小麥全基因組表達序列基因家族鑒定分類

李迪　李冬潔　韓迎迎　趙鈺珊

摘 要 小麥全基因組表達序列基因家族鑒定分類是將已經測出的小麥的全基因組蛋白序列提取至Pfam進行結構域查找分析，對基因家族進行分類，從而對小麥的所有基因表達序列分類整理，以便于進一步對小麥進行研究。通過基因家族的鑒定分類，對小麥的研究將更加系統化和精確化，有助于以后進一步篩選，并對它們做出更詳盡的功能分析，為小麥的遺傳改良提供一個借鑒。與此同時，也為研究小麥中某一特定基因家族的作用奠定基礎。

關鍵詞 小麥；基因家族；Pfam分析；功能鑒定分類

中圖分類號：S512.1；Q943.2 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.17.096

1 小麥作物的意義

小麥屬于禾本科植物的小麥屬，是世界上三大重要的經濟糧食作物之一。2016—2017年全球小麥產量為7.54億噸，我國當年產量為1.29億噸[1]。小麥幾乎全作食用，其穎果被磨成面粉后可制作面條、饅頭、面包等中西方主食。

人類對小麥開展系統化的育種工作的時間雖然不長，但是也取得了許多優秀的成果，20世紀60年代興起的“綠色革命”對農業研究、農業技術和設備的開發工作都起到了推動作用，極大地提高了小麥的產量。但近年來，由于受人類生產活動所導致的極端天氣頻繁出現、水資源匱乏等環境問題的影響，小麥的產量并不穩定。據測算，全球小麥的產量至少需要增長60%才能夠滿足2050年的人口需要。對我國來說，小麥的單產還有很大的提升空間[2]。目前，非生物脅迫如干旱、凍害等是妨礙提升小麥產量的主要原因，解決這一問題的最好辦法就是通過小麥育種技術培育出能夠在惡劣條件下生長的小麥新品種。而盡快破譯小麥和其他農作物的基因組以及分析清楚各基因家族的功能則是順利開展小麥育種工作的關鍵。

通過對已知的小麥龐大的基因組序列進行分析，對小麥全部基因家族加以鑒定及分類，把各基因家族所表達的相應蛋白質的功能進行分析與系統化總結，對小麥的遺傳、產量等各方面的科學研究具有重要的意義。

2 小麥基因組組成及測序研究進展

基因組（Genome）是指單倍體細胞中的全部DNA分子。小麥基因組的規模大約是人類基因組的6倍，共計有17 Gb。如此龐大的基因組中包含了大量的重復DNA序列，這就意味著即使小麥全基因組測序工作已經完成，如何高保真地組裝仍比較困難。普通異源6倍體小麥（Triticum aestivum）是由AA、BB、DD 3組共6套染色體組成的，即包含3個不同的基因組，這給基因定位工作帶來了一定的困難，使針對小麥的基因研究更加具有挑戰性。

坂村徹在1918年首次確定了普通小麥有42條染色體。任本命[3]在其基礎之上通過雜交試驗查明：一粒小麥（T.monococcum，AA）與擬斯卑爾脫山羊草（Aegilops speltoides）或其近似種（BB）雜交形成雜種Ⅰ（AB），經過染色體自然加倍形成二粒系小麥（AABB）。二粒系小麥（AABB）與粗山羊草（Aegilops tauschii Coss.，DD）雜交形成雜種Ⅱ（ABD），經染色體自然加倍后繁衍為普通異源六倍體小麥（AABBDD）。

2013年我國科研人員領先完成了普通六倍體小麥的A基因組[4]、D基因組的測序及草圖繪制。2014年Mayer 等[5]對中國春小麥（Chinese Spring）進行了染色體臂的分離、測序及組裝，并精確定位了超過12萬個基因，對研究小麥應答生物脅迫和非生物脅迫的機制和優質小麥育種等具有重要的意義。Choulet 等[6]確認了3B染色體的序列（21條染色體中最大的序列），并驗證了3B染色體上數千個基因標記。此外，在基因組測序草圖繪制完成的基礎之上，研究人員系統地揭示了普通異源六倍體小麥的基因組演化過程，也對與發育相關的一些基因做出新的注釋[7-8]。

基于已知的小麥全部基因序列，本項目對其龐大且復雜的全基因組基因家族進行鑒定分類，將挖掘出巨大的信息，為后續研究提供了極大便利，對小麥的產量、遺傳等方面的研究具有重要的意義。

