番茄?擬南芥 PREs 及水稻 ILIs 基因生物信息學(xué)分析

郭鵬宇 楊志杰

摘要 為進(jìn)一步了解常見模式植物番茄、擬南芥 PREs 以及水稻 ILIs 共 18 個基因的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)，為基因功能的研究奠定理論基礎(chǔ)，結(jié)合 NCBI 等數(shù)據(jù)庫，運用 MG2C 等工具，對上述基因結(jié)構(gòu)、蛋白理化性質(zhì)等生物信息學(xué)數(shù)據(jù)作出預(yù)測與分析。除 OsILI6 外，其余基因均只含1個內(nèi)含子，且 CDS 序列均較短。蛋白理化性質(zhì)分析表明這些蛋白質(zhì)穩(wěn)定性較低，二級結(jié)構(gòu)分析表明 α 螺旋與無規(guī)則卷曲構(gòu)成蛋白質(zhì)的主體部分。三維結(jié)構(gòu)模擬表明這些蛋白質(zhì)以二聚化的形式發(fā)揮功能，在結(jié)構(gòu)上相對保守，分析數(shù)據(jù)可為后續(xù)基因功能研究提供支持。

關(guān)鍵詞 番茄;擬南芥;水稻;PREs;生物信息學(xué)分析

中圖分類號 Q 812? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）18-0099-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.025

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Bioinformatics Analysis of Tomato，Arabidopsis PREs and Rice ILIs Genes

GUO Peng-yu，YANG Zhi-jie （Bioengineering College，Chongqing University，Chongqing 400044）

Abstract In order to further understand the bioinformatics data of 18 genes in common model plants tomato，Arabidopsis PREs and rice ILIs，and lay a theoretical foundation for the study of gene function，combined with NCBI and other databases，using MG2C and other tools，bioinformatics data such as the above gene structure and protein physical and chemical properties were predicted and analyzed .Except for OsILI6，all other genes contain only one intron，and the CDS sequence was relatively short.The analysis of physicochemical properties showed that these proteins had low stability and the analysis of the secondary structure showed that α helix and random coils constitute the main part of the protein.Three-dimensional structural simulations indicated that these proteins function in the form of dimerization.These proteins were relatively conservative in structure，and the analytical data could provide support for subsequent gene function studies.

Key words Tomato;Arabidopsis thaliana;Rice;PREs;Bioinformatics analysis

作者簡介 郭鵬宇（1995—），男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)。

收稿日期 2021-02-04

番茄是管狀花目的一年生或多年生草本植物。據(jù)考證，番茄最早起源于南美的秘魯、厄瓜多爾，于 16 世紀(jì)末或 17世紀(jì)初的明萬歷年間傳入我國[1]。1753年，Linnaeus 根據(jù)雄蕊數(shù)目和雌雄蕊的著生習(xí)性將番茄劃歸于茄科茄屬中。目前，番茄已成為研究果實發(fā)育的重要模式植物[2]。作為一種兼具營養(yǎng)價值和商業(yè)價值的園藝作物，近年來世界范圍內(nèi)的番茄產(chǎn)量不斷提升[3]。 擬南芥是十字花科的一年生細(xì)弱草本植物，分布廣泛，植株雖小卻結(jié)子較多。早在 2000 年，其基因組測序就已全部完成，其遺傳背景較為簡單，且作為一種自花授粉植物，基因高度純合，是公認(rèn)的基因組學(xué)研究的模式植物[4]。

