蕓薹屬AC亞基因組中P5CR基因家族鑒定與生物信息學分析

賀喬喬， 周希希， 鄭世茂， 張曉娟， 張 羽

(陜西理工大學 生物科學與工程學院， 陜西 漢中 723000)

蕓薹屬植物的3個基本二倍體組物種包括白菜Brassicarapa(AA，X=10，2n=20)、黑芥菜B.nigra(BB，X=8，2n=16)和甘藍B.Oleracea(CC，X=9，2n=18)，其中白菜組在演化過程中最原始，芥菜組較進化，甘藍組為最近分化出來的物種，進化程度相對最高。甘藍型油菜大約在7500年前由白菜和甘藍自然雜交形成，是非?！澳贻p”的多倍體植物，其基因組為AACC(2n=38)。菌核病是甘藍型油菜三大病害(菌核病、霜霉病、病毒病)之首，是由真菌核盤菌(Sclerotiniasclerotiorum(Lib.)de Bary)侵染引起的一種嚴重危害油菜產(chǎn)量和品質的廣譜性病害，抗菌核病油菜育種是油菜育種的重要目標，抗源篩選對抗病育種非常重要。研究表明，甘藍型油菜比白菜型油菜對菌核病的抗性強[1]。目前，抗菌核病油菜分子標記輔助育種還未在實踐中應用，在大豆中首次報道P5CR(pyrroline-5-carboxylate reductase，吡咯林-5-羧酸還原酶)基因與菌核病抗性強關聯(lián)[2]，在油菜中關于P5CR基因方面的研究還未見報道。P5CR是真核生物中存在的一種重要管家蛋白，催化鳥氨酸、精氨酸和谷氨酸途徑的中間代謝產(chǎn)物P5C(Δ1-pyrroline-5-carboxylate，吡咯啉-5-羧酸)成為脯氨酸，是脯氨酸生物合成的最后一個酶。植物中，脯氨酸參與了蛋白質與細胞壁的合成，在植物抗?jié)B透脅迫調節(jié)中起著非常重要的作用。大量研究表明，在高鹽和干旱脅迫下，植物體內(nèi)脯氨酸積累較多，同時涉及脯氨酸生物合成的相關基因表達變化較明顯[3-9]。P5C能夠產(chǎn)生活性氧而導致或促進細胞凋亡，研究表明如果把擬南芥中的P5CR基因敲除會導致植株胚胎死亡[10]，而脯氨酸恰好相反，是生物體內(nèi)一種重要的非酶類抗氧化劑，對抗細胞凋亡起著重要的作用，并且對細胞內(nèi)的氧化還原電位也有一定的影響，這種氧化還原悖論與動物的能量代謝及人類許多疾病也有關[11-15]。研究發(fā)現(xiàn)，當使用殺蟲劑三唑磷對雌性褐飛虱用藥第3天后，雌性褐飛虱轉錄水平上調的6個候選基因中包括P5CR[16]，說明P5CR在動物中與抗逆性也相關。通過已經(jīng)報道的在植物中克隆的P5CR基因分析表明，不同物種中的P5CR基因結構有較大區(qū)別[17]。隨著全基因組分析技術的發(fā)展和蕓薹屬基因組數(shù)據(jù)的公布，研究發(fā)現(xiàn)同一屬內(nèi)某個基因家族中的每個基因也可能各自具有不同的表達調控模式[18]，對某個基因家族內(nèi)每個基因的生物信息學分析比較，可以為家族內(nèi)具體基因的深入研究提供選擇參考。

