水稻抗逆相關(guān)基因的分子進(jìn)化分析

宋曉軍，謝凱斌，張艷萍，金萍

1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東省高校植物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266109；

2. 南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，比較基因組學(xué)與生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；

3. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，南京 210023

水稻抗逆相關(guān)基因的分子進(jìn)化分析

宋曉軍1,2，謝凱斌3，張艷萍1，金萍2

1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東省高校植物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266109；

2. 南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，比較基因組學(xué)與生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；

3. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，南京 210023

植物在進(jìn)化過程中為了適應(yīng)外界環(huán)境，已經(jīng)具有一套完整的抵抗外界特殊環(huán)境的調(diào)控系統(tǒng)。但是，關(guān)于水稻抗逆相關(guān)基因的分子進(jìn)化方面的研究還未見報(bào)道。文章通過Plant Tolerance Gene Database數(shù)據(jù)庫，獲得22個(gè)水稻抗逆相關(guān)基因。利用比較基因組學(xué)和生物信息學(xué)方法對(duì)水稻抗逆相關(guān)基因的進(jìn)化動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明水稻抗逆相關(guān)基因在低等植物中比較保守；隨著植物的不斷進(jìn)化和生存環(huán)境的改變，其基因數(shù)量也隨之增加。具有相似抗性功能的基因往往具有相似的基因結(jié)構(gòu)和基序(motif)結(jié)構(gòu)。文章還發(fā)現(xiàn)4個(gè)保守motif 的存在：HRDXK、DXXSXG、LLPR和GXGXXG(X代表任意氨基酸)。在GSK1、RAN2抗逆基因中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)特有的motif結(jié)構(gòu)：GSK1特有的P-rich motif，RAN2特有的G-rich motif和E-rich motif。推測這些保守的motif結(jié)構(gòu)與基因的抗逆功能密切相關(guān)。進(jìn)化速率分析結(jié)果表明，盡管植物抗逆性相關(guān)基因在進(jìn)化過程中受到較強(qiáng)的純化選擇作用，但是仍然有50%的抗逆性相關(guān)基因存在正選擇位點(diǎn)。這些正選擇位點(diǎn)的存在有可能為基因適應(yīng)外界環(huán)境變化提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

水稻；抗逆相關(guān)基因；進(jìn)化；選擇壓力

植物在生長發(fā)育過程中經(jīng)受著各種生物和/或非生物逆境脅迫(干旱、鹽堿、高溫、低溫及各種病蟲害等)的影響，但通常情況下，植物都能夠正常生長。這主要是因?yàn)橹参镌诼L的進(jìn)化過程中形成了一整套自身防御體系，能夠通過調(diào)節(jié)自身的各種生理生化活動(dòng)以適應(yīng)外界環(huán)境的脅迫，減少或消除逆境對(duì)植物本身造成的傷害[1,2]。植物對(duì)逆境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)是一個(gè)多基因、多基因表達(dá)產(chǎn)物和多信號(hào)傳導(dǎo)途徑參與的復(fù)雜過程。其中，蛋白激酶(Protein kinase)是植物體內(nèi)一類重要的調(diào)節(jié)因子，通過膜受體蛋白激酶感知外界環(huán)境脅迫信號(hào)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)一些離子和分子濃度改變，如脫落酸(ABA)、Ca2+、Na+/K+和水楊酸(SA)等[3～8]。蛋白激酶存在于少數(shù)原核生物和絕大部分真核生物中。目前已研究的與植物非生物及生物脅迫應(yīng)答有關(guān)的植物蛋白激酶主要有：受體蛋白激酶(Receptor-like kinase, RLK)，主要參與抗旱、抗鹽、抗寒等生物脅迫過程；鈣依賴而鈣調(diào)素不依賴的蛋白激酶(Calcium-dependent and calmodulin independent protein kinase, CDPK)，主要參與抗旱、抗鹽、抗寒等多種信號(hào)的傳導(dǎo)及激素代謝過程；促分裂原活化蛋白激酶(Mitogen-axtivated protein kinase, MAPK)，主要參與抗旱、抗鹽、抗寒、以及抗病原反應(yīng)和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)等多種信號(hào)傳導(dǎo)過程；蔗糖不發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶(Sucrosenon-fermenting-1-related protein kinase, SnRK)，主要參與滲透脅迫、抗鹽、抗寒等的信號(hào)傳導(dǎo)過程[9～14]。

