【研究意义】我国是番茄（Lycopersicum esculentum）种植面积最大、产量最高的国家^[1]。番茄因其果实酸甜可口、风味独特，且富含多种营养物质，深受人们喜爱^[2]。贾俊婷等^[3]指出，组蛋白修饰基因家族在植物生长发育中起着至关重要的作用。但目前，研究人员对重要园艺作物番茄中的组蛋白修饰（Histone modification，HM）基因家族却知之甚少。通过全面分析番茄HM的基因结构、功能蛋白结构域、与拟南芥和水稻同源基因的进化关系等生物特征，为深入研究番茄HM基因的功能提供理论参考，并为加快优良番茄品种分子设计育种奠定基础。【前人研究进展】大量研究表明，HM可以通过改变染色质结构、调节细胞分裂、分化、迁移等方式来影响植物的形态和生理变化^[4-8]。组蛋白修饰过程由4种不同的HM基因家族成员调控，包括组蛋白甲基转移酶（Histone methyltransferase，HMT）、组蛋白去甲基化酶（Histone demethylase，HDM）、组蛋白乙酰化酶（Histone acetylase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase，HDAC）。4个HM基因家族均由不同数量的亚家族组成，且具有不同的结构域。HMT包含SDG（Set domain group）和PRMT（Protein arginine methyltransferases）亚家族；HDM包含HDMA（SWIRM、C-terminal domain）和JMJ（JmjC结构域蛋白）亚家族；HAT包含HAG（GCN5-、ELP3-和HAT1-样组蛋白乙酰化酶结构域）、HAM（MOZ-YBF2结构域）、HAC（p300/creb结合蛋白结构域）和HAF（TATA-结合蛋白相关因子-TAF_Ⅱ250）亚家族；HDAC包含HDA（RPD3/HDA1superfamily）、SRT（Silent information regulator 2）和HDT（HD2 family）亚家族^[9-12]。已有研究表明，不同植物中含有不同数量的HM基因成员，如苹果、香橙、荔枝、油棕榈中分别含有198、136、87、109个HM^[13-17]。【本研究切入点】番茄是重要的园艺作物，同时也是一种模式植物，主要用于果实发育等研究。虽然番茄中已见HDAC家族基因的分离鉴定^[18]，但关于番茄HM全基因家族的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】本研究拟通过番茄全基因组分析，鉴定番茄中该基因家族的成员，并详细分析各成员的染色体定位、基因结构和蛋白保守基序特征，揭示各基因家族成员与拟南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻（Oryza sativa）同源基因的亲缘关系，同时明确各基因的组织器官表达特征，为深入研究番茄HM各基因的功能提供依据。

1　材料与方法 1.1　HM家族成员的鉴定

番茄基因组数据来源于Sol Genomics Network（https://solgenomics.net/）网站。通过已知的拟南芥、水稻基因组及其HM基因信息，使用E value < 1e-10的BLSATP程序对番茄基因组进行查询。从Pfam数据库（https://pfam.xfam.org/）下载HM家族HMM模型文件（附件S1），使用HMMER软件进一步确定假定序列。

1.2　番茄HM基因结构分析

根据番茄基因组注释信息，通过GSDS（http://gsds.cbi.pku.edu.cn/）网站在线分析并对番茄HM基因结构进行可视化绘图。

1.3　番茄HM蛋白系统进化树构建

从拟南芥基因数据网站（https://www.arabidopsis.org/index.jsp）获取拟南芥HM蛋白序列，从水稻基因组数据库（http://rice.uga.edu/index.shtml）获取水稻HM蛋白序列，利用茄科数据库（http://palmxplore.mpob.gov.my/palmxplore/）查找下载番茄HM蛋白序列。使用ClustalW Muscle默认参数对番茄、拟南芥、水稻的HM蛋白序列进行多序列比对，使用MEGA 7.0软件^[19-20]以最大似然法分别构建番茄、拟南芥、水稻三者HMT、HDM、HAT和HDAC成员的系统发育树，bootstrap值为1 000。

1.4　番茄HM基因染色体定位

根据番茄全基因组注释数据，获取番茄各染色体长度及HM基因在染色体上的位置，并利用TBtools软件对其进行可视化绘图^[21]。

1.5　番茄HM基因在不同组织中的表达分析

从Tomexpress（http://tomexpress.toulouse.inra.fr/）获取HM基因的RNA-seq数据，采用Tbtools绘制热图，研究HM基因的时空表达模式。

2　结果与分析 2.1　番茄HM基因家族的鉴定

在番茄中共鉴定到148个组蛋白修饰基因（HM），其中编码组蛋白甲基转移酶（HMT）的基因50个、编码组蛋白去甲基化酶（HDM）的基因55个、编码组蛋白乙酰化酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的基因分别有32和11个。番茄HM基因家族成员根据其蛋白结构域被分为11个亚家族（SDG、PRMT、HDMA、JMJ、HAG、HAM、HAC、HAF、HDA、SRT和HDA）。HMT家族包含SDG和PRMT；HDM家族包含HDMA和JMJs；HAT家族包括HAGs、HAMs、HACs和HAF；HDAC家族包括SRT、HDA和HDA亚家族。番茄HM基因家族成员的所有基因ID见附件S2。

2.2　番茄HM基因家族成员染色体定位分析

对148个番茄HM成员的染色体定位进行分析，结果（图 1）显示，番茄HM基因家族成员不均匀地分布在12条染色体上。其中，3号染色体上分布最多、有21个基因，12号染色体分布最少、有4个基因。

2.3　番茄HM蛋白结构预测与基因结构分析

HM家族成员蛋白结构预测结果（图 2B、图 3B、图 4B、图 5B）表明，Solyc07g064130、Solyc11g005670、Solyc10g006480仅存在Ubl结构域；Solyc07g062100、Solyc10g077110和Solyc03g083310仅含有Zn-finger结构域；Solyc03g110910包含ELP3结构域、N端自由基SAM结构域和C端GNAT乙酰转移酶结构域，其中ELP3结构域是RNA聚合酶Ⅱ全酶的组成部分。Solyc05g005640、Solyc07g062660、Solyc01g103570、Solyc01g106280、Solyc07g064700、Solyc02g068560、Solyc02g071510、Solyc02g093880、Solyc09g055660、Solyc06g051210等10个成员含有Bromo结构域。Solyc04g009430和Solyc07g065550含有SIRT结构域。Solyc05g024100、Solyc07g020990、Solyc05g024040、Solyc11g030760、Solyc11g030780、Solyc05g055590、Solyc05g016300、Solyc05g051150、Solyc05g051153、Solyc05g024070、Solyc05g040010、Solyc11g008320和Solyc05g051157成员含有PLN03000结构域。Solyc10g049410、Solyc05g006250、Solyc07g063500、Solyc07g063450蛋白存在PLN02529结构域，该结构域与赖氨酸特异性组蛋白去甲基化有关。负责组蛋白甲基化的酶类有3种，其中含赖氨酸特异性SET结构域的组蛋白甲基化酶负责组蛋白H的4位（H3K4）、9位（H3K9）、20位、27位（H3K27）赖氨酸的甲基化。此外，Solyc04g081100存在PLN02976结构域，Solyc08g005970具有PRMT5结构域，其他49个基因均存在SET结构域。

HM基因家族结构特征分析结果（图 2C）表明，HM基因家族成员中外显子数量不同。在HAT家族中，Solyc07g064130、Solyc02g068580和 Solyc05g006180均只有1个外显子，而Solyc07g006820基因却有21个外显子。在HDM家族中，Solyc04g028580、Solyc05g0024100、Solyc05g024040、Solyc12g008850、Solyc05g018880、Solyc07g039310、Solyc11g030760、Solyc05g051150、Solyc05g051153、Solyc10g04910均只有1个外显子，而Solyc08g081000基因外显子多达34个。在HDAC家族中，Solyc06g074080基因仅有3个外显子，而 Solyc03g119730基因有17个外显子。在HMT家族中，Solyc09g090030、Solyc06g007760、Solyc08g044590、Solyc08g044550、Solyc03g093760、Solyc03g093710、Solyc06g060960、Solyc08g077940、Solyc09g090810、Solyc10g077070、Solyc03g112690均仅有1个外显子，Solyc09g098260基因外显子数量多达25个（图 2C、图 3C、图 4C、图 5C）。

