兩個大白菜FT基因的生物信息學解析

摘 要:本文利用比較基因組學的方法從大白菜的基因組中解析出兩個成花素基因BrFT1和BrFT2，并對這兩個基因的結構、順式調控元件以及遺傳進化進行了分析。結果表明，BrFT1和BrFT2都含有4個外顯子，編碼區大小均為528 bp，二者預測編碼蛋白的序列一致性為90.29%， 說明這兩個基因序列存在某種程度的分化。進化分析表明這兩個基因應為擬南芥FT和TSF基因的直系同源基因。另外，這兩個基因都含有響應激素和逆境信號的順式調控元件，而且不盡相同，說明這兩個基因的表達調控有所不同，可能在功能上存在一定分化。本研究為進一步揭示大白菜FT基因在開花和逆境響應中的功能奠定了基礎。

關鍵詞:大白菜; FT基因; 生物信息學分析

中圖分類號:Q754;S634.1 文獻標識號:A 文章編號:1001-4942(2010)03-0001-05

開花是植物一個極其重要的性狀，它影響農作物的生育期進而影響產量和品質。通過對模式植物擬南芥的研究，明確植物中存在多條控制開花的途徑，其中包括自主開花途徑、光周期途徑、春化途徑、GA合成和信號轉導途徑等促進開花途徑，還有抑制開花的途徑;多種途徑相互作用，共同作用于下游的整合因子(如FT、SOC1和LEAFY)，控制植物的開花性狀[1～4]。自主開花途徑中的基因有FCA、FY、FVE、FPA、FLK、FLM和LD，它們表達的結果是抑制開花抑制基因FLC的表達，從而使植物在任何光照條件下只要給予足夠時間就能開花。光周期途徑比較復雜，包括光照時間、光照強度、生物鐘節律對開花的影響，最終表現為長日促進開花，短日抑制開花。在這條途徑中主要基因有CO、CRY2、GI、FWA、FT等，它們最終主要是通過增強CO和FT的表達從而促進開花[4，5]。春化途徑主要是通過低溫的累積活化VRN1、VRN2、VIN3的表達，使開花抑制基因FLC附近的組蛋白去乙?；图谆瑥亩种坪完P閉FLC的表達，促進開花[3，6]。這個過程還涉及到異染色質蛋白HP1、HP1同源基因LHP1及PAF1復合蛋白的表達。另外還存在不依賴FLC的春化反應途徑，通過抑制FLM/MAF1和MAF4的表達而起作用。在激素途徑中GA對開花的促進作用最明顯，研究得最多[7]，它主要是通過促進SOC1和LEAFY的表達起作用。各種調控開花的信號最終通過作用于控制花發育的基因AP1/2、FUL、CAL和LFY的表達，決定植物的開花進程。在此過程中CO和FT的表達產物可以作為誘導開花的信號物質被從葉片運輸到莖生長點誘導植物的開花[8～11]?？刂崎_花的成花素基因在番茄、水稻、小麥中也得到了研究[12～14]。 此外，miRNA和SUMO也參與了開花時間的調控[15～17]。

Li 等(2005)[18]克隆了大白菜的FLC基因，并對它的特征進行了分析。Kim等(2006)[19]通過轉基因研究也驗證了大白菜FLC同源基因在擬南芥和蕓薹中延遲開花的作用。夏廣清等(2007)[20]通過抑制LFY的表達得到了晚抽薹的大白菜轉基因植株。另外，中日學者分別用集群分離法和DH群體對大白菜和不結球白菜的耐抽薹性狀進行了QTL定位，找到了與耐抽薹性緊密連鎖的分子標記[21～23]。中國的學者在大白菜耐抽薹性指標鑒定、生理研究及耐抽薹品種選育等方面做了許多有益的工作[24～26]。 但是對大白菜開花和耐抽薹分子生物學研究不多，有關大白菜控制開花的關鍵基因FT的研究還未見報道。

大白菜是我國重要的蔬菜作物，選育耐抽薹的大白菜品種具有重要的生產意義。本文利用比較基因組學的方法，從大白菜基因組中鑒定出兩個控制開花的FT基因序列，并對它們的基因結構、啟動子順式元件及其進化進行了分析，為下一步大白菜耐抽薹分子育種提供了有益的目的基因。

