小麥全基因組表達(dá)序列基因家族鑒定分類

李迪　李冬潔　韓迎迎　趙鈺珊

摘 要 小麥全基因組表達(dá)序列基因家族鑒定分類是將已經(jīng)測出的小麥的全基因組蛋白序列提取至Pfam進(jìn)行結(jié)構(gòu)域查找分析，對基因家族進(jìn)行分類，從而對小麥的所有基因表達(dá)序列分類整理，以便于進(jìn)一步對小麥進(jìn)行研究。通過基因家族的鑒定分類，對小麥的研究將更加系統(tǒng)化和精確化，有助于以后進(jìn)一步篩選，并對它們做出更詳盡的功能分析，為小麥的遺傳改良提供一個(gè)借鑒。與此同時(shí)，也為研究小麥中某一特定基因家族的作用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 小麥；基因家族；Pfam分析；功能鑒定分類

中圖分類號：S512.1；Q943.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.17.096

1 小麥作物的意義

小麥屬于禾本科植物的小麥屬，是世界上三大重要的經(jīng)濟(jì)糧食作物之一。2016—2017年全球小麥產(chǎn)量為7.54億噸，我國當(dāng)年產(chǎn)量為1.29億噸[1]。小麥幾乎全作食用，其穎果被磨成面粉后可制作面條、饅頭、面包等中西方主食。

人類對小麥開展系統(tǒng)化的育種工作的時(shí)間雖然不長，但是也取得了許多優(yōu)秀的成果，20世紀(jì)60年代興起的“綠色革命”對農(nóng)業(yè)研究、農(nóng)業(yè)技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)工作都起到了推動(dòng)作用，極大地提高了小麥的產(chǎn)量。但近年來，由于受人類生產(chǎn)活動(dòng)所導(dǎo)致的極端天氣頻繁出現(xiàn)、水資源匱乏等環(huán)境問題的影響，小麥的產(chǎn)量并不穩(wěn)定。據(jù)測算，全球小麥的產(chǎn)量至少需要增長60%才能夠滿足2050年的人口需要。對我國來說，小麥的單產(chǎn)還有很大的提升空間[2]。目前，非生物脅迫如干旱、凍害等是妨礙提升小麥產(chǎn)量的主要原因，解決這一問題的最好辦法就是通過小麥育種技術(shù)培育出能夠在惡劣條件下生長的小麥新品種。而盡快破譯小麥和其他農(nóng)作物的基因組以及分析清楚各基因家族的功能則是順利開展小麥育種工作的關(guān)鍵。

通過對已知的小麥龐大的基因組序列進(jìn)行分析，對小麥全部基因家族加以鑒定及分類，把各基因家族所表達(dá)的相應(yīng)蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行分析與系統(tǒng)化總結(jié)，對小麥的遺傳、產(chǎn)量等各方面的科學(xué)研究具有重要的意義。

2 小麥基因組組成及測序研究進(jìn)展

基因組（Genome）是指單倍體細(xì)胞中的全部DNA分子。小麥基因組的規(guī)模大約是人類基因組的6倍，共計(jì)有17 Gb。如此龐大的基因組中包含了大量的重復(fù)DNA序列，這就意味著即使小麥全基因組測序工作已經(jīng)完成，如何高保真地組裝仍比較困難。普通異源6倍體小麥（Triticum aestivum）是由AA、BB、DD 3組共6套染色體組成的，即包含3個(gè)不同的基因組，這給基因定位工作帶來了一定的困難，使針對小麥的基因研究更加具有挑戰(zhàn)性。

坂村徹在1918年首次確定了普通小麥有42條染色體。任本命[3]在其基礎(chǔ)之上通過雜交試驗(yàn)查明：一粒小麥（T.monococcum，AA）與擬斯卑爾脫山羊草（Aegilops speltoides）或其近似種（BB）雜交形成雜種Ⅰ（AB），經(jīng)過染色體自然加倍形成二粒系小麥（AABB）。二粒系小麥（AABB）與粗山羊草（Aegilops tauschii Coss.，DD）雜交形成雜種Ⅱ（ABD），經(jīng)染色體自然加倍后繁衍為普通異源六倍體小麥（AABBDD）。

2013年我國科研人員領(lǐng)先完成了普通六倍體小麥的A基因組[4]、D基因組的測序及草圖繪制。2014年Mayer 等[5]對中國春小麥（Chinese Spring）進(jìn)行了染色體臂的分離、測序及組裝，并精確定位了超過12萬個(gè)基因，對研究小麥應(yīng)答生物脅迫和非生物脅迫的機(jī)制和優(yōu)質(zhì)小麥育種等具有重要的意義。Choulet 等[6]確認(rèn)了3B染色體的序列（21條染色體中最大的序列），并驗(yàn)證了3B染色體上數(shù)千個(gè)基因標(biāo)記。此外，在基因組測序草圖繪制完成的基礎(chǔ)之上，研究人員系統(tǒng)地揭示了普通異源六倍體小麥的基因組演化過程，也對與發(fā)育相關(guān)的一些基因做出新的注釋[7-8]。

基于已知的小麥全部基因序列，本項(xiàng)目對其龐大且復(fù)雜的全基因組基因家族進(jìn)行鑒定分類，將挖掘出巨大的信息，為后續(xù)研究提供了極大便利，對小麥的產(chǎn)量、遺傳等方面的研究具有重要的意義。

