擬南芥和大白菜YABBY蛋白家族的生物信息學分析

摘 要：YABBY基因家族是一類含有C2C2鋅指結構域和YABBY結構域的轉錄因子，在植物葉器官發育過程中起到重要的調控作用。本研究利用生物信息學的方法對擬南芥和大白菜YABBY基因家族的結構、系統進化、序列保守性以及順式反應元件進行了分析。主要結果如下：YABBY基因在擬南芥和大白菜染色體上呈不均勻分布；基因的結構以含有6個內含子為主要形式；所有擬南芥和大白菜YABBY基因都具有保守的C2C2鋅指結構域和YABBY結構域；YABBY蛋白家族在進化上可分為4個不同的亞組；YABBY基因的啟動子序列中存在多個能夠響應不同激素和逆境信號的順式反應元件。本文為進一步研究YABBY基因在大白菜葉球發育中的調控作用和逆境響應中的功能奠定了基礎。

關鍵詞：擬南芥；大白菜；YABBY基因；生物信息學分析

中圖分類號：Q754 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2012）12-0001-06

Bioinformatic Analysis of YABBY Protein Family

in Arabidopsis and Chinese Cabbage

Li XiaoBo1， Yang CuiCui2， Qiu NianWei2*

（1. Department of Medical and Technology， Zaozhuang Vocational College of Science and Technology，

Tengzhou 277500， China； 2. School of Life Science， Qufu Normal University， Qufu 273165， China）

Abstract YABBY gene family is one kind of transcription factor featuring the existence of C2C2 zinc finger and YABBY domains， which plays important roles in regulating the development of leaf organ. In this study， the structure， phylogeny， conserved sequences and cis-acting elements of YABBY genes in Arabidopsis and Chinese cabbage were analyzed using bio-informatics. The main results were listed as follows. The YABBY genes distributed unevenly on the chromosomes； most of YABBY genes contained 6 introns； all YABBY genes contained conserved C2C2-zinc finger and YABBY domains； the YABBY gene family could be divided into four sub-family groups； there were many cis-acting elements， which responsed to hormones and stress signals， existing in the promoter region. This research laid a foundation for functional dissection of YABBY genes in Chinese cabbage leafy head development and stress response.

Key words Arabidopsis； Chinese cabbage； YABBY gene； Bioinformatic analysis

大白菜（Brassica rapa L ssp pekinensis）是我國乃至世界性的重要蔬菜作物之一，其葉球是最主要的食用器官。葉球的發育過程表現為葉片向上向內卷曲。揭示葉極性或葉卷曲發生的基因調控機制對遺傳上控制葉的大小、形狀和姿態，改良葉平展度或卷曲度等遺傳性狀，具有重要的理論意義和實用價值，是進行大白菜分子育種亟待解決的關鍵問題。

葉在空間三維軸向上的極性，包括基-頂軸（proximal-distal axis）、中-側軸（medial-lateral axis）和近-遠軸（adaxial-abaxial axis）[1～3]。近-遠軸極性的紊亂將導致葉片的上卷或者下卷。例如，hst突變體葉肉細胞近遠軸極性混亂導致葉片上卷[4]；hyl1突變體也表現出葉片上卷的表型，其原因在于葉肉細胞的近遠軸極性發生了紊亂，尤其是在葉片發生卷曲的部分[5]。目前，已克隆出了一些影響葉的近-遠軸極性分化的基因，如HD-ZIPIII 家族的PHABULOSA（PHB）、PHAVOLUTA（PHV）[6，7]和 REVOLUTA（REV）[8，9]，YABBY家族的 FILAMENTOUS FLOWER（FIL）[10，11]、YABBY2和YABBY3 [12]，以及GARP家族的 KANADI1（KAN1）[13]等基因。

