenetic tree for MAT (A), ACS (B) and ACO (C) of radish (Rs),Arabidopsis thaliana (At) and rice (Os)

2.4 蘿卜MAT、ACS和ACO基因的啟動(dòng)子順式作用元件分析

為了解蘿卜MAT、ACS和ACO基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，對(duì)其啟動(dòng)子序列進(jìn)行順式作用元件預(yù)測(cè)，3個(gè)基因家族分別發(fā)現(xiàn)39、41和38類順式作用元件(圖3)。蘿卜MAT、ACS和ACO基因啟動(dòng)子中含有23種與光響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件。除RsACO1.1和RsACO3，其余基因啟動(dòng)子中均至少含有一種響應(yīng)植物激素的順式作用元件。本研究還發(fā)現(xiàn)蘿卜乙烯生物合成途徑基因啟動(dòng)子中存在多種響應(yīng)生物及非生物脅迫的順式作用元件，如響應(yīng)脫水、低溫和干旱的DRE元件，響應(yīng)低溫的LTR和干旱的MBS元件，厭氧誘導(dǎo)的ARE和GC-motif元件，以及參與抗性和脅迫響應(yīng)的TC-rich repeats。推測(cè)蘿卜乙烯合成途徑基因參與了其對(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)。此外，部分基因啟動(dòng)子區(qū)還有ATBP-1和MYBHv1結(jié)合位點(diǎn)，分生組織、種子和胚乳特異表達(dá)的順式作用元件，及響應(yīng)晝夜節(jié)律和細(xì)胞周期的元件，表明蘿卜部分MAT、ACS和ACO基因表達(dá)可能具有時(shí)空特異性。

圖3 蘿卜MAT、ACS和ACO基因啟動(dòng)子區(qū)域順式作用元件的種類及數(shù)目Fig.3 The types and number of cis-acting elements in the promoter regions of the MAT,ACS and ACO genes in radish

2.5 蘿卜MAT、ACS和ACO基因的組織表達(dá)分析

利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對(duì)其在肉質(zhì)根的5個(gè)不同發(fā)育時(shí)期，以及葉片、薹、花、角果和愈傷組織中的表達(dá)進(jìn)行了分析，根據(jù)表達(dá)趨勢(shì)進(jìn)行聚類分析將31個(gè)乙烯合成途徑基因分為3類：第一類包含蘿卜MAT2.1、MAT2.2、MAT3.1、MAT3.2、MAT3.3、MAT4.1、MAT4.2、ACS6.1和ACO2共9個(gè)基因，這些基因在不同組織中的表達(dá)量均較高；第二類包含蘿卜ACS1、ACS2、ACS4、ACS5.1、ACS5.2、ACS5.3、ACS7.1、ACS7.2、ACS8、ACS9、AACS11、ACS12.2和ACO1.2共13個(gè)基因，這些基因在不同組織中的表達(dá)量均較低；第三類包含蘿卜MAT1、ACS6.2、ACS10、ACS12.1、ACO1.1、ACO3、ACO4、ACO5.1和ACO5.2共9個(gè)基因，這些基因呈現(xiàn)組織或發(fā)育時(shí)期特異性表達(dá)(圖4)。

ESS.芽期；SS.破肚期；EES.膨大前期；RES.膨大盛期；MS.成熟期。圖例表示標(biāo)準(zhǔn)化的FPKM值。紅色表示高表達(dá)水平，白色表示低表達(dá)水平，下同圖4 蘿卜MAT、ACS和ACO基因的組織表達(dá)模式ESS. Seedling stage; SS. Splitting stage; EES. Early expanding stage; RES. Rapid expanding stage; MS. Mature stage. Legends represent the normalized FPKM values. Red means high expression level, while white means low expression level, the same as belowFig.4 The expression profiles of radish MAT, ACS and ACO gens in various tissues

2.6 蘿卜MAT、ACS和ACO基因?qū)ι锩{迫的響應(yīng)

為明確蘿卜MAT、ACS和ACO基因?qū)ι锩{迫的響應(yīng)，利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比較了其在抗、感根癌農(nóng)桿菌蘿卜高代自交系接種A.tumefaciens7 d后下胚軸中的表達(dá)情況(圖5)。接種后，蘿卜MAT基因在抗病材料中除MAT1外均上調(diào)表達(dá)，而感病材料除MAT4.1和MAT4.2外均下調(diào)表達(dá)?？共√}卜ACS2、ACS7.1和ACS7.2受A.tumefaciens侵染顯著上調(diào)表達(dá)；而感病材料ACS4、ACS6.2、ACS8和ACS11顯著上調(diào)表達(dá)?？埂⒏刑}卜RsACO基因?qū).tumefaciens侵染的響應(yīng)不同，抗病材料ACO1.1、ACO1.2和ACO4受其侵染顯著上調(diào)表達(dá)，其余基因的表達(dá)水平無顯著變化；而感病材料中除ACO5.2在其侵染前后差異不顯著、ACO5.1顯著上調(diào)表達(dá)外，其余成員均顯著下調(diào)表達(dá)。

