水稻DA1基因的生物信息學分析

李愛芹　李利斌　方志軍　劉國明

摘要：本文采用比較基因組學和生物信息學的方法，首次從水稻基因組中鑒定出一個與擬南芥控制種子和器官大小的基因DAI同源的基因，命名為OsDAl，并對這個基因的序列特征、編碼蛋白的結構域、順式元件以及遺傳進化進行了分析。結果表明，OsDAl編碼的蛋白具有LIM結構域、泛素互作位點和鋅指結構域，與擬南芥DAl蛋白的結構一致，推測二者在控制器官發育上具有類似的功能。本研究還發現，在水稻OsDAl基因的啟動子區存在多個響應不同激素和逆境信號的順式元件，但這些元件的類型與擬南芥DAl基因的順式元件有所不同，OsDAl與AtDAl可能在表達調控上有所不同；OsDAl基因不僅能夠控制種子等器官的大小和發育，而且還可能與植物的激素信號轉導和逆境響應有關。本文為下一步研究OsDAl在水稻生長發育和逆境響應中的功能以及與水稻雜種優勢的關系奠定了基礎。

鍵詞：水稻；DAl；結構；順式元件；遺傳進化

中圖分類號：Q754文獻標識號：A文章編號：1001—4942(2009)08—0005—04

植物器官大小特別是經濟產量部分器官的大小是影響植物產量的重要因素和衡量植物雜種優勢的重要指標。近年來。多個控制植物器官大小的基因被克隆并得到功能驗證，如馬鈴薯的EBPl，擬南芥中控制器官大小和發育的基因KLUH、ARF2、AP2、ANT、BB等，水稻中控制抽穗期和穗粒數的基因GDH7，影響種子大小的基因GW2、GIFI和GW5。李云海等(2008)克隆了一個最終控制種子和器官大小的擬南芥基因DAl(AtDAl)。AtDAl編碼一個含有LIM結構域和C3HCA鋅指結構域的泛素受體，該基因突變后植株的種子和器官明顯增大。另外，AtDAl受脫落酸(Abseisie acid，ABA)的誘導表達，而ABA在植物逆境應答過程中具有重要功能。

本文利用比較基因組學和生物信息學的方法首次從水稻基因組中鑒定出一個AtDAl的同源基因，并對這個基因的序列特征、編碼蛋白的結構域、順式元件和進化進行了系統分析，為下一步研究它在水稻生長發育中的功能以及與水稻雜種優勢的關系奠定了基礎。

1材料與方法

以擬南芥的DAl基因和蛋白序列為誘餌，通過各種序列比對(BlastN，tblastn和BlastX)在NC—BI數據庫中搜索水稻的同源基因序列。利用基因組序列解析得到編碼區序列，并在數據庫中進行手工比對和分析。根據基因組序列和編碼區序列的信息，顯示基因的外顯子一內含子結構，并解析得到啟動子區序列和預測編碼的蛋白序列。然后利用PLANTCARE對啟動子序列中的順式元件進行預測，利用PlantsP Feature Scan對蛋白進行結構域預測和分析，利用Mega4，1進行OsDAl的遺傳進化分析，采用Bootstrap—neighbour Joining算法，重復500次運算。

2結果與分析

2.1水稻DAI基因的鑒定和特征分析

通過比對，從水稻(粳稻)基因組中得到了一個與擬南芥DAl同源的基因，命名為OsDAl，其編碼區為1 461 bp，相應的基因組序列為6 501bp，預測編碼一個含有486個氨基酸殘基、分子量為55.15 ku的蛋白，與擬南芥DAl蛋白的序列一致性為61.05％。這個基因位于水稻6號染色體的BAC克隆AP007226中，與粳稻Os06g8400位點的基因序列(38204～44704)一致，含有11個外顯子，其外顯子和內含子的結構如圖1所示。

