DS翻译的。

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Comparative gene expression analysis in stems of Dolichos

purpureus and Arabidops

严海燕 王绪敏 褚亚楠 戴康

紫茎扁豆与拟南芥茎中的比较基因表达分析

¹ 中南民族大学生命科学学院，武汉，中国

² 中国科学院北京基因组研究所，基因组科学与信息重点实验室，北京，中国

邮件：haiyuan988@yahoo.com

2011年8月29日收稿；2011年10月14日修订；2011年10月23日接受

摘要

植物茎的最外层表皮在保护和环境感知中起着重要作用。通过茎表皮感知和响应环境的机制尚不清楚。本文通过 cDNA 克隆和 QPCR 方法研究了紫茎扁豆 ( D. purpureus )，并利用拟南芥 ( A. thaliana ) 顶部和基部茎的表皮与内部组织之间差异表达 cDNA 的全基因组比较数据集进行分析，报道了在紫茎扁豆和拟南芥的茎表皮中，参与胁迫抵抗和信号转导功能的基因富集表达。在紫茎扁豆茎表皮的 188 个 cDNA 中，分别有 13% 和 17% 与信号转导和防御相关。与茎内部相比，它们中的大多数在茎表皮中上调表达，在拟南芥中也观察到类似现象。此外，与信号转导和调控网络相关的上调基因在表皮和内部茎中的数量和特异性分布揭示了可能存在位置调控差异。这些结果揭示了表皮在信号转导和植物防御中的重要性。

关键词： 茎表皮；信号转导；环境；发育

1. 引言

表皮是覆盖整个植物的保护层，通常由一层到几层细胞组成：最外层的角质层和由基础细胞、毛状体和保卫细胞组成的表皮层。表皮最早在 8 细胞期就开始分化，表皮细胞类型的分化出现在胚胎发育后期 [1-3]。在生长的幼苗和成熟植物中，完全发育的植物表皮细胞不仅继续分裂并在表皮内的特定部位分化为特定细胞类型 [4]，而且分泌角质和蜡质覆盖表面，形成保护层 [5,6]。此外，表皮细胞内会产生抵抗病原体和物理胁迫的次生物质 [7]。表皮也是感知机械和其他环境刺激的部位 [8-10]。表皮中基因的表达谱随发育阶段 [11-13] 和细胞类型 [7,12-13] 而变化。

茎表皮层的结构和化学成分适应于抵抗各种胁迫 [7,14]。作为植物与环境的屏障和直接接触部位，表皮也是环境信号感知的最重要部位。信号如何在表皮中被感知和转导，并传递到邻近组织，尚未引起关注。是否存在感知胁迫因子的受体以及特异性定位于表皮的抵抗机制，仍然未知。

紫茎扁豆 ( D. purpureus L.) 具有紫色茎表皮，从春季生长到初冬。初冬时，植物随着寒冷而衰老。到那个阶段，它们已经经历了病原体、寒冷和各种其他环境胁迫，因此可能已经发展出一些胁迫响应。

在这项研究中，我们对初冬采集的紫茎扁豆茎的紫色表皮 cDNA 文库中的 188 个 cDNA 进行了测序，并使用生物信息学方法分析了基因功能。此外，我们利用拟南芥茎表皮基因表达数据 [15]，对在拟南芥顶部和基部茎的表皮和内部茎中表达的信号转导途径相关基因进行了分组、比较和分析，描绘了信号转导途径组分的空间和发育分布特征，从而获得了茎中信号感知和转导分布特征的指示。

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2. 材料与方法

2.1. 茎表皮 cDNA 文库

使用经典的异硫氰酸胍方法 [16] 从扁豆茎的紫色表皮（约 1000μg，2006 年 11 月采集于杭州）中分离总 RNA，然后用 Dnase（1 单位 RQ1 Dnase；Promega）处理。使用生物素化的 oligo(dT) 引物 (Promega) 纯化 Poly(A+) RNA，随后进行反转录和第一链合成。cDNA 末端被补平并添加 EcoR I 接头 (5'-EcoR I-GGCACGAGG-3')。在 EcoR I 末端磷酸化和用 Xho I (5'-Xho I-CTCGAG-3') 消化后，将所有长于 500bp 的 cDNA 插入片段克隆到 pBluescript® II XR 质粒载体中，并从琼脂糖凝胶中回收长于 500bp 的 cDNA 片段后电穿孔到大肠杆菌菌株 DH10B 中。