Line_18和Line_19分別為抗和感根癌農(nóng)桿菌蘿卜高代自交系。CK和T分別表示接種LB培養(yǎng)基和根癌農(nóng)桿菌7 d后的樣品圖5 抗和感根癌農(nóng)桿菌蘿卜接種根癌農(nóng)桿菌7 d 后下胚軸MAT、ACS和ACO基因的表達(dá)Line_18 and Line_19 is resistance and susceptible radish inbred lines to A. tumefaciens, respectively. CK and T represent 7 d after incubated with LB medium and A. tumefaciens, respectivelyFig.5 The expression profiles of MAT, ACS and ACO genes in 7 d after incubated with A. tumefaciens in radish hypocotyls

2.7 蘿卜MAT、ACS和ACO基因?qū)Ψ巧锩{迫的響應(yīng)

圖6顯示，重金屬脅迫均顯著抑制RsMAT1、RsACO5.1的表達(dá)，促進(jìn)RsMAT4.2、RsACO1.1和RsACO4的表達(dá)；鉛和鎘處理誘導(dǎo)RsMAT3.2和RsACO2上調(diào)表達(dá)，但鉻誘導(dǎo)其下調(diào)表達(dá)；此外，鎘顯著誘導(dǎo)RsACS6.1、鉛顯著誘導(dǎo)RsACO3上調(diào)表達(dá)(圖6，A)。4 ℃低溫處理顯著抑制RsMAT2.1、RsMAT2.2、RsMAT4.1、RsACO1.1和RsACO5.2的表達(dá)(圖6，B)。

CK.對(duì)照；T1.鉛脅迫；T2.鎘脅迫；T3.鉻脅迫；RT.室溫處理；VE.4 ℃處理3 d圖6 重金屬(A)和低溫(B)脅迫對(duì)蘿卜MAT、ACS和ACO基因表達(dá)的影響CK. Control; T1. Lead stress; T2. Cadmium stress; T3. Chromium stress; RT. Room temperature treatment; VE. 4 ℃ for 3 d treatmentFig.6 The expression profiles of MAT, ACS and ACO genes in radish with heavy metal (A) and low temperature (B) stress

同時(shí)，選取轉(zhuǎn)錄組分析獲得的響應(yīng)生物和非生物脅迫顯著上調(diào)或下調(diào)表達(dá)的11個(gè)基因，通過qRT-PCR方法研究其對(duì)1.5% NaCl和20% PEG-6000兩種非生物脅迫的響應(yīng)(圖7)。所有樣品中均未檢測(cè)到RsMAT1表達(dá)，其余基因響應(yīng)一種或多種處理表達(dá)量發(fā)生顯著變化。NaCl和PEG-6000處理均顯著抑制RsMAT4.1和RsACO4的表達(dá)，但顯著促進(jìn)RsACO5.1和RsACO5.2的表達(dá)。此外，NaCl處理還誘導(dǎo)RsMAT2.2、RsMAT4.2、RsACS2和RsACS6.1顯著上調(diào)表達(dá)，RsACO1.1顯著下調(diào)表達(dá)，但對(duì)RsMAT2.1表達(dá)無顯著影響；PEG-6000處理還顯著抑制RsMAT2.1和RsMAT4.2的表達(dá)。

另外，為了解糖是否參與對(duì)上述差異表達(dá)的基因的調(diào)控，利用qRT-PCR分析了葡萄糖、果糖和蔗糖處理對(duì)上述差異表達(dá)基因的影響，發(fā)現(xiàn)3種糖處理均顯著抑制RSMAT2.1、RSMAT2.2、RSMAT4.1和RSMAT4.2的表達(dá)；均誘導(dǎo)RSACO5.1和RSACO5.2顯著上調(diào)表達(dá)；但對(duì)RsACS2和RsACS6.1表達(dá)無顯著影響(圖8)。此外，葡萄糖和果糖處理顯著促進(jìn)RSACO1.1的表達(dá)，但蔗糖對(duì)其表達(dá)無顯著影響；果糖顯著促進(jìn)、蔗糖顯著抑制RSACO4的表達(dá)，但葡萄糖對(duì)其表達(dá)無顯著影響。

不同小寫字母表示基因表達(dá)量在處理間存在顯著差異(P<0.05)，下同圖7 蘿卜MAT、ACS和ACO基因響應(yīng)NaCl和PEG-6000脅迫的qRT-PCR分析Different lowercase letters indicate significant difference in gene expression among treatments (P<0.05), the same as belowFig.7 The expression profiles of MAT, ACS and ACO genes in radish response to NaCl and PEG-6000 treatment by qRT-PCR