2.4　番茄HM家族成员系统发育分析

由图 6、图 7可知，番茄中HDAC、HDM家族的蛋白序列与拟南芥和水稻中的HM蛋白同源关系均较远。但整体来看，与水稻相比，番茄HM蛋白序列与拟南芥HM蛋白序列在进化关系上更为相近。

2.5　番茄HM基因家族的共线性分析

为了解番茄基因组中HM基因家族的扩张情况，本研究利用Circos生成一个重复区块的基因复制事件图（图 8）。通过比较12条番茄染色体上的148个番茄HM基因，共鉴定出13对HM基因存在连锁。HDM家族所含数量最多（6对），分别为Solyc02g081390和Solyc03g031880、Solyc03g097090和Solyc08g076390、Solyc03g097090和Solyc08g005240、Solyc05g055590和Solyc11g008320、Solyc07g039310和Solyc12g008850、Solyc07g043590和Solyc12g006370，其中Solyc03g097090为重复基因；HMT家族共有5对，分别为Solyc01g095890和Solyc03g083410、Solyc01g006220和Solyc12g100290、Solyc06g060960和Solyc08g077940、Solyc06g083760和Solyc09g072890、Solyc09g072890和Solyc09g090630；HAT家族共有1对，Solyc07g064130和Solyc10g006480；HDAC家族共有1对，Solyc03g112410和Solyc06g071680。配对的HM重复基因均位于番茄基因组的不同染色体块中（图 8）、如3号染色体，以上结果暗示番茄HM基因家族扩张可能是通过这些重复区域发生。

2.6　番茄HM基因家族的组织表达分析

为分析148个番茄HM基因家族成员在不同组织的表达水平，本研究利用公开的转录组数据分析番茄不同发育组织中HM的转录丰度，结果如图 9、图 10所示，番茄HM基因成员在3个不同品种（‘Micro-Tom’‘pimp’‘Heinz’）不同发育阶段的组织中差异表达。

HDAC家族成员（图 9A、图 9B），如‘Micro-Tom’品种中，Solyc03g112410基因在发芽后30 d的花（F30）中高表达；‘Pimp’品种中，Solyc03g112410、Solyc06g074080、Solyc08g065350、Solyc11g067020等4个基因在未成熟果实（Plgfr）中高表达。

HAT家族成员（图 9C、图 9D），如‘Micro-Tom’品种中，Solyc09g055660、Solyc05g006180在发芽后30 d的花（F30）中高表达，Solyc04g082530基因在开花后10 d的果实中（10 DPA）高表达；‘Heinz’品种中，Solyc09g055660基因在花（fr）中高表达，Solyc10g006480、Solyc06g051210、Solyc01g008120基因在根（rr）中高表达，Solyc04g058190基因在未成熟果实（Plgfr）中高表达。

HDM成员（图 10A、图 10B），如‘Micro-Tom’品种中，Solyc08g005240、Solyc03g031880、Solyc11g030780等3个基因在发芽后30 d的花（F30）中高表达，Solyc03g097090、Solyc07g063500、Solyc10g047350、Solyc10g049410、Solyc06g060610基因在全株50% 的花开放时的花（F45）中高表达，Solyc12g006370、Solyc01g087590等基因在开花后10 d的果实中（10 DPA）高表达；‘Heinz’品种中，Solyc02g069740、Solyc07g063500、Solyc03g031880、Solyc11g030780等4个基因在花蕾（br）中高表达，Solyc03g097090基因在花（fr）中高表达，Solyc05g018880基因在根（rr）中高表达，Solyc05g055590基因在3 cm果实（3fr）中高表达，Solyc09g091490基因在未成熟果实生长到5 cm时的叶片中（Plr）中高表达。

