玉米器官大小相關基因SMO2的鑒定和特征分析

摘 要：利用生物信息學方法，從玉米基因組中鑒定出一個與擬南芥的SMO2基因同源的基因，并對這個基因的染色體分布、遺傳進化、順式調(diào)控元件等進行了分析，以期為該基因的克隆及功能研究提供有益信息。

關鍵詞：玉米；SMO2基因；遺傳進化；順式元件

中圖分類號：Q781文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）03-0004-03

.

Key words Zea mays L.； SMO2； phylogeny； cis-elements

玉米作為我國最重要的糧食作物之一和典型的C4類模式植物，雜種優(yōu)勢強，產(chǎn)量高，在糧食生產(chǎn)和單子葉植物功能基因組學研究中具有重要地位。隨著水土資源的日益匱乏和糧食需求的日益增加，糧食安全問題日益突出。如何提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，是我國迫切需要解決的重大課題。從作物自身的遺傳因素入手，解析影響產(chǎn)量形成的遺傳因子及其作用機理，是進行農(nóng)作物產(chǎn)量遺傳改良的重要基礎[10]。近年來多個植物器官大小和產(chǎn)量相關基因被克隆，如ARGOS、DA1、ARF2、SMO2、DEP1、GW5、GW2、GS3等[1，2，4，6，8，11，14～21]，玉米中已克隆的與器官大小和產(chǎn)量相關的基因有CNR1、GS3、GW2等[3，5，12，13]。

SMO2是擬南芥中控制器官大小的正調(diào)控因子，這個基因突變以后擬南芥植株地上部變小，根系變短，細胞分裂的速度降低；另外還調(diào)控種子萌發(fā)和ABA的應答，該基因突變后擬南芥種子萌發(fā)延遲，對ABA超敏感，過量表達SMO2基因降低擬南芥種子對ABA的敏感性[6，7]。目前，有關SMO2的研究在單子葉植物中還未見報道。本試驗利用比較基因組學的方法從玉米中鑒定出一個與擬南芥SMO2基因同源的序列，并對這個基因的染色體分布、遺傳進化和順式調(diào)控元件進行了分析，為進一步克隆和研究其在玉米生長發(fā)育中的功能奠定了基礎。

1 研究方法

利用擬南芥SMO2基因序列在GenBank中搜索比對玉米的基因組序列 （http：//blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi），尋找玉米SMO2基因序列，并對它的染色體分布、遺傳進化和順式元件進行分析。遺傳進化分析利用MEGA4.1進行，采用Bootstrap test-Neighbor Joining 方法，重復500次運算，順式元件預測采用PlantCARE軟件進行在線分析。亞細胞定位預測在WoLF PSORT （http：//wolfpsort.org/） 中進行。

2 結果與分析

2.1 玉米SMO2基因的鑒定和遺傳進化分析

利用擬南芥SMO2基因序列在GenBank中搜索比對玉米的基因組序列，結果在玉米的2號染色體上發(fā)現(xiàn)了一個SMO2類似序列，位于人工細菌染色體文庫克隆AC210087.3中（見表1）。它沒有內(nèi)含子，編碼區(qū)為396 bp，預測編碼的蛋白定位到細胞質(zhì)中。序列分析表明，ZmSMO2與AtSMO2的序列一致性為51.15%，而與SbSMO2的序列一致性高達96.95%，與水稻的序列一致性為69.92%，與小麥的序列一致性為74.44%。不同物種SMO2遺傳進化分析也表明，玉米和高粱的SMO2關系最近，同屬一個分支，與小麥、水稻等的關系較遠，但同在一個類群。而雙子葉植物擬南芥、番茄、蒺藜狀苜蓿等的SMO2與單子葉植物的SMO2關系較遠，分在另一個類群（見圖1）。

2.2 玉米SMO2基因的順式調(diào)控元件分析和功能預測

順式調(diào)控元件分析表明，玉米的SMO2基因啟動子及上游序列中含有ABA應答元件ABRE 3個，茉莉酸甲酯應答元件CGTCA-motif 3個，赤霉素應答元件GARE-motif 2個和TATC-box 1個， 熱脅迫應答元件HSE 1個， 干旱應答元件MBS 1個， 水楊酸應答元件TCA-element 3個，還有生長素應答元件TGA-element 2個。生長素、赤霉素、茉莉酸甲酯都和植物的生長發(fā)育相關，而ABA和水楊酸與植物的非生物逆境應答、種子萌發(fā)和生物脅迫應答有關。根據(jù)以上分析，本試驗認為玉米SMO2基因與AtSMO2具有相似的功能，參與了細胞分裂和器官發(fā)育、ABA應答、種子萌發(fā)和逆境應答過程，值得深入探討研究。