水稻屬禾本科稻屬作物，是世界公認(rèn)的三大糧食作物之一。2002 年，我國宣布完成水稻基因組精細(xì)圖的繪制。憑借其較為簡單的遺傳背景及遺傳轉(zhuǎn)化的潛力，水稻成為谷類作物育種及基因功能研究的模式植物之一[5]。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中存在一類能夠編碼對赤霉素合成抑制劑多效唑產(chǎn)生拮抗作用蛋白質(zhì)的基因，稱為多效唑抗性基因（PACLOBUTRAZOL RESISTANCE GENE），簡稱 PREs，該類蛋白質(zhì)為非典型的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子。擬南芥 PRE 基因家族共有 6 個成員，即 AtPRE1-AtPRE6，在調(diào)控擬南芥赤霉素[6]、油菜素內(nèi)酯[7]、生長素響應(yīng)[8]以及調(diào)節(jié)細(xì)胞長度[9]、介導(dǎo)光信號[10]響應(yīng)等方面發(fā)揮重要作用。番茄中共有 5 個PRE基因，即SlPRE1～SlPRE5[11]。Slstyle2.1，即 SlPRE1 參與調(diào)控花柱長度，并且可以促進(jìn)栽培品種自花授粉的進(jìn)化[12]。SlPRE2 的超表達(dá)會影響番茄植株形態(tài)的變化[11]，而SlPRE2-RNAi 會影響胎座以及果皮細(xì)胞的大小，改變植株對外源赤霉素的響應(yīng)[13]。水稻共有7個PRE基因，即OsILI1～OsILI7。AtPRE1 同源基因 ILI1（INCREASED LAMINA INCLINATION1） 的過表達(dá)會導(dǎo)致水稻葉片傾斜角度增加，通過與水稻 IBH1 的相互作用參與油菜素內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來調(diào)控細(xì)胞的伸長[9]。ILI4 的過量表達(dá)增加了水稻籽粒的大小以及對油菜素內(nèi)酯合成抑制劑的抗性[14]。該研究旨在利用生物信息學(xué)的方法對擬南芥、番茄 PRE家族、水稻 ILI 家族基因結(jié)構(gòu)、染色體定位、蛋白質(zhì)理化性質(zhì)分析、進(jìn)化關(guān)系等方面進(jìn)行分析與預(yù)測，結(jié)合已有的功能研究報，為尚未進(jìn)行功能研究的基因提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 鑒定與染色體定位

從茄科基因組數(shù)據(jù)庫（https：∥solgenomics.net/）、擬南芥基因組數(shù)據(jù)庫（https：∥www.arabidopsis.org/）及水稻基因組數(shù)據(jù)庫（http：∥rice.plantbiology.msu.edu/）下載得到全部蛋白質(zhì)序列、cDNA 序列、CDS（coding-sequence）序列以及各基因在基因組上的序列。運行在線軟件MG2C（http：∥mg2c.iask.in/mg2c_v2.1/）繪制染色體定位圖譜。

1.2 基因結(jié)構(gòu)分析

從各物種基因組數(shù)據(jù)庫下載各基因的 CDS 序列以及該基因在基因組上 DNA 序列的 FASTA 格式文件。運行在線工具 Genes Structure Display Server 2.0（http：∥gsds.gao-lab.org/index.php）繪制各基因編碼區(qū)及非編碼區(qū)序列分布圖。

1.3 蛋白質(zhì)保守基序分析

根據(jù)各物種蛋白質(zhì)序列，運行在線軟件 MEME（https：∥meme-suite.org/meme/），分析各物種蛋白質(zhì)序列中的保守基序，motif 個數(shù)設(shè)置為 10，其他參數(shù)為默認(rèn)值。

1.4 蛋白保守結(jié)構(gòu)域序列比對和系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建

利用 DNAMAN 6.0 軟件完成所有蛋白質(zhì)序列的比對分析，利用軟件 MEGA 6.0 完成系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建。

1.5 蛋白理化性質(zhì)與亞細(xì)胞定位預(yù)測構(gòu)建

運行在線軟件 ExPasy （https：∥www.expasy.org/）分析各編碼蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，運行在線數(shù)據(jù)庫 GenScript（https：∥www.genscript.com/psort.html？src=leftbar），對各蛋白質(zhì)進(jìn)行亞細(xì)胞定位預(yù)測。

1.6 蛋白二級結(jié)構(gòu)分析

運行在線軟件 SOPMA （https：∥npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl？page=npsa_sopma.html）分析各蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)組成。

1.7 蛋白三維結(jié)構(gòu)模擬

根據(jù)同源建模法，運行 Swiss-Model 軟件（https：∥swissmodel.expasy.org/interactive）對各蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

1.8 啟動子區(qū)域順式作用元件分析

從各物種基因組數(shù)據(jù)庫下載得到各基因上游 3 000 bp 序列的 FASTA 文件，利用在線網(wǎng)站 Plant CARE （http：∥bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）進(jìn)行順式作用元件分析，利用 TBtools 1.072 繪制順式作用元件分布圖。

1.9 蛋白互作網(wǎng)絡(luò)預(yù)測分析

根據(jù) STRING 11.0 （https：∥string-db.org/cgi/input？sessionId=bABx2NvfkwQD&input_page_active_form=single_sequence）在線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 鑒定與染色體定位

根據(jù)已有的文獻(xiàn)報道，結(jié)合 SGN （茄科基因組數(shù)據(jù)庫Solanaceae Genomics Network）、TAIR （擬南芥數(shù)據(jù)庫The Arabidopsis Information Resource）、RGAP （水稻基因組數(shù)據(jù)庫Rice Genome Annotation Project） 以及 NCBI （National Center for Biotechnology Information Search database）數(shù)據(jù)庫檢索分析，分別找到番茄 5 個 PREs、擬南芥 6個 PREs、水稻 7 個 ILIs 基因共 18 個相關(guān)基因。在各物種基因組數(shù)據(jù)庫中查找得到各基因在基因組染色體上的位置（圖1），結(jié)果表明，番茄的 5 個PRE 基因分布于第 2、4、5、6 染色體上，擬南芥的 PRE 基因分布于第 1、3、5 染色體上，而水稻的 ILIs 基因分布于第 2、3、4、6、10、11 染色體上。