YABBY基因家族是一類植物特有的轉錄因子，其成員具有C2C2鋅指結構域及YABBY結構域，在這兩個結構域的氨基酸殘基具有很大的保守性，而在此結構域之外的區域幾乎不具有序列同源性[10，14，15]。在擬南芥基因組中有6個YABBY 基因家族成員，分別是FILAMENTOUS FLOWER（FIL/YABBY1）、CRABS CLAW（CRC）、INNER NO OUTER（INO/YABBY4）、YABBY2（YAB2）、YAB3 和YAB5 [10，14～17]。FIL/YAB1、YAB2 和YAB3 在葉片的遠軸面表達，并且 FIL 和YAB3 過量表達的植株會產生遠軸面化的葉片[15]，表明FIL 和YAB3 促進葉片遠軸面特征建成。另外，YABBY基因還與葉脈的形成有關[18]。

雖然YABBY基因的功能在擬南芥、水稻等植物中已經有所研究，但到目前為止，關于大白菜YABBY基因的研究還未見報道。擬南芥和大白菜同屬于十字花科植物，本研究利用已完成的擬南芥和大白菜全基因組測序結果，采用生物信息學的方法對YABBY基因在擬南芥和大白菜中的基因組成、結構、進化關系、氨基酸保守序列以及順式反應元件等進行了相關的分析。

1 材料與方法

11 擬南芥和大白菜YABBY家族基因序列獲得

擬南芥YABBY家族基因序列下載自TAIR網站（http：//wwwarabidopsisorg/indexjsp）。大白菜YABBY家族基因序列下載自大白菜基因組數據庫（http：//brassicadborg/brad/）。

12 YABBY基因結構分析、序列比對、系統進化分析和順式反應元件分析

基因結構分析采用網上在線分析軟件GSDS（http：//gsdscbipkueducn/）；YABBY蛋白家族的氨基酸多序列比對分析采用DNAMAN軟件，采用默認參數設置；擬南芥和大白菜中YABBY蛋白家族成員的系統進化分析使用MEGA40軟件，采用Bootstrap test-Neighbor Joining方法，重復500次運算；順式反應元件分析采用網上在線分析軟件PlantCARE（http：//bioinformaticspsbugentbe/webtools/plantcare/html/），分析時截取起始密碼子（ATG）上游15 kb的基因組DNA序列進行分析，采用默認參數設置。

2 結果與分析

21 擬南芥和大白菜YABBY基因概述

根據TAIR網站（http：//wwwarabidopsisorg/indexjsp）公布的擬南芥YABBY基因序列可以看出，擬南芥基因組共存在6個YABBY基因（表 1）。其中CYC、AtYABBY2和AtYABBY4位于染色體1，AtYABBY1和AtYABBY5位于染色體2，AtYABBY3位于染色體4，這說明YABBY基因在擬南芥基因組中的分布是不均勻的。 擬南芥和大白菜不同成員YABBY基因的開放閱讀框長度存在較大差異，其長度范圍分別為：495～723 bp（擬南芥）和474～717 bp（大白菜）。

大白菜基因組中共解析了11個YABBY基因，根據其在染色體上位置分別命名為BrYABBY1～BrYABBY11 （表 1）。大白菜YABBY基因與擬南芥YABBY基因類似，在基因組中也呈不均勻分布，其中染色體7和9上分別存在3個YABBY基因，染色體3上存在2個YABBY基因，而染色體4、6和8上則分別存在1個YABBY基因（表 1）。

22 擬南芥和大白菜YABBY基因結構和進化分析

在擬南芥6個YABBY基因中，有4個基因含有6個內含子，2個基因含有5個內含子（圖 1）。在大白菜11個YABBY基因中，有6個基因含有6個內含子，3個基因含有5個內含子，2個基因含有4個內含子。這說明6個內含子是YABBY基因的主要結構形式。內含子相位（Intron Phase）指的是內含子在基因內相對于遺傳密碼的3個核苷酸的位置。如果一個內含子是處在2個完整的密碼間，則這一內含子定義為相位0；如果內含子是位于密碼子內的第1和第2個核苷酸之后，則定義為相位1和相位2。如圖 1所示，擬南芥和大白菜的YABBY基因都存在相位0、1和2。但其中相位0為主要形式（分別22個和37個）。這說明擬南芥和大白菜YABBY基因的內含子大部分都存在于兩個完整的密碼子之間。

