蘇世超，李桂蘭，喬亞科

(河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北 秦皇島，066600)

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小麥蔗糖運(yùn)輸基因TaSUT1A的生物信息學(xué)分析

蘇世超，李桂蘭，喬亞科*

(河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北 秦皇島，066600)

蔗糖是糖類在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹饕问?。運(yùn)用生物信息學(xué)工具對編碼小麥蔗糖蛋白的基因TaSUT1A進(jìn)行分析。結(jié)果表明小麥TaSUT1A基因由522個氨基酸組成，分子量為55 kD，等電點(diǎn)為8.68，編碼蛋白為親水性蛋白。進(jìn)化和聚類分析表明，小麥TaSUT1A基因與粗山羊草AeSUT3基因、大麥HvSUT1基因的親緣關(guān)系較近。

小麥；蔗糖；運(yùn)輸?shù)鞍祝簧镄畔?/p>

蔗糖是糖類在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹饕问絒1]。淀粉在種子中的積累直接影響糧食作物的產(chǎn)量，淀粉也是依靠糖分子從蔗糖組織通過韌皮部運(yùn)輸來完成積累的。韌皮部是由篩管和伴胞通過胞間連絲的連接組成的復(fù)合體[2],其中篩管主要負(fù)責(zé)蔗糖和其它有機(jī)物質(zhì)的長距離運(yùn)輸，然而伴胞主要為篩管提供能量和蛋白質(zhì)[3]。蔗糖參與韌皮部的裝載和輸出有多重路徑，包括質(zhì)外體運(yùn)輸和共質(zhì)體運(yùn)輸。由于蔗糖分子量較大和極性化合物，其跨膜運(yùn)輸屬于被動運(yùn)輸需要輔助載體。蔗糖/H+轉(zhuǎn)運(yùn)子，被稱為蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)子(sucrose transporter/SUT)或者蔗糖載體(sucrose carrier/SUC)的是一種在植物中廣泛存在的負(fù)責(zé)運(yùn)輸蔗糖蛋白質(zhì)。編碼基因SUT已經(jīng)在大量的糧食作物中得到鑒定包括水稻(Oryzasativa)、大麥(Hordeumvulgare)、玉米(Zeamays)和小麥(Triticumaestivum)[4]。

產(chǎn)量是作物農(nóng)藝性狀的重要性狀之一。研究表明SUTs基因已經(jīng)在作物種子發(fā)育過程中起到重要作用[1]。例如，在玉米生殖生長時ZmSUT1在葉片、葉鞘、莖稈和肉莖中均有高的表達(dá)量，ZmSUT1在葉片中的表達(dá)量升高光合效率就會提高，反應(yīng)出其在韌皮部的裝載增強(qiáng)。若此時使ZmSUT1發(fā)生突變，結(jié)果會損傷韌皮部的運(yùn)輸，葉片變黃，衰老導(dǎo)致產(chǎn)量下降[5,6]。小麥有3個同源TaSUT1基因，分別位于第4條染色體的A，B，D基因組，研究發(fā)現(xiàn)3個基因在旗葉、葉鞘、節(jié)間中的表達(dá)量相近[4]。筆者對TaSUT1A進(jìn)行生物信息學(xué)分析，希望能對TaSUT1基因的功能和蛋白質(zhì)對小麥產(chǎn)量性狀、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)妊芯刻峁┯杏脙r值。

1 材料與方法

1.1 材料

本次研究所采用小麥TaSUT1A基因在NCBI上的登錄號為：AAM13408.1，下載此基因的蛋白質(zhì)序列。

1.2 生物信息學(xué)方法分析

利用在線工具h(yuǎn)ttp://web.expasy.org/compute_pi/預(yù)測蛋白質(zhì)的分子量和等電點(diǎn)；應(yīng)用http://web.expasy.org/protscale/預(yù)測蛋白質(zhì)疏水性；利用http://www.psort.org/預(yù)測亞細(xì)胞定位；利用http://smart.embl-heidelberg.de/網(wǎng)站進(jìn)行基因編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能域分析；利用http://kinasephos2.mbc.nctu.edu.tw/index.html網(wǎng)站預(yù)測蛋白質(zhì)的磷酸化位點(diǎn)；利用NCBI EST數(shù)據(jù)庫對該基因表達(dá)譜的分析；用NCBI搜索引擎中的blast在線工具進(jìn)行同源序列分析；采用MEGA5.1軟件NeighborJoining法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹；蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測http://swissmodel.expasy.org/；通過PLEXdb(http://www.plexdb.org/plex.phpdatabase=Wheat)網(wǎng)站可以預(yù)測基因的表達(dá)情況，找到與TaSUT1匹配度最高的探針(Tgt ID：Ta.3677.1.S1_at，匹配度97.8%)。通過PLEXdb網(wǎng)站上芯片實(shí)驗TA23分析TaSUT1A表達(dá)數(shù)據(jù)[7]。

2 結(jié)果分析

2.1TaSUT1A基因的獲得

根據(jù)此基因在NCBI上的登錄號AAM13408.1，獲得蛋白質(zhì)序列，然后在http://www.gramene.org/網(wǎng)站上預(yù)測此蛋白序列的核酸序列。結(jié)果表明，TaSUT1A基因的蛋白質(zhì)序列含有522個氨基酸。理論預(yù)測該蛋白的分子量為55 kD，等電點(diǎn)為8.68。Wolfpsort亞細(xì)胞定位預(yù)測顯示，該蛋白主要定位在細(xì)胞質(zhì)。預(yù)測結(jié)果表明該蛋白可能參與細(xì)胞的生理反應(yīng)。

