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      牦牛MT—3基因生物信息學分析

      2018-07-13 03:02:40李潔王建福
      甘肅農業(yè)科技 2018年2期
      關鍵詞:生物信息學分析牦牛

      李潔 王建福

      摘要:利用生物基因組學數(shù)據(jù)庫,對牦牛金屬硫蛋白3基因進行生物信息學分析,從而預測 MT-3 基因編碼產物的理化性質以及功能結構域,并構建MT-3同源基因的系統(tǒng)進化樹。結果表明,牦牛MT-3 基因含有1 個 513 bp 的ORF,編碼 170 個氨基酸。MT-3蛋白分子質量約為17 556.37 Da,理論等電點為 5.68。MT-3 編碼產物的二級結構主要以β折疊和無規(guī)則卷曲為主,推測是非酶類蛋白質。MT-3具有神經(jīng)生長抑制活性,通過清除自由基和 NO ,從而起到保護腦細胞的作用。

      關鍵詞:牦牛;金屬硫蛋白3基因;生物信息學分析

      中圖分類號:S826;Q57 文獻標志碼:A 文章編號:1001-1463(2018)02-0058-05

      doi:10.3969/j.issn.1001-1463.2018.02.016

      Bioinformatics Analysis of Wild Yak MT-3 Gene

      LI Jie, WANG Jianfu

      (College of Animal Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou Gansu 730070, China)

      Abstract:This study aimed to study the bio-information of Wild yak MT-3 gene. The physicochemical characteristics, structures and functions of ovine MT-3 are predicted with software tools and database. Meanwhile, the phylogenetic tree of MT-3 and related proteins is constructed, The results show that the ORF of MT-3 is 513 bp which encoded 170 amino acids. The Wild yak protein of MT-3 is 17 556.37 Da in molecular weight, isoelectric point is 5.68. The secondary structure of MT-3 shows that it is mainly constituted of β-pleated sheet and coils, the encoding production conjecturally belongs to non-enzyme protein. MT-3 has an inhibitory activity on nerve growth, by scavenging free radicals and NO, it plays a role in protecting brain cells.

      Key words:Wild yak;Metallothionein 3 gene;Bioinformatics analysis

      收稿日期:2017 - 09 - 28

      基金項目:甘肅省農牧廳生物技術子課題(GNSW-2011-27)。

      作者簡介:李 潔(1982 — ),女,河南商丘人,實驗師,主要從事動物遺傳育種與繁殖工作。聯(lián)系電話:(0931)7631225。E-mail:lijie@gsau.edu.cn。

      通信作者:王建福(1982 — )男,河南商丘人,講師,主要從事水產養(yǎng)殖工作。聯(lián)系電話:(0931)7631225。E-mail:wangjf@gsau.edu.cn。

      定西市安定區(qū)位于甘肅省中部,北緯35° 17′54″至36° 02′ 40″,東經(jīng)104° 12′ 48″至105° 01′06″,南北長82.9 km,東西寬73.3 km,海拔 1 700~2 580 m,屬典型的黃土高原干旱半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū),抗旱生產是安定區(qū)農業(yè)工作的重點。中晚熟玉米適宜海拔在2 000 m以下的區(qū)域種 植[1 ],而安定區(qū)大面積耕地海拔在2 000 m以上,中晚熟品種很難成熟,全膜雙壟溝播技術將玉米種植范圍擴大到海拔2 100 m區(qū)域[2 - 3 ]。為了考察早熟玉米新品種在安定區(qū)高海拔區(qū)的適應性、抗逆性、生產穩(wěn)定性,2017年安定區(qū)農業(yè)技術推廣服務中心引進了7個早熟玉米新品種進行比較試驗,以期篩選出適合當?shù)睾0? 100 m以上區(qū)域生產應用的玉米品種?,F(xiàn)將結果報道如下。

      1 材料與方法

      1.1 供試材料

      參試玉米品種7個,其中武科早303、武科早304由武威市武科種業(yè)科技有限公司生產,甘玉804由甘肅種業(yè)有限責任公司生產,興達1601、興達1602由甘肅興達種業(yè)有限公司生產,金穗606、金穗607及當?shù)爻R?guī)種植品種金穗3號(CK)由白銀金穗種業(yè)有限公司生產。

