C₃和C₄植物中PEPC的生物信息學(xué)分析

摘要：ＰＥＰＣ是Ｃ４光合途徑中的關(guān)鍵酶之一，為研究Ｃ３和Ｃ４植物ＰＥＰＣ功能上的差異，利用一系列的生物信息學(xué)軟件分別分析了４種Ｃ３和Ｃ４植物ＰＥＰＣ基因編碼蛋白的氨基酸組成、等電點(diǎn)、結(jié)構(gòu)域、二級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，并進(jìn)行兩類植物蛋白質(zhì)的比對。結(jié)果表明，ＰＥＰＣ基因編碼蛋白為不穩(wěn)定蛋白質(zhì)；二級結(jié)構(gòu)主要是以無規(guī)則卷曲為主。同時(shí)揭示出Ｃ３和Ｃ４植物ＰＥＰＣ存在一定差異。用ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ的建模服務(wù)器進(jìn)行ＰＥＰＣ結(jié)構(gòu)的三維建模，預(yù)測得到一個(gè)同源性較高的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)１ＪＱＯ ｃｈａｉｎ Ａ，同源性為９９．７％，從而構(gòu)建目標(biāo)序列的三級結(jié)構(gòu)。利用ＰＲＯＣＨＥＣＫ對建模結(jié)果進(jìn)行檢測，模擬得到的玉米ＰＥＰＣ蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的氨基酸殘基有９４．２％位于Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ點(diǎn)圖中合理區(qū)域，模擬得到的玉米ＰＥＰＣ的三維結(jié)構(gòu)是可靠的。

關(guān)鍵詞：Ｃ３植物；Ｃ４植物；ＰＥＰＣ；生物信息學(xué)

中圖分類號：Ｑ９４５．１１；Ｑ６１７文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）12－2558-05

Bioinformatic Analysis of PEPC in C3 and C4 Plants

ＷＵ Ｍｅｉ１，２，ＺＨＡＮＧ Ｂｉａｎ－ｊｉａｎｇ１，ＹＡＮＧ Ｐｉｎｇ１，ＷＡＮＧ Ｒｏｎｇ－ｆｕ２，ＣＨＥＮ Ｑｕａｎ－ｚｈａｎ１

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｘｉａｏｚｈｕａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１７１，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ａｎｈｕｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃ３ ａｎｄ Ｃ４ ＰＥＰＣ， ＰＥＰＣ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｃ３ ａｎｄ Ｃ４ ｐｌａｎｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｖａｒｉｏｕｓ ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃ ｔｏｏｌｓ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， pＩ， ｄｏｍａｉｎｓ， ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ａｎｄ ｔｈｅ ＰＥＰＣ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｃ３ ａｎｄ Ｃ４ ｐｌａｎｔｓ ｗｅｒｅ ａｌｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＰＥＰＣ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｗｅｒｅ ｕｎｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｓｏｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＰＥＰＣｓ ｏｆ Ｃ３ ａｎｄ Ｃ４ ｐｌａｎｔｓ． Ａ ｈｉｇｈｌｙ ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ（９９．７％） ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄａｔａ １ＪＱＯ ｃｈａｉｎ Ａ ｗａｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ＰＥＰＣ ｂｙ ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ， ｔｈｕｓ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｄ ｔｈｅ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｓｅｑｕｅｎｃｅ． Ｔｈｅ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｚｅａ ｍａｙｓ ＰＥＰＣ was ｆｕｒｔｈｅｒ ｃｈｅｃｋｅｄ ｂｙ ＰＲＯＣＨＥＣＫ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒ， ａｎｄ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ９４．２％ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｒｅｓｉｄｕｅｓ were ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｆａｖｏｒｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ ｉｎ Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ ｐｌｏｔ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｚｅａ ｍａｙｓ ＰＥＰＣ ｗａｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃ３ ｐｌａｎｔ； Ｃ４ ｐｌａｎｔ； ＰＥＰＣ； ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ

