水稻DA1基因的生物信息學(xué)分析

李愛(ài)芹　李利斌　方志軍　劉國(guó)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(gè)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(duì)這個(gè)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(cè)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(dòng)子區(qū)存在多個(gè)響應(yīng)不同激素和逆境信號(hào)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(hào)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(zhǎng)發(fā)育和逆境響應(yīng)中的功能以及與水稻雜種優(yōu)勢(shì)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(hào)：Q754文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：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(shì)的重要指標(biāo)。近年來(lái)。多個(gè)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(gè)最終控制種子和器官大小的擬南芥基因DAl(AtDAl)。AtDAl編碼一個(gè)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(guò)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(gè)AtDAl的同源基因，并對(duì)這個(gè)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(zhǎng)發(fā)育中的功能以及與水稻雜種優(yōu)勢(shì)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(guò)各種序列比對(duì)(BlastN，tblastn和BlastX)在NC—BI數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中進(jìn)行手工比對(duì)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(dòng)子區(qū)序列和預(yù)測(cè)編碼的蛋白序列。然后利用PLANTCARE對(duì)啟動(dòng)子序列中的順式元件進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用PlantsP Feature Scan對(duì)蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)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(guò)比對(duì)，從水稻(粳稻)基因組中得到了一個(gè)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(cè)編碼一個(gè)含有486個(gè)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(gè)基因位于水稻6號(hào)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(gè)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(guò)分析啟動(dòng)子及其上游序列中的順式元件可以預(yù)測(cè)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(jiàn)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(hào)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(zhǎng)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(shí)，對(duì)擬南芥DAl啟動(dòng)子區(qū)的分析也發(fā)現(xiàn)了多個(gè)響應(yīng)不同逆境和激素信號(hào)的順式元件(見(jiàn)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(dòng)子區(qū)域不存在，這說(shuō)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(dòng)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(shuō)明這兩個(gè)基因可能都能響應(yīng)熱脅迫、水楊酸、生長(zhǎng)素和生物逆境信號(hào)。植物激素脫落酸、水楊酸、茉莉酸甲酯在植物的生長(zhǎng)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(shuō)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(hào)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(gè)泛素互作基序，一個(gè)家族特有的LIM結(jié)構(gòu)域，一個(gè)zf—C3HCA和PHD—finger結(jié)構(gòu)域，一個(gè)鋅離子結(jié)合區(qū)，和七個(gè)潛在的豆蔻?；稽c(diǎn)。這說(shuō)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(guò)和下游基因的順式元件結(jié)合來(lái)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(cè)OsDAl蛋白可能作為負(fù)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子來(lái)調(diào)控細(xì)胞分裂的過(guò)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(jiàn)圖2)，發(fā)現(xiàn)OsDAl是AtDAl的直系同源基因，另外它和水稻3號(hào)染色體上的一個(gè)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(guò)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(gè)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(dòng)子序列中存在多個(gè)能夠響應(yīng)不同激素(如脫落酸和水楊酸)和逆境信號(hào)(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(shuō)明它們?cè)诒磉_(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(hào)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?hào)的響應(yīng)模式，以及在不同組織器官和發(fā)育時(shí)期的表達(dá)情況值得深入探討。