目前，大量的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在植物體內(nèi)存在著抗逆相關(guān)的基因。冰草(Agropyron cristaturn)的水孔蛋白 MIP2A 可能控制水分從冰草的木質(zhì)部薄壁細(xì)胞流向冰草的木質(zhì)部導(dǎo)管腔內(nèi)；野生馬鈴薯(Solanum chacoense)水孔蛋白ScPIP2a與果實(shí)成熟過程中細(xì)胞的擴(kuò)張有關(guān)；向日葵(Helianthus angustifolius)的液泡水孔蛋白SunTIP7在干旱脅迫下能夠大量表達(dá)[15～17]。另外，干旱能夠造成植物體內(nèi)的ATP含量降低，導(dǎo)致Rubisco活化酶活性的降低。為減小干旱脅迫對(duì)植物的傷害，Rubisco活化酶的表達(dá)會(huì)增加[18]。LEA 蛋白在寒冷、重金屬、高鹽、干旱等逆境刺激和植物胚胎發(fā)育后期的種子中均能大量積累[19,20]。近年來研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水稻(Oryza sativa)株系中的LEA2蛋白有較強(qiáng)的抗脫水作用，水稻HVA1蛋白可防止干旱脅迫對(duì)細(xì)胞膜的損傷。大麥(Hordeum vulgare) HVA1蛋白(LEA3同源蛋白)與種子的脫水有關(guān)，且在干旱、鹽脅迫等逆境環(huán)境誘導(dǎo)時(shí) HVA1基因能夠迅速地在幼苗中表達(dá)[21]。植物抗低溫環(huán)境主要是脫水蛋白基因、超氧化物歧化酶(SOD)基因、脂肪酸去飽和酶基因、植物抗凍蛋白(AFP)基因等起作用[22]。研究結(jié)果表明，蜜桔(Citrus reticulata)CuCOR19基因(一種脫水蛋白)能夠清除植物體內(nèi)多余的羥基和過氧化物自由基，將蜜桔CuCOR19基因轉(zhuǎn)化到煙草(Nicotiana tabacum)中可有效提高煙草的抗凍能力[23]。將擬南芥(Arabidopsis thaliana)FeSOD基因轉(zhuǎn)到玉米(Zea mays)植株中能夠使玉米的抗低溫的能力顯著增強(qiáng)。對(duì)植物抗低溫的研究有助于降低低溫對(duì)植物的傷害，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)能夠明顯的提高農(nóng)作物在低溫環(huán)境下的產(chǎn)量[24]。當(dāng)擬南芥幼苗處于高鹽環(huán)境中時(shí)，P5CR基因和P5CS基因的表達(dá)水平將迅速升高。將烏頭葉豇豆(Vigna aconitifolius)P5CS基因轉(zhuǎn)入煙草中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草植株脯氨酸含量明顯增高，抗高鹽環(huán)境的能力也明顯提高[25]。

綜上所述，植物對(duì)逆境環(huán)境的應(yīng)答是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的過程，涉及到不同的基因和信號(hào)通路。但目前關(guān)于植物抗逆相關(guān)基因的起源與進(jìn)化問題仍沒有相關(guān)報(bào)道。本研究利用比較基因組學(xué)和生物信息學(xué)的方法，系統(tǒng)地探討了水稻抗逆相關(guān)基因在不同類群植物(從藻類到被子植物)中的分布以及這些基因的起源與進(jìn)化歷程，使人們更好地了解植物在逆境存活的關(guān)鍵因素，有利于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本研究結(jié)果為進(jìn)一步了解抗逆相關(guān)基因的功能與演化歷程奠定了基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 水稻抗逆基因的收集

本研究所使用的水稻抗逆基因來自于 Plant Tolerance Gene Database數(shù)據(jù)庫(http://rich.yunda.org/ test/rg01/index.php)。共收集22條基因，其中包含抗旱、抗凍和抗寒相關(guān)基因。詳細(xì)信息見表1。