圖8 蘿卜MAT、ACS和ACO基因響應(yīng)葡萄糖、果糖和蔗糖處理的qRT-PCR分析Fig.8 The expression profiles of MAT, ACS and ACO genes in radish response to glucose,fructose and sucrose treatments by qRT- PCR

3 討 論

本研究基于XYB36-2蘿卜參考基因組數(shù)據(jù)[12]，采用生物信息學(xué)分析方法，在蘿卜基因組中共鑒定出8個(gè)RsMAT、16個(gè)RsACS和7個(gè)RsACO基因。RsMAT基因家族成員數(shù)目多于烏拉爾圖小麥、水稻和高粱(各3個(gè))、擬南芥、番茄、茄子和大麥(各4個(gè))、向日葵(7個(gè))和蒺藜苜蓿(5個(gè))，但少于大豆(9個(gè))[5]；RsACS基因家族成員數(shù)目多于黃瓜(8個(gè))[23]、甜瓜(11個(gè))[24]、擬南芥(12個(gè))[7]、梨(13個(gè))[9]和香蕉(MusananaLour.，14個(gè))[25]，但少于蘋果(MaluspumilaMill.，19個(gè))[26]；RsACO基因家族成員數(shù)目多于擬南芥(5個(gè))[8]，與番茄、蘋果和水稻中數(shù)目一致[8]，但少于梨(11個(gè))[9]中相應(yīng)基因家族成員數(shù)目。蘿卜MAT2、MAT3、MAT4、ACS5、ACS6、ACS7、ACS12、ACO1和ACO5在基因組有2～3個(gè)拷貝，而其余基因均為單拷貝，表明蘿卜MAT、ACS和ACO基因家族成員在基因組多倍化之后均出現(xiàn)了基因丟失。

本研究發(fā)現(xiàn)蘿卜MAT、ACS和ACO基因啟動(dòng)子序列中含有與光響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件最多，其次是與植物激素、生物及非生物脅迫響應(yīng)相關(guān)的順式作用元件。趙薇等[24]發(fā)現(xiàn)甜瓜ACS基因啟動(dòng)子序列中，主要含有參與防御和脅迫響應(yīng)的順式作用元件和參與響應(yīng)各種激素的順式調(diào)控元件。Wang等[27]對(duì)12種陸生植物ACO基因啟動(dòng)子進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)光響應(yīng)元件數(shù)目最多，推測(cè)其可能參與了光調(diào)控途徑；此外也包含大量的植物激素、生物和非生物脅迫及生長發(fā)育相關(guān)元件。前人多項(xiàng)研究均表明乙烯與其他植物激素均有交叉作用，共同影響植物生長發(fā)育及對(duì)生物和非生物脅迫的響應(yīng)[28]，本研究同樣發(fā)現(xiàn)乙烯合成途徑基因啟動(dòng)子含有響應(yīng)脫落酸、生長素、赤霉素、水楊酸、茉莉酸甲酯的順式作用元件。上述結(jié)果表明，不同植物中乙烯合成途徑基因家族成員的表達(dá)調(diào)控可能具有一定的相似性。本研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)基因的表達(dá)和該基因啟動(dòng)子的順式作用元件的種類有顯著關(guān)系，如本研究鑒定的31個(gè)蘿卜乙烯合成途徑基因啟動(dòng)子至少含有一個(gè)響應(yīng)光照的順式作用元件，組織表達(dá)分析也發(fā)現(xiàn)多個(gè)基因在葉片中具有較高的表達(dá)量；但二者也并非完全對(duì)應(yīng)，如RsACS4啟動(dòng)子中雖然含有多達(dá)16個(gè)(9類)參與光響應(yīng)的順式作用元件，但該基因在本研究所分析的組織中不表達(dá)或表達(dá)量很低。