1 研究方法

利用擬南芥的LEAFY(AtLFY)基因序列在GenBank中搜索相應的大白菜基因組序列(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)，根據內含子的邊界特征解析得到編碼區序列。根據基因組序列得到上游啟動子區的序列，并對啟動子序列中的順式反應元件進行預測分析(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html)。遺傳進化分析利用MEGA4.1來進行，采用Bootstrap test-Neighbor Joining 方法，重復500次運算。

2 結果與分析

2.1 大白菜FT基因的鑒定和進化分析

擬南芥的FT基因是控制開花時間的關鍵基因，它編碼的mRNA和蛋白可以從葉子運輸到莖的頂端生長點，作為成花素促進植物開花。它與其姊妹基因TSF在功能上存在冗余[27]。本文利用比較基因組學的方法從大白菜的基因組中鑒定出兩個擬南芥FT基因的相似序列，分別命名為BrFT1和BrFT2，并對這兩個基因的特征進行了分析(見表1)。這兩個基因分別位于大白菜基因組克隆CU984555和AC189443中，都含有4個外顯子，而且這兩個基因4個對應外顯子的大小基本一致。BrFT1和BrFT2的編碼區均為528 bp，但基因組序列大小有所不同， BrFT1為2 392 bp，BrFT2為2 491 bp。BrFT1與BrFT2編碼蛋白的序列一致性為90.29%， 它們與AtFT蛋白的序列一致性分別為81.71%和85.71%。亞細胞定位預測結果表明，BrFT1可能定位在細胞質中，而BrFT2可能定位在葉綠體中。遺傳進化分析表明，BrFT1、BrFT2、AtFT、AtFT的姊妹基因AtTSF和白芥的FT基因SaFT同屬一個類群， 其中BrFT1與SaFT關系最近，二者蛋白序列一致性為94.86%， 而BrFT2與SaFT的序列一致性為88.57%，BrFT1和BrFT2與AtTSF的序列一致性分別為82.29%和85.14%。因此，大白菜的FT基因BrFT1和BrFT2應為擬南芥FT的直系同源基因。

2.2 大白菜FT基因的順式調控元件

為研究大白菜FT基因的功能和表達調控，作者對兩個大白菜FT基因的順式元件進行了預測分析(見表2)。BrFT1含有脫落酸應答元件ABRE、熱脅迫應答元件HSE、水楊酸應答元件TCA-element、生物鐘調控元件Circadian， 還有與防衛和抗病反應相關的元件Box-W1、TC-rich repeats及WRKY結合位點W box;BrFT2含有的順式元件較少，只有乙烯應答元件ERE、水楊酸應答元件TCA-element和防衛反應相關元件TC-rich repeats。另外，通過分析發現在擬南

芥FT、TSF和水稻成花素Hd3a基因的上游序列中也存在多個激素和逆境響應元件(見表3)。 這些結果說明植物的FT基因可能不僅與開花有關，還與逆境響應存在一定關系。另外，BrFT1和BrFT2順式調控元件的差異預示二者的表達調控有所不同，在功能上有所分化。

3 討論與結論

植物開花早晚影響其生育期的長短，從而影響個體的生物量和種子產量及其品質。FT基因是重要的成花素基因，其表達產物能夠從葉片運輸到莖的頂部生長點誘導植物的開花。本文利用比較基因組學的方法，從大白菜基因組中鑒定出兩個控制開花的FT基因序列，對其基因結構、啟動子順式元件及進化的分析結果表明，它們和擬南芥的FT基因編碼區大小一致。二者的序列一致性高達90.29%， 但二者的基因組序列大小有所不同，基因上游順式調控元件種類明顯不同，說明這兩個基因序列存在一定的分化，有可能在功能上不盡相同。BrFT1和BrFT2編碼蛋白亞細胞定位預測的結果不同，也說明它們在功能上存在分化。另外，比較分析大白菜FT基因與擬南芥FT、TSF基因及水稻成花素基因Hd3a的順式元件發現，能夠響應激素信號和逆境信號的順式元件在這些基因的上游序列中普遍存在，說明植物的FT基因與逆境應答也存在某種關系，可能是環境通過影響FT基因的表達從而影響植物的開花。進一步研究大白菜FT基因在開花中的功能以及與逆境應答的關系對于大白菜的分子育種改良具有重要意義。

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