花生DGAT基因家族的生物信息學分析

鄭玲 單雷 李新國 郭峰 孟靜靜 萬書波 彭振英

摘要：含油量是花生最重要的品質性狀之一?；ㄉ偷闹饕煞质侨８视停═AG），二酰甘油酰基轉移酶（DGAT）是催化合成TAG的關鍵酶類，其活性高低與含油量呈正相關。本研究利用生物信息學方法對花生DGAT（AhDGAT）基因家族的進化、基因結構特點、表達模式以及可變剪接等進行了分析。進化分析結果顯示，AhDGAT1、AhDGAT2和AhDGAT3親緣關系較近，與AhWSD/DGAT的親緣關系稍遠。AhDGAT1具有17～18個外顯子，AhDGAT2具有7～9個外顯子，AhDGAT3具有2～3個外顯子，而AhWSD/DGAT具有3～6個外顯子。AhDGAT1的跨膜區數目為7～11個，AhDGAT2和AhWSD/DGAT為0～2個，AhDGAT3沒有跨膜結構。另外，4個亞家族均具有自己特有的保守結構域和表達模式。AhDGAT1和AhDGAT2在種子中表達量較高，而AhDGAT3和AhWSD/DGAT在根和葉中的表達量較高。AhDGAT1的可變剪接形式最多，其次為AhWSD/DGAT。花生的4個AhDGAT亞家族具有不同的特點，表明它們可能在進化中具有不同的祖先。

關鍵詞：花生；二酰甘油?；D移酶（DGAT）；進化；表達模式

中圖分類號：S565.2：Q7文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）06-0010-09

Abstract Oil content is one of the most important quality characters of peanut. The major component of peanut oil is triacylglycerol （TAG）， and diacylgycerol acyltransferase （DGAT） is the key enzyme for TAG synthesis. The activity of DGAT is positively correlated with the oil content. In this study， the evolution， gene structure characteristics， expression pattern and alternative splicing of peanut DGAT gene family were analyzed using bioinformatics method. The evolution results showed that the genetic relationships among AhDGAT1， AhDGAT2 and AhDGAT3 were closer than that of AhWSD/DGAT. There were 17～18 exons in AhDGAT1， 7～9 exons in AhDGAT2， 2～3 exons in AhDGAT3 and 3～6 exons in AhWSD/DGAT. The number of transmembrane domain in AhDGAT1 were 7～11， and those in AhDGAT2 and AhWSD/DGAT were both 0～2， whereas there was none in AhDGAT3. Each subfamily had its own unique conserved domain and expression pattern. AhDGAT1 and AhDGAT2 expressed higher in seeds， whereas AhDGAT3 and AhWSD/DGAT expressed relatively higher in roots and leaves. AhDGAT1 had the most alternative splicing isoforms， followed by AhWSD/DGAT. Significant differences among the four DGAT subfamilies showed they might had different ancestors.

Keywords Peanut； Diacylglycerol acyltransferase （DGAT）； Evolution； Expression pattern

三酰甘油（triacylglycerol，TAG）是生物體內貯藏油脂的一種主要形式。二酰甘油?；D移酶（diacylglycerol acyltransferase，DGAT）是催化二?；视停╠iacylglycerol，DAG）合成TAG的關鍵酶，在DAG的sn-3位添加脂酰基，直接決定?；?CoA進入TAG的數量和質量。迄今為止發現了四類DGAT基因：DGAT1、DGAT2、DGAT3和WSD/DGAT。WSD/DGAT除了具有TAG合成功能外，在蠟質合成中也具有主要作用。4個亞家族的成員具有不同的亞細胞定位和底物特異性[1]。過表達DGAT基因可促進種子中油脂的積累，擬南芥DGAT1在煙草中過表達可使轉基因煙草種子中TAG含量顯著上升[2]。擬南芥DGAT1突變體幼苗生長異常、種子皺縮、油脂減少、種子成熟延遲[3，4]。DGAT2在油料作物中過量表達，也能提高種子的含油量[5，6]，如蓖麻DGAT2過表達可促進蓖麻油中蓖麻油酸含量的增加[7]。

雖然DGAT家族在油脂合成中的功能已經在許多植物中被驗證，但是關于該家族進化的研究并不多見。玉米和大豆DGAT家族的生物信息學分析已經報道[8，9]，玉米中7個DGAT基因可以分成ZmDGAT1、ZmDGAT2和ZmDGAT3亞家族，不同亞家族的基因結構和跨膜區有明顯差別[8]。大豆中的10個DGAT基因，也分別屬于DGAT1、DGAT2、DGAT3亞家族，分布在6條染色體上[9]。

