李愛芹 李利斌 方志軍 劉國明
摘要:本文采用比較基因組學(xué)和生物信息學(xué)的方法,首次從水稻基因組中鑒定出一個與擬南芥控制種子和器官大小的基因DAI同源的基因,命名為OsDAl,并對這個基因的序列特征、編碼蛋白的結(jié)構(gòu)域、順式元件以及遺傳進(jìn)化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,OsDAl編碼的蛋白具有LIM結(jié)構(gòu)域、泛素互作位點(diǎn)和鋅指結(jié)構(gòu)域,與擬南芥DAl蛋白的結(jié)構(gòu)一致,推測二者在控制器官發(fā)育上具有類似的功能。本研究還發(fā)現(xiàn),在水稻OsDAl基因的啟動子區(qū)存在多個響應(yīng)不同激素和逆境信號的順式元件,但這些元件的類型與擬南芥DAl基因的順式元件有所不同,OsDAl與AtDAl可能在表達(dá)調(diào)控上有所不同;OsDAl基因不僅能夠控制種子等器官的大小和發(fā)育,而且還可能與植物的激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和逆境響應(yīng)有關(guān)。本文為下一步研究OsDAl在水稻生長發(fā)育和逆境響應(yīng)中的功能以及與水稻雜種優(yōu)勢的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
鍵詞:水稻;DAl;結(jié)構(gòu);順式元件;遺傳進(jìn)化
中圖分類號:Q754文獻(xiàn)標(biāo)識號:A文章編號:1001—4942(2009)08—0005—04
植物器官大小特別是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量部分器官的大小是影響植物產(chǎn)量的重要因素和衡量植物雜種優(yōu)勢的重要指標(biāo)。近年來。多個控制植物器官大小的基因被克隆并得到功能驗(yàn)證,如馬鈴薯的EBPl,擬南芥中控制器官大小和發(fā)育的基因KLUH、ARF2、AP2、ANT、BB等,水稻中控制抽穗期和穗粒數(shù)的基因GDH7,影響種子大小的基因GW2、GIFI和GW5。李云海等(2008)克隆了一個最終控制種子和器官大小的擬南芥基因DAl(AtDAl)。AtDAl編碼一個含有LIM結(jié)構(gòu)域和C3HCA鋅指結(jié)構(gòu)域的泛素受體,該基因突變后植株的種子和器官明顯增大。另外,AtDAl受脫落酸(Abseisie acid,ABA)的誘導(dǎo)表達(dá),而ABA在植物逆境應(yīng)答過程中具有重要功能。
本文利用比較基因組學(xué)和生物信息學(xué)的方法首次從水稻基因組中鑒定出一個AtDAl的同源基因,并對這個基因的序列特征、編碼蛋白的結(jié)構(gòu)域、順式元件和進(jìn)化進(jìn)行了系統(tǒng)分析,為下一步研究它在水稻生長發(fā)育中的功能以及與水稻雜種優(yōu)勢的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
1材料與方法
以擬南芥的DAl基因和蛋白序列為誘餌,通過各種序列比對(BlastN,tblastn和BlastX)在NC—BI數(shù)據(jù)庫中搜索水稻的同源基因序列。利用基因組序列解析得到編碼區(qū)序列,并在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行手工比對和分析。根據(jù)基因組序列和編碼區(qū)序列的信息,顯示基因的外顯子一內(nèi)含子結(jié)構(gòu),并解析得到啟動子區(qū)序列和預(yù)測編碼的蛋白序列。然后利用PLANTCARE對啟動子序列中的順式元件進(jìn)行預(yù)測,利用PlantsP Feature Scan對蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)域預(yù)測和分析,利用Mega4,1進(jìn)行OsDAl的遺傳進(jìn)化分析,采用Bootstrap—neighbour Joining算法,重復(fù)500次運(yùn)算。
2結(jié)果與分析
2.1水稻DAI基因的鑒定和特征分析
通過比對,從水稻(粳稻)基因組中得到了一個與擬南芥DAl同源的基因,命名為OsDAl,其編碼區(qū)為1 461 bp,相應(yīng)的基因組序列為6 501bp,預(yù)測編碼一個含有486個氨基酸殘基、分子量為55.15 ku的蛋白,與擬南芥DAl蛋白的序列一致性為61.05%。這個基因位于水稻6號染色體的BAC克隆AP007226中,與粳稻Os06g8400位點(diǎn)的基因序列(38204~44704)一致,含有11個外顯子,其外顯子和內(nèi)含子的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2水稻DAl基因的順式元件分析