23 系統進化樹分析

從圖 2可以看出，在進化樹的根部位置所有YABBY基因分成兩個大的類群，即A和B兩個亞族，每個亞家族均同時包含擬南芥和大白菜YABBY基因，表明這一基因家族的基本特征在大白菜和擬南芥分離之前就已經形成；在2個亞族中大白菜YABBY基因的數目都多于擬南芥的YABBY基因數目，估計是由于YABBY基因在大白菜中擴張的結果。

為便于分析蛋白之間是垂直同源還是平行同源的關系，根據其進化特征將其細分成4個亞組，A和B亞族中各包含2個亞組。其中Ⅰ亞組包含7個成員，2個擬南芥YABBY基因和5個大白菜YABBY基因；Ⅱ亞組包含4個成員，2個擬南芥YABBY基因和2個大白菜YABBY基因；Ⅲ亞組僅包含1個擬南芥YABBY基因和1個大白菜YABBY基因；Ⅳ亞組則包含1個擬南芥YABBY基因

和3個大白菜YABBY基因。結合表1信息可以看出，位于同一條染色體上的YABBY基因在進化上卻屬于不同的亞組，例如位于染色體3的BrYABBY1和BrYABBY2，位于染色體7的BrYABBY5、BrYABBY6和BrYABBY7，以及位于染色體9的BrYABBY9、BrYABBY10和BrYABBY11，這可能是這些基因獨自進化的結果。但位于染色體7的BrYABBY7基因和位于染色體9的BrYABBY10基因卻表現出平行同源關系，可能是基因在進化過程中發生了染色體的交換所致。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ亞組中，AtYABBY1和BrYABBY6，AtYABBY3和BrYABBY9，AtYABBY4和BrYABBY5，AtYABBY5和BrYABBY2以及AtYABBY2和BrYABBY11，可以歸類為垂直同源進化基因，它們在擬南芥和大白菜這兩種生物體中可能具有相似的功能。值得注意的是Ⅰ亞組中的BrYABBY8和Ⅱ亞組中的BrYABBY4與其它基因進化距離相對較遠，很可能是在大白菜中單獨進化形成的；而Ⅱ亞組中的CYC與其它基因的進化距離也相對較遠，這可能是在擬南芥中單獨進化形成的基因。

24 擬南芥和大白菜YABBY蛋白的多序列聯配分析

植物中YABBY蛋白的一個重要特征是都含有一個保守的鋅指蛋白結構域（zinc finger-like domain）和一個螺旋-環-螺旋結構域（helix-loop-helix domain）。為了確定擬南芥和大白菜中YABBY蛋白的序列特征，用DNAMAN軟件對6個擬南芥和11個大白菜的YABBY蛋白家族的氨基酸全序列進行多序列比對分析，結果表明供試序列都具有兩個相對保守的結構域，即位于N-末端的鋅指蛋白結構域和位于C-末端的螺旋-環-螺旋結構域（圖3），這說明供試蛋白之間在生物學功能上可能具有相似性。