可變剪接（alternative splicing，AS）是真核生物的一種轉錄后調控機制，其主要類型有可變轉錄起始位點（alternative transcription start site，TSS）、可變轉錄終止位點（alternative transcription termination site，TTS）、外顯子跳躍（exon skipping，ES）、內含子滯留（intron retention，IR）、可變外顯子剪接位點選擇（alternative exon，AE）[10]。AS能夠影響植物的各項生命活動，比如生長發育、開花結實等，在響應生物和非生物脅迫中也發揮著重要調節作用[11-19]。我們前期研究表明，AS對油脂合成也有一定的調節作用。在花生DGAT1（AhDGAT1）中存在許多不同的可變剪接體，并且許多可變剪接體編碼提前終止，各個剪接體的表達模式也存在差異[20]。

花生是世界四大油料作物之一，在我國種植面積廣泛。花生含油量占種子干重的50%以上。3個DGAT亞家族基因在花生中都已經被鑒定，AhDGAT1能恢復突變體酵母脂質合成的能力[20，21]；而AhDGAT2a和AhDGAT2b能顯著提高大腸桿菌脂肪酸含量[22]，個別堿基突變后酶活性提高或者降低[23]；AhDGAT3是一種可溶性酶類，定位于細胞質中[24]。為了系統分析AhDGAT家族基因的結構特點、保守結構域、表達模式及其可變剪接情況，我們對花生基因組中所有的AhDGAT基因進行了生物信息學分析，從而為深入研究花生油脂合成和培育高油花生新品種提供依據。

1 材料與方法

1.1 基因檢索

根據NCBI中花生4個AhDGAT亞家族基因的序列，即AhDGAT1（GI：XP_016202335.1）、AhDGAT2（GI：015950782.1）、AhDGAT3（GI：AAX62735.1）、AhWSD/DGAT（GI：XP_015964946.1），在花生基因組數據庫Peanutbase（https：//www.peanutbase.org/）進行檢索，得到的序列根據E-value<1.0e-30進行篩選，下載目的基因的基因組和mRNA序列進行分析。

1.2 生物信息學分析

將AhDGAT序列利用Mega7.0軟件進行進化樹構建，構建方法為鄰近法。利用TMHMM（www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/）在線軟件分析跨膜結構域；用GSDS（http：//gsds.cbi.pku.edu.cn/）在線軟件分析基因結構；利用MEME（http：//meme-suite.org/）在線軟件分析保守結構域；利用TargetP（http：//www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/）在線軟件分析亞細胞定位。

1.3 AhDGAT的表達模式和可變剪接分析

根據花生轉錄組數據（NCBI：PRJNA354652）中AhDGAT的FPKM值，用HemI軟件進行表達模式分析。用ASTALAVISTA program（http：//genome.crg.es/astalavista/）分析其可變剪接情況。

2 結果與分析

2.1 系統進化分析

在花生數據庫進行AhDGAT基因檢索，共得到46個基因（表1）。其中AhDGAT1有4個基因，為2對同源基因，分別位于A03、B03、B01、A01上。AhDGAT2有10個基因，在染色體上的分布較為復雜，分別位于7條染色體上，其中Aradu.A01、Araip.B10和Aradu.A05各有2個；這10個基因中有3對等位基因，但是有些等位基因卻沒有位于對應的染色體上，如Aradu.UR9Q8位于Aradu.A01，而Araip.RJ1BI 則位于Araip.B10。AhDGAT3有8個基因，分別位于4條染色體上，Aradu.A02和Araip.B02上各有3個；其中有1對等位基因（Aradu.92MYK和Araip.G3EM2），位于1對染色體上（Aradu.A01和Araip.B01）。AhWSD/DGAT數目最多，有24個基因，分別位于13條染色體上，其中Araip.B04上最多，有4個；Aradu.A04有3個；其余染色體上分別有1～2個。這24個基因中，包含8對等位基因，分別位于10條染色體上，有6對等位基因位于相對應的染色體上，Araip.Z6NL1 和Aradu.NT54G沒有位于相對應的染色體上，而Aradu.RA7PE和Aradu.54FFT則位于同一條染色體上。

對這46條序列進行進化樹構建（圖1），發現4個AhDGAT亞家族聚集成4個分支，AhDGAT1、AhDGAT2和AhDGAT3親緣關系較近，而與AhWSD/DGAT親緣關系較遠。AhDGAT3家族中Araip.A05V1和AhDGAT2聚在一個分支中，可能預示著兩個基因家族具有相同的起源。AhWSD/DGAT分支中，出現許多小分支，表明該亞家族的進化速率較快，在進化中產生許多新的變異，導致其序列相似性出現較大差異，但是這些序列是否都具有蠟質合酶的功能還有待研究。

2.2 跨膜結構和亞細胞定位分析

對46個蛋白的跨膜區進行分析（表2）發現，AhDGAT1亞家族的跨膜區數目為7～11個，AhDGAT2亞家族的跨膜區數目為0～2個，AhDGAT3亞家族是可溶性蛋白，不含跨膜結構，AhWSD/DGAT亞家族的跨膜區數目也是0～2個。4個亞家族的蛋白在跨膜區數目上具有明顯差異。

