文 | 清墨史纪
编辑 | 清墨史纪
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植物木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶是一大类蛋白水解酶，与植物-病原体/害虫相互作用、种子萌发、发育、免疫、衰老、环化和胁迫反应有关，PLCP属于C1ACysProt。
是植物半胱氨酸蛋白酶的典型成员，这些酶以无活性前体的形式产生，具有信号肽、自身抑制前结构域和活性蛋白酶结构域，一些PLCP在其C端区域携带GRAN结构域。
PLCP家族基因已在拟南芥、橡胶、木薯、蓖麻、杨树、葡萄、多毛棉、番木瓜和水稻中进行系统研究，而PLCP家族基因的研究在豆科植物全基因组中非常有限。
一、PLCP家族基因与植物结节发育和衰老的作用
PLCP家族基因已被证明参与大豆、黄芪、黄芪和荸荠的结节发育和衰老以及结节发育和衰老。
例如，PsCYP1在不确定结节衰老开始时表达，PsCyp15A和MsCYP15A在结节中表达。MtCP6在发育和应激诱导的结节衰老过程中均被诱导表达，其早期表达促进了结节衰老。
MtCP77通过加速植物PCD和ROS积累来积极调节结节衰老。Asnodf32是一种结节特异性半胱氨酸蛋白酶，对中华曲霉结节发育、拟杆菌衰老和结节寿命产生负调节。
甘氨酸最大CYSP1可能参与结节发育和衰老，这些研究主要基于PLCP的个体成员。在大豆中，数十种PLCP与根结节共生有关。
而GmPLCP在结节、结节发育和衰老中的作用尚不完全清楚，本研究采用全基因组研究，探讨大豆PLCP家族基因的特殊性状和扩增情况。
分析GmPLCP在大豆根瘤共生中的表达谱，鉴定RNS相关PLCP。共生功能分析表明，RNS相关GmPLCP基因可能在结节和结节发育中发挥作用。
我们的研究结果提高了我们对豆科PLCP家族基因功能多样性的理解，并为豆科PLCP在结瘤、结节发育和衰老中的假定作用提供了见解。
二、全基因组扫描和大豆PLCP家族基因的扩增
已在拟南芥、橡胶、木薯、蓖麻、杨树、葡萄、多毛蓖麻、木瓜和水稻中系统地进行了PLCP的全基因组鉴定。
本研究在大豆中鉴定出97个GmPLCP，数量超过以往研究的其他植物。根据系统发育分支和结构特征，这些大豆PLCP被分为11个亚科，与以前的研究相似。
然而，在这1个组中，11个组仅由豆科植物PLCP组成，组中只有12个PLCP，这与其他研究有很大不同。
大豆基因组中发生了两次全基因组重复事件，分别发生在59和13Ma，对大豆中许多多基因家族的扩扩增做出了重大贡献。
不同的基因家族可能具有不同的多倍体衍生重复事件和保留重复基因的进化机制，这在家族的适应性进化和生物学功能中起重要作用。
大豆PLCP基因家族的数量显著高于拟南芥、荆芥和日本乳杆菌，这可能是由WGD事件、串联重复和大规模节段重复引起的。
在大豆PLCP基因家族的重复事件中，37个大规模节段重复对包括45个GmPLCP对家族扩容贡献较大，小串联重复对和单基因节段重复对也对大豆PLCP家族基因扩增有贡献。
此外，这些重复簇基因的保留可能主要归因于它们在对中不同的表达模式、特殊结构和功能，这与以前的研究相似。
三、GmPLCP在大豆中的潜在共生功能
以前的研究表明，PLCP在内源性蛋白质周转，种子性状，发芽和成熟，非生物环境胁迫和保护植物免受螨虫，真菌，细菌和病毒中起着重要作用。
根瘤菌III.型分泌系统是植物病原体毒力因子的引入剂，可由豆科植物衍生的类黄酮诱导，据报道可通过宿主防御系统的识别来调节结节过程。
我们之前的研究表明，结节发育和衰老与植物免疫防御直接相关。据报道，PLCP参与生物和非生物胁迫，负责防御病原菌和调节植物免疫力。
近年来发现了越来越多的分子机制，本研究指出，GmPLCP在结节发育中没有大的串联重复对，只有11个小的串联重复对有异表达。
这表明RNS相关的GmPLCP重复基因主要来源于单基因节段复制而非串联重复。RNS相关重复对中的两个同源基因在RNS中表现出相似的表达模式，这与之前的研究不同。
先前的研究表明，PLCP在几种豆科根瘤的发育和衰老中起重要作用，在大豆中，PLCP可能在结节以及结节发育和/或衰老中发挥重要作用。
然而，GmPLCP在结瘤、结节发育和衰老中的作用尚不完全清楚。本研究综合分析了GmPLCP在18个共生相关组织和14个不同结节样本中的表达谱。
结果鉴定出数十个RNS相关PLCP，提示多个GmPLCP可能参与结节信号识别和免疫和/或结节发育和衰老。
在先前的转录谱数据中，12个GmPLCP的表达在衰老开始时特别增加，在这些GmPLCP中，84个基因在结节衰老期间上调，其余04个基因在190700dN或dN时表达低。
在这项研究中，其他四种GmPLCP也可能在结节发育和衰老中发挥作用。此外，PLCP可能参与固氮过程，PLCP可能参与结节发育的早期和/或中期阶段。
这些数据表明，GmPLCP不仅可能在结节衰老中发挥作用，而且还参与结节和结节发育，RNS相关GmPLCP的具体调控作用和独特功能有待进一步研究。
四、RNS相关GMPLCP的特征
先前的研究表明，多倍体衍生的重复基因导致豆科植物中的RNS增强。本研究以RNS相关GmPLCP为主，且这些基因大多参与单基因节段复制。
