毛竹甘油3-磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶（GPAT）基因家族成員的生物信息學(xué)分析

戴麗紅 柳麗霞 傅志真 華俊峰 鄧先俊

摘要：? 以已知擬南芥、水稻的GPAT基因信息為基礎(chǔ)，利用毛竹（Phyllostachys pubescens）基因組數(shù)據(jù)庫分析了GPAT基因在毛竹中編碼的相關(guān)酶類，確定了毛竹基因組中含有16個(gè)毛竹GPAT基因，并分析了這些基因的核苷酸序列長度、編碼氨基酸的數(shù)量、蛋白分子量、基因結(jié)構(gòu)和氨基酸序列保守結(jié)構(gòu)域。

關(guān)鍵詞：? 毛竹;? 甘油3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶（GPAT）;? 基因功能;? 生物信息學(xué)

中圖分類號(hào)：? ?S 795. 7? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2020）06 - 0025 - 04

毛竹（Phyllostachys heterocycla）生長迅速、材質(zhì)好且分布廣泛[ 1 - 3 ]，是我國經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、栽培面積最廣最重要的竹種，毛竹竹材韌性強(qiáng)，整體性好，可制成家具、農(nóng)具、文具等多種工具和日用品。毛竹纖維含量高達(dá)30%～35%，纖維長度在1 500～

1 750 μm之間，這使其成為纖維和造紙工業(yè)的優(yōu)良原料[ 4 ]。此外，竹筍味道鮮美，除鮮食外，還可制成各種干筍和蜜餞。不僅能夠快速大幅增加林農(nóng)收入，還可改善生態(tài)環(huán)境。然而，毛竹生長對(duì)水肥、氣候條件要求高，即使在適宜毛竹生長的地區(qū)，也經(jīng)常受到來自外部不良環(huán)境因素的干擾，如季節(jié)性干旱、冷害與凍害、土壤鹽堿化等，這都會(huì)對(duì)毛竹的生長和成林產(chǎn)生威脅，造成竹材、竹筍的減產(chǎn)[ 5 - 6 ]。因此，提高毛竹的抗逆性、挖掘毛竹抗逆潛能對(duì)提高竹農(nóng)收入，維持竹產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

利用分子生物學(xué)手段進(jìn)行毛竹基因功能研究已成為毛竹生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前，中國竹類基因功能的鑒定和研究主要集中在與竹筍生理及竹子開花等相關(guān)的基因[ 7 - 8 ]。毛竹脂質(zhì)代謝，特別是對(duì)生長發(fā)育、逆境信號(hào)應(yīng)答起重要作用的磷脂分子PA的代謝過程研究還未開始。GPAT是生物膜中重要成分——磷脂酰甘油（PG）生物合成中的第一個(gè)?；セ福撁冈谥参?、微生物和動(dòng)物中皆有報(bào)道[ 9 - 11 ]。植物GPAT不僅影響種子油脂合成，還會(huì)通過其下游產(chǎn)物參與植物的生長發(fā)育以及抗旱、抗寒和耐鹽等生理過程[ 11 - 14 ]。本研究通過生物信息學(xué)分析確定毛竹基因組中GPAT成員，以及對(duì)應(yīng)的核苷酸、氨基酸序列，為進(jìn)一步探索GPAT在毛竹生長發(fā)育、逆境脅迫響應(yīng)中的功能奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1. 1 研究材料

已知模式生物擬南芥中有10個(gè)GPAT成員[ 11 ]，在TAIR（http：//www.arabidopsis.org/index.jsp）上輸入擬南芥基因ID號(hào)得到它們核苷酸序列、氨基酸序列。在TIGR（http：//rice.plantbiology.msu.edu/）上搜索關(guān)鍵詞“Glycerol-3-phosphate acyltransferase”，發(fā)現(xiàn)模式生物水稻基因組含有17個(gè)成員。通過以上2個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站的查找、搜索，獲得擬南芥、水稻GPAT基因的核苷酸、氨基酸序列信息。

1. 2 研究方法

在毛竹基因組數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站（http：//bioinformatics.