與Ｃ３植物相比，Ｃ４植物具有光合效率高、ＣＯ２補(bǔ)償點(diǎn)低、幾乎沒有光呼吸等優(yōu)點(diǎn)，特別在強(qiáng)光、高溫、干旱等條件下，Ｃ４植物具有明顯的生長優(yōu)勢及較高的水分和營養(yǎng)利用率，生物學(xué)產(chǎn)量也較高［１］。Ｃ４途徑包含多種酶類如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（Ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ，ＰＥＰＣ）、ＮＡＤＰ－蘋果酸脫氫酶（ＮＡＤＰ－ｍａｌａｔｅ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ，ＮＡＤＰ－ＭＤＨ）、ＮＡＤＰ－蘋果酸酶（ＮＡＤＰ－ｍａｌｉｃ ｅｎｚｙｍｅ，ＮＡＤＰ－ＭＥ）和丙酮酸磷酸二激酶（Ｐｙｒｕｖａｔｅ ｏｒｔｈｏ－ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｄｉｋｉｎａｓｅ，ＰＰＤＫ）等，這些酶有效地固定外部及其光呼吸釋放的ＣＯ２［２］從而使加氧酶活性受到抑制，降低了氮素的消耗，提高了水分利用率，大大提高了光合生產(chǎn)力［３］。近年來與光合作用途徑相關(guān)的關(guān)鍵酶的基因已分別從玉米、高粱和莧菜等Ｃ４植物中被克隆，并開展了Ｃ４基因的遺傳轉(zhuǎn)化工作［４］。值得注意的是，Ｋｕ等［５］首次成功地將玉米Ｃ４光合途徑的關(guān)鍵酶ＰＥＰＣ基因?qū)耄茫匙魑锼局?，獲得了高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因水稻株，有效地提高了ＰＥＰＣ活性。羅素蘭等［６］和張桂芳等［７］分別克隆了Ｃ４植物甘蔗和稗草ＰＥＰＣ基因并進(jìn)行了功能驗(yàn)證。Ｃｈｅｎ等［８］又成功地將玉米Ｃ４型ＰＥＰＣ基因?qū)胄←溨胁?shí)現(xiàn)有效表達(dá)，展示了轉(zhuǎn)光合關(guān)鍵酶ＰＥＰＣ基因改造Ｃ３作物的應(yīng)用前景。

Ｈｅｒｍａｎｓ［９］在菊科黃花菊屬（Ｆｌａｖｅｒｉａ）中發(fā)現(xiàn)ＰＥＰＣ有Ｃ３型、類似Ｃ３型、類似Ｃ４型、Ｃ３－Ｃ４中間型、Ｃ４型等不同代謝類型，分析它們的ＰＥＰＣ基因，發(fā)現(xiàn)同源性極高，Ｃ４植物ＰＥＰＣ基因與Ｃ３植物ＰＥＰＣ基因有７１％的同源性，由于表達(dá)量不同而活性高低不同。前人的研究表明玉米的ＰＥＰＣ有Ｃ４型、Ｃ３型和根型３種類型［１０］；高粱的ＰＥＰＣ基因家族有３個(gè)成員ＣＰ２１、ＣＰ２８、ＣＰ４６［１１］；Ｆｌａｖｅｒｉａ的ＰＥＰＣ基因家族由ｐｐｃＡ、ｐｐｃＢ和ｐｐｃＣ ３個(gè)亞家族組成［１２］。盡管ＰＥＰＣ也是Ｃ３植物中另一主要羧化酶，為三羧酸循環(huán)補(bǔ)充草酰乙酸起回補(bǔ)反應(yīng)的功能，但以Ｃ３植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，ＰＥＰＣ還不能完成ＣＯ２凈固定直接生成碳水化合物，因?yàn)槿人嵫h(huán)的碳與ＰＥＰC結(jié)合是一種損失，必須在ＣＯ２固定后再進(jìn)入Ｃａｌｖｉｎ循環(huán)。而在Ｃ４和ＣＡＭ植物中，ＰＥＰＣ介導(dǎo)β羧化反應(yīng)，把ＣＯ２固定為草酰乙酸，后轉(zhuǎn)變?yōu)樗奶妓幔郏保常?。在結(jié)構(gòu)上除了Ｎ端有調(diào)節(jié)磷酸化的基團(tuán)外，來源于不同生物的ＰＥＰＣ其反應(yīng)機(jī)制本質(zhì)上是相同的［１４］。但不同來源的ＰＥＰＣ在不同植物體內(nèi)有著不同的生化和生理特性，并致使光合作用產(chǎn)生較大的差異。通過對ＰＥＰＣ進(jìn)行生物信息學(xué)的分析，來進(jìn)行基因的結(jié)構(gòu)和功能的比較，預(yù)測產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和功能的差異，以期為將Ｃ４關(guān)鍵酶轉(zhuǎn)入Ｃ３作物或者通過修飾Ｃ３作物的基因來改造Ｃ３作物，從而有效提高作物的光合生產(chǎn)力。