通過分析啟動子及其上游序列中的順式元件可以預(yù)測基因的功能。因此,本文在得到Os-DAI的基因組序列以后,取起始密碼子ATG上游2000 bp的序列進(jìn)行順式元件分析,結(jié)果(見表1)顯示,在OsDAl起始密碼子上游2000 bp的范圍內(nèi)共有10類響應(yīng)不同激素信號和逆境的順式元件,包括脫落酸響應(yīng)元件ABRE,赤霉素響應(yīng)元件GARE,茉莉酸甲酯響應(yīng)元件CGTCA,水楊酸響應(yīng)元件TCA,生長素響應(yīng)元件TGA,熱激應(yīng)答元件HSE,冷脅迫響應(yīng)元件LTR,富含TC的逆境響應(yīng)元件,與防衛(wèi)反應(yīng)有關(guān)的順式元件w—box和Box—W1。同時,對擬南芥DAl啟動子區(qū)的分析也發(fā)現(xiàn)了多個響應(yīng)不同逆境和激素信號的順式元件(見表2),但二者明顯有所不同。OsDAl擁有的冷脅迫響應(yīng)元件LTR、茉莉酸甲酯響應(yīng)元件CGTCA、赤霉素響應(yīng)元件GARE和真菌激發(fā)子響應(yīng)元件Box—W1及防衛(wèi)響應(yīng)元件w—box在擬南芥DAl基因的相應(yīng)啟動子區(qū)域不存在,這說明二者存在功能上的分化。但ABA響應(yīng)元件ABRE在水稻和擬南芥DAl基因啟動子中都存在,這與擬南芥DAI受ABA的誘導(dǎo)表達(dá)相一致,可能是ABRE的存在決定了DAl基因受ABA誘導(dǎo)表達(dá)。此外,水稻和擬南芥的DAl基因都擁有順式響應(yīng)元件HSE、TCA、TGA、TC—rich。說明這兩個基因可能都能響應(yīng)熱脅迫、水楊酸、生長素和生物逆境信號。植物激素脫落酸、水楊酸、茉莉酸甲酯在植物的生長發(fā)育和逆境響應(yīng)中具有重要功能。這些激素響應(yīng)元件及不同逆境響應(yīng)元件的存在,說明植物DAl基因可能不僅與種子和器官發(fā)育有關(guān),還與植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及逆境響應(yīng)存在密切關(guān)系,值得深入研究。
2.3水稻DAl基因編碼蛋白的結(jié)構(gòu)域分析和進(jìn)化分析
分析結(jié)果顯示,OsDAl蛋白含有兩個泛素互作基序,一個家族特有的LIM結(jié)構(gòu)域,一個zf—C3HCA和PHD—finger結(jié)構(gòu)域,一個鋅離子結(jié)合區(qū),和七個潛在的豆蔻?;稽c(diǎn)。這說明DAl蛋白具有轉(zhuǎn)錄因子LIM蛋白和鋅指蛋白的結(jié)構(gòu)特征,可以通過和下游基因的順式元件結(jié)合來調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)。另外,DAl蛋白的自身調(diào)節(jié)可能與泛素途徑有關(guān),而且還與豆蔻?;嘘P(guān)。推測OsDAl蛋白可能作為負(fù)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控細(xì)胞分裂的過程,從而影響種子和器官的發(fā)育及大小。
利用AtDAl和OsDAl蛋白的LIM結(jié)構(gòu)域序列與粳稻基因組中LIM家族的其它基因進(jìn)行進(jìn)化分析(見圖2),發(fā)現(xiàn)OsDAl是AtDAl的直系同源基因,另外它和水稻3號染色體上的一個基因Os03g16090關(guān)系最近,但是二者序列差異較大(蛋白序列一致性只有54.19%),可能在功能上有所不同。
3結(jié)論與討論
本文通過比較基因組學(xué)和生物信息學(xué)的方法從水稻基因組中鑒定出一個與擬南芥DAl直系同源的基因OsDAI。OsDAl蛋白具有LIM家族和鋅指蛋白的結(jié)構(gòu)特征,而且還有和泛素互作的位點(diǎn),可能具有和AtDAl相似的功能。另外,本研究還發(fā)現(xiàn),在水稻和擬南芥DAl基因的啟動子序列中存在多個能夠響應(yīng)不同激素(如脫落酸和水楊酸)和逆境信號(如熱脅迫、干旱脅迫、和病原物等)的順式元件,而且二者擁有的順式元件的種類明顯不同,這說明它們在表達(dá)調(diào)控和功能上有所分化。綜上所述,水稻和擬南芥DAl基因不僅與種子和器官發(fā)育有關(guān),而且可能與激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和逆境響應(yīng)存在密切關(guān)系。水稻DAl基因?qū)Σ煌婢澈图に匦盘柕捻憫?yīng)模式,以及在不同組織器官和發(fā)育時期的表達(dá)情況值得深入探討。