HMT成员（图 10C、图 10D），如‘Micro-Tom’品种中，Solyc07g008500、Solyc03g112690基因在发芽后30 d的花（F30）中高表达，Solyc07g008580基因在全株50% 的花开放时的花（F45）中高表达；‘Heinz’品种中，Solyc07g008580、Solyc03g112690基因在花蕾（br）中高表达，Solyc01g095890基因在3 cm果实（3fr）中高表达；‘Pimp’品种中，Solyc07g006060基因在未成熟5 cm果实（PB+5fr）中高表达。

3　讨论

组蛋白修饰酶（HM）通过修饰调节组蛋白的状态，在植物不同的生长和发育过程中发挥重要作用。目前，已有研究在拟南芥、水稻、苹果等多种植物中分析了组蛋白修饰酶基因家族，但番茄中尚未对该家族基因进行鉴定，且其具体生物学功能也不清楚。

本研究共鉴定出148个番茄HM成员，分别为32个组蛋白乙酰转移酶（HAT）、11个组蛋白去乙酰化酶（HDAC）、50个组蛋白甲基转移酶（HMT）和55个组蛋白去甲基化酶（HDM），并分析了它们在染色体上的位置、基因结构、保守基序、基因复制事件及系统发育关系，揭示了该类基因与拟南芥和水稻同源基因亲缘关系的远近。同时，检测分析了全部基因在不同组织的表达模式。番茄HM基因家族成员数量与已鉴定物种成员的数量相近。例如，在油棕中共鉴定到109个HM基因家族成员，其中HMT 48个，HDM 27个^[15]，同时发现其基因组上存在13种组蛋白乙酰化酶亚基（简称H型）与21种组蛋白去羧化酶亚基（简称C型）。Peng等^[17]从荔枝基因组上共鉴定出87个HM家族成员，其中HAT 6个、HDAC 11个、HMT 48个和HDM 22个。这些结果表明，在不同植物中该类基因家族成员的数量存在很大差异，进一步体现了植物在进化过程中的多样性。

利用已知的转录组数据库，本研究分析了番茄HM基因家族成员在不同组织的表达水平。HDAC家族中，Solyc01g009120在叶组织中高表达，且有报道指出该基因定位于叶绿体^[22]，暗示该基因可能在番茄叶片叶绿体形成和发育调控中起着重要作用。Solyc06g071680在果实发育的未成熟阶段高表达，并随着果实发育其表达量下降，表明该基因可能在番茄果实发育调控中起作用，这与已报道的结果^[23]一致。水稻中，编码HDM家族的OsJMJ706成员通过对组蛋白H3赖氨酸9（H3K9）的二甲基和三甲基的去甲基化作用，参与调节水稻花器官的发育，影响其外壳开放性^[24]。系统进化分析显示，番茄中的Solyc08g076490和Solyc08g0005240与OsJMJ706高度同源。此外，Solyc08g076490和Solyc08g0005240在不同番茄品种花组织中的表达水平均较高，这暗示着二者也极有可能参与番茄花器官的发育。编码HMT家族的Solyc04g057880和Solyc06g059960均在果实发育期高表达，且系统进化分析显示二者与拟南芥AtSDG8亲缘关系最近，而研究表明AtSDG8可通过调节CRTISO（胡萝卜素异构酶）上的H3K4三/二甲基化来影响拟南芥中类胡萝卜素的生物合成^[25]。类胡萝卜素作为番茄果实重要的组成成分，推测Solyc04g057880和Solyc06g059960也可能参与了番茄果实中类胡萝卜素的生物合成，但这些基因的具体功能及分子调控机制有待进一步验证。

4　结论

本研究共鉴定出148个番茄HM基因（32个HAT、11个HDAC、50个HMT和55个HDM），不均匀地分布在12条染色体上。不同基因其结构差异较大，均包含多种功能结构域。番茄HM与拟南芥和水稻的同源关系较远，且在植物不同生长发育阶段及不同组织中均有一定的表达，暗示其可能参与了番茄多种生长发育过程。其中，部分基因在特定的组织中高表达，有望进一步开展分子研究验证其功能，为番茄遗传改良奠定基础。