１材料與方法

１．１供試材料

數(shù)據(jù)資料來源于Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＮＣＢＩ）核酸及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中已注冊的核酸序列及對應(yīng)的氨基酸序列：玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ，ＡＪ５３６６２９）；稗草（Ｅｃｈｉｎｏｃｈｌｏａ ｃｒｕｓ－ｇａｌｌｉ，ＡＹ９９５２１２）；甘蔗（Ｓａｃｃｈａｒｕｍ ｏｆｆｉｃｉｎａｒｕｍ，ＡＪ２９３３４６）；高粱（Ｓｏｒｇｈｕｍ ｂｉｃｏｌｏｒ，ＸＭ＿００２４３８４７６）；擬南芥（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ，ＡＹ２１０８９５）；水稻（Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ，ＡＦ２７１９９５）；棉花（Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ ｈｉｒｓｕｔｕｍ，ＥＵ０３２３２８）；大豆（Ｇｌｙｃｉｎｅ ｍａｘ，ＡＢ００８５４０）。

１．２試驗(yàn)方法

利用生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫和互聯(lián)網(wǎng)上的軟件進(jìn)行分析，用Ｐｒｏｔｐａｒａｍ［１５］分析ＰＥＰＣ基因編碼蛋白的氨基酸序列組成、分子量、等電點(diǎn)等理化性質(zhì)；在ＮＣＢＩ［１６］上對其保守結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析；用ＳＯＰＭＡ［１７］預(yù)測其二級結(jié)構(gòu)；用ＰＲＯＳＩＴＥ［１８］分析蛋白質(zhì)功能；以ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ［１９］程序預(yù)測三級結(jié)構(gòu)；利用檢測蛋白質(zhì)質(zhì)量結(jié)構(gòu)的軟件ＰＲＯＣＨＥＣＫ［２０，２１］對預(yù)測的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