cau.edu.cn/bamboo/search.php）BambooNet，用已知的10個(gè)擬南芥基因的氨基酸序列和17個(gè)水稻基因的氨基酸序列，同時(shí)通過在線BlastP和擬南芥基因位點(diǎn)搜索兩種方法，找到相似性或同源度高的毛竹序列，通過比較、刪除兩種方法中重復(fù)的基因，最終確定毛竹基因組中含有16個(gè)GPAT候選基因成員，記下它們的 ID號(hào)并在BambooNet網(wǎng)站上查詢、下載相應(yīng)的核苷酸、氨基酸序列。

在分子生物學(xué)網(wǎng)站（http：//pfam.xfam.org/search#

tabview=tab0）輸入擬南芥GPAT基因的氨基酸序列，獲得這些氨基酸序列的蛋白保守結(jié)構(gòu)域。

在https：//www.predictprotein.org/網(wǎng)站進(jìn)行毛竹基因的蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位，確定該蛋白質(zhì)處于特定亞細(xì)胞的位置，從而分析該序列在特定位置的功能。

2 結(jié)果與分析

2. 1 毛竹GPAT基因結(jié)構(gòu)預(yù)測

根據(jù)已經(jīng)得到的擬南芥GPAT家族中9個(gè)基因和水稻的17個(gè)GPAT成員的核苷酸序列、氨基酸序列信息，通過在線BlastP和擬南芥基因位點(diǎn)搜索，分析毛竹GPAT基因家族16個(gè)成員，它們的基因ID號(hào)分別是PH01001328G0270、PH010000

19G1720、PH01004026G0190、PH01002284G0240，PH01001208G0480、PH01001171G0080、PH01000

607G0640、PH01000773G0530、PH01001809G0320、PH01000632G0290、PH01000090G0730、PH01000

400G0030、PH01003665G0130 、PH01000276G0140、

PH01001272G0420、PH01000578G0740。在16個(gè)毛竹基因成員中，多數(shù)毛竹GPAT序列核苷酸長度在4 000～8 000 bp之間，氨基酸序列的編碼區(qū)由1～13個(gè)外顯子組成，編碼150～870個(gè)氨基酸，蛋白質(zhì)分子量大小在17.2 kD～97.20 kD之間，其中PH01000

632G0290核苷酸序列最長，編碼9 176個(gè)堿基對(duì);PH01004026G0190基因核苷酸序列最短，編碼3 339個(gè)堿基對(duì)（表1）。

2. 2 毛竹GPAT基因蛋白保守結(jié)構(gòu)域分析

通過對(duì)擬南芥的 GPAT 蛋白保守結(jié)構(gòu)域的查找（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/ lexington/

lexington.cgi？cmd=rps）和比較發(fā)現(xiàn)， 擬南芥GPAT基因家族的每個(gè)成員都具有一個(gè)活性?；D(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域，其中AtGPAT4 / 6/8具有一個(gè)包含糖類水解酶和磷水解酶的鹵酸鹵化酶樣水解酶（HAD-like）域。在Pfam網(wǎng)站輸入毛竹蛋白序列，得到這些序列的保守結(jié)構(gòu)域，由毛竹GPAT基因序列蛋白結(jié)構(gòu)域（表2）結(jié)果表明：這些成員均包含酰基轉(zhuǎn)移酶蛋白結(jié)構(gòu)域，個(gè)別成員還包含鹵酸脫鹵酶的保守結(jié)構(gòu)域。不同毛竹GPAT的N端序列差異很大，但它們都具有相同的GPAT功能結(jié)構(gòu)域。

2. 3 毛竹GPAT蛋白亞細(xì)胞定位

根據(jù)亞細(xì)胞定位、?；稽c(diǎn)的差異，擬南芥GPAT可分為3類：質(zhì)體GPAT（ATSI）、線粒體GPAT

（AtGPAT1～3）和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)GPAT（AtGPAT4～8）[ 11 ]，其中，只有ATSI為質(zhì)體GPAT。不同的亞細(xì)胞定位具有不同的生化特性和生理功能。在16個(gè)毛竹序列中，有8條序列定位于線粒體，有2條預(yù)測定位于葉綠體，而4條預(yù)測定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中（圖1），其中PH01002284G0240、PH01000773G0530共同定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體;PH01000090G0730共同定位于葉綠體和線粒體。