在進(jìn)化過程中，不同物種的同源基因多數(shù)保留了相同或相似的生物學(xué)功能，基因的表達(dá)模式也往往與其功能密切相關(guān)。本研究通過分析蘿卜不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：蘿卜MAT2.1/2.2/3.1/3.2/3.3/4.1/4.2、ACS6.1和ACO2在不同組織中的表達(dá)量均較高，推測(cè)這些基因可能是維持植物正常生長發(fā)育所必需的。前人的研究也表明MAT催化甲硫氨酸和三磷酸腺苷反應(yīng)生成的S-腺苷甲硫氨酸[29]，不僅參與植物乙烯合成途徑，還是主要的甲基供體以及生物素和多胺合成的前體物質(zhì)[30]，此外還具有轉(zhuǎn)氨基[31]和硫基[32]的作用，是維持植物生長發(fā)育所必需的。ACO1.1/3/4/5.1呈組織或發(fā)育時(shí)期特異性表達(dá)，這些基因可能參與植物特定生長發(fā)育階段或特定組織器官的發(fā)育。擬南芥ACO1主要在根中表達(dá)，其缺失突變體根毛數(shù)量顯著增加[33]，本研究發(fā)現(xiàn)其蘿卜同源基因在破肚期、膨大前期、膨大盛期表達(dá)量較高，可能調(diào)控蘿卜根毛的發(fā)育。RsACO3在花和角果中的表達(dá)量最高，RsACO5.1在蘿卜肉質(zhì)根尤其是成熟期表達(dá)量最高。研究表明，抑制植物內(nèi)源ACO表達(dá)可抑制乙烯合成而延遲花器官衰老[34]，果實(shí)成熟過程中普遍伴隨乙烯含量的增加，因此推測(cè)RsACO3和RsACO5.1可能分別控制花和角果、肉質(zhì)根乙烯合成，進(jìn)而調(diào)控其衰老和成熟，其具體生物學(xué)功能有待進(jìn)一步的功能驗(yàn)證。

前人研究發(fā)現(xiàn)植物中存在大量響應(yīng)生物脅迫的ERF型轉(zhuǎn)錄因子，ERF轉(zhuǎn)錄因子通過響應(yīng)乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑而調(diào)控下游基因的表達(dá)，進(jìn)而提高植物對(duì)生物脅迫的抗性[4]。郝麗芬等[35]研究表明，油菜乙烯合成途徑基因被黑脛病菌侵染強(qiáng)烈誘導(dǎo)表達(dá)。本研究也發(fā)現(xiàn)，A.tumefaciens侵染誘導(dǎo)抗根癌農(nóng)桿菌的蘿卜中多數(shù)MAT和ACO基因上調(diào)表達(dá)而感病材料下調(diào)表達(dá)，表明乙烯合成通路基因在蘿卜對(duì)生物脅迫的響應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫處理顯著抑制乙烯生物合成途徑基因的表達(dá)。前人研究結(jié)果也表明，低溫處理顯著抑制了蘋果果實(shí)[36]和水稻植株[37]乙烯的合成，過表達(dá)乙烯合成基因或外施ACC會(huì)提高乙烯含量進(jìn)而降低植物的耐寒性[4]。鄧麗等[38]也發(fā)現(xiàn)短時(shí)間4 ℃低溫抑制溶質(zhì)型桃果實(shí)內(nèi)源乙烯的釋放。本研究還發(fā)現(xiàn)同一基因的不同拷貝可能參與不同非生物脅迫的響應(yīng)。4 ℃低溫處理顯著抑制RsMAT4.1的表達(dá)，重金屬脅迫促進(jìn)了其另一個(gè)拷貝RsMAT4.2的表達(dá)；重金屬脅迫和4 ℃低溫處理分別抑制RsACO5.1和RsACO5.2的表達(dá)。前人研究也發(fā)現(xiàn)，擬南芥MAT4受生物脅迫顯著上調(diào)表達(dá)，而響應(yīng)非生物脅迫顯著下調(diào)表達(dá)[5]；擬南芥ACS基因家族不同成員受不同因素的調(diào)節(jié)[39-40]，與本研究結(jié)果一致。前人研究發(fā)現(xiàn)鎘脅迫通過上調(diào)擬南芥ACO2和ACO4、ACS2和ACS6的表達(dá)而促進(jìn)乙烯的合成[41]，本研究結(jié)果與之一致，但值得注意的是，RsACS6受鉛和鉻脅迫、RsACO2受鉻脅迫顯著下調(diào)表達(dá)。上述基因在植物抵御生物和非生物脅迫中的功能有待深入研究。糖作為一種信號(hào)分子和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)廣泛參與植物對(duì)脅迫的響應(yīng)，低濃度外源蔗糖能緩解干旱對(duì)水稻種子的萌發(fā)的抑制作用[42]，NaCl脅迫增加了流蘇幼苗葉片可溶性糖含量[43]，外源糖處理顯著影響乙烯合成途徑基因的表達(dá)[44]，本研究通過qRT-PCR對(duì)發(fā)現(xiàn)，除RsMAT2.2外，其余9個(gè)基因響應(yīng)蔗糖和PEG-6000處理的表達(dá)趨勢(shì)一致；除RsMAT2.2和RsACO4外，其余8個(gè)基因響應(yīng)果糖和PEG-6000處理的表達(dá)趨勢(shì)一致。表明果糖和蔗糖可能參與了蘿卜對(duì)PEG-6000脅迫的響應(yīng)。

本研究通過對(duì)蘿卜MAT、ACS和ACO基因的全基因組鑒定及表達(dá)分析，為進(jìn)一步探討這些基因的生物學(xué)功能奠定了基礎(chǔ)。