      1.2 試驗地概況

      試驗設在定西市安定區(qū)團結鎮(zhèn)小山村,海拔 2 150 m,年平均降水量430 mm,年蒸發(fā)量1 450 mm,無霜期141 d。前茬作物收獲后深耕曬垡,冬前淺耕耙耱。采用全膜雙壟溝播技術[4 ],大壟寬70 cm、高10 cm,小壟寬40 cm、高15 cm。覆膜前結合整地一次性基施農家肥45 000 kg/hm2、玉米專用肥(N-P2O5-K2O為20-15-15)1 200 kg/hm2。用50%辛硫磷乳油7.5 kg/hm2加適量水噴拌細土450 kg制成毒土,撒施地面后起壟覆膜以防治地下害蟲。用50%乙草胺乳油3 750 mL/hm2兌水600 kg噴灑于壟溝表面芽前除草。

      1.3 試驗方法

      試驗為隨機區(qū)組設計,每品種為1個處理,3次重復,小區(qū)面積39.6 m2(11.0 m×3.6 m)。4月19日用玉米點播器播種,每穴2粒,播深4 cm,行距55 cm,株距30 cm,密度為60 000株/hm2。田間管理措施同當?shù)卮筇?。田間觀察記載物候期及主要農藝性狀,成熟后按小區(qū)抽樣考種并單收計產。

      2 結果與分析

      2.1 生育期

      從表1可以看出,各品種出苗期一致,均在5月2日。金穗607、武科早303、甘玉804、武科早304于6月中旬開始拔節(jié),與金穗3號(CK)基本一致;興達1601、金穗606、興達1602拔節(jié)期較金穗3號(CK)遲13~16 d。抽雄期武科早303、武科早304均為 7月11日,較金穗3號(CK)早4 d;興達1602與金穗3號(CK)一致;金穗606、興達1601、甘玉804較金穗3號(CK)晚2 d。成熟期武科早303、武科早304、興達1602最早,8月下旬已經(jīng)成熟,較金穗3號(CK)早9 d;金穗607、甘玉804、興達1601、金穗606均在9月上旬與金穗3號(CK)同期成熟。生育期武科早303、武科早304、興達1602均為117 d,較金穗3號(CK)短9 d;其他品種生育期為126 d,與金穗3號(CK)相同。

      2 主要性狀

      由表2可見,株高以金穗607、甘玉804、興達1601最高,均為 2.5 m,較金穗3號(CK)高出0.5 m;武科早304、金穗606次之,均為2.4 m,較金穗3號(CK)高出0.4 m;武科早303、興達1602最低,為1.7 m,較金穗3號(CK)低0.3 cm。穗位以甘玉804、金穗606最高,為80.0 cm,較金穗3號(CK)高12.5 cm;金穗607次之,為73.0 cm,較金穗3號(CK)高5.5 cm;武科早303最低,為36.5 cm,較金穗3號(CK)低31.0 cm。穗長以興達1601最長,為23.0 cm,較金穗3號(CK)長5.0 cm;其次為甘玉804,為21.5 cm,較金穗3號(CK)長3.5 cm;武科早304最短,為17.5 cm,較金穗3號(CK)短0.5 cm;其他品種較金穗3號(CK)長0.5~2.0 cm。穗粗以金穗606最粗,為15.6 cm,較金穗3號(CK)粗0.1 cm,其他品種較金穗3號(CK)細0.2~2.3 cm。軸粗以武科早304最粗,為10.8 cm,較金穗3號(CK)粗0.8 cm;其次是金穗606,為10.3 cm,較金穗3號(CK)粗0.3 cm;其他品種較金穗3號(CK)細0.3~0.7 cm。粒型武科早304、興達1602與金穗3號(CK)一致,均為半馬齒型,其余品種均為馬齒型。粒色除武科早303、武科早304為黃紅色外,其余品種均與金穗3號(CK)一致,為黃色。軸色金穗607、甘玉804、興達1602為淺粉色;武科早303、興達1601、金穗606和金穗3號(CK)均為棕紅色;武科早304為白色。

      2.3 產量及構成因子

      由表3可知,穗粒數(shù)金穗607最多,為630粒,較金穗3號(CK)多132粒;其次是甘玉804,為552粒,較金穗3號(CK)多54粒;其余品種均較金穗3號(CK)少。百粒重以金穗606最高,為31.6 g,較金穗3號(CK)高8.2 g;其次是武科早303,為28.4 g,較金穗3號(CK)高5.0 g;武科早304、興達1601分別為27.7、24.5 g,較金穗3號(CK)分別高4.3、1.1 g;其余品種均低于金穗3號(CK)。折合產量以武科早304最高,為8 737.4 kg/hm2,較金穗3號(CK)增產1 186.9 kg/hm2,增產率為15.7%;其次是武科早303,為8 611.1 kg/hm2,較金穗3號(CK)增產1 060.6 kg/hm2,增產率14.0%;金穗607居第3位,折合產量8 585.9 kg/hm2,較金穗3號(CK)增產13.7%;金穗606為8 484.9 kg/hm2,較金穗3號(CK)增產12.4%。對產量進行新復極差比較,各品種間產量差異均達到極顯著水平。