1.2 水稻抗逆基因同源基因的搜索

使用Blastp和tBlastn算法搜索水稻抗逆基因的同源基因。首先以水稻的抗逆基因作為query，在萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、小立碗蘚(Physcomitrella patens)、江南卷柏(Selaginella moellendorffii)和擬南芥基因組中搜尋水稻抗逆基因的同源基因。這5個(gè)物種的進(jìn)化關(guān)系(圖1)來源于NCBI數(shù)據(jù)庫。然后利用搜索得到的最優(yōu)基因序列在水稻基因組中進(jìn)行同源搜索，如果兩次Blast結(jié)果都是最優(yōu)匹配，則認(rèn)為是同源基因。此外，還要進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域的預(yù)測，要求結(jié)構(gòu)域相同或相似。

1.3 抗逆基因的同源比對(duì)、保守motif預(yù)測和系統(tǒng)

發(fā)育關(guān)系的重建

利用CLUSTALX和MUSCLE軟件對(duì)抗逆相關(guān)基因進(jìn)行多序列比對(duì)，所有參數(shù)使用默認(rèn)值，如有需要?jiǎng)t進(jìn)行手動(dòng)的修改。使用MEME在線軟件(http: //meme.nbcr.net/meme/cgi-bin/meme.cgi)對(duì)抗逆基因進(jìn)行保守motif預(yù)測。其中最小長度為6 bp，最大長度為30 bp，尋找的最多motif數(shù)為15個(gè)，其他參數(shù)為默認(rèn)值。使用MEGA5中提供的Neighbor-joining(NJ)算法對(duì)抗逆基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的重建，Bootstrap值設(shè)為1000次。

表1 水稻中抗性相關(guān)基因和蛋白的基本信息

圖1 本研究所使用5個(gè)物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

1.4 抗逆基因的進(jìn)化速率分析

為了計(jì)算抗逆基因的進(jìn)化速率，使用PAML軟件包提供的codeml軟件對(duì)5個(gè)物種的抗逆基因進(jìn)行進(jìn)化速率的計(jì)算。

基因的進(jìn)化速率(ω)=非同義替代速率(dn)/同義替代速率(ds)

如果ω ＞ 1，說明該基因受到正選擇；ω = 1，說明該基因受到中性選擇；ω ＜ 1，說明該基因受到負(fù)選擇或純化選擇。使用M0模型、M1a模型、M2a模型、M7模型、M8模型對(duì)抗逆基因的選擇壓力進(jìn)行計(jì)算，并使用M1a vs. M2a和M7 vs. M8對(duì)抗逆基因序列中存在的正選擇位點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。利用2ΔL對(duì)它們的參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并估算P值的范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗逆基因在植物中的保守性

本文在Plant Tolerance Gene Database數(shù)據(jù)庫中共收集了22條與水稻抗逆相關(guān)的基因，其中抗旱基因17條、抗寒基因11條和抗鹽基因12條。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)抗逆基因可以同時(shí)具有多種抗逆作用(表1)。利用 Blastp和 tBlastn對(duì)萊茵衣藻、小立碗蘚、江南卷柏和擬南芥基因組進(jìn)行抗逆基因同源搜索，發(fā)現(xiàn)在藻類植物萊茵衣藻中存在 14條抗逆相關(guān)的基因，在苔蘚植物小立碗蘚中存在20條抗逆相關(guān)的基因，在蕨類植物江南卷柏、單子葉植物水稻、雙子葉植物擬南芥中都存在22條抗逆相關(guān)的基因。在低等的藻類植物中，14條抗逆基因的功能包括抗旱作用、抗寒作用和抗鹽作用，與高等植物水稻和擬南芥的抗逆功能的種類相似(表2)。因此，在低等植物中同樣也存在對(duì)干旱環(huán)境、低溫環(huán)境和高鹽環(huán)境的生理調(diào)控機(jī)制，以適應(yīng)極端環(huán)境下的生長發(fā)育。隨著植物的進(jìn)化以及植物生存條件的多樣，植物抗逆基因的種類和數(shù)量都逐漸增加。