2.2水稻DAl基因的順式元件分析

通過分析啟動子及其上游序列中的順式元件可以預測基因的功能。因此，本文在得到Os-DAI的基因組序列以后，取起始密碼子ATG上游2000 bp的序列進行順式元件分析，結果(見表1)顯示，在OsDAl起始密碼子上游2000 bp的范圍內共有10類響應不同激素信號和逆境的順式元件，包括脫落酸響應元件ABRE，赤霉素響應元件GARE，茉莉酸甲酯響應元件CGTCA，水楊酸響應元件TCA，生長素響應元件TGA，熱激應答元件HSE，冷脅迫響應元件LTR，富含TC的逆境響應元件，與防衛反應有關的順式元件w—box和Box—W1。同時，對擬南芥DAl啟動子區的分析也發現了多個響應不同逆境和激素信號的順式元件(見表2)，但二者明顯有所不同。OsDAl擁有的冷脅迫響應元件LTR、茉莉酸甲酯響應元件CGTCA、赤霉素響應元件GARE和真菌激發子響應元件Box—W1及防衛響應元件w—box在擬南芥DAl基因的相應啟動子區域不存在，這說明二者存在功能上的分化。但ABA響應元件ABRE在水稻和擬南芥DAl基因啟動子中都存在，這與擬南芥DAI受ABA的誘導表達相一致，可能是ABRE的存在決定了DAl基因受ABA誘導表達。此外，水稻和擬南芥的DAl基因都擁有順式響應元件HSE、TCA、TGA、TC—rich。說明這兩個基因可能都能響應熱脅迫、水楊酸、生長素和生物逆境信號。植物激素脫落酸、水楊酸、茉莉酸甲酯在植物的生長發育和逆境響應中具有重要功能。這些激素響應元件及不同逆境響應元件的存在，說明植物DAl基因可能不僅與種子和器官發育有關，還與植物激素信號轉導以及逆境響應存在密切關系，值得深入研究。

2.3水稻DAl基因編碼蛋白的結構域分析和進化分析

分析結果顯示，OsDAl蛋白含有兩個泛素互作基序，一個家族特有的LIM結構域，一個zf—C3HCA和PHD—finger結構域，一個鋅離子結合區，和七個潛在的豆蔻酰化位點。這說明DAl蛋白具有轉錄因子LIM蛋白和鋅指蛋白的結構特征，可以通過和下游基因的順式元件結合來調節下游基因的表達。另外，DAl蛋白的自身調節可能與泛素途徑有關，而且還與豆蔻酰化有關。推測OsDAl蛋白可能作為負調控的轉錄因子來調控細胞分裂的過程，從而影響種子和器官的發育及大小。

利用AtDAl和OsDAl蛋白的LIM結構域序列與粳稻基因組中LIM家族的其它基因進行進化分析(見圖2)，發現OsDAl是AtDAl的直系同源基因，另外它和水稻3號染色體上的一個基因Os03g16090關系最近，但是二者序列差異較大(蛋白序列一致性只有54.19％)，可能在功能上有所不同。

3結論與討論

本文通過比較基因組學和生物信息學的方法從水稻基因組中鑒定出一個與擬南芥DAl直系同源的基因OsDAI。OsDAl蛋白具有LIM家族和鋅指蛋白的結構特征，而且還有和泛素互作的位點，可能具有和AtDAl相似的功能。另外，本研究還發現，在水稻和擬南芥DAl基因的啟動子序列中存在多個能夠響應不同激素(如脫落酸和水楊酸)和逆境信號(如熱脅迫、干旱脅迫、和病原物等)的順式元件，而且二者擁有的順式元件的種類明顯不同，這說明它們在表達調控和功能上有所分化。綜上所述，水稻和擬南芥DAl基因不僅與種子和器官發育有關，而且可能與激素信號轉導和逆境響應存在密切關系。水稻DAl基因對不同逆境和激素信號的響應模式，以及在不同組織器官和發育時期的表達情況值得深入探討。