3 基因家族研究概況

基因家族（Gene Family）是指由一個原始基因通過復制不同的拷貝數而產生的基因簇，各成員在基因組上距離相近，功能相似即可編碼相似的蛋白質產物。目前圍繞植物的全基因組家族進行的研究非常多，如擬南芥、水稻、煙草等。模式生物擬南芥是植物中第一個實現全序列分析的物種，其基因組測序已于2000年完成，因此對基因家族的研究比較深入。盧珊等[9]發現擬南芥中有204個包含NBS-LRR的、與植物抗病有關的基因，71.6%的NBS-LRR基因分布在一定的基因簇內。SET結構域基因家族在植物的發育過程中扮演著重要的角色，其編碼的蛋白質（即賴氨酸轉移酶）高度保守，由120～150個氨基酸殘基構成的SET結構域，可對組蛋白進行甲基化修飾，從而能夠調控基因表達。張亮生 等[10]分別鑒定了擬南芥和水稻的部分SET結構域基因，并通過分析表明片段復制和反轉錄是SET結構域基因擴增的主要原因。F-box基因家族是植物體內數量巨大的基因家族之一，F-box蛋白C端通常含有重復序列，是介導底物特異識別的區域，主要參與植物開花的調控、蛋白質降解、應答生物脅迫和非生物脅迫等[11]。He R等[12]發現擬南芥F-box基因家族成員之一的FOF2基因在過度表達時會造成開花延遲。范貝 等[13]在研究中發現擬南芥氨基酸通透酶基因家族（At AAP）的啟動子區域均有應答激素、脅迫等的元件，其編碼的氨基酸通透酶由466-493個堿性氨基酸殘基構成，且均為跨膜轉運蛋白。擬南芥組蛋白去乙酰化酶家族（At HDACs）[14]通過系統進化樹分析可以分為3個亞家族，廣泛參與植物生長發育和逆境應答過程，其編碼的不同組蛋白去乙酰化酶行使功能不同。其中Sirtuin類組蛋白去乙酰化酶（At SRT2）可以通過調控組蛋白H4K8位點的乙酰化水平來調控鹽脅迫下的種子萌發過程，并主要通過減少鹽脅迫下植物DNA的損傷以及NAD+的積累這一途徑行使基因功能。

通過分析有關擬南芥全基因組的研究，可以看出研究人員對基因家族的探索已經越來越普遍和廣泛，這也對揭示植物的生殖發育過程具有重要的意義。擬南芥作為模式植物，針對其基因家族已完成的研究為對小麥全基因組表達序列基因家族的鑒定分類做了很好的示范，也提供了重要的理論基礎和技術指導。

4 小麥基因家族分析研究進展及前景

基因表達是指基因指導下的蛋白質合成過程，細胞在生命的過程中，把儲存在DNA順序中遺傳信息經過轉錄和翻譯，轉變成具有生物活性的蛋白質分子。從基因層面研究生物體的種種現象已是大勢所趨。擬南芥只有5對染色體，基因組較小，操作簡便且轉化成功率高，因而能成為植物中第1個完成全基因組測序的物種。而小麥基因組大約為17 Gb，包含超過100 000個表達基因，如此龐大且重復序列較多的基因組轉化相對困難，并且也沒有進行過系統分類。2014年以后，研究人員經過分析共得到162個小麥基因家族，如mapkk、Tamlo、Jacalin、SnRk2和YABBY等。其中SnRK2是一個相對較小的植物專一性蛋白激酶家族[15]，該家族成員以不同的調控方式廣泛參與植物的逆境脅迫信號傳遞，在植物的逆境應答中扮演了重要的角色。又如廣泛存在于雙子葉植物和單子葉植物中的YABBY基因[16]，在控制植物背腹極性的建立中發揮著重要的作用。雖然目前在雙子葉植物擬南芥中關于該極性建立的分子機理取得了一定的進展，但是在單子葉植物，尤其是禾本科植物中，獲得的涉及極性建立的突變體較少，不易于研究。而小麥既是主要的禾本科植物，也是重要的糧食作物，對其極性建立展開進一步的研究具有非常重要的意義。

目前，相比于擬南芥，對小麥基因家族的研究仍不夠完善。此外，由于非生物脅迫及非生物脅迫越來越多，給普通小麥產量的穩定性帶來了挑戰。所以對小麥全基因組進行基因家族的鑒定分類，有助于以后進一步篩選，并對它們做出更詳盡的功能分析，為小麥的遺傳改良提供一個有價值的資源，也為更早地培育出適應不同生長環境的小麥新品種奠定基礎。

參考文獻：

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[16] 趙偉，宿紅艷，王磊.小麥YABBY基因的生物信息學分析[J].現代農業科技，2009（7）：139-141.

（責任編輯：劉昀）