25 擬南芥和大白菜YABBY基因的順式反應元件分析

基因的表達主要是其順式作用元件和反式作用因子相互作用的結果，通過分析啟動子及其上游序列的順式反應元件可以預測基因的功能。本研究利用網上在線分析工具PlantCARE對擬南芥和大白菜所有YABBY基因起始密碼子上游15 kb區域進行了分析，發現所有YABBY基因除了含有基本的順式反應元件（TATA-box和CAAT-box）外，還含有多個脅迫和激素響應元件，如熱脅迫響應元件HSE，低溫脅迫響應元件LTR，乙烯響應元件ERE，生長素響應元件AuxRR-core 和TGA-element，茉莉酸甲酯響應元件CGTCA-motif和TGACG-motif等（表 2）。表明，植物YABBY基因可能不僅與植物器官發育有關，還與植物逆境響應和激素信號轉導密切相關。另外，不同的YABBY成員間具有的順式反應元件存在一定的差異，如AtYABBY3、AtYABBY4、BrYABBY3和BrYABBY5基因分別具有1、1、1和4個脫落酸響應元件ABRE，而其它的YABBY成員則不具有該響應元件（表 2），說明不同YABBY成員可能具有不同的生物學功能。

注：A： ABRE ； B： ACE； C： 3-AF1； D： ARE ； E： AuxRR-core； F： Box I ； G： Box-W1； H： CAT-box ； I： CGTCA-motif； J： ERE ； K： GARE-motif； L： GT1-motif ； M： HSE； N： LTR； O： MBS； P： MNF1 ； Q： MRE ； R： O2-site； S： P-box ； T： Sp1； U： TATC-box； V： TC-rich repeats； W： TCA-element； X： TGA-element； Y： TGACG-motif； Z： WUN-motif。3 小結與討論

本研究利用生物信息學的方法對擬南芥和大白菜YABBY基因進行了分析。發現大白菜具有比擬南芥更多的YABBY成員，并且與擬南芥相比，大白菜YABBY家族成員在染色體上的位點、基因序列結構等方面顯得更為復雜，這可能與YABBY家族成員在進化中為了適應和參與更多的生物調節過程有關，也可能與大白菜具有較為復雜的基因組序列有關，如擬南芥基因組大小約為125 Mb，而大白菜的基因組大小約為285 Mb[19]。

根據系統進化分析，YABBY每一亞族均包含擬南芥和大白菜YABBY基因，這表明該基因亞族中的基因結構在擬南芥和大白菜分離之前就已經構建；同時在大白菜Ⅳ亞組中還發現BrYABBY7和BrYABBY10為平行同源基因，這表明在擬南芥和大白菜分離之后，大白菜中的YABBY基因按照物種特異性的方式進行了擴張。

通過對擬南芥和大白菜YABBY基因家族的序列保守性分析發現，大白菜和擬南芥YABBY基因家族之間的編碼蛋白存在較高的保守性，尤其在其N端的鋅指蛋白結構和C端的螺旋-環-螺旋結構更為明顯，這種序列上的保守性提示大白菜YABBY蛋白和擬南芥YABBY蛋白之間可能具有功能上的相似性。

通過對YABBY家族順式反應元件的分析發現，有些YABBY基因具有多個光響應元件、生長素響應元件以及低溫響應元件等。而大白菜的葉球在發生和發育過程中受到多種因素的影響，如生長素在葉片內的不均衡分布、較低的溫度和較大的晝夜溫差、弱光和短日照，以及充足的碳素營養都可以促進葉球的發生和發育[20]。這些結果暗示YABBY基因可能在大白菜葉球發育的分子調控中發揮重要的作用，但這還需要進一步的實驗驗證。另外，除了上述響應元件外，一些YABBY基因還具有熱脅迫、脫落酸、水楊酸以及茉莉酸甲酯等響應元件，而脫落酸、水楊酸和茉莉酸甲酯等在植物非生物逆境和抗病反應過程中具有重要功能。這說明，植物YABBY基因不僅與植物器官發育有關，而且與激素信號轉導和逆境響應存在密切關系。

本研究為今后闡明大白菜葉球發育過程中YABBY蛋白的調控作用提供了一定的理論依據。隨著對YABBY蛋白研究的深入，YABBY蛋白的功能將會被進一步了解，對YABBY蛋白家族更加詳盡的生物信息學分析以及利用分子生物學方法進一步闡明YABBY蛋白在調控大白菜葉球發育和其它生物學進程中的作用將是下一步的主要任務。參 考 文 獻：

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