２結(jié)果與分析

２．１ＰＥＰＣ一級結(jié)構(gòu)分析

２．１．１ＰＥＰＣ理化性質(zhì)分析用Ｐｒｏｔｐａｒａｍ預(yù)測ＰＥＰＣ基因編碼的蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)［１５］。這８種植物ＰＥＰＣ的理論推導(dǎo)半衰期為３０ ｈ（體外，哺乳動物的網(wǎng)織紅細(xì)胞內(nèi)）；大于２０ ｈ（體內(nèi)，酵母細(xì)胞內(nèi)）；大于１０ ｈ（體內(nèi)，大腸桿菌）。Ｃ４植物總的帶負(fù)電殘基（Ａｓｐ＋Ｇｌｕ）和總的帶正電殘基（Ａｒｇ＋Ｌｙｓ）略低于Ｃ３植物，總的親水性平均系數(shù)（ＧＲＡＶＹ）平均略高于Ｃ３植物，為－０．４５～－０．３０，預(yù)測該蛋白質(zhì)屬于親水性蛋白質(zhì)。Ｃ４植物不穩(wěn)定參數(shù)低于Ｃ３植物，但兩者均為不穩(wěn)定蛋白質(zhì)。８種植物ＰＥＰＣ蛋白質(zhì)中含量較多的氨基酸基本相同，為Ｌｅｕ、Ｇｌｕ、Ａｒｇ、Ａｌａ。其中排第三和第四的Ａｒｇ和Ａｌａ的含量略有不同，在Ｃ４植物中排第五的為Ｇｌｙ或Ｖａｌ，而Ｃ３植物中則為Ａｓｐ，所有植物都不含有Ａｓｘ（Ｂ）、Ｇｌｘ（Ｚ）、Ｘａａ（Ｘ）。Ｃ４植物酸堿性氨基酸的比例略小于Ｃ３植物。Ｃ４植物中非極性氨基酸、極性氨基酸含量略高于Ｃ３植物（表１）。

２．１．２ＰＥＰＣ氨基酸序列分析利用ＤＮＡＭＡＮ［２２］進(jìn)行多序列比對，比較８種植物的氨基酸序列。參數(shù)選擇：完全比對；多重比對；空位開放罰分：１０；空位延伸罰分：１；延遲趨異序列：３０％；蛋白質(zhì)加權(quán)ＧＯＮＮＥＴ。蛋白質(zhì)空位參數(shù)試用親水罰分和殘基特異罰分。在Ｃ３和Ｃ４植物中不同的氨基酸位點(diǎn)共有２２處，見圖１中用淺色或深色為背景的位點(diǎn)，其中“…”表示省略的氨基酸。據(jù)此將進(jìn)一步研究這些氨基酸位點(diǎn)，觀察造成的空間結(jié)構(gòu)活性區(qū)域有無變化。

２．２ＰＥＰＣ二級結(jié)構(gòu)分析

用ＳＯＰＭＡ對ＰＥＰＣ二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測，ＰＥＰＣ結(jié)構(gòu)元件以α-螺旋、無規(guī)則卷曲為主，延伸鏈和β-折疊散布于整個(gè)蛋白質(zhì)中。沒有發(fā)現(xiàn)如３１０ ｈｅｌｉｘ、Ｐｉ ｈｅｌｉｘ、Ｂｅｔａ ｂｒｉｄｇｅ、Ｂｅｎｄ ｒｅｇｉｏｎ等其他結(jié)構(gòu)（表２）。對于一級結(jié)構(gòu)中Ｃ３、Ｃ４植物不同處，在進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)預(yù)測后，也發(fā)現(xiàn)有３處不同（圖１）。在圖１的陰影中，Ｃ４植物在Ｅ（谷氨酸）與Ｓ（絲氨酸）處表現(xiàn)為ｃ（無規(guī)則卷曲）與ｈ（α-螺旋）的鏈接、Ｃ３植物表現(xiàn)為Ｅ與Ｓ均為ｃ，而之后的Ｓ與Ｄ（天冬氨酸）處為ｃ與ｈ的鏈接。Ｃ４植物在Ｐ（脯氨酸）到Ｖ（纈氨酸）之間均為ｃ的鏈接，Ｃ３植物Ｒ（精氨酸）到Ｖ之間有兩個(gè)ｃ變成了ｅ（延伸鏈），Ｃ４植物在Ｋ（賴氨酸）和兩個(gè)Ｑ（谷氨酰胺）之間是表現(xiàn)為兩個(gè)ｔ（β-折疊）與ｅ的鏈接，而Ｃ３植物ＫＱＥ之間為兩個(gè)ｃ和ｅ的鏈接。分析這些二級結(jié)構(gòu)的不同，為以后的三級結(jié)構(gòu)的比對提供了基礎(chǔ)，還有利于進(jìn)一步去研究是否由于這些位點(diǎn)的不同而造成了ＰＥＰＣ在Ｃ３和Ｃ４植物中的差異。