2.2 相似抗逆功能的基因具有相似特點(diǎn)

為了研究水稻抗逆相關(guān)基因的進(jìn)化過程，本文使用 MEGA5軟件對(duì)萊茵衣藻、小立碗蘚、江南卷柏和擬南芥相應(yīng)的抗逆相關(guān)的同源基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的重建。結(jié)果表明，具有相似抗逆性的基因更容易聚集在一起(圖2)。但MYB、ZFP、WRKY45等基因沒有聚集在相應(yīng)簇中，可能的原因是：(1)該基因在進(jìn)化中發(fā)生了較大的變化，使其序列發(fā)生了較大的變化；(2)該基因有可能具有其他抗性，只是現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)他們的新的抗性功能；(3)該基因沒有得到全長，或者基因組測序和基因組注釋有問題。但可以肯定的是，具有相同抗性的基因在進(jìn)化上具有相似的氨基酸序列結(jié)構(gòu)或者相似的空間結(jié)構(gòu)。因此，為了研究抗逆基因間序列上的相似性，本文利用在線軟件MEME(http://meme.nbcr.net/meme/cgi-bin/ meme.cgi)對(duì)所有抗逆相關(guān)的基因進(jìn)行了保守 motif的預(yù)測和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這些基因中有4個(gè)比較保守的motif 存在：HRDXK、DXXSXG、LLPR和GXGXXG(X代表任意氨基酸)(圖3)。其中HRFXK motif包含MAPK5、CIPK23、WNK1、SIK1、CDPK7、SAPK4、GSK1和RAN2共8個(gè)基因。這8個(gè)基因除SAPK4和RAN2外，都與抗旱、抗鹽和抗寒至少兩項(xiàng)功能相關(guān)。SAPK4與抗鹽功能相關(guān)，RAN2與抗寒功能相關(guān)。由于它們具有相似的motif結(jié)構(gòu)，因此可以推測SAPK4和RAN2有可能具有其他的抗逆功能。DXXSXG motif包含CDPK7、GSK1、MAPK5、SAPK4、CIPK23、WNK1和SIK1共7個(gè)基因。LLPR motif包含GSK1、CIPK23、MAPK5、SAPK4、CDPK7和WNK1共6個(gè)基因。GXGXXG motif包含GSK1、WNK1、CDPK7、MAPK5、Dihydroorotate dehydrogenase、SIK1、DREB2A、CIPK23和SAPK4共9個(gè)基因。這幾個(gè)motif的具體功能還需要實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 其他物種中與水稻抗性相關(guān)基因同源的基因分布

圖2 利用Neighbor-joining (NJ)法重建5個(gè)物種的抗逆相關(guān)基因的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系■：抗旱基因；△：抗寒基因；●：抗鹽基因。Bootstrap值設(shè)為1000，置信值小于50的被刪除。

圖3 利用MEME軟件對(duì)所有抗逆相關(guān)基因的保守motif進(jìn)行預(yù)測所得到的Weblogo比對(duì)圖A：HRDXK motif；B：DXXSXG motif；C：LLPR motif；D：GXGXXG motif(X代表任意氨基酸)。其中最小長度為6 bp，最大長度為30 bp，尋找的最多motif數(shù)為15個(gè)，其他參數(shù)為默認(rèn)值。

在motif預(yù)測和分析過程中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)GSK1和 RAN2所特有的motif結(jié)構(gòu)：P-rich motif、G-rich motif和E-rich motif(圖4)，從藻類植物到雙子葉植物都非常保守。保守的motif結(jié)構(gòu)往往與基因的特定功能之間有一定的直接關(guān)系，因此3個(gè)motif的存在可能與GSK1和RAN2基因某些特定的功能相關(guān)。

圖4 抗逆基因GSK1、RAN2特有的motif結(jié)構(gòu)A：GSK1特有的motif結(jié)構(gòu)(P-rich motif)；B：RAN2特有的motif結(jié)構(gòu)(G-rich motif)。C：RAN2特有的motif結(jié)構(gòu)(E-rich motif)。

2.3 抗逆相關(guān)基因中存在著正選擇位點(diǎn)