3 結論

本試驗利用生物信息學方法，從玉米的基因組中鑒定出一個與擬南芥器官大小相關基因SMO2同源的基因。它不含內(nèi)含子；系統(tǒng)進化分析表明它與高粱SMO2的相似性最高，與小麥、高粱、大麥等的SMO2位于同一類群；順式元件分析表明，玉米的SMO2基因上游序列含有多個激素和逆境應答元件，可能參與多個玉米生長發(fā)育過程。本試驗為進一步克隆和研究玉米SMO2的功能奠定了基礎。

參 考 文 獻：

[1] Anastasiou E， Kenz S， Gerstung M， et al.Control of plant organ size by KLUH/CYP78A5-dependent intercellular signaling[J].Developmental Cell，2007，13： 843-856.

[2] Disch S， Anastasiou E， Sharma V K，et al.The E3 ubiquitin ligase BIG BROTHER controls Arabidopsis organ size in a dosage-dependent manner[J].Current Biology，2006，16：272-279.

[3] Guo M， Rupe M A， Dieter J A，et al.Cell Number Regulator1 affects plant and organ size in maize： implications for crop yield enhancement and heterosis[J].Plant Cell，2010，22（4）：1057-1073.

[4] Horvath B M ， Magyar Z， Zhang Y，et al.EBP1 regulates organ size through cell growth and proliferation in plants[J].The EMBO Journal，2006，25：4909-4920.

[5] Hochholdinger F， Wen T J， Zimmermann R，et al.The maize （Zea mays L.） roothairless 3 gene encodes a putative GPI-anchored， monocot-specific， COBRA-like protein that significantly affects grain yield[J].Plant J.，2008， 54（5）： 888-898.

[6] Hu Z， Qin Z， Wang M，et al.The Arabidopsis SMO2， a homologue of yeast TRM112， modulates progression of cell division during organ growth[J].Plant J.，2010， 61（4）：600-610.

[7] Hu Z， Zhang X， Qin Z，et al.Arabidopsis SMO2 regulates seed germination and ABA response[J].Plant Signal Behav.，2010， 5（3）：325-327.

[8] Huang X， Qian Q， Liu Z，et al.Natural variation at the DEP1 locus enhances grain yield in rice[J].Nat.Genet.，2009， 41（4）：494-497.

[9] Hu Y， Xie Q， Chua N H.The Arabidopsis auxin-inducible gene ARGOS controls lateral organ size[J].Plant Cell，2003，15（9）：1951-1961.

[10]Krizek B A.Making bigger plants： key regulators of final organ size[J].Curr.Opin.Plant Biol.， 2009， 12（1）：17-22.

[11]Li Y， Zheng L， Corke F，et al.Control of final seed and organ size by the DA1 gene family in Arabidopsis thaliana[J].Genes Dev.，2008，22（10）：1331-1336.

[12]Li Q， Li L， Yang X，et al.Relationship， evolutionary fate and function of two maize co-orthologs of rice GW2 associated with kernel size and weight[J].BMC Plant Biol.，2010， 10： 143.

[13]Li Q， Yang X， Bai G，et al.Cloning and characterization of a putative GS3 ortholog involved in maize kernel development[J].Theor.Appl.Genet.，2010， 120 （4）：753-763.

[14]Mao H， Sun S， Yao J，et al.Linking differential domain functions of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice[J].Proc.Natl.Acad.Sci.USA， 2010，107（45）：19579-19584.

[15]Schruff M C， Spielman M， Tiwari S，et al.The AUXIN RESPONSE FACTOR 2 gene of Arabidopsis links auxin signalling， cell division， and the size of seeds and other organs[J].Development，2006， 133（2）：251-261.

[16]Shomura A， Izawa T， Ebana K，et al.Deletion in a gene associated with grain size increased yields during rice domestication[J].Nat.Genet.，2008， 40（8）：1023-1028.

[17]Song X J， Huang W， Shi M，et al.A QTL for rice grain width and weight encodes a previously unknown RING-type E3 ubiquitin ligase[J].Nat.Genet.， 2007，39（5）： 623-630.

[18]Wang J W， Schwab R， Czech B， et al.Dual effects of miR156-targeted SPL genes and CYP78A5/KLUH on plastochron length and organ size in Arabidopsis thaliana[J].Plant Cell，2008，20（5）： 1231-1243.

[19]Weng J， Gu S， Wan X，et al.Isolation and initial characterization of GW5， a major QTL associated with rice grain width and weight[J].Cell Res.， 2008，18（12）：1199-2009.

[20]李利斌，王殿峰，劉立峰，等.大白菜DA1基因的生物信息學解析[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2009，7：1-3.

[21]李愛芹，李利斌，方志軍，等.水稻DA1基因的生物信息學分析[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2009，8：5-8.