２．３ＰＥＰＣ氨基酸序列結(jié)構(gòu)域功能的分析

通過ＰＲＯＳＩＴＥ分析，８種植物都具有兩個(gè)符合ＰＥＰＣ活性的位點(diǎn)［ＶＴＩ］－ｘ－Ｔ－Ａ－Ｈ－Ｐ－Ｔ－［ＥＱ］－

ｘ（２）－Ｒ－［ＫＲＨＡＱ］（Ｈ是活性殘基位點(diǎn)）；［ＩＶＬＣ］－Ｍ－［ＬＩＶＭ］－Ｇ－Ｙ－Ｓ－Ｄ－Ｓ－ｘ－Ｋ－［ＤＦ］－［ＳＴＡＧ］－Ｇ（Ｋ是活性殘基位點(diǎn)）和一個(gè)保守序列Ｍ－Ｆ－Ｈ－Ｇ－Ｒ－Ｇ－Ｇ－Ｔ－Ｖ－Ｇ－Ｒ－Ｇ－Ｇ－Ｇ－Ｐ－Ｔ－Ｈ－Ｌ－Ａ－Ｉ－Ｌ－Ｓ－Ｑ－Ｐ－Ｐ－［ＤＥ］－Ｔ－Ｉ－Ｈ－Ｇ－Ｓ－［ＬＰ］－Ｒ－Ｖ－Ｔ－Ｖ－Ｑ－Ｇ－Ｅ－Ｖ－Ｉ－Ｅ－Ｑ－Ｓ－Ｆ－Ｇ－Ｅ－Ｅ－Ｈ－Ｌ。說明這幾種植物中都具有ＰＥＰＣ活性，只是活性位點(diǎn)和保守序列的起始位點(diǎn)有所區(qū)別（表３），這應(yīng)該是和它們的氨基酸序列起始位置有關(guān)。

２．４ＰＥＰＣ的三級結(jié)構(gòu)預(yù)測

將玉米ＰＥＰＣ氨基酸序列上傳到ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ的建模服務(wù)器中進(jìn)行ＰＥＰＣ結(jié)構(gòu)的三維建模，預(yù)測得到一個(gè)同源性較高的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)１ＪＱＯ ｃｈａｉｎ Ａ，同源性為９９．７％，符合同源建模條件，從而構(gòu)建目標(biāo)序列的三級結(jié)構(gòu)（圖２）。

利用ＰＲＯＣＨＥＣＫ對模建結(jié)果進(jìn)行檢測，作Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ點(diǎn)圖，統(tǒng)計(jì)位于最適合區(qū)、附加允許區(qū)、一般允許區(qū)和不允許區(qū)殘基的比率。Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ點(diǎn)圖能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)的主鏈中的ｐｈｉ和ｐｓｉ的二面角角度以圖示的方式顯示。最深色區(qū)域是最理想的phi角和psi角分布區(qū)域，而白色區(qū)域則為不合理區(qū)域。因而如果預(yù)測的蛋白質(zhì)殘基的二面角有９０％以上位于最深色區(qū)域，則表明其有穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。圖３是玉米ＰＥＰＣ蛋白質(zhì)的Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ點(diǎn)圖，其中９４．２％位于最適合區(qū)，５．７％位于附加允許區(qū)，０．１％位于一般允許區(qū)，沒有氨基酸位于不允許區(qū)域。從圖中可以看出，模擬得到的玉米ＰＥＰＣ蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的氨基酸殘基有９４．２％位于Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ點(diǎn)圖中合理區(qū)域，從理論上表明模擬得到的玉米ＰＥＰＣ的三維結(jié)構(gòu)是可靠的。