為了探索植物抗逆相關(guān)基因在進(jìn)化過程中受到的自然選擇壓力，本文使用 PAML軟件包提供的 codeml軟件對(duì)抗逆基因進(jìn)行進(jìn)化速率的研究。M0模型結(jié)果表明：抗逆相關(guān)基因在進(jìn)化過程中受到較強(qiáng)的純化選擇，進(jìn)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，說明這些抗逆基因都具有功能(圖5)。其中，抗旱基因的進(jìn)化速率從0.00163(Dihydroorotate dehydrogenase)到0.06242 (ZFP)；抗鹽基因的進(jìn)化速率從0.00163(Dihydroorotatedehydrogenase)到 0.05768(Os01g0798500)；抗寒基因的進(jìn)化速率從0.00203(TPS1)到0.06242(ZFP)。

圖5 植物抗逆性基因在進(jìn)化過程中受到的選擇壓力A：抗旱基因在進(jìn)化過程中的進(jìn)化速率；B：抗鹽基因在進(jìn)化過程中的進(jìn)化速率；C：抗寒基因在進(jìn)化過程中的進(jìn)化速率。

表 3 利用不同模型檢測抗性相關(guān)基因正選擇位點(diǎn)的數(shù)目

整條基因在進(jìn)化過程中受到較強(qiáng)的純化選擇時(shí)，在這些基因中往往還存在著發(fā)生正選擇的位點(diǎn)。因此，本文使用codeml軟件的M1a模型、M2a模型、M7模型和M8模型對(duì)植物抗逆相關(guān)的基因進(jìn)行正選擇位點(diǎn)的分析。盡管不是所有的抗逆相關(guān)的基因都存在正選擇的位點(diǎn)，但是本文找到了11條基因存在著正選擇位點(diǎn)，占所有抗逆基因的50%(表3)。正選擇位點(diǎn)往往與適應(yīng)性進(jìn)化、基因結(jié)構(gòu)的改變、保守motif的進(jìn)化、保守結(jié)構(gòu)域的進(jìn)化之間存在著重要的關(guān)系。

為了探索不同抗逆基因之間的進(jìn)化速率，使用T檢驗(yàn)對(duì)不同抗逆相關(guān)基因受到的進(jìn)化速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果表明，不同抗逆功能的基因受到的選擇壓力之間沒有顯著性的差異(抗旱基因與抗鹽基因比較：P=0.44；抗旱基因與抗寒基因比較：P=0.33；抗鹽基因與抗寒基因比較：P=0.38)。另外，在具有不同抗逆性種類數(shù)目的基因之間也不存在顯著的差異(3種抗逆功能基因與2種抗逆功能基因比較：P=0.48；3種抗逆功能基因與1種抗逆功能基因比較：P=0.31；2種抗逆功能基因與1種抗逆功能比較：P=0.29)。這可能是由于這些抗逆相關(guān)的基因存在于基因組的不同位置，在進(jìn)化上相對(duì)獨(dú)立或者他們之間的相互影響較小造成的。

3 討 論

植物在進(jìn)化過程中為了適應(yīng)外界環(huán)境必須要具有一套完整的抵抗外界特殊環(huán)境的調(diào)控系統(tǒng)。植物抗逆性相關(guān)基因的存在為植物適應(yīng)某些極端的外部環(huán)境提供了保障。目前，大部分研究主要集中在植物抗逆相關(guān)基因或蛋白的結(jié)構(gòu)與功能方面，很少涉及到植物抗逆性相關(guān)基因的進(jìn)化研究。本研究基于Plant Tolerance Gene Database數(shù)據(jù)庫信息，對(duì)22個(gè)與水稻抗逆相關(guān)的基因進(jìn)行了分子進(jìn)化分析。

同源性分析表明，從低等植物藻類開始，抗逆性相關(guān)基因就已經(jīng)存在，在藻類植物萊茵衣藻中存在14條與水稻抗逆相關(guān)的同源基因。這個(gè)結(jié)果暗示植物抗逆性相關(guān)基因在進(jìn)化上是比較保守的，隨著物種生存環(huán)境的不斷變化，植物在進(jìn)化過程中又產(chǎn)生了新的抗逆性相關(guān)的基因。系統(tǒng)發(fā)生分析顯示，植物具有相似抗逆性的基因更容易聚集在一起，而且抗逆性相關(guān)的基因家族隨著植物從低等到高等的進(jìn)化也在不斷的擴(kuò)大，以適應(yīng)新的環(huán)境。