2.2. 测序和序列注释

提取质粒 DNA 并使用 ABI3730XL 测序仪进行测序。使用的测序引物为 5'-ATTAACCCTCATCTAAAGGGA-3'。使用 phed 进行碱基识别。使用 Cross-match 修剪载体序列。使用 Qualtrim 和 Simpletrim 从序列两端修剪低质量碱基（质量分数 < 20）。经过载体和质量修剪后长度超过 200bp 的 EST 被视为“高质量”EST。然后使用 RepeatMasker 程序屏蔽这些 EST 中的重复序列。使用 BLASTN [17] 进一步筛选屏蔽后的序列，以排除细菌染色体 DNA、RNA、昆虫病毒 DNA、rRNA 和线粒体 DNA。通过 BLASTN 搜索非冗余核苷酸序列 (nt)、EST human、EST mouse 和 EST others 数据库进行进一步的污染物筛选。使用 BLASTX 针对 UniProtKB/Swiss-Prot 数据库和 BLASTN 针对 EST/N 数据库比较原始 EST 数据和重叠群。BLAST 搜索的 e 值阈值设为 ≤ 0.001。

2.3. 定量 RT-PCR

从 2009 年 11 月在武汉采集的紫茎扁豆红茎的内部茎和表皮（各 50mg，通过从茎上剥离茎表面皮，表面皮为表皮部分，其余为内部茎）的三份重复样本中提取 RNA，使用 TRIZOL 试剂 (BioTEKE)。使用反转录试剂盒 (BioTEKE) 将 mRNA 反转录。第一组定量 PCR 由 StarGene 公司使用荧光定量检测系统 (型号: FQD48A(A4), Bioer) 进行。反应混合物包含 cDNA、特异性引物（补充文件 1）、dNTP、Taq 聚合酶及缓冲液 (Takara) 和 1x SYBRGreen I。反应条件为：95°C 3 分钟，72°C 10 秒，95°C 30 秒，Tm（补充文件 1）30 秒，72°C 30 秒，35 个循环；然后 72°C 10 分钟。第二组定量 PCR 在中国科学院北京基因组研究所基因组科学与信息重点实验室使用 TECHNE TC-512 进行。反应混合物包含：引物-F (10p) 和引物-R (10p) 各 0.65μl，cDNA 1μl，SYBR Green/Mix 9μl，Taq 聚合酶 0.2μl，ddH₂O 补至 20μl。反应程序在补充文件 1 中描述。每个数据是三次重复的平均值。

2.4. 拟南芥数据分析

我们将 Suh 等人 [15] 补充表 2 中的数据分为两组：顶部茎和基部茎。根据提供的功能，选择并比较了参与不同信号转导途径的基因。上调标准设定为两个组织中表达水平的平均比值 > 0.5，以涵盖所有可能表达的基因。我们将上调定义为信号比值 > 0.5，下调定义为信号比值 < 0.5。因此，我们在全转录组水平上将数据分为四类：顶部和基部表皮与内部茎的比值 (epi/inner) 均 > 0.5；均 < 0.5；或者在顶部或基部表皮中 > 0.5 或 < 0.5。我们还分析了表皮/茎上调比值大于 2 的基因。

3. 结果与讨论

作为防御屏障，表皮层已经发展出特定的表面结构和细胞内化学物质 [18, 19, 15]。这些过程受内部和环境信号的控制和指导。茎表皮的基因表达谱反映了该层的活性，从而反映了该组织的功能。在本研究中，我们分析了紫茎扁豆茎表皮中表达基因的功能模式，通过 QPCR 对一些代表性基因进行了进一步确认，并与拟南芥中的相似基因进行了比较。最后，从与信号转导相关的基因在顶部和基部茎中的表达分布模式，我们尝试推导植物对环境的响应途径。

3.1. 紫茎扁豆茎表皮表达基因的功能模式

在紫茎扁豆茎表皮的 188 个测序 cDNA 中，多达 32% 与信号转导和调控相关（图 1），包括信号转导、DNA 和 RNA 加工、调控等参与信号转导过程的组别，

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表明信号转导在该组织中的重要性。这一结果与拟南芥茎表皮的结果一致 [15]。

在紫茎扁豆茎表皮中，在已知表达的 cDNA 中，表达 cDNA 的前三大类是胁迫相关、DNA/RNA/蛋白质加工相关和信号转导相关 cDNA。它们的比例分别为 17%（6% 次生代谢 + 11% 直接胁迫相关）、14% 和 13%。转运相关基因是紫茎扁豆茎表皮中第四丰富的转录本（图 1）。该图谱显示信号转导和胁迫抵抗是茎表皮的两大主要功能。紫茎扁豆茎表皮中表达的 cDNA 有 13% 与信号转导相关，包括：受体和膜蛋白、G 蛋白、MAPK 途径激酶、蛋白激酶、钙信号相关和激素信号相关（表 1）。表达的 188 个基因中有 17% 与胁迫响应直接相关，其中 6% 属于次生途径，11% 编码胁迫抵抗蛋白（图 1，表 2）。