2.2 基因結(jié)構(gòu)

對番茄、擬南芥 PREs、水稻 ILIs 基因進(jìn)行基因組序列與編碼序列分析（圖2），結(jié)果表明，除 OsILI6 的編碼序列含 3 個外顯子，其余基因外顯子數(shù)量均為 2;此外，OsILI3 與 OsILI4 只含有外顯子與內(nèi)含子，而其他基因均包含 5′與 3′非編碼序列，且個別基因非編碼序列較長，如 SlPRE3 的 3′端以及 OsILI6 的 5′端。這表明該家族基因結(jié)構(gòu)相對簡單。

2.3 蛋白質(zhì)保守基序

對番茄、擬南芥 PREs 與水稻 ILIs 家族的蛋白質(zhì)序列進(jìn)行保守基序的預(yù)測分析（圖3），結(jié)果表明，這些蛋白質(zhì)包含 3～4 個保守基序;所有序列均包含 Motif 1，而 OsILI6 無 Motif 2，SlPRE3、AtPRE3、AtPRE4 無 Motif 3，而 SlPRE4、OsILI4、OsILI5、OsILI7 則無 Motif 4。保守基序中字母越高，表明對應(yīng)氨基酸殘基在該位點出現(xiàn)的頻率越大，相對保守程度也越高。綜合來看，4 個 Motif 的保守程度相對較高。這些保守基序的分析有利于深入分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

49卷18期??? 郭鵬宇等 番茄·擬南芥 PREs 及水稻 ILIs 基因生物信息學(xué)分析

2.4 蛋白保守結(jié)構(gòu)域序列比對和系統(tǒng)進(jìn)化樹分析

通過對番茄、擬南芥 PREs、水稻 ILIs基因家族蛋白質(zhì)進(jìn)行氨基酸組成的分析（圖 4A），結(jié)果表明，這些蛋白質(zhì)存在有相對的氨基酸序列組成的保守結(jié)構(gòu)域，即 HLH 結(jié)構(gòu)域，而無典型的 Bas-ic 結(jié)構(gòu)域，而在進(jìn)化過程中，這些基因的功能高度保守與上述保守結(jié)構(gòu)域的構(gòu)成密切相關(guān)。

為了進(jìn)一步明確這些基因之間的進(jìn)化關(guān)系，利用氨基酸序列對上述 18 個基因構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹（圖4B）? 。目前番茄 SlPRE1 與 SlPRE2 已有功能研究，且與 AtPRE1 及 AtPRE5 親緣關(guān)系較近。總體來看，番茄與擬南芥親緣關(guān)系較近，而二者與水稻的親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)。

2.5 蛋白理化性質(zhì)與亞細(xì)胞定位預(yù)測分析

利用 ExPasy 在線軟件對上述 18 個基因的編碼蛋白質(zhì)進(jìn)行理化性質(zhì)分析（表 1）。結(jié)果表明，18 個蛋白質(zhì)的氨基酸殘基數(shù)為86～130，其中 SlPRE4 最長，OsILI6 最短;蛋白質(zhì)分子量為9.746～14.215;理論等電點為4.43～9.61，其中 SlPRE1、AtPRE2 最大，而 OsILI6 最小;脂溶指數(shù)為81.08～106.26，其中 OsILI6 最小，OsILI7 最大;不穩(wěn)定系數(shù)為60.29～93.81;蛋白質(zhì)的疏水性在 -0.766～-0.218，表明這些蛋白質(zhì)均屬親水性蛋白;亞細(xì)胞定位預(yù)測結(jié)果表明這些蛋白均定位于細(xì)胞核內(nèi)。

2.6 蛋白二級結(jié)構(gòu)分析

運行 SOPMA 在線軟件對 18 個基因所編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)解析（表 2）。結(jié)果表明，在上述 18 個蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)中，α 螺旋和無規(guī)則卷曲占主體地位;部分蛋白質(zhì)無 β轉(zhuǎn)角及延伸鏈（如SlPRE4、AtPRE1、AtPRE2、AtPRE3、AtPRE4、AtPRE6、OsILI1、OsILI7）;除α螺旋與無規(guī)則卷曲外，個別蛋白質(zhì)只含 β 轉(zhuǎn)角與延伸鏈之中的一種結(jié)構(gòu)，如SlPRE2、SlPRE5、AtPRE5、OsILI5 無延伸鏈，而OsILI2、OsILI3、OsILI4 則無 β 轉(zhuǎn)角。總體來看，α 螺旋和無規(guī)則卷曲是這些蛋白質(zhì)的主要組成成分。