植物抗逆相關(guān)蛋白一般都具有特定的標(biāo)志性的結(jié)構(gòu)域，研究發(fā)現(xiàn)植物絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶包含3個(gè)保守的motif，分別為：HRDXKXXN、GTXXYXAPE和DVXSXG[26,27]。脫水素蛋白是一類非常重要的冷調(diào)控蛋白，是植物胚胎發(fā)育后期豐富蛋白(Late embryogenesis abundant, LEA)。目前的研究表明，所有的脫水素蛋白分子中至少含有 1個(gè)以上的賴氨酸重復(fù)序列(K-segment)[28]。K-segment通常位于氨基酸序列的羧基端，它們有一個(gè)共同的序列 EKKGIMDKIKEKLPG[28～30]。脫水素蛋白除了含有1-11個(gè)重復(fù)的 K-segment外，還包含一個(gè)保守的區(qū)域 Y-segment(序列為V/TDEYGNP)，它在氨基酸的氨基端和S-segment(成串的絲氨酸區(qū)域)附近，含有多個(gè)絲氨酸殘基，可以通過磷酸化發(fā)揮功能[28,29]。本研究對(duì)22個(gè)水稻抗逆基因進(jìn)行了保守motif的預(yù)測和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有相似抗逆功能的基因在基因結(jié)構(gòu)上具有相似的特征。這些抗逆基因中有4個(gè)比較保守的motif 存在：HRDXK、DXXSXG、LLPR和GXGXXG (X代表任意氨基酸)(圖3)。MAPK5、CIPK23、WNK1、SIK1、CDPK7、SAPK4、GSK1和RAN2等8個(gè)基因中包含HRFXK motif，這8個(gè)基因除了SAPK4和RAN2外，都與抗旱、抗鹽和抗寒至少兩項(xiàng)功能相關(guān)。由于它們具有相似的motif結(jié)構(gòu)，推測SAPK4和 RAN2也應(yīng)該與抗鹽和抗寒功能相關(guān)。此外，CDPK7、GSK1、MAPK5、SAPK4、CIPK23、WNK1、SIK1等7個(gè)基因包含DXXSXG motif。GSK1、CIPK23、MAPK5、SAPK4、CDPK7、WNK1等6個(gè)基因包含LLPR motif。GSK1、WNK1、CDPK7、MAPK5、Dihydroorotate dehydrogenase、SIK1、DREB2A、CIPK23、SAPK4共9個(gè)基因包含GXGXXG motif。這些結(jié)果暗示具有相似抗逆性的植物基因在進(jìn)化中出現(xiàn)了比較保守的motif結(jié)構(gòu)，這些保守的motif結(jié)構(gòu)有可能是基因演化出抗逆功能的基本單元。保守的 motif結(jié)構(gòu)往往與基因的特定功能之間有一定的關(guān)聯(lián)，因此本研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步通過保守 motif結(jié)構(gòu)在水稻基因組中尋找新的抗逆基因以及功能驗(yàn)證具有重要的啟示。對(duì)這些保守motif功能的深入研究有助于更好的解釋植物抗逆性基因的功能多樣性和進(jìn)化歷程。

在進(jìn)化過程中，植物基因往往受到較強(qiáng)的純化選擇作用。為了闡明水稻抗逆相關(guān)基因在進(jìn)化過程中受到的自然選擇壓力，本文對(duì)水稻抗逆相關(guān)基因受到的進(jìn)化速率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，水稻抗逆相關(guān)基因在進(jìn)化過程中受到較強(qiáng)的純化選擇，進(jìn)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(0.00163～0.06242)，然而對(duì)水稻抗逆相關(guān)的基因進(jìn)行正選擇位點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)，11個(gè)基因存在著正選擇位點(diǎn)，占所有水稻抗逆基因的50%(表3)。正選擇位點(diǎn)的存在為水稻抗逆基因?qū)ν饨绛h(huán)境變化適應(yīng)提供了重要的基礎(chǔ)。

[1] Chaves MM, Pereira JS, Maroco J, Rodrigues ML, Ricardo CPP, Osório ML, Carvalho I, Faria T, Pinheiro C. How plants cope with water stress in the field? Photosynthesis and growth. Ann Bot, 2002, 89(7): 907-916.