３討論

根據(jù)經(jīng)典的Ｃ４光合知識，Ｃ４植物有葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞的分化，進(jìn)行Ｃ４光合途徑所必需的多酶系統(tǒng)分別定位于此兩類具有葉綠體的細(xì)胞中，而且Ｃ４光合途徑是受多基因控制且各基因獨(dú)立遺傳，Ｃ３植物存在的內(nèi)源的Ｃ４循環(huán)酶及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)，都具有明確的生理功能，因而通過個(gè)別基因的過量表達(dá)增加其產(chǎn)物的活性，不能在Ｃ３植物中建立起完整的Ｃ４循環(huán)，還可能干擾Ｃ３植物的正常代謝，因此，把Ｃ３植物轉(zhuǎn)化為Ｃ４植物是不可能的，但是Jiao等［２３］通過轉(zhuǎn)ＰＥＰＣ基因，水稻具有了類似初級的Ｃ３－Ｃ４中間型的特征。用生物信息學(xué)方法對已知ＰＥＰＣ序列進(jìn)行比對分析，從而對其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行推斷和預(yù)測，為我們將ＰＥＰＣ基因轉(zhuǎn)入Ｃ３作物以有效提高作物的光合生產(chǎn)力提供了盡可能多的信息，能為選擇合適的試驗(yàn)方法提供理論參考，為進(jìn)一步對該基因的功能研究提供線索。此外要培育類Ｃ４作物，進(jìn)一步提高光合效率，可能需要Ｋｒａｎｚ結(jié)構(gòu)，以免光呼吸ＣＯ２的外溢，這些都有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

［１］ ＢＲＯＷＮ Ｒ Ｈ，ＢＡＳＳＥＴＴ Ｃ Ｌ，ＣＡＭＥＲＯＮ Ｒ Ｇ，ｅｔ ａｌ． Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｆ1 ｈｙｂｒｉｄｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃ４ ａｎｄ Ｃ３－Ｃ４ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｆ Ｆｌａｖｅｒｉａ［Ｊ］． Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌ，１９８６，８２：２１１－２１７．

［２］ ＶＯＮ ＣＡＥＭＭＥＲＥＲ Ｓ，ＦＵＲＢＡＮＫ Ｒ Ｔ． Ｔｈｅ Ｃ４ ｐａｔｈｗａｙ：ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＣＯ２ ｐｕｍｐ［Ｊ］． Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００３，７７：１９１－２０７．

［３］ ＦＵＫＡＹＡＭＡ Ｈ，ＡＧＡＲＩＥ Ｓ，ＮＯＭＵＲＡ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｚｅ Ｃ４－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｙｒｕｖａｔｅ，Ｐｉ ｄｉｋｉｎａｓｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｌｉｇｈｔ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｒｉｃｅ ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］． ＰｌａｎｔＣｅｌｌＰｈｙｓｉｃａｌ，１９９９，４０：１１６－１２３．

［４］ ＭＡＴＳＵＯＫＡ Ｍ，ＹＡＭＡＭＯＴＯ Ｎ． Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍＲＮＡｓ ｆｏｒ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ ａｎｄ ｐｙｒｕｖａｔｅ，ｏｒｔｈｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｄｉｋｉｎａｓｅ ｉｎ ｌｅａｖｅｓ ｏｆ ａ Ｃ４ｐｌａｎｔｅｘｐｏｓｅｄ ｔｏ ｌｉｇｈｔ［Ｊ］． Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌｌ Ｐｈｙｓｉｏｌ，１９８９，３０（４）：４７９－４８６．

［５］ ＫＵ Ｍ Ｓ，ＡＱＡＲＩＥ Ｓ，ＮＯＭＵＲＡ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ ｉｎ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｒｉｃｅ ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］． Ｎａｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，１９９９，１７（１）：７６－８０．

［６］ 羅素蘭，陳如凱，潘大仁，等． 高光效基因植物表達(dá)載體的構(gòu)建［Ｊ］． 生物技術(shù)通報(bào)，２００３（４）：３８－４１．

［７］ 張桂芳，趙明，丁在松，等． 稗草磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（ＰＥＰＣａｓｅ）基因的克隆與分析［Ｊ］．作物學(xué)報(bào)，２００５，３１（１０）：１３６５－１３６９．