      3 小結

      在安定區(qū)海拔2 150 m的旱區(qū),對引進的7個玉米品種進行了引種試驗。結果表明,參試各玉米品種均可在9月中旬前成熟,武科早304、武科早303、金穗607、金穗606等4個品種綜合性狀優(yōu)良。其中武科早304折合產量最高,為8 737.4 kg/hm2,較對照品種金穗3號增產1 186.9 kg/hm2,增產率為15.7%;武科早303折合產量8 611.1 kg/hm2,較對照品種金穗3號增產1 060.6 kg/hm2,增產率14.0%;金穗607折合產量8 585.9 kg/hm2,較對照品種金穗3號增產13.7%;金穗606較對照品種金穗3號增產12.4%。

      張雷等人[5 ]認為全膜雙壟溝播栽培玉米可在海拔2300 m以內的區(qū)域內種植。本試驗通過對供試玉米品種的性狀、生育期及產量結果進行綜合分析,建議在安定區(qū)海拔2 100~2 300 m區(qū)域擴大武科早304、武科早303、金穗607及金穗606的種植面積,其他品種可在海拔2 100 m以下區(qū)域進一步試驗。

      參考文獻:

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      [2] 牛建彪. 半干旱區(qū)小麥玉米雨水高效利用技術模式[J]. 甘肅農業(yè)科技,2005(5):22-23.

      [3] 楊祁峰,岳 云,熊春蓉,等. 不同覆膜方式對隴東旱塬玉米土壤濕度的影響[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究,2009,27(1):114-118.

      [4] 王承義,李繼明. 不同地膜與覆膜期對全膜雙壟溝播玉米的影響[J]. 甘肅農業(yè)科技,2016(7):54-56.

      [5] 張 雷,牛建彪,趙 凡,等. 旱作玉米提高降水利用率的覆膜模式研究[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究,2006,

      24(2):8-11.

      (本文責編:陳 偉)

      MT-3是一種金屬硫蛋白,又稱神經(jīng)生長抑制因子,其廣泛存在于哺乳動物的各種組織中,但主要表達于腦組織,在神經(jīng)膠質細胞和雄性生殖系統(tǒng)中也有表達[1 ]。MT-3的N端高度保守,而C端的氨基酸則相對變化較大[2 ]。據(jù)報道,表達MT-3的細胞保護DNA免受ROS破壞的能力更強,能更有效的保護單鏈DNA免受羥自由基的破壞[3 ]。在γ射線引起的氧化應激時,MT-3抑制了8-羥基鳥苷在細胞中的積累和基因突變,表現(xiàn)出抗癌和神經(jīng)保護的作用[4 - 5 ]。在含有MT-3 的神經(jīng)元中能夠調節(jié)兒茶酚胺能 、谷氨酸能及γ-氨基丁酸(GABA)能的神經(jīng)轉換。研究表明,MT-3 可拮抗谷氨酸(Glu)對神經(jīng)元的毒性,通過清除生成的 NO,從而起到神經(jīng)保護作用[6 ]。目前,MT-3基因的序列在豬、綿羊、山羊、牦牛、獼猴、家鼠、雞、牛、人等動物中均已公布,但其蛋白質結構和生物學功能還有待進一步研究。我們以從生物基因組數(shù)據(jù)庫調取了牦牛MT-3基因的序列為基礎,利用生物信息學相關軟件和網(wǎng)頁對牦牛 MT-3 基因及其編碼產物的理化性質、亞細胞定位、蛋白質結構和生物學功能進行預測和分析,以期為深入研究MT-3基因及其編碼蛋白的基本結構和生物學功能提供基礎。

      1 材料與方法

      1.1 序列來源

      數(shù)據(jù)資料來源于NCBI網(wǎng)站GenBank數(shù)據(jù)庫MT-3基因的參考序列登錄號[7 ],包括牦牛(XM_014 479472.1)、人(NM_005954.3)、家鼠(NM_013603.2)、豬(NM_214056.1)、牛(NM_001113304.2)、綿羊(NM_001009755.1)、雞(NM_001097538.1)、獼猴(XM_001266138.1)8個物種的mRNA序列。

      1.2 方法

      牦牛MT-3基因開放閱讀框(Open reading frame,ORF)利用NCBI網(wǎng)頁中的ORF Finder程序對其mRNA序列進行識別預測分析。MT-3 基因編碼產物的理化性質采用 Bioedit 及 DNAStar 分析軟件預測。亞細胞定位采用 PSORTⅡ預測[8 ]。功能域及功能分類采用 Prot Fun 預測[9 - 10 ]??缒^(qū)域的預測采用TMHMM 程序。二級結構采用 Jpred 分析預測。多序列比對及同源性分析采用 DNAMAN 軟件分析。