[2] Smékalová V, Dosko?ilová A, Komis G, ?amaj J. Crosstalk between secondary messengers, hormones and MAPK modules during abiotic stress signalling in plants. Biotechnol Adv, 2014, 32(1): 2-11.

[3] Valliyodan B, Nguyen HT. Understanding regulatory networks and engineering for enhanced drought tolerance in plants. Curr Opin Plant Biol, 2006, 9(2): 189-195.

[4] Singh KB, Foley RC, O?ate-Sánchez L. Transcription factors in plant defense and stress responses. Curr Opin Plant Biol, 2002, 5(5): 430-436.

[5] Xing HT, Guo P, Xia XL, Yin WL. PdERECTA, a leucine-rich repeat receptor-like kinase of poplar, confers enhanced water use efficiency in Arabidopsis. Planta, 2011, 234(2): 229-241.

[6] Lee SK, Kim BG, Kwon TR, Jeong MJ, Park SR, Lee JW, Byun MO, Kwon HB, Matthews BF, Hong CB, Park SC. Overexpression of the mitogen-activated protein kinase gene OsMAPK33 enhances sensitivity to salt stress in rice (Oryza sativa L.). J Biosci, 2011, 36(1): 139-151.

[7] Munns R, Tester M. Mechanisms of salinity tolerance. Annu Rev Plant Biol, 2008, 59: 651-681.

[8] Tuteja N. Abscisic acid and abiotic stress signaling. Plant Signal Behav, 2007, 2(3): 135-138.

[9] Coello P, Hey SJ, Halford NG. The sucrose non-fermenting-1-related (SnRK) family of protein kinases: potential for manipulation to improve stress tolerance and increase yield. J Exp Bot, 2011, 62(3): 883-893.

[10] Wernimont AK, Artz JD, Finerty P Jr, Lin YH, Amani M, Allali-Hassani A, Senisterra G, Vedadi M, Tempel W, Mackenzie F, Chau I, Lourido S, Sibley LD, Hui R. Structures of apicomplexan calcium-dependent protein kinases reveal mechanism of activation by calcium. Nat Struct Mol Biol, 2010, 17(5): 596-601.

[11] T?r M, Lotze MT, Holton N. Receptor-mediated signalling in plants: molecular patterns and programmes. J Exp Bot, 2009, 60(13): 3645-3654.

[12] Liu Y, Li X, Tan H, Liu M, Zhao X, Wang J. Molecular characterization of RsMPK2, a C1 subgroup mitogen-activated protein kinase in the desert plant Reaumuria soongorica. Plant Physiol Biochem, 2010, 48(10-11): 836-844.

[13] Rodriguez MCS, Petersen M, Mundy J. Mitogen-activated protein kinase signaling in plants. Annu Rev Plant Biol, 2010, 61: 621-649.

[14] Taj G, Agarwal P, Grant M, Kumar A. MAPK machinery in plants: recognition and response to different stresses through multiple signal transduction pathways. Plant Signal Behav, 2010, 5(11): 1370-1378.

[15] Vera-Estrella R, Barkla BJ, Bohnert HJ, Pantoja O. Novel regulation of aquaporins during osmotic stress. Plant Physiol, 2004, 135(4): 2318-2329.

[16] O'Brien M, Bertrand C, Matton DP. Characterization of a fertilization-induced and developmentally regulated plasma-membrane aquaporin expressed in reproductive tissues,in the wild potato Solanum chacoense Bitt. Planta, 2002, 215(3): 485-493.

[17] Sarda X, Tousch D, Ferrare K, Legrand E, Dupuis JM, Casse-Delbart F, Lamaze T. Two TIP-like genes encoding aquaporins are expressed in sunflower guard cells. Plant J, 1997, 12(5): 1103-1111.