［８］ ＣＨＥＮ Ｘ Ｑ，ＺＨＡＮＧ Ｘ Ｄ，ＬＩＡＮＧ Ｒ Ｑ，ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔａｃｔ Ｃ４ ｔｙｐｅ ＰＥＰＣ ｇｅｎｅ ｃｌｏｎｅｄ ｆｒｏｍ ｍａｉｚｅ ｉｎ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｗｉｎｔｅｒ ｗｈｅａｔ［Ｊ］． Ｃｈｉｎ Ｓｃｉ Ｂｕｌｌ，２００４，４９（２０）：１９７６－１９８２．

［９］ ＨＥＲＭＡＮＳ Ｊ，ＷＥＳＴＨＯＦＦ Ｐ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌ－ｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ ｇｅｎｅｓ ｉｎ Ｆｌａｖｅｒｉａ ｔｒｉｎｅｒｖｉａ（Ｃ４）ａｎｄ Ｆ． ｐｒｉｎｇｌｅｉ（Ｃ３）［Ｊ］． Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ，１９９０，２２４（３）：４５９－４６８．

［１０］ ＤＯＮＧ Ｌ Ｙ，ＭＡＳＵＤＡ Ｔ，ＫＡＷＡＭＵＲＡ Ｔ，ｅｔ ａｌ． Ｃｌｏｎｉｎｇ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｒｏｏｔ－ｆｏｒｍ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ ｆｒｏｍ Ｚｅａ ｍａｙｓ：ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃ４ ｆｏｒｍ ｅｎｚｙｍｅ［Ｊ］． Ｐｌａｎｔ ａｎｄ Ｃｅｌｌ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ，１９９８，３９（８）：８６５－８７３．

［１１］ ＬＥＰＩＮＩＥＣ Ｌ， ＫＥＲＹＥＲ Ｅ， ＰＨＩＬＩＰＰＥ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｓｏｒｇｈｕｍ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ ｇｅｎｅ ｆａｍｉｌｙ：ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｐｌａｎｔ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ，１９９３，

２１（３）：４８７－５０２．

［１２］ ＥＮＧＥＬＭＡＮＮ Ｓ，ＢＬ?魧ＳＩＮＧ Ｏ Ｅ，ＧＯＷＩＫ Ｕ，ｅｔ ａｌ． Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ４ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｎｕｓ Ｆｌａｖｅｒｉａ—ａ ｇｒａｄｕａｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｒｏｍ Ｃ３ ｔｏ Ｃ４ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］． Ｐｌａｎｔａ，２００３，２１７（５）：７１７－７２５．

［１３］ ＳＡＧＥ Ｒ Ｆ． Ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ４ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］． Ｎｅｗ Ｐｈｙｔｏｌｏｇｉｓｔ，２００４，１６１（２）：３４１－３７０．

［１４］ ＭＡＴＳＵＭＵＲＡ Ｈ，ＸＩＥ Ｙ，ＳＨＩＲＡＫＡＴＡ Ｓ，ｅｔ ａｌ． Ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｃ４ ｆｏｒｍ ｍａｉｚｅ ａｎｄ ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｆ Ｅ． ｃｏｌｉ ｐｈｏｓｐｈｏｅｎｏｌｐｙｒｕｖａｔｅ ｃａｒｂｏｘｙｌａｓｅｓ［Ｊ］． Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，２００２，１０（１２）：１７２１－１７３０．

［１５］ ＧＡＳＴＥＩＧＥＲ Ｅ，ＨＯＯＧＬＡＮＤ Ｃ，ＧＡＴＴＩＫＥＲ Ａ，ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏｏｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ＥｘＰＡＳｙ ｓｅｒｖｅｒ［Ａ］．ＷＡＬＫＥＲ Ｊ Ｍ． Ｔｈｅ Ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｃ］．Ｔｏｔｏｗａ：Ｈｕｍａｎａ Ｐｒｅｓｓ，２００５． ５７１－６０７．