表明GmPLCP的多倍体衍生重复事件在RNS中也发挥了重要作用，RNS相关的GmPLCP具有相对复杂的基因结构，包含UTR序列和三个或更多内含子。
在这些RNS相关的GmPLCP中观察到三种不同的基序模式。第一种模式包含一个propeptide_C5结构域和一个肽酶_C1A_cathepsinB结构域。
在三种蛋白质中发现的第二种模式中，不仅有两个典型的基序，而且在其C末端区域还有一个GRAN结构域，这与一些已知的PLCP相似。
其余或大多数这些RNS相关的GmPLCP通常被归类为第三种模式，其中包含两个典型的基序。
这些结果表明，RNS相关GmPLCP中没有特殊的蛋白质结构，与结节发育相关的大豆胱抑素相似。
五、大豆PLCP基因家族的鉴定
对大豆基因组的调查初步确定了甘氨酸最大变种中编码推定PLCP的106个基因位点。威廉姆斯82基因组。
鉴定出的大豆PLCP具有6128.82至57，479.13Da的各种分子量，其编码的肽具有55~517个氨基酸残基，等电点为4.3~9.32。
采用NIH/NLM/NCBI光盘搜索工具分析了这106个PLCP中的保守结构域，表S2列出了详细信息。
在这106个大豆PLCP中，根据其序列长度和peptidase_C1结构域中不存在peptidase_C1结构域或存在大片段缺失，其中97个被认为是推定的假基因。
六、PLCP的系统发育和外显子与内含子的结构分析
为了研究大豆PLCP与其他豆科植物和非豆科植物的系统发育关系，我们使用MEGA对33个GmPLCP，25个AtPLCP，6个MtPLCP和0个LjPLCP。
其中大豆PLCP和甘氨酸WGD事件形成的5个重复节段对分布在45890个组别中，说明大豆PLCP的谱系分化发生在家族扩张之后。
大豆PLCP成员在这组中分布不均匀，其中A组、B组和D组仅由豆科植物PLCP组成，表明这三个组发生在拟南芥和豆科植物分化之前。
或者在拟南芥中消失或在豆科植物中具有特异性。此外，ATG独立于各组，表明该基因具有物种特异性特征和新功能。
在10种豆科植物的PLCP中，虽然在荆棘和日本枸杞中发现了串联重复事件，但大的串联重复片段对仅存在于大豆PLCP中，表明PLCP的复杂复制对大豆具有特异性。而不是豆类。
大豆PLCP的数量显著多于根茎和日本枸杞，除上述大串联重复片段事件外，其原因主要归因于大豆，尤其是G组和I组的片段重复事件组中。
只有MtPLCP和LjPLCP，而副同源大豆PLCP在很大程度上仍未探索为什么这些副同源基因保留在大豆中，这可能与某些生物学功能有关。
上述九组各PLCP的cDNA序列，与它们的基因组序列进行比较，分析它们的UTR/外显子/内含子结构，在这些PLCP中每组内都发现了相似的基因结构。
A组至D组的PLCP大多表现出相对简单的基因结构，其中70%的PLCP仅含有一种内含子。而在E组至I组，这五组中的所有PLCP都含有两个或多个内含子。
这些群体特异性基因结构与跨物种PLCP之间的关系一致，并进一步支持了这些PLCP之间的功能差异。
七、大豆中PLCP的分析
利用大豆基因组数据库中的数据，基于42个Go项的推定分配，对大豆PLCP进行了研究。
这些Go函数项分为三类：生物过程、细胞成分和分子功能，其详细的基因ID信息如表S3所示。其中，06个基因没有预测Go函数。
其余均具有半胱氨酸型肽酶活性并参与蛋白水解过程，大多数大豆PLCP位于细胞外区域。
对于重复片段对，对15中的两个基因、对23中的10个基因和两个最复杂的对中的9个基因参与了衰老、对乙烯的响应、对真菌的防御响应、不相容的相互作用和叶片衰老过程。
并具有衰老相关的液泡定位，对于四对，其中一个串联重复基因具有与其他基因不同的功能，对于其余06个基因对，除了对042600外，两个基因都参与了相同的生物过程。
八、结论
植物木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶是一大类蛋白水解酶，在根结节共生中起重要作用，而豆科植物PLCP家族基因的全基因组研究相当有限。
甘氨酸最大PLCPs在结节、结节发育和衰老中的作用尚不完全清楚，在本研究中，我们鉴定了97个GmPLCP，并进行了全基因组调查。
以探索大豆PLCP家族基因的扩增及其与RNS的关系。鉴定出由全基因组重复事件形成的77对副同源基因组片段，由04个GmPLCP组成，显示出高度的重复复杂性。
不同物种的系统发育分析表明，GmPLCP的谱系分化发生在家族扩增后，大豆中出现大串联重复片段，GmPLCP在共生相关组织和结节中的表达模式鉴定了RNS相关GmPLCP。
并为其在大豆中的假定共生功能提供了见解，共生功能分析表明，RNS相关GmPLCP基因确实参与结节和结节发育。
我们进行了一项全基因组调查，确定了97个GmPLCP。共识别和分析了WGD事件创建的19个分段重复对，表明大豆PLCP重复的复杂性很高。
利用GmPLCP在大豆根瘤共生中的表达谱来鉴定RNS相关的PLCP。共生功能分析表明，RNS相关GmPLCP基因确实参与了结节发育。
我们的研究结果提高了我们对豆科PLCP家族基因功能多样性的理解，并为豆科PLCP在结瘤、结节发育和衰老中的假定作用提供了见解。
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