2.7 蛋白三維結(jié)構(gòu)模擬 為了進(jìn)一步了解上述 18 個蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)，根據(jù)同源建模法運行 Swiss-Model 在線軟件進(jìn)行同源建模（圖 5），結(jié)果表明，這些蛋白質(zhì)均以二聚化的形式完成建模。

2.8 基因啟動子區(qū)域順式作用元件分析

通過 SGN數(shù)據(jù)庫、TAIR 數(shù)據(jù)庫、RGAP 數(shù)據(jù)庫獲得各基因 ATG 上游 3 000 bp 的序列，運行在線數(shù)據(jù)庫 Plant CARE 網(wǎng)站對序列進(jìn)行順式作用元件分析。結(jié)果顯示（圖6），這些基因上游存在大量的光響應(yīng)元件 （G-box、GT1-motif、ACE），除此之外，激素響應(yīng)元件（GARE-motif、ABRE、CGTCA-motif、AuxRR-core、P-box）、逆境脅迫響應(yīng)元件（WUN-motif、TC-rich repeats、LTR、MBS、DRE）、分生組織表達(dá)元件（CAT-box）、胚乳表達(dá)元件（GCN4_motif）及種子特異性調(diào)控元件（RY-element）也存在與上游啟動子區(qū)域。SlPRE3、AtPRE4～AtPRE6、OsILI2～OsILI7 啟動子區(qū)域均含有干旱響應(yīng)元件;除 SlPRE3、SlPRE4、AtPRE1、AtPRE2、OsILI1、OsILI2、OsILI7 外，其余基因啟動子區(qū)域均含有低溫響應(yīng)元件，部分基因啟動子區(qū)域含有類黃酮物質(zhì)合成基因調(diào)控元件（SlPRE3、AtPRE4），推測這2個基因有可能參與類黃酮物質(zhì)的合成。

2.9 基因蛋白互作網(wǎng)絡(luò)預(yù)測分析

為進(jìn)一步了解上述基因可能的互作蛋白，該部分參考 STRING 在線數(shù)據(jù)庫，對這些基因可能的互作網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，除 OsILI2 與 OsILI3 外，其余蛋白質(zhì)均有預(yù)測的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)互作圖。這表明大部分基因可以通過蛋白質(zhì)的相互作用參與生長過程的調(diào)控（圖7）。

3 討論與結(jié)論

截至目前，已有功能研究報道的 PREs 以及水稻 ILIs 均屬于非典型的 bHLH 轉(zhuǎn)錄因子[8，14-15]。這些基因通過赤霉素、油菜素內(nèi)酯[16]以及生長素參與植物營養(yǎng)生長與生殖生長[17]的調(diào)控。目前，擬南芥 AtPRE1～AtPRE6、SlPRE1～SlPRE2 以及 OsILI1、OsILI4 均有功能研究報道，而其余基因暫無功能研究。該研究通過生物信息學(xué)的方法，結(jié)合已有的功能研究報道，對番茄、擬南芥 PREs 以及水稻 ILIs 基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析，為這些基因功能的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

該研究對3個物種共 18 個蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)均屬于疏水性蛋白質(zhì)，且穩(wěn)定性較差;此外，α 螺旋和無規(guī)則卷曲是這些蛋白質(zhì)主要的二級結(jié)構(gòu)組分，僅有較少的 β 轉(zhuǎn)角與延伸鏈存在其中，從三維結(jié)構(gòu)模擬可以更直觀地發(fā)現(xiàn)這一點。蛋白質(zhì)的三維空間模擬結(jié)果表明，這些蛋白質(zhì)可以通過二聚化的形式參與調(diào)控植株生長。與其他蛋白質(zhì)的互作網(wǎng)絡(luò)預(yù)測表明，這些蛋白通過與其他蛋白質(zhì)的相互作用發(fā)揮調(diào)控作用。蛋白質(zhì)保守基序分析與蛋白質(zhì)多序列比對及進(jìn)化關(guān)系分析表明這些蛋白質(zhì)在調(diào)控植物生長發(fā)育方面存在功能相似性。

通過對3個物種共 18 個基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析，從染色體定位、基因結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)理化性質(zhì)以及二級、三級結(jié)構(gòu)分析等方面做出分析預(yù)測，為進(jìn)一步的功能研究提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐。

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