3 結(jié)論與討論

本文通過生物信息學(xué)分析，確定毛竹基因組中含有16個(gè)GPAT基因成員，且16條氨基酸序列都具有?；D(zhuǎn)移酶保守結(jié)構(gòu)功能域，從亞細(xì)胞定位預(yù)測來看毛竹GPAT與擬南芥GPAT相似，主要分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、葉綠體和線粒體中。擬南芥質(zhì)體定位的GPAT，ATSI通過脂酰種類影響PG分子sn-1位脂肪酸的不飽和度，影響種子含油量和植株的耐寒性[ 14 ]。擬南芥中GPAT1-3定位于線粒體中，3個(gè)成員僅有sn-2酰基轉(zhuǎn)移酶活性，GPAT1在角果和花芽中表達(dá)高，GPAT2、GPAT3在各組織中均有表達(dá)，這些基因主要參與花器官角質(zhì)合成[ 14 - 15 ]。定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的擬南芥GPAT5參與角質(zhì)合成和軟木脂的合成，維持種皮和根表皮的正常結(jié)構(gòu)，缺失GPAT5的突變體植株對(duì)鹽的耐受性降低[ 14 ]?；跀M南芥已有研究結(jié)果和本文毛竹GPAT基因家族成員的保守結(jié)構(gòu)域分析、亞細(xì)胞定位預(yù)測，我們推測16個(gè)毛竹GPAT成員在不同的細(xì)胞器中也會(huì)有底物選擇性和酰基轉(zhuǎn)移位點(diǎn)特異性，在毛竹抵抗逆境脅迫過程中行使著各異的生理功能。本文對(duì)毛竹中可能編碼的GPAT基因做了初步的生物信息學(xué)分析，但它們的亞細(xì)胞定位在毛竹抗逆反應(yīng)中發(fā)揮的生理、生化功能還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] 江澤慧.? 世界竹藤[M].? 沈陽：? 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，? 2002： 3 - 10.

[2] 金愛武.? 毛竹定向培育技術(shù)視頻圖文版[M].? 北京：? 中國農(nóng)業(yè)出版社，? 2019.

[3] 朱強(qiáng)根，? 金愛武，? 婁艷華，? 等.? 施肥對(duì)毛竹根系酸性磷酸酶及氮代謝的影響[J].? 福建林業(yè)科技，? 2016，? 043（001）：? 30 - 34.

[4] 魯順保，? 丁貴杰，? 彭九生.? 立地條件與毛竹竹材密度和纖維形態(tài)關(guān)系初探[J].? 福建林業(yè)科技，? 2008，? 35（1）：? 55 - 58.

[5] 蔡凱.? 毛竹SOD基因家族生物信息學(xué)與功能分析[D].? 浙江農(nóng)林大學(xué)，? 2018.

[6] 劉玉芳，? 陳雙林，? 李迎春，? 等.? 竹子生理可塑性的環(huán)境脅迫效應(yīng)研究進(jìn)展[J].? 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，? 2014，? 31（3）：? 473 - 480.

[7] 石明旺，? 龐延軍，? 王修強(qiáng)，? 等.? 竹類植物分子生物學(xué)研究進(jìn)展及展望[J].? 經(jīng)濟(jì)林研究，? 2006，? 24（2）：? 63 - 68.

[8] 胡嬌麗，? 張巖，? 湯定欽.? 竹子基因組序列研究及應(yīng)用[J].? 竹子研究匯刊，? 2008，? 27（1）：? 1 - 7.

[9] 尹航，? 袁嵐瑛，? 俞凱，? 等.? 三角褐指藻GPAT生物信息學(xué)及表達(dá)差異分析[J].? 核農(nóng)學(xué)報(bào)，? 2019，? 33（08）：? 1 483 - 1 489.

[10] 田增有，? 李開濟(jì)，? 門秀麗，? 等.? 甘油-3-磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶（GPATs）的研究進(jìn)展[J].? 生理科學(xué)進(jìn)展，? 2015，? 46（2）：? 103 - 107.

[11] 劉聰，? 肖旦望，? 施春霖，? 等.植物GPATs基因研究進(jìn)展[J].? 遺傳，? 2013，? 35（12）：? 1 352 - 1 359.