在转录或 RNA 水平上发挥调控功能的表达基因占紫茎扁豆 188 个 cDNA 的 4.8%。它们包括 HDZIPIII 家族基因、MYB103、WD 家族基因、Knox 基因、C2H2 锌指家族基因以及各种编码 RNA 结合蛋白的基因。已知 MYB 和 WD 家族蛋白形成复合物，在表皮分化中发挥关键作用 [20]。

与各种胁迫抗性相关的基因包括编码 Avr9 激发子响应蛋白的基因 (GR463609)，这与 At1g77810 (87%) 相似；LRR Cf2/Cf5 病害抗性蛋白 (GR463639)，与 AT5G53890 有 50% 相似性；响应脱水的 ERD4 (GR463575)，与拟南芥 ERD4 At1g30360 有 60% 相似性；MLP 样蛋白 (GR463493, GR463520, GR463625, GR463645)，大多与拟南芥中的 MLP43 (At1g70890) 相似。更多与胁迫响应相关的基因，如 AMMECR1 (GR463522 GR463629)、类固醇磺基转移酶 (STF, GR463507 GR463615)、紫色酸性磷酸酶 (PAP, GR463521 GR463627)、几丁质酶 I 类 (GR463543 GR463595)、CW14 (GR463593)、木葡聚糖内转糖基酶 (GR463567)、异黄酮还原酶 (IFR, GR463578) 和查尔酮还原酶 (CHR, GR463527, GR463635) 等在紫茎扁豆茎表皮中表达。

<center>图 1. 紫茎扁豆 ( *D. purpureus* L.) 紫色茎 188 个 cDNA 的基因表达谱。注：部分基因被归入不同组别，例如细胞壁基因 CW14 是水分胁迫相关基因，因此被归入胁迫相关基因组。一些未归入信号转导组但在调控途径最终生物学效应中起作用的基因也被视为信号转导相关基因，例如转录因子（调控组）、MAPK（胁迫相关组）、某些蛋白激酶或蛋白酶（DNA、RNA、蛋白质组）。</center>

Cf 基因是响应病原体 Cladosporium fulvum 分泌的无毒 (Avr) 肽而被诱导的。它们编码携带胞外膜 (LRR) 的跨膜糖蛋白。Avr9 是 Avr 肽之一；它通过 Cf9 在过敏反应 (HR) 中诱导一系列基因。这些基因在初始防御响应中至关重要，其特征是 Avr9/Cf9 引发的效应，包括离子通量变化、MAPK 和 CDPK 的激活以及活性氧的产生 [21]。

ERD4 由多种胁迫诱导 [22,23]，并参与油菜素内酯 [24]、ABA 和乙烯 [25] 激素调控途径。

在人类中，AMMECR1 可能与 Alport 综合征、智力迟钝、中面部发育不全和椭圆形红细胞增多症有关，这些涉及连续基因缺失综合征。AMMECR1 被认为在 RNA 碱基修饰中发挥作用 [26]。其序列与植物中豇豆、菜豆和大豆的 EST 高度相似，因此可能具有相似的催化功能。来自拟南芥的 AMMECR1 (AT2G38710) 的 GO 注释显示其对盐胁迫有响应。

类固醇磺基转移酶 (STF) 催化类固醇的磺化作用。据报道，它在响应寒冷、NaCl、病原体和细胞死亡触发试剂时上调 [27-30]。

维管紫色酸性磷酸酶 (PAP) 的主要功能是从磷酸酯中释放无机磷酸盐作为营养物质 [31,32]；细胞壁 PAP 在细胞伸长中发挥作用 [33,34]；一些特定的 PAP 也参与对干旱、高温 (At3g17790) [35] 和 NaCl (GmPAP3) [36,37] 等胁迫的响应。

细胞壁是一个结构防御层。在紫茎扁豆和拟南芥的表皮中均表达了细胞壁成分的基因（表 2）。几丁质酶是植物合成的酶，可直接靶向

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表 1. 紫茎扁豆和拟南芥中茎表皮表达、推定与信号转导相关的基因。

可能功能 D. purpureus  A. thaliana 

 GenBank_Accn 表皮/内部茎 比值 GenBank_Accn 表皮/顶部茎 比值

MAPK4 GR463588, GR463529, R463530 7.78 AT4G01370, AT1G01560 0.9, 1.9

钙调蛋白 GR463571 1.03 AT3G22930 0.7

钙网蛋白 GR463604 1.16 AT1G08450 2.4

小Ras样GTP结合蛋白 GR463590, GR463634, GR463526 n AT5G55190, AT5G20010 0.9, 0.5

avrRpt2诱导基因1 GR463469 -1.20 AT1G33970 1.7

生长素抑制DRM1 GR463562 n AT1G28330 0.7

Aux22d GR463513 2.17 AT5G43700 1.1

CKB2 GR463509, GR463617 3.73 AT4G17640, AT5G47080 1.0, 1.2

Ser/Thr磷酸酶蛋白磷酸酶-2C GR463605 2.34 AT1G48040, AT3G62260 1.1, 1.0

Sae2: SUMO激活酶 GR463597, GR463545 1.54 AT3G17250 1.1

RNA结合蛋白A KIP1 GR463550, GR463608 n AT2G21470 3.1

KNOX STM GR463472 -5.37 AT3G56860 1.0

同源盒亮氨酸拉链ATHB-8 GR463505, GR463614 -7.43 AT2G41060, AT1G62360 1.0, 0.1

14-3-3 GRF2 GR463601 n AT4G32880 0.3

C2H2锌指 GR463516 1.05 AT1G75250 0.2

GID1-1 GR463556 n AT1G78300 0.6

FLA2 GR463497 -1.01 AT5G03150 0.3

受体样蛋白激酶4 GR463534 3.32 AT1G55110, At3g63010* 0.6, 0.9

   AT4g12730 1.3

   At4g23180 8.3

*仅存在于内部茎中。n-未测试。

表 2. 紫茎扁豆和拟南芥茎表皮中表达、推定与胁迫响应相关的基因。

可能功能 D. purpureus  A. thaliana 

 GenBank_Accn 表皮/内部茎 比值 GenBank_Accn 表皮/顶部茎 比值

异黄酮还原酶 (IFR) GR463578 n AT4G39230 1.1

查尔酮还原酶 (CHR) GR463527, GR463635 22.9 At1g59960 1.2

紫色酸性磷酸酶 GR463521, GR463627 1.01 At4g36350 2.0

几丁质酶 I 类 GR463543, GR463595 1.52 AT5G34850 1.5

ERD4 GR463639 1.06 At1g05850 1.7

CW14 GR463593, GR463542 1.75 At1g30360 1.3

成熟相关 (MLP43) GR463493, GR463520, GR463645, GR463625 1.44 At1g10410 0.7

STF GR463507, GR463615 1.44 At1g70890 6.4

木葡聚糖内转糖基酶 GR463567 3.03 At5g07000 2.4

AMMECR1蛋白 GR463522, GR463629 2.34 At2g38710 1.1

LRR C12/C15病害抗性蛋白 GR463639 1.06 AT5G53890 1.7

n-未测试。

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76 H.Y.Yan 等 / 美国分子生物学杂志 2 (2012) 72-84

并消化病原体细胞壁中的几丁质，通过组成型和诱导型途径作为酶防御发挥作用 [38-42]。几丁质酶的结构、功能和分布与植物-病原体相互作用共同进化，促进了植物对环境的适应 [43]。芥子醇脱氢酶 (SAD) 催化芥子醛还原为芥子醇，芥子醇是木质化过程中的一种成分 [44]，与木葡聚糖内转糖基酶一起在细胞伸长和生长中发挥作用。

据报道，紫外线、环境胁迫和发育因子刺激查尔酮合成酶启动子的激活 [45,46]。查尔酮合成酶是类黄酮特异性分支途径的第一步。该酶仅在表皮中上调，表明合成 CHS 的信号来自环境，表皮是信号感知和早期响应的主要部位。ERD4 也是如此。

类黄酮在各种植物发育过程中发挥作用，如色素沉着、花粉萌发、生长素运输、紫外线防护、与豆科植物根中的微生物相互作用 [47-50]，以及对创伤和病原体入侵的响应 [51]。查尔酮还原酶 (CHR) 是类黄酮和异黄酮合成的关键酶。异黄酮还原酶 (IFR) 是植物抗毒素和其他胁迫响应产物合成途径中的关键酶。CHR 与 CHS 协同作用，控制类黄酮途径的方向 [52]。CHR 和 IFR 在紫茎扁豆的表皮中表达。IFR 是一种 NAD(P)H 依赖性氧化还原酶，参与异黄酮的合成，异黄酮主要在植物防御中起作用。IFR 的表达与植物对病原体、紫外线和其他胁迫的抗性有关 [53-56]。

3.2. 紫茎扁豆和拟南芥茎表皮与内部茎中信号转导和胁迫相关基因的比较表达分析

采用 QPCR 方法检测了紫茎扁豆茎表皮和内部茎中与信号转导和胁迫相关基因的表达水平。将它们与拟南芥的表达数据进行了比较（表 1 和表 2）。结果表明，这些基因中的大多数在茎表皮中上调表达。

位于茎表皮细胞表面的受体和膜蛋白在响应环境信号中很重要。比较紫茎扁豆茎表皮与内部茎表达的 13 个信号转导相关基因的差异表达比值与拟南芥茎表皮与内部茎表达的相似基因，有 11 个基因具有相似的差异表达趋势（表 1）。在紫茎扁豆中，表皮与内部茎表达比值大于 0.5 的基因有 9 个在茎表皮中上调，占 13 个基因的 69%。在表 1 列出的拟南芥茎中表达的 26 个信号转导相关基因中，顶部茎有 22 个、基部茎有 23 个基因在茎表皮中以 0.5 的比值上调，分别占 26 个基因的 85% 和 88%，在紫茎扁豆和拟南芥茎表皮中均只有两个基因下调。这两个下调基因是 STM (GR463472, At1g62360) 和一个同源盒基因 (GR463505, At4g32880)，它们都是起转录调控作用的转录因子。STM 是维持分生组织结构完整性所必需的基因，位于表皮内部。At4g32880 的功能未知。表 1 中大多数在茎表皮上调的基因是中间组分，如激酶、磷酸酶、蛋白相互作用蛋白、RNA 结合蛋白，而下调的基因是转录因子。在表 2 中，所有列出的基因在表皮中的表达均高于内部茎，它们大多是有功能的酶、受体或细胞质中的其他蛋白。这些结果表明表皮比内部茎更早或更活跃地响应环境。

紫茎扁豆中大多数与胁迫相关的基因在表皮中的表达高于内部，并且它们在拟南芥中的所有直系同源物均在茎表皮中表达，并且在表皮中的表达明显高于内部（表 2）。一个由 GR463609 基因编码的、带有糖基转移结构域的 Avr9 响应蛋白在紫茎扁豆茎表皮中相对于内部茎下调，但其同源物 AT1G77810 在拟南芥茎表皮中上调（表 2）。这是发育阶段差异还是其他原因造成的，需要进一步研究。

3.3. 拟南芥中信号转导、胁迫响应和发育相关基因分布的表达分析

图 2 显示了拟南芥茎表皮和茎中与信号转导、胁迫响应以及生物或非生物刺激相关基因的上调谱。茎表皮和内部茎中上调基因的数量存在显著差异。在顶部和基部茎表皮中上调的信号转导和胁迫相关基因远多于内部茎。

通过比较信号（表皮/茎）表达比值在四组中的分布，分析了茎中信号转导和胁迫相关基因的分布：

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图 2. 拟南芥茎中基因的功能分布

注：Y轴表示每组中表皮/茎比值上调的基因百分比。

四组分别为：1) 顶部和基部茎的表皮与内部茎比值 (epidermis/inner) 均 > 0.5 和 > 2，标记为 TBl；2) 顶部表皮比值 > 0.5 和 > 2，基部表皮比值 < 0.5，标记为 TIBs；3) 顶部表皮比值 < 0.5，基部表皮比值 > 0.5 和 > 2，标记为 TsBl；4) 顶部和基部表皮比值均 < 0.5，标记为 TBs（表 3-5）。表皮/茎的信号表达比值大于 0.5 表示表达偏向表皮，否则偏向内部茎。因此，这四组代表了四种基因表达偏好类型：1) 在顶部和基部茎表皮中均偏好表达的基因；2) 在顶部和基部内部茎中均偏好表达的基因；3) 在顶部表皮和基部茎中偏好表达的基因；4) 在顶部茎和基部表皮中偏好表达的基因。

表 3 和图 3 列出了参与激素和光信号转导途径的基因。在茎表皮中偏好表达的基因明显多于内部茎。

在数据库中，在宏阵列杂交中出现的 13589 个基因中，在 a, b, c, d 四组中上调比值（表皮/内部茎 > 2）的基因数量分别为 921、37、96 和 363，分别占 13589 个基因的 6.78%、0.27%、0.71% 和 2.67%。在图 2 中，通过 GO 注释从表达比值 > 2 的四组基因中分别挑选出三个不同类别的功能组，并合并在一起进行比较和分析。

在四组中，TBL 组在胁迫响应 (11.8%)、生物和非生物响应 (9.9%)、质膜 (12%)、激酶 (13.3%)、信号转导 (1.9%)、胞外 (3.4%)、细胞壁 (7%) 方面基因表达比例最高。TBL 组中富集程度较低的基因类别是转运蛋白 (6.5%)、水解酶 (8.8%)、转移酶 (14.8%)、受体结合 (1.3%)、转录因子 (4.1%)、发育相关 (5.1%)。TLBs 组在转移酶 (21.2%)、转运蛋白 (9.1%)、线粒体 (4.7%)、内质网 (4.7%)、核糖体 (2.3%)、受体结合 (1.6%) 方面基因表达比例最高。TLBs 组中富集程度较低的基因类别是激酶 (12.1%)、对非生物或生物刺激的响应 (6.7%)、胞外 (2.3%)、叶绿体 (11.6%)。TSBL 组在水解酶 (12.1%) 和叶绿体 (20.4%) 方面基因表达比例最高。TsBL 组中富集程度较低的基因类别是胁迫响应 (11.2%)。TBs 组在转录因子 (5.3%)、高尔基体 (0.8%) 方面基因表达比例最高。TBs 组中富集程度较低的基因类别是质膜 (11.5%)、水解酶 (8.7%)。在顶部和基部茎表皮中富集的基因类型更可能在防御和信号转导中发挥作用。