1 方法

1.1 蕓薹屬AC亞基因組中P5CR基因家族鑒定

為了準確而全面地鑒定到蕓薹屬3個基本物種的P5CR基因，使用：(1)利用擬南芥(http：//www.arabidopsis.org/)P5CR基因(AT5G14800.1)的CDS編碼序列(Coding sequence)作為種子序列，在蕓薹屬數(shù)據(jù)庫(https：//brassicadb.org/)對白菜、甘藍和甘藍型油菜基因組CDS序列進行Blastn同源比對(Evalue=0)；(2)用擬南芥的P5CR蛋白序列作為種子序列在Pfam數(shù)據(jù)庫(http：//pfam.xfam.org/)中獲得P5CR結構特征域的HMM profile文件，對白菜、甘藍和甘藍型油菜基因組的蛋白序列進行Blastp同源搜索(Evalue=10-37)。用以上兩種方法獲得的同源序列再使用SMART軟件(http：//smart.emblheidelberg.de/)進一步鑒定蕓薹屬AC亞基因組中的P5CR候選基因。

1.2 P5CR基因家族啟動子區(qū)域順式作用元件分析

為了進一步研究蕓薹屬AC亞基因組中P5CR基因家族功能，綜合分析后決定從蕓薹屬基因組數(shù)據(jù)文件中提取P5CR基因上游2000 bp區(qū)域作為啟動子序列[19]，利用在線軟件Plant CARE(http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)[20]分析脅迫響應、激素響應、光響應和植物生長發(fā)育等順式作用元件，并用R語言中ggplot2作圖。

1.3 P5CR基因家族的理化性質分析

采用在線軟件ProtParam(https：//web.expasy.org/protparam/)[21]預測P5CR基因家族蛋白質的理論分子量(molecular weight，Mw)、等電點(theoretical，pI)、GRAVY(grand average of hydropathy)等。NetPhos3.1(http：//www.cbs.dtu.dk/services/NetPhos/)[22]分析蛋白質磷酸化。

1.4 P5CR基因家族的系統(tǒng)發(fā)育與同線性分析

用MEGA11(https：//www.megasoftware.net/index.php)[23]進行UPGMA法構建CesA蛋白進化樹，Bootstrap檢驗(重復次數(shù)500)。利用在線軟件Syntenic(http：//brassicadb.org/brad/searchSynteny.php)進行P5CR基因家族同線性分析，基因密度大的為LF，次之的為MF1，最小的為MF2。

1.5 P5CR基因家族二級結構預測與磷酸化位點分析

使用在線軟件Swiss_Model(https：//www.expasy.org/structural_bioinformatics)[24]分析P5CR二級結構。

通過Pfam分析，將候選基因匹配的P5CR結構域區(qū)段提取出來。利用Clustal Omega進行序列比對，并利用在線工具WebLogo3(http：//weblogo.threeplusone.com/create.cgi)[25]繪制出結構域logo圖，調查結構域序列特征及其保守氨基酸出現(xiàn)情況。

采用在線軟件MEME(http：//meme.nbcr.net/meme/cgi-bin/meme.cgi)[26]分析P5CR基因家族蛋白質序列中特征性motif，并利用Weblogo3繪制出logo圖。

2 結果與分析

2.1 蕓薹屬P5CR基因鑒定

蕓薹屬AC亞基因組P5CR基因家族鑒定結果(見表1)表明，在白菜基因組中獲得兩條序列，位于A03和A10染色體上，分別命名為Bra006270和Bra008735；在甘藍基因組中獲得兩條序列，位于C03和C09染色體上，分別命名為Bol034305和Bol030409。在甘藍型油菜A亞基因組中獲得兩條序列，位于A03和A10染色體上，分別命名為GSBRNA2T00130008001和GSBRNA2T00135564001；C亞基因組中獲得兩條序列，位于C03和C09染色體上，分別命名為GSBRNA2T00140419001和GSBRNA2T00031643001。蕓薹屬AC亞基因組中P5CR基因的CDS序列除Bra006270(1323 bp)外都為831 bp，且都有7個外顯子。

表1 蕓薹屬AC亞基因組中P5CR基因家族的基因信息

2.2 P5CR基因家族啟動子區(qū)域順式作用元件分析

順式作用元件分析如圖1所示，結果顯示除了甘藍型油菜A亞基因組上的P5CR基因(GSBRNA2T00135564001)沒有預測到核心啟動子/轉錄因子結合位點外，其余P5CR基因都預測到順式作用元件，在所有預測到順式作用元件的P5CR基因家族啟動子序列中都發(fā)現(xiàn)了光響應(CACGTT、GGTTAAT、ATTAAT)和茉莉酸甲酯的順式作用元件(CGTCA、TGACG)。其次為脫落酸(ACGTG)和缺氧響應元件(AAACCA)。再次為赤霉素反應元件(TCTGTTG、CCTTTTG、TATCCCA)，另外還有生長素(TGTCTC、TGACG)的順式作用元件、干旱響應元件(CAACTG)、防御與應激相關順式作用元件(如GAAAAA、GTTTTCTTAC、GTTAGTT和ATTCTCTAAC)和胚乳表達順式作用元件(TGAGTCA)。僅在Bol030409中發(fā)現(xiàn)參與低溫響應元件(CCGAAA)。僅在GSBRNA2T00130008001中發(fā)現(xiàn)參與水楊酸元件(TCAGAAGAGG)。僅在Bra008735中發(fā)現(xiàn)參與玉米醇溶蛋白代謝調節(jié)元件GATGA(C/T)(A/G)TG(A/G)、GTTGACGTGA。僅在Bra006270中發(fā)現(xiàn)參與調控種子發(fā)育的作用元件CATGCATG。說明蕓薹屬AC亞基因組P5CR基因家族除參與光調控通路外，主要參與宿主的防御和逆境脅迫。

圖1 蕓薹屬AC亞基因組P5CR基因上游2000 bp啟動子元件

2.3 蕓薹屬AC亞基因組P5CR基因家族的系統(tǒng)發(fā)育與同線性分析

為進一步探究蕓薹屬AC亞基因組P5CR基因家族成員在基因組間和基因組內(nèi)的進化關系，構建擬南芥、白菜、甘藍及甘藍型油菜P5CR蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2)，結果顯示P5CR基因家族共形成3個分支。第I類有4個基因，包括Bol034305、GSBRNA2T00140419001、Bra006270和GSBRNA2T00130008001；第II類有2個基因，為Bra008735和GSBRNA2T00135564001；第III類有2個基因，為Bol030409和GSBRNA2T00031643001。親緣關系最近的為甘藍C亞基因組的Bol034305(Chr.03)與甘藍型油菜C亞基因組的GSBRNA2T00140419001(Chr.03)，為同一個基因，說明其在進化過程中沒發(fā)生蛋白序列的改變。其次為白菜A亞基因組的Bra006270(Chr.A03)和甘藍型油菜A亞基因組的GSBRNA2T00130008001(Chr.A03)，白菜A亞基因組的Bra008735(Chr.A10)和甘藍型油菜A亞基因組的GSBRNA2T00135564001(A10)，甘藍C亞基因組的Bol030409(Chr.C09)和甘藍型油菜C亞基因組的GSBRNA2T00031643001(Chr.C09)。關系最遠的為Bra006270和AT5G14800.1，說明擬南芥的P5CR基因最先和白菜組P5CR基因分開。

圖2 P5CR蛋白序列系統(tǒng)進化樹

由于蕓薹屬的3個二倍體基因組和擬南芥基因組來源于相同的二倍體原始基因組，通過對擬南芥、白菜、甘藍和甘藍型油菜的同線性分析(見表2)，結果表明，擬南芥P5CR(AT5G14800.1)在蕓薹屬白菜中有2個同源基因，甘藍中有2個同源基因，在甘藍型油菜中有4個，A、C亞基因組上各有2個，這些同源基因位于LF區(qū)或MF區(qū)。