[18] Ali GM, Komatsu S. Proteomic analysis of rice leaf sheath during drought stress. J Proteome Res, 2006, 5(2): 396-403.

[19] Cheng ZQ, Targolli J, Huang XQ, Wu R. Wheat LEA genes, PMA80 and PMA1959, enhance dehydration tolerance of transgenic rice (Oryza sativa L.). Mol Breed, 2002, 10(1-2): 71-82.

[20] Goyal K, Walton LJ, Tunnacliffe A. LEA proteins prevent protein aggregation due to water stress. Biochem J, 2005, 388(Pt 1): 151-157.

[21] Straub PF, Shen QX, Ho TD. Structure and promoter analysis of an ABA-and stress-regulated barley gene, HVA1. Plant Mol Biol, 1994, 26(2): 617-630.

[22] Wisniewski M, Webb R, Balsamo R, Close TJ, Yu XM, Griffith M. Purification, immunolocalization, cryoprotective, and antifreeze activity of PCA60: a dehydrin from peach (Prunus persica). Physiol Plant, 1999, 105(4): 600-608.

[23] Hara M, Fujinaga M, Kuboi T. Radical scavenging activity and oxidative modification of citrus dehydrin. Plant Physiol Biochem, 2004, 42(7-8): 657-662.

[24] Duman JG, Olsen TM. Thermal hysteresis protein activity in bacteria, fungi, and phylogenetically diverse plants. Cryobiology, 1993, 30(3): 322-328.

[25] Kishor PBK, Hong Z, Miao GH, Hu CAA, Verma DPS. Overexpression of [delta]-pyrroline-5-carboxylate synthetase increases proline production and confers osmotolerance in transgenic plants. Plant Physiol, 1995, 108(4): 1387-1394.

[26] Stone JM, Walker JC. Plant protein kinase families and signal transduction. Plant Physiol, 1995, 108(2): 451-457.

[27] Dar AC, Shokat KM. The evolution of protein kinase inhibitors from antagonists to agonists of cellular signaling. Annu Rev Biochem, 2011, 80: 769-795.

[28] Close TJ. Dehydrins: a commonalty in the response of plants to dehydration and low temperature. Physiol Plant, 1997, 100(2): 291-296.

[29] Close TJ. Dehydrins: emergence of a biochemical role of a family of plant dehydration proteins. Physiol Plant, 1996, 97(4): 795-803.

[30] Campbell SA, Close TJ. Dehydrins: genes, proteins, and associations with phenotypic traits. New Phytol, 1997, 137(1): 61-74.

(責(zé)任編委: 張紅生)

The molecular evolution of rice stress-related genes

Xiaojun Song1,2, Kaibin Xie3, Yanping Zhang1, Ping Jin2

1. Key Lab of Plant Biotechnology in Universities of Shandong Province, College of Life Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;
2. Laboratory for Comparative Genomics and Bioinformatics, College of Life Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China;
3. College of Teacher Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China

In the processes of evolution, plants have formed a perfect regulation system to tolerate adverse environmental conditions. However, there has not been any report about the molecular evolution of rice stress-related genes. We derived a family of 22 stress-related genes in rice from Plant Stress Gene Database, and analyzed it by bioinformatics and comparative genome method. The results showed that these genes are relatively conservativein low organisms, and their copy numbers increase along with the environmental changes and the evolution. We also found four conserved sequence motifs and three other specific motifs. We propose that these motifs are closely associated with the function of rice stress-related genes. The analysis of selection pressure showed that about 50% rice stress-related genes have positive selection sites, although they were subject to a strong purifying selection. Positive selection sites might be very significant for plants to adapt to environmental changes.

rice; stress-related genes; evolution; selective pressure

2014-03-05;

2014-06-06

江蘇省青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：BK20130902)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：CXZZ13_0411)資助

宋曉軍，博士，講師，專業(yè)方向：功能基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)。E-mail: sxjwyj@163.com

金萍，博士，講師，專業(yè)方向：功能基因組學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)。E-mail: jinping8312@gmail.com

10.3724/SP.J.1005.2014.1027

時(shí)間: 2014-9-17 17:25

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140917.1725.004.html