<center>图 3. 拟南芥茎中光信号通路基因的表达模式。</center>

在生长素相关基因中，唯一一个生长素结合基因、四个生长素外排载体在顶部和基部茎表皮中均上调，一个生长素输入转运蛋白 PIN3 在顶部和基部茎表皮中特异性表达，两个生长素输入转运蛋白 PIN7 分别在顶部茎、基部茎和基部表皮中偏好上调（表 3）。据报道，PIN3 侧向定位于顶端钩的表皮和皮层，介导拟南芥的向性 [57]，但 PIN7 在拟南芥顶端钩的表皮中的信号似乎强于皮层。PIN3 和 PIN7 的分布可能受复杂因素的调控。在 17 个表达上调比值（表皮/茎）大于 2 的基因中，6 个是 IAA6，

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表 3. 拟南芥茎中与激素和光相关基因的分布，上调比值 > 0.5 和 > 2 [15]。

基因功能 TBI TIBs TsBI TBs 总计 (13589)

 0.5 2 0.5 2 0.5

总计 1187 92 157 13 79

生长素 10 5 1 7 7

生长素结合 1 0 0 0 0

生长素调节蛋白，IAA 7 8 1 7 7

生长素外排载体 4 0 0 0 0

生长素非依赖型 1 2 0 0 0

PIN     

PIN3 1 0 0 0 

PIN7 1 0 1 0 

细胞分裂素 2 2 0 0 0

ABA 7 0 1 0 0

赤霉素 1 1 2 0 0

乙烯 5 5 7 3 0

乙烯受体 3 0 0 0 0

NPH3 3 0 2 0 3

CIP7 3 0 0 0 0

CIP8 2 0 0 0 0

T-顶部茎表皮/茎，B-基部茎表皮/茎。L-表达比值 > 0.5，S-表达比值 < 0.5

表 4. 拟南芥茎中信号转导通路部分基因的分布，上调比值 > 0.5 和 > 2 [15]。

基因功能 TBI TIBs TsBI TBs

受体 0.5 2 0.5 2

膜受体 16 9 2 8

LRR 27 4 2 0

钙相关 27 13 4 0

CDPK 27 8 1 0

Ca转运ATP酶 1 1 3 0

MAPK 2 3 3 1

T-顶部茎表皮/茎，B-基部茎表皮/茎。L-表达比值 > 0.5，S-表达比值 < 0.5

表 5. 拟南芥茎中信号转导和调控网络其他组分的分布，上调比值 > 0.5 和 > 2 [15]。

基因功能 TBI TIBs TsBI TBs

 0.5 2 0.5 2

谷氨酸羧肽酶 3 0 0 0

Ser/Thr 羧肽酶 13 1 3 0

Pro 羧肽酶 2 0 0 0

SUMO蛋白酶 7 0 0 0

半胱氨酸蛋白酶 29 1 0 0

MYB类型基因 73 18 4 0

14-3-3 9 0 0 0

同源盒类型基因 22 3 4 0

F-box类型基因 14 12 1 0

SKIP 2 3 3 1

SKP1相互作用蛋白3 1 2 0 0

SKP1相互作用蛋白4 3 0 0 0

SKP1相互作用蛋白6 2 2 0 0

Kelch重复 18 1 1 0

Tubby 8 0 0 0

运输抑制剂响应1 6 0 0 0

WRKY类型基因 31 1 0 1

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2个ARG7，1个ARG，1个GH3，1个AIR12。

两个细胞分裂素相关基因仅在顶部和茎的表皮中特异性上调，其他部分没有其他细胞分裂素相关基因上调。一个是At5g05440，与细胞分裂素特异性结合蛋白（绿豆 Gl:4190976）有低相似性。细胞分裂素相关基因At3g55950在顶部和基部茎表皮中特异性上调，类似于细胞分裂素调节激酶1基因（烟草）AAG25966。主要由扩张引起的细胞生长可能受表皮起始的信号控制，表皮可能是内部组织生长的屏障；地上部表皮和内部组织之间的生长活动是协调的 [58]。这些基因可能与生长调控有关。