      2 結果與分析

      2.1 牦牛MT-3基因的ORF分析

      利用NCBI網(wǎng)頁中的ORF Finder程序對牦牛MT-3基因的mRNA序列進行預測分析的結果見圖1。從圖1可以看出,牦牛MT-3基因序列中最大的開放閱讀框長度為513 bp,起始密碼子位于 55 bp 處,終止密碼子位于 567 bp 處,分析有170 個氨基酸殘基構成該編碼產物。

      2.2 牦牛MT-3基因編碼產物序列同源性分析

      利用DNAMAN軟件對牦牛MT-3基因編碼產物序列同源性進行分析的結果見圖2。從圖2可以看出,MT-3在很多物種中均有表達,尤其與牛、綿羊MT-3氨基酸序列同源性較高,推測與牛、綿羊這2個物種在進化過程中的親緣關系較近。從牦牛MT-3基因編碼產物的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)可以看出,牦牛、牛系統(tǒng)發(fā)育距離最近與牛的親緣相似性高達99%。

      2.3 牦牛MT-3基因編碼產物的理化性質分析

      氨基酸是蛋白質的基本組成單位,蛋白質的基本性質包括其相對分子質量、氨基酸組成和等電點等[11 - 12 ]。采用 Bioedit 及 DNAStar 分析軟件預測牦牛MT-3基因編碼產物的氨基酸組成的結果(圖4)表明, MT-3基因編碼 170個氨基酸,組成最多的氨基酸是 Cys(半胱氨酸),所占比例為 15.3%。其編碼產物的理論分子量約為17 556.37 Da,理論等電點為 5.68。

      2.4 牦牛MT-3基因編碼產物的亞細胞定位分析

      從牦牛MT-3基因編碼產物的亞細胞定位結果(表1)可知,其分布在細胞核中的可能性為69.6%,分布在細胞質的可能性為13.0%,分布在線粒體的可能性為 4.3%,分布在細胞骨架的可能性為 12.9%。由此推斷,牦牛MT-3編碼產物主要在細胞核中發(fā)揮生物學作用。

      2.5 牦牛MT-3基因編碼產物結構功能預測與分析

      牦牛MT-3基因編碼產物結構功能分析采用ProtFun分析軟件進行預測,其結構域是二級蛋白序列片段經(jīng)過盤曲折疊形成的超二級結構,不同的結構域具有不同的特定的功能作用[12 ]。從表2可知,MT-3主要具有調控功能、轉錄和復制、翻譯和輔酶因子的生物合成的功能,可能性分別為0.265%、0.194%、0.105%和0.051%。由此推斷該蛋白具有調控功能的可能性最高,另外該蛋白在翻譯、轉錄和復制中發(fā)揮著重要調節(jié)作用。

      2.6 牦牛MT-3基因編碼產物信號肽預測與分析

      信號肽序列存在于分泌蛋白基因編碼序列中,位于起始密碼子之后的一段富含疏水氨基酸多肽的序列。如圖5所示,預測牦牛MT-3基因編碼產物不存在信號肽,無跨膜區(qū),為非分泌性蛋白。

      2.7 牦牛MT-3基因編碼產物二級結構的預測與分析

      對牦牛MT-3氨基酸序列進行二級結構預測采用在線預測工具 Jpred分析的結果(圖 6 )所知,牦牛MT-3 編碼產物從 N 端的第 13個氨基酸才開始出現(xiàn)二級結構,前12個氨基酸均沒有形成二級結構。MT-3蛋白二級結構主要由5個β折疊和多個無規(guī)則卷曲組成,沒有α螺旋。

      3 結論

      研究結果表明,牦牛MT-3 基因 ORF 長度為 513 bp,編碼170個氨基酸殘基;組成最多的氨基酸是 Cys(半胱氨酸),所占比例為 15.3%,其理論分子量約為 17 556.37 Da, 理論等電點為5.68。MT-3在很多物種中都有表達,其中與綿羊、牛MT-3編碼的氨基酸序列同源性一致,在系統(tǒng)發(fā)育樹中的距離最近。MT-3 編碼產物的二級結構主要以β折疊和無規(guī)則卷曲為主。MT -3 除具有神經(jīng)生長抑制活性外,還可通過清除自由基和 NO ,從而起到神經(jīng)保護作用。

      參考文獻:

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      (本文責編:楊 杰)

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