［１６］ ＭＡＲＣＨＬＥＲ－ＢＡＵＥＲ Ａ，ＢＲＹＡＮＴ Ｓ Ｈ． ＣＤ－Ｓｅａｒｃｈ：ｐｒｏｔｅｉｎ ｄｏｍａｉｎ ａｎｎｏｔａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｙ［Ｊ］． Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ，２００４， ３２：３２７－３３１．

［１７］ ＴＡＲＡＦＤＡＲ Ｐ Ｋ，ＶＥＤＡＮＴＡＭ Ｌ Ｖ，ＫＯＮＤＲＥＤＤＹ Ａ，ｅｔ ａｌ． Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｕｎｆｏｌｄｉｎｇ ｏｆ ｈａｒｐｉｎ（Ｐｓｓ） ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｕｃｉｎｅ－ｚｉｐｐｅｒ－ｌｉｋｅ ｍｏｔｉｆｓ ｉｎ ｈａｒｐｉｎｓ［Ｊ］． Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ，２００９，

１７９４（１１）：１６８４－１６９２．

［１８］ ＪＯＮＡＳＳＥＮ Ｉ，ＥＩＤＨＡＭＭＥＲ Ｉ，ＧＲＩＮＤＨＡＵＧ Ｓ Ｈ，ｅｔ ａｌ． Ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄａｔａｂａｎｋ ｗｉｔｈ ｗｅａｋ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ［Ｊ］． Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ，２０００，３０４（４）：５９９－６１９．

［１９］ ＬＡＭＢＥＲＴ Ｃ，Ｌ?魪ＯＮＡＲＤ Ｎ，ＤＥ ＢＯＬＬＥ Ｘ，ｅｔ ａｌ． ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ：Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ３Ｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］． Bioinformatics，２００２，１８（９）：１２５０－１２５６．

［２０］ ＬＡＳＫＯＷＳＫＩ Ｒ Ａ，ＭＡＣＡＲＴＨＵＲ Ｍ Ｗ，ＭＯＳＳ Ｄ Ｓ，ｅｔ ａｌ． ＰＲＯＣＨＥＣＫ：ａ ｐｒｏｇｒａｍ ｔｏ ｃｈｅｃｋ ｔｈｅ ｓｔｅｒｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］． Ｊ Ａｐｐｌ Ｃｒｙｓｔ，１９９３，２６：２８３－２９１．

［２１］ ＬＡＳＫＯＷＳＫＩ Ｒ Ａ，ＲＵＬＬＭＡＮＮＮ Ｊ Ａ，ＭＡＣＡＲＴＨＵＲ Ｍ Ｗ，ｅｔ ａｌ． ＡＱＵＡ ａｎｄ ＰＲＯＣＨＥＣＫ－ＮＭＲ：Ｐｒｏｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆｐｒｏｔｅｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙＮＭＲ［Ｊ］． ＪＢｉｏｍｏｌ ＮＭＲ，１９９６，８（４）：４７７－４８６．

［２２］ ＳＯＮＧ Ｊ Ｙ，ＹＡＯ Ｈ，ＬＩ Ｙ，ｅｔ ａｌ． Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｍｉｌｙ ｐｏｌｙｇｏｎａｃｅａｅ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｐｈａｒｍａｃｏｐｏｅｉａ ｂｙ ＤＮＡ ｂａｒｃｏｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］． Ｊ Ｅｔｈｎｏｐｈａｒｍａｃｏｌ，２００９，１２４（３）：４３４－４３９．

［２３］ ＪＩＡＯ Ｄ Ｍ，ＫＵＡＮＧ Ｔ Ｙ，ＬＩ Ｘ，ｅｔ ａｌ． Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｎ ＰＥＰＣ ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ ｒｉｃｅ［Ｊ］． Ｓｃｉ Ｃｈｉｎａ（Ｓｅｒ Ｃ），２００３，４６（４）：４３８－４４６．

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