表2 擬南芥P5CR基因在白菜、甘藍和甘藍型油菜共線性區(qū)的同源基因

2.4 P5CR家族基因蛋白理化性質分析

利用在線軟件Plant-mPLoc(http：//www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/plant-multi/)對蕓薹屬AC亞基因組中鑒定的P5CR蛋白進行亞細胞定位分析，發(fā)現(xiàn)該蛋白均定位于細胞質。使用ProtParam在線分析工具對P5CR蛋白進行理化性質分析(見表3)，結果表明，蕓薹屬AC亞基因組中的白菜組P5CR蛋白均包含20種常見氨基酸。蛋白序列長度最長的為440個氨基酸(Bra006270)；其次為326個(Bol030409)，剩余全為276個。分子量最大的為47233.01(Bra006270)，最小為28624.09(Bra008735)；等電點(pI)最高為9.02(Bol030409)，最低為6.00(Bol034305、GSBRNA2T00140419001)；不穩(wěn)定性系數(shù)最大為37.77(Bra006270)，最小為34.58(Bol034305、GSBRNA2T00140419001)，8個P5CR均為穩(wěn)定蛋白(<40)；脂肪族氨基酸系數(shù)最大為98.59(AT5G14800.1)，最小為84.43(Bra006270)；帶負電荷氨基酸殘基數(shù)(Asp/Glu)最大值為43(Bra006270)，最小值為28(GSBRNA2T00031643001)，帶正電荷氨基酸殘基數(shù)(Arg/Lys)最大值為43(Bra006270)，最小值為26(Bol034305、GSBRNA2T00140419001)。親疏水性分析發(fā)現(xiàn)肽鏈總體均表現(xiàn)為疏水性(正值)，疏水性系數(shù)最大為0.180(Bra008735)，最小為0.021(Bra006270)，可見這些P5CR蛋白雖然均表現(xiàn)為疏水性，但疏水性強弱差異較大。

表3 蕓薹屬AC亞基因組P5CR蛋白的理化性質

從蕓薹屬AC亞基因組P5CR蛋白氨基酸組成(見圖3)可以看出，P5CR蛋白在氨基酸組成上差異很小，各種氨基酸的含量在P5CR蛋白之間的變化不大。Ala含量最高，其次為Val，表明P5CR蛋白由大量疏水性氨基酸殘基組成，使其表現(xiàn)出較強的疏水性。Cys在白菜組中含量很低，甘藍組和油菜組中不含半胱氨酸(Cys)。均不含有稀有氨基酸吡咯賴氨酸(Pyl)和硒代半胱氨酸(Sec)。

圖3 蕓薹屬AC亞基因組P5CR蛋白氨基酸組成

2.5 二級結構預測與磷酸化位點分析

蛋白質的二級結構是連接一級和高級結構的重要紐帶和橋梁，它為高級結構分析奠定了基礎。對P5CR蛋白的二級結構進行分析(見表4)，發(fā)現(xiàn)P5CR蛋白主要由α-螺旋、無規(guī)則卷曲、β-折疊和β-轉角4種結構組成，α-螺旋和無規(guī)則卷曲為主要二級結構元件，分別平均占46.13%和38.21%，β-折疊所占比例較少(平均值15.67%)，與人源P5CR蛋白的二級結構比例相似。

表4 P5CR蛋白二級結構預測

蛋白質磷酸化是生物體內(nèi)普遍存在的一種重要活性調節(jié)機制。使用NetPhos 3.1軟件對蕓薹屬AC

表5 P5CR蛋白的磷酸化位點分析

亞基因組中P5CR蛋白的磷酸化位點進行分析(見表5)，結果發(fā)現(xiàn)白菜、甘藍和甘藍型油菜的P5CR均具有多種不同的磷酸化位點。其中，絲氨酸磷酸化位點(Ser)最多為38個(Bra006270)，最少為15個(Bol034305、GSBRNA2T00140419001)；蘇氨酸磷酸化位點(Thr)最多為16個(Bra006270)，最少為7個(Bra008735、GSBRNA2T00130008001)；酪氨酸磷酸化位點(Tyr)變化較小，只有Bra006270具有2個，其余都為1個。說明P5CR蛋白的磷酸化主要以絲氨酸和蘇氨酸磷酸化為主。