3 基因家族研究概況

基因家族（Gene Family）是指由一個(gè)原始基因通過復(fù)制不同的拷貝數(shù)而產(chǎn)生的基因簇，各成員在基因組上距離相近，功能相似即可編碼相似的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。目前圍繞植物的全基因組家族進(jìn)行的研究非常多，如擬南芥、水稻、煙草等。模式生物擬南芥是植物中第一個(gè)實(shí)現(xiàn)全序列分析的物種，其基因組測序已于2000年完成，因此對基因家族的研究比較深入。盧珊等[9]發(fā)現(xiàn)擬南芥中有204個(gè)包含NBS-LRR的、與植物抗病有關(guān)的基因，71.6%的NBS-LRR基因分布在一定的基因簇內(nèi)。SET結(jié)構(gòu)域基因家族在植物的發(fā)育過程中扮演著重要的角色，其編碼的蛋白質(zhì)（即賴氨酸轉(zhuǎn)移酶）高度保守，由120～150個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的SET結(jié)構(gòu)域，可對組蛋白進(jìn)行甲基化修飾，從而能夠調(diào)控基因表達(dá)。張亮生 等[10]分別鑒定了擬南芥和水稻的部分SET結(jié)構(gòu)域基因，并通過分析表明片段復(fù)制和反轉(zhuǎn)錄是SET結(jié)構(gòu)域基因擴(kuò)增的主要原因。F-box基因家族是植物體內(nèi)數(shù)量巨大的基因家族之一，F(xiàn)-box蛋白C端通常含有重復(fù)序列，是介導(dǎo)底物特異識別的區(qū)域，主要參與植物開花的調(diào)控、蛋白質(zhì)降解、應(yīng)答生物脅迫和非生物脅迫等[11]。He R等[12]發(fā)現(xiàn)擬南芥F-box基因家族成員之一的FOF2基因在過度表達(dá)時(shí)會(huì)造成開花延遲。范貝 等[13]在研究中發(fā)現(xiàn)擬南芥氨基酸通透酶基因家族（At AAP）的啟動(dòng)子區(qū)域均有應(yīng)答激素、脅迫等的元件，其編碼的氨基酸通透酶由466-493個(gè)堿性氨基酸殘基構(gòu)成，且均為跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。擬南芥組蛋白去乙?；讣易澹ˋt HDACs）[14]通過系統(tǒng)進(jìn)化樹分析可以分為3個(gè)亞家族，廣泛參與植物生長發(fā)育和逆境應(yīng)答過程，其編碼的不同組蛋白去乙?；感惺构δ懿煌?。其中Sirtuin類組蛋白去乙?；福ˋt SRT2）可以通過調(diào)控組蛋白H4K8位點(diǎn)的乙?；絹碚{(diào)控鹽脅迫下的種子萌發(fā)過程，并主要通過減少鹽脅迫下植物DNA的損傷以及NAD+的積累這一途徑行使基因功能。

通過分析有關(guān)擬南芥全基因組的研究，可以看出研究人員對基因家族的探索已經(jīng)越來越普遍和廣泛，這也對揭示植物的生殖發(fā)育過程具有重要的意義。擬南芥作為模式植物，針對其基因家族已完成的研究為對小麥全基因組表達(dá)序列基因家族的鑒定分類做了很好的示范，也提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

4 小麥基因家族分析研究進(jìn)展及前景

基因表達(dá)是指基因指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)合成過程，細(xì)胞在生命的過程中，把儲存在DNA順序中遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，轉(zhuǎn)變成具有生物活性的蛋白質(zhì)分子。從基因?qū)用嫜芯可矬w的種種現(xiàn)象已是大勢所趨。擬南芥只有5對染色體，基因組較小，操作簡便且轉(zhuǎn)化成功率高，因而能成為植物中第1個(gè)完成全基因組測序的物種。而小麥基因組大約為17 Gb，包含超過100 000個(gè)表達(dá)基因，如此龐大且重復(fù)序列較多的基因組轉(zhuǎn)化相對困難，并且也沒有進(jìn)行過系統(tǒng)分類。2014年以后，研究人員經(jīng)過分析共得到162個(gè)小麥基因家族，如mapkk、Tamlo、Jacalin、SnRk2和YABBY等。其中SnRK2是一個(gè)相對較小的植物專一性蛋白激酶家族[15]，該家族成員以不同的調(diào)控方式廣泛參與植物的逆境脅迫信號傳遞，在植物的逆境應(yīng)答中扮演了重要的角色。又如廣泛存在于雙子葉植物和單子葉植物中的YABBY基因[16]，在控制植物背腹極性的建立中發(fā)揮著重要的作用。雖然目前在雙子葉植物擬南芥中關(guān)于該極性建立的分子機(jī)理取得了一定的進(jìn)展，但是在單子葉植物，尤其是禾本科植物中，獲得的涉及極性建立的突變體較少，不易于研究。而小麥既是主要的禾本科植物，也是重要的糧食作物，對其極性建立展開進(jìn)一步的研究具有非常重要的意義。

目前，相比于擬南芥，對小麥基因家族的研究仍不夠完善。此外，由于非生物脅迫及非生物脅迫越來越多，給普通小麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。所以對小麥全基因組進(jìn)行基因家族的鑒定分類，有助于以后進(jìn)一步篩選，并對它們做出更詳盡的功能分析，為小麥的遺傳改良提供一個(gè)有價(jià)值的資源，也為更早地培育出適應(yīng)不同生長環(huán)境的小麥新品種奠定基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉昀）