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促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联是真核生物中普遍存在的信号转导模块,在植物的生长发育、激素反应和多种生物及非生物胁迫响应过程中发挥重要作用。十字花科的短命植物小拟南芥(Arabidopsis pumila)生长在新疆干旱和半干旱的荒漠及盐碱地环境,具有大量抗逆基因资源值得挖掘。因此,深入研究小拟南芥MAPK级联及其功能,可以阐明植物抗逆的信号转导网络,为解析MAPK级联介导的小拟南芥生长发育和抗逆反应机制奠定基础。目前,已在多种植物中鉴定了MAPK级联中的3个基因家族:MAPK激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase,MAPKKK或MEKK)、MAPK激酶(mitogen-activated protein kinase kinase,MAPKK或MKK)和MAPK,但小拟南芥中MAPK级联基因家族的系统鉴定与分析尚未见报道。为了探索小拟南芥MAPK级联基因家族的进化和功能,本研究通过全基因组分析鉴定了小拟南芥MAPK和MKK基因家族成员,并进行了进化及功能分析。目的:鉴定小拟南芥MAPK和MKK基因家族成员;分析MAPK和MKK基因家族进化;初步分析MAPK和MKK基因家族成员的功能。方法:基于小拟南芥全基因组数据(尚未公布),对Ap MAPK和Ap MKK基因家族成员进行全基因组比对和鉴定,分析Ap MAPK和Ap MKK基因家族成员的染色体定位、多重序列比对、motif分布、外显子-内含子结构以及启动子区的顺式作用元件分布情况;比较小拟南芥、水稻(Oryza sativa)和小拟南芥近缘物种MAPK和MKK基因家族的系统发育关系,并对小拟南芥中的MAPK和MKK复制基因对进行Ka/Ks、Tajima相对速率测验和共线性分析;利用RNA-seq数据研究Ap MAPK和Ap MKK基因在不同组织和盐胁迫不同时间点的表达情况;通过实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,q RT-PCR)分析小拟南MAPK基因家族成员在干旱、高温、水杨酸(salicylic acid,SA)和脱落酸(abscisic acid,ABA)处理下的表达情况。结果:(1)从小拟南芥全基因组数据库中鉴定了38个Ap MAPK基因和16个Ap MKK基因;Ap MAPK基因家族成员分布于小拟南芥的12条染色体上,其编码蛋白由249~620个氨基酸组成,蛋白质分子量为28.94~70.85 k Da,等电点为4.86~9.44;Ap MKK基因家族成员分布于小拟南芥的10条染色体上,其编码蛋白由312~367个氨基酸组成,蛋白质分子量为34.53~62.75 k Da,等电点为5.72~9.27。(2)基于系统发育分析和多重序列比对,Ap MAPK基因家族成员分为4个亚族:Group A(6个)、Group B(10个)、Group C(6个)和Group D(16个),其中Group A-C包含TEY活化环,Group D包含TDY活化环;Ap MKK基因家族成员分为5个亚族:Group A(5个)、Group B(2个)、Group C(4个)、Group D(3个)和Group E(2个)。(3)相同亚族成员具有相同的motif分布和外显子个数,且各亚组都有其特有的motif。(4)分子进化和共线性分析表明,Ap MAPK基因家族中存在18对复制基因(Ap MAPK17-1/17-2除外),其中Ap MAPK11-1/11-2在复制事件后发生了加速进化;Ap MKK基因家族中存在7对复制基因,分别是Ap MKK1-1/1-2、Ap MKK2-1/2-2、Ap MKK3-1/3-2、Ap MKK4-1/4-2、Ap MKK5-1/5-2、Ap MKK9-1/9-2和Ap MKK10-1/10-2,其中Ap MKK1-1/1-2在复制事件之后发生了加速进化;Ap MAPK和Ap MKK复制基因都经历了纯化选择。(5)Ap MAPK和Ap MKK基因家族成员都具有组织表达特异性和功能多样性。(6)复制基因Ap MAPK11-1/11-2、Ap MAPK15-1/15-2和Ap MKK3-1/3-2间的motif分布和基因结构都存在差异,并且它们在不同组织和多种非生物胁迫(高盐、干旱和高温)下的表达模式不同,顺式作用元件种类也明显不同。(7)Ap MAPK6-1、Ap MAPK6-2、Ap MAPK7-1和Ap MAPK7-2在多种非生物胁迫下都持续上调表达。结论:本研究从小拟南芥基因组中鉴定出38个Ap MAPK基因和16个Ap MKK基因;Ap MAPK基因家族成员分为4个亚族,分别是A、B、C和D;Ap MKK基因家族成员分为5个亚族,分别是A、B、C、D和E。Ap MAPK和Ap MKK基因家族中分别存在18、7对复制基因,都发生了纯化选择,其中Ap MAPK11-1/11-2和Ap MKK1-1/1-2在复制事件发生后进行了加速进化。Ap MAPK和Ap MKK基因家族成员都具有组织表达特异性和功能多样性,相同亚族的基因具有相似的motif分布和基因结构。部分Ap MAPK和Ap MKK复制基因间都存在结构分歧、调控元件差异和功能分歧,且基因结构差异可能引起功能分歧。Ap MAPK基因家族大部分基因在高温、干旱胁迫和SA处理下显著上调表达,在ABA处理下可快速作出响应。Ap MAPK6-1、Ap MAPK6-2、Ap MAPK7-1和Ap MAPK7-2参与免疫防御和多种非生物胁迫信号转导途径。