2.2 序列分析

對TaSUT1A編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析表明，該蛋白在33-253區(qū)有SUT基因特有的保守結(jié)構(gòu)域(MFS)，屬于MFS基因家族(圖1)。

圖1 TaSUT1基因保守結(jié)構(gòu)域

親疏水性分析結(jié)果：帶正電荷的氨基酸有33個，帶負(fù)電荷氨基酸有26個?？偟钠骄H水性為0.61。圖2為蛋白質(zhì)的親水性分析結(jié)果，疏水性最高的是異亮氨酸I(Ile)，親水性最高的是精氨酸W(Arg)，該蛋白屬于親水性蛋白。該蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果顯示有多個α螺旋，具有多個“球桶模型”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(圖3)，推測可能參與植物體內(nèi)的多種運(yùn)輸途徑。

圖2 蛋白質(zhì)親疏水性分析疏水(+),親水(-) 圖3 TaSUT1A三級結(jié)構(gòu)預(yù)測

2.3 進(jìn)化樹分析

采用MEGA5.1軟件Neighbor Joining法構(gòu)建進(jìn)化樹。結(jié)果表明小麥TaSUT1A與祖先粗山羊草AeSUT3，大麥HvSUT1，祖先烏拉圖小麥TuSUT1的聚類親緣關(guān)系較近，蛋白相似度較高，位于同一進(jìn)化枝(圖4)。

圖4 小麥TaSUT1A蛋白與其它物種SUT蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化分析

表1 TaSUT1A在基因芯片TA23中的實(shí)驗表達(dá)情況

2.4 基因芯片表達(dá)數(shù)據(jù)分析

通過PLEXdb網(wǎng)站上芯片實(shí)驗TA23分析TaSUT1A的表達(dá)數(shù)據(jù)情況，實(shí)驗TA23為小麥在灌漿期干旱處理基因的表達(dá)情況。實(shí)驗TA23為需水小麥材料Creso，對照小麥材料中國春，節(jié)水小麥材料CS-5AL。研究小麥灌漿期干旱處理下蔗糖運(yùn)輸基因TaSUT1A的表達(dá)情況(表1)。結(jié)果表明，需水材料Creso在輕度干旱處理脅迫和重度干旱脅迫下TaSUT1A的表達(dá)量相當(dāng)且均比對照高；中國春和節(jié)水材料CS-5AL在輕度干旱脅迫下TaSUT1A的表達(dá)量都高于重度干旱脅迫下的表達(dá)量且都高于對照。由此可以得出TaSUT1A基因可能受干旱脅迫調(diào)控。

3 結(jié)論與討論

小麥TaSUT1A基因的ORF長度為1 569 bp，編碼522個氨基酸，蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)含有多個α螺旋，具有“球桶模型”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。從多序列比對和進(jìn)化分析來看，TaSUT1A蛋白序列相當(dāng)保守，其中與大麥和粗山羊草的親緣關(guān)系最近，蛋白相似度分別為95.4%和68.1%。另外，3個不同小麥材料分別在干旱處理下TaSUT1A的表達(dá)量均高于對照，說明TaSUT1A基因可能參與小麥干旱脅迫調(diào)控路徑。

在糧食作物中，蔗糖是光合作用的主要產(chǎn)物，是植物貯藏、積累和運(yùn)輸糖分的主要形式[8]。在水稻、大麥、玉米中蔗糖的運(yùn)輸是靠SUT基因的控制和編碼的。但在小麥中所鑒定和描述的SUT基因較少，TaSUT1為其中之一。近幾年生物信息學(xué)在生命科學(xué)中高速發(fā)展，已經(jīng)在預(yù)測基因結(jié)構(gòu)、基因功能、探索基因進(jìn)化關(guān)系等方面發(fā)揮重要作用。利用生物信息學(xué)知識分析，進(jìn)一步挖掘小麥SUT基因，為研究小麥SUT基因調(diào)控的蔗糖運(yùn)輸及淀粉積累提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：朱寶昌，陳于和)

Bioinformatics Analysis of Sucrose Transporter GeneTaSUT1A in Wheat (TriticumaestivumL.)

SU Shi-chao, LI Gui-lan, QIAO Ya-ke

(College of Life Science and Technology,Hebei Normal University of Science & Technology,Qinhuangdao Hebei，066004，China)

Sucrose is the major transported form of sugar in plants.TaSUT1A coding sucrose protein was analyzed by bioinformatics. The results showed that wheatTaSUT1A gene consisted of 522 amino acids, molecular weight was 55 kD, isoelectric point 8.68, coding protein possess hydrophily. Multiple sequences alignment revealed thatTaSUT1A sequence was familiarly similar withAegilopstauschii(AeSUT3) andHordeumvulgare(HvSUT1).

wheat;sucrose;transport protein;bioinformatics

2015-08-30; 修改稿收到日期: 2015-11-24

10． 3969 /J． ISSN． 1672-7983． 2015． 04． 007

S512.103.2

A

1672-7983(2015)04-0032-04

蘇世超(1986-)，男，碩士研究生。主要研究方向：小麥轉(zhuǎn)基因育種。

*通訊作者，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向：作物遺傳資源。E-mail: qiaoyake@126.com。