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大麦(Hordeum vulgare L.)是世界上仅次于小麦、水稻和玉米的第四大作物,是世界上最古老的食用和饲料作物之一,具有较高的经济价值。大麦基因组的最新物理、遗传和功能序列组装分别于2012年和2016年完成,为未来研究作物育种、改良、基因功能和进化提供了重要的参考资料。大麦具有较强的抗旱性、耐低温性和耐盐碱性,环境适应机制的调控较为复杂。同源异型域-亮氨酸拉链(Homeodomain-leucine zipper,HD-Zip)蛋白属于同源异型盒(Homeobox,HB)蛋白超家族,是植物特有的一类转录因子。已有研究表明HD-Zip转录因子家族与植物表皮发育、角质层发育和抗胁迫有关。本研究以大麦‘Morex’基因组数据为参考,进行HD-Zip基因家族成员鉴定,并通过生物信息学分析,了解大麦HD-Zip基因家族成员的特征及进化关系;分析该家族成员转录组数据初步确定其组织表达规律,干旱、冷、盐胁迫处理大麦水培幼苗并通过q RT-PCR实验研究大麦HD-Zip基因家族成员在不同胁迫下的响应规律;分析该基因家族密码子偏好性,结合前期表达模式分析结果,筛选出具有家族代表性且胁迫响应显著的大麦HD-Zips基因,利用拟南芥遗传转化体系初步探讨大麦HD-Zip基因的功能。结果如下:(1)共鉴定出32个非冗余大麦HD-Zip基因,命名为Hv HD-Zip 1-32,并根据所识别并结合的DNA序列、保守基序、蛋白功能划分为I-IV亚家族。Hv HD-Zip家族基因编码序列(CDS)长度为594 bp至2949 bp,对应蛋白质长度为198至983个氨基酸。Hv HD-Zip蛋白均为亲水性,且均定位于细胞核。染色体分布表明Hv HD-Zips基因在大麦7条染色体上总体分布较为均衡。32个Hv HD-Zip蛋白中均含有构成HD和LZ结构域的相应保守基序,但HD-Zip III和HD-Zip IV亚家族成员较HD-Zip I和HD-Zip II亚家族具有更为复杂的结构域。(2)共线分析结果表明,大麦与拟南芥、水稻、小麦之间各有26个、231个、499个全基因组共线区块,分别含有3个(9.4%)、14个(43.8%)、25个(78.1%)HD-Zip基因对。有趣的是,全基因组复制事件分析中,未从大麦1593个基因对中发现Hv HD-Zip基因家族成员的片段或串联重复事件。统计发现,大麦中HD-Zip成员数量明显少于其他13个植物中已报道的成员数目。(3)组织表达模式分析表明大多数Hv HD-Zip基因(67.7%)表达水平较低,但其表达仍具有明显的组织特异性。实时定量PCR(q RT-PCR)分析表明,Hv HD-Zip基因在不同处理不同组织中的胁迫响应模式差异很大。具体表现为Hv HD-Zip基因在大麦根组织中表现出对干旱胁迫的高敏感性,而在叶组织中则表现为显著的冷胁迫响应,且HD-Zip I和HD-Zip IV亚家族基因的胁迫响应程度明显高于HD-Zip II和HD-Zip III亚家族。(4)Hv HD-Zip家族基因偏好以C或G结尾的密码子,使用频率最高的密码子是CUG,最优密码子为AUC和AGG。三联密码子第三位碱基的GC含量(GC3)及有效密码子数(ENC)证明该家族基因密码子偏好性较弱,且在进化过程中主要受突变压力的影响。聚类分析表明,基于相对同义密码子使用度(RSCU)的HD-Zip基因聚类与物种进化关系没有必然相关性。对Hv HD-Zip家族代表基因Hv HD-Zip IV 5进行最适受体分析发现,大肠杆菌更适合作为其异源表达受体,遗传转化模式植物中水稻更适合作为该基因的表达受体,但想要以高效率进行异源表达,还需要对Hv HD-Zip IV 5基因密码子进行改造和优化。(5)克隆得到大麦、青稞中Hv HD-Zip IV 5基因CDS序列长2388 bp,编码796个氨基酸。序列比对发现两物种间该基因序列存在8个SNP位点,但并未表现出空间结构差异。q RT-PCR实验对大麦及青稞的根、茎、叶、花、种子中Hv HD-Zip IV 5表达量测定,结合转录组数据分析表明该基因在幼嫰组织中表达量高于成熟组织,且在叶中有较高水平表达,具有组织特异性。大麦及青稞幼苗分别在干旱、冷、盐胁迫处理后Hv HD-Zip IV 5基因在不同物种间表现出不同的响应模式。这表明该基因参与植株对不同非生物胁迫的适应性调控过程,且具有组织、物种差异性。