三个脱落酸响应元件结合因子 (ABF) At4g34000、At3g19290、At1g49720，两个脱落酸激活蛋白激酶 At3g50500、At4g33950，以及两个脱落酸诱导蛋白 At4g24960、At1g74520 仅在顶部和基部茎表皮中上调。一个 RD20 蛋白编码基因 At2g33380（一种推定的跨膜通道蛋白基因）在脱水过程中受脱落酸诱导，在顶部茎表皮和基部内部茎中上调。这种位置特异性表明环境因子对茎生长的调控。

有 20 个赤霉素 (GA) 相关基因在茎中表达。其中 11 个 (55%) 基因在顶部和基部茎表皮中上调，2 个仅在顶部茎表皮中上调，在基部茎表皮中不表达。这些基因包括赤霉素响应调节因子 At1g14920 (GAI/RGA2)、At1g66350 (RGAL)、At2g01570 (RGA1)，赤霉素信号转导蛋白 (SPINDLY) At3g11540，GAST1 相关蛋白 At1g74670、At1g22690，赤霉素 20-氧化酶 At3g60290、At4g25420，以及 GA2-氧化酶 At2g34555。两个在顶部表皮中特异性表达的基因是赤霉素 2-氧化酶 At1g30040 和赤霉素响应调节因子（推定的 VHIIID 结构域转录因子家族成员）RGAL At5g17490。GA2-氧化酶的功能是使赤霉素失活。

茎中存在的所有三种乙烯受体在顶部和基部茎表皮中均上调。在茎中存在的 63 个与乙烯响应相关的基因中，55 个 (87%) 基因在顶部和基部茎表皮中均上调，只有 3 个 (4.7%) 和 5 个 (7.9%) 基因分别属于 TLBS 和 TSBL 组。没有基因仅在顶部和基部内部茎中上调（表 3）。

类似地，在光信号通路中，光敏色素通路中光信号转导的初始步骤似乎主要在茎表皮中上调。所有五种类型的光敏色素 A、B、C、D、E 以及隐花色素 2 在顶部和基部表皮中均绝对上调，而在内部茎中则不然（图 3）。相应地，PhyA 的直接底物 PKS1、光敏色素 A 信号转导 1 (PAT1)，与 PhyA 具有相同的调控趋势；光信号通路中的其他组分 Spal、APRR1、3、5、7、SRR1、HFR1、COP1、9、10、CIP7、8、COP1R 和 HY5 也仅在顶部和基部茎的表皮中上调。PIF3 迁移到细胞核调节 DNA 转录，在顶部茎表皮和基部茎内部上调（图 3）。

蓝光受体 CRY1 和 CRY2 与 COP1 相互作用，释放 HY5，HY5 是一种转录因子，可直接靶向光响应启动子，使其免受 COP1 的负调控 [59]。在拟南芥茎中，两个编码 COP1 的基因 At5g63010 和 At5g52250 在顶部和基部茎中具有相反的表达模式。At5g63010 编码的基因具有与 HY5 相反的模式，可能在同一信号通路中发挥作用（图 3）。远红光受体 PhyA、PhyC、PhyD 和 PhyE 的功能与其他光敏色素的信号转导相关 [60,61]。光感受器可能作为群体协同发挥作用。已知 PhyA 在黑暗中上调，在光下下调；PhyB 则表现出相反的模式。据报道，光敏色素的水平在光下比在黑暗中低 23 倍，黑暗中 A:B:C:D:E 的比例为 85:10:2:1.5:1.5，光下为 5:40:15:15:25 [62]。在拟南芥茎生长过程中，Phy A 在光刺激后的起始阶段起作用，随后是 PhyB 的功能；它们依次且协调地发挥作用 [63]。在拟南芥茎的全基因组表达数据中，PhyA、B、D、Cryp2、NPH1 在顶部和基部茎之间具有相似的表达分布趋势，PhyC、E 在顶部和基部茎之间具有相似的表达分布趋势，PIF3、SPA1、PAT1、HY5、COP1R、At5g52250 编码的 COP1 也是如此（图 3）。

NPH 是向光素信号通路中参与蓝光诱导运动的因子。NPH3 在四组中的分布为 3、1、3、2，由不同基因编码；NPH1 的分布为 0、0、0、1。类似地，上调基因的分布反映了信号转导通路中其他组分的阶段或时序。PKS1（光敏色素激酶底物 1）仅位于细胞质中，直接与 Phy A 和 NPH1（向光素 1，phot1）结合 [64]。它仅在顶部和基部茎的表皮中上调，这是最接近光源的位置。据报道，NPH1 在表皮和内部茎中均有表达，但在表皮中表达非常微弱，在内部茎细胞中表达强烈 [65]。相应地，NPH1 在顶部茎的内部茎中上调，该部位是生长和分化活跃的部位，但在基部茎中，它在茎表皮中上调（图 3）。NPH1 位于