通過Pfam提取P5CR基因結構域區(qū)段，得到每個基因的特征結構域范圍(見表1)。利用Clustal Omega進行序列比對后，發(fā)現(xiàn)其保守結構域區(qū)段長度約為105個氨基酸。采用WebLogo3繪制出的結構域logo圖(見圖4)，P5CR-Dimer Motif為高度保守motif，只在3個位點有多態(tài)性(18位、41位和100位)。

同時通過MEME進行全蛋白的motif分析，基于最大期望值(EM)算法識別motif(見圖5)。按P<0.01標準，在P5CR基因內(nèi)共找到8個motif區(qū)段，motif 1—motif 4具有50個氨基酸殘基，位于81～130個氨基酸之間，Bra006270從第245個氨基酸開始。Motif 5具有21個氨基酸殘基，位于133～153個氨基酸之間，Bra006270從第297個氨基酸開始。Motif 6和Motif 7為15個氨基酸殘基，位于66～80個氨基酸之間，Bra006270從第230個氨基酸開始。Motif 8為11個氨基酸殘基，位于1～11個氨基酸之間，Bra006270從第165個氨基酸開始。8個P5CR基因都含有motif 1—motif 8。

圖4 P5CR-dimer結構域

圖5 各蛋白質motif序列和分布

3 討論

植物基因家族擴張主要通過全基因組加倍和基因串聯(lián)重復兩種方式，P5CR基因在不同植物中的拷貝數(shù)差異較大，但在不同植物中非常保守[17，27]，本研究也表明蕓薹屬AC亞基因組在演化過程中，P5CR基因數(shù)目及其特征穩(wěn)定，可能在不同植物中P5CR具有相同的基因功能。

對蕓薹屬AC亞基因組上的P5CR基因啟動子區(qū)的預測表明，該基因除含有轉錄增強因子外，還含有與誘導表達相關的順式作用元件，如光響應、激素響應、脅迫響應和植物生長發(fā)育等順式作用元件。在植物防御反應中，有大量轉錄因子的參與，而茉莉酸甲酯在大部分情況下誘導這些轉錄因子轉錄，這與本研究鑒定到的8個P5CR基因都預測到茉莉酸甲酯、脅迫應激等反應順式元件相互印證，也與前人報道的該基因為轉錄水平調控吻合。

研究顯示來源于進化程度更高的C亞基因組上的P5CR基因啟動子區(qū)域具有干旱、低溫等應答應激的順式元件，而A亞基因組上的P5CR基因啟動子區(qū)域沒有。系統(tǒng)發(fā)育樹表明，同為十字花科的擬南芥中的P5CR基因最先和白菜型油菜中的P5CR基因分開，也驗證了A亞基因組在蕓薹屬演化過程中為最原始。

P5CR基因參與植物滲透脅迫的報道很多，但與植物病原菌脅迫關聯(lián)的報道只出現(xiàn)在大豆中[28]。大豆中與菌核病抗性強關聯(lián)的P5CR基因(Glyma-03gl29100)同源比對到甘藍型油菜中的A10和C09染色體上，而A10染色體上的P5CR基因2000 bp啟動子區(qū)域沒有預測到順式作用元件，可能A10上的P5CR基因為一個假基因，而C09上的P5CR預測出啟動子區(qū)含有HNF-1、INF.1、TCR-beta_decamer、c-fos_US5、beta-pol_CS、EivF/CREB、EivF、ATF、CREB、GCF、TFIID、TATA等元件。其中ATF(活化轉錄因子)以3次且權重最高被預測到；CREB被3次預測到，它能刺激基因轉錄，被稱為轉錄增強因子。綜上，本研究通過對蕓薹屬AC亞基因組P5CR基因家族的生物信息學分析，可以為深入研究該屬植物P5CR基因家族的功能和調控機制提供基礎數(shù)據(jù)。