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黑暗中质膜的内侧，在蓝光下被磷酸化并从膜上解离，然后易位到细胞质中。细胞中的 NPH1 水平在持续光照 24 小时后下调 [65]。NPH3 与 NPH1 相互作用，并参与生长素调控的器官发生 [66-68]。编码 NPH3 的基因 At1g03010、At1g30440 在基部茎表皮和顶部茎内部上调，与 NPH1 相似（图 3），这与拟南芥中向光素 1 定位的光学观察结果一致 [65]。编码 NPH3 的 At3g44820 和 At5g66560 在顶部茎表皮和基部茎内部上调，方向与 NPH1 相反，与其他持续偏向于顶部和基部茎表皮或内部的 NPH3 一起，构成了复杂的调控网络。

光能吸收水平为 PhyA < PhyB < Cry2 < NPH1；相应地，根据表皮/茎的信号表达比值，光感受器的分布表现出沿顶部表皮、顶部内部、基部表皮、基部茎的序列上调趋势（图 3）。这里可以区分两个要素：侧面位置（或与环境距离）和发育阶段（顶部和基部）。低能量光受体位于茎的外侧，较高能量光受体位于内侧。可能更高能级的光可以穿透到植物组织更深层，上调基因的分布表明了这种协调和适应。上调受体的分布可能反映了受体对光穿透的适应。

上调的光受体及其信号转导通路组分的分布表明，茎中信号转导的方向是从外层到内部。

受体、膜受体、钙相关蛋白、CDPK、MAPK 是许多信号转导通路中的重要组分，这些基因在顶部和基部茎表皮中上调的数量显著更多（表 4）。

茎中表达的总受体数为 243，表达的总钙相关基因数为 123，表达的 MAPK 基因数为 27。其中 28 (11.5%) 个受体基因、17 (6.9%) 个 LRR 型受体基因、13 (11%) 个钙相关基因和 3 (11%) 个 MAPK 基因在顶部和基部茎表皮中以表皮/茎比值大于 2 上调。对于所有这些类别的基因，属于 TLBs 和 TSB1 类型上调模式的基因要少得多（表 4）。非膜受体包括小分子受体，如谷氨酸、糖、类固醇、S-位点蛋白、光、逆转录病毒、蛋白质细胞器靶向、探针蛋白结合、信号转导等，参与环境信号、激素信号转导和发育过程的各种过程。体细胞胚胎发生受体 CLV1 (At1g60800)、CLV2 (At1g65380)、光抑制性受体 (At1g48270) 和其他主要受体均在顶部和基部茎表皮中上调。

表 5 显示了在顶部和基部茎表皮中上调的基因数量巨大。它们都在各种发育和防御过程中发挥作用。在茎中表达的总共 37 个同源盒基因、203 个 F-box 基因、136 个 MYB、42 个 WRKY 基因中，有 22 个 (59.4%)、141 个 (69%)、73 个 (54%) 和 31 个 (74%) 在顶部和基部茎表皮中上调，但仅在顶部或基部茎表皮中上调的基因要少得多。这表明表皮层不仅是植物感知环境刺激的非常重要部位，也是感知内部组织信号、整合来自不同部位的效应器、指导并启动植物各种新器官形态发生的部位。它是植物防御和发育决策的关键场所。仅在顶部或基部茎表皮中上调的基因数量少得多，表明表皮功能所需基因的共同特性或功能，而那些仅在顶部或基部表皮中上调的少数基因可能在顶部茎或基部茎具有特定功能。

顶部茎是花序升起、花和其他器官起始的部位。因此，在茎的顶部表皮中上调更多的基因可能与这些起始和器官发生活动有关。Efremova 等人 [69] 表明，金鱼草和拟南芥中的 B 类同源异型基因通过从 L1 分生组织层开始表达，随后在分化器官的表皮和亚表皮中表达来控制器官特性。在顶部和基部茎表皮中上调且上调比值（表皮/茎）大于 2 的基因中，有 At1g05230、At1g79840 (GLABRA2, GL2)、At4g21750 (ATML1)、At1g01380 (CPC)、At2g46410 (CPC) [2,15,70,71]，这些基因已被报道特异性定位于表皮，并在分生组织组织或新器官起始以及表皮细胞模式形成中发挥作用。这种表达模式类似于一些基因在顶部表皮、顶部内部茎、基部表皮、基部内部茎中的分布模式。

此外，性别决定蛋白 tassel seed 2-like 基因 (At3g26770, At4g03140) 和隔膜位点决定 MinD 基因 (At5g24020) 在顶部和基部茎中均有表达。这表明花发育中的信号和早期事件也可能位于茎的某些部位，这可能与光信号、其他环境信号和激素信号共同调控茎生长和器官发生有关，暗示了

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参考文献

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参考原文链接：

https://blog.sciencenet.cn/blog-44769-1494419.html