利用軟件預測AhDGAT家族亞細胞定位（表2），發現AhDGAT1沒有預測到具體的亞細胞定位；AhDGAT2中的Araip.TYL76、Aradu.Z4DIZ和Araip.2S31J是分泌蛋白，Araip.31MV0定位在線粒體中，其余AhDGAT2成員沒有預測到具體的細胞器定位；AhDGAT3的8條序列中有4條定位在線粒體，其余序列沒有預測到具體的細胞器定位；AhWSD/DGAT的絕大多數基因沒有預測到具體的細胞器定位，只有Aradu.JEL8U和Araip.T7VUE是分泌蛋白，Araip.M0N7G則定位在線粒體上。

2.3 基因結構分析

分析AhDGAT的4個亞家族基因結構，發現他們具有明顯不同的特點（圖2）。AhDGAT1家族的外顯子數目為17～18個；AhDGAT2家族的外顯子數目為7～9個；AhDGAT3家族的外顯子數目較少，為2～3個；AhWSD/DGAT家族的外顯子數目大多為3～6個，但是其中Araip.Z6NL1和Aradu.NT54G的外顯子數目超過10個，二者的氨基酸個數較其他的長，都大于800，可能在進化中該家族基因發生了外顯子數目增加和長度增長，導致基因長度也隨之增加。等位基因間具有類似的基因結構，如Aradu.E7DEE和Araip.EXQ72，Aradu.6I2MF和Araip.KVP0Y。

2.4 保守結構域分析

分析4個AhDGAT亞家族的保守結構域發現，4個亞家族各有自己保守的結構域（圖3）。AhDGAT1的Motif 2和Motif 3都含有亮氨酸拉鏈結構，Motif 5具有特有假定的佛波醇結合基元（HKW-X-X-RH-X-Y-XP）。AhDGAT2的Motif 4和Motif 5中具有亮氨酸拉鏈結構，Motif 4還具有該家族特有的EPHSV序列。AhDGAT3的Motif 1含有HHNAVELFSRNND保守基序，Motif 4含有基序HVQYYGD，該基序是二酰甘油?；D移酶的結構基序，Motif 5含有脂肪酸結合蛋白特征序列KSGSIALLQEFERVVGAEG，Motif 6含有硫酯酶特征序列TNPDCESSSSSSSSESESES。這3個基因家族的6個保守結構域的序列都非常保守，在AhDGAT中變異不大。AhWSD/DGAT的保守結構域序列變異較大，其Motif 1中存在活性位點HHXXXDG。

2.5 表達模式分析

利用花生品種‘豐花一號的轉錄組數據對AhDGAT家族基因進行表達模式分析。轉錄組所檢測樣品組織分別為根、葉、果針入土30 d（Seed1）和50 d（Seed2）。根據轉錄組中的FPKM值分析AhDGAT的表達模式。部分基因在轉錄組中沒有檢測到表達，因此不對其進行分析。

4個亞家族基因的表達模式存在明顯差異（圖4）。AhDGAT1在種子中的表達量大于根和葉，其中Araip.DT1IR在Seed2階段表達量最高。而AhDGAT2的10條序列中，Aradu.6I2MF和Araip.KVP0Y在所有組織中均表達，但在Seed2和根中的表達量較高。AhDGAT3中Aradu.92MYK和Araip.27007的表達量較高，特別是在根和葉中。AhWSD/DGAT主要在根和葉中表達，在種子中的表達量極低。由此可見，每個AhDGAT基因都有各自的主要表達部位，彼此之間既有功能分工，又有密切合作。

2.6 可變剪接分析

我們對46個AhDGAT基因進行可變剪接分析，結果（表3）發現AhDGAT1具有最多的可變剪接形式和數量，其次是AhWSD/DGAT和AhDGAT2，AhDGAT3沒有可變剪接。AhDGAT1的4個基因在4個花生組織中都有多種可變剪接形式，其中Araip.EXQ72的形式最多。AhDGAT2中Aradu.6I2MF可變剪接形式最多。AhWSD/DGAT中Araip.7A0S5可變剪接形式最多。

IR和TSS是AhDGAT家族基因可變剪接的主要形式，ES只發生在AhDGAT1中，AE只發生在AhDGAT1和AhWSD/DGAT中。AhDGAT1豐富的可變剪接形式可能預示著其表達受可變剪接影響。在seed2階段具有最多的可變剪接事件，表明可變剪接對該階段種子發育和脂肪酸積累具有重要調節作用。

3 討論與結論

DGAT是TAG合成的限速酶，其功能研究一直備受大家關注。相比而言，對DGAT遺傳進化的研究相對較少。本研究利用花生基因組和轉錄組數據，對AhDGAT家族基因的進化和表達模式進行了初步分析。在進化樹分析中，46條序列按照4個AhDGAT的亞家族聚類成不同的分支?；蚪Y構和跨膜區分析表明，4個AhDGAT亞家族具有明顯不同的跨膜區和外顯子數目，說明不同亞家族間的DNA和蛋白序列相似性較低。AhDGAT1、AhDGAT2和AhDGAT3是?；D移酶，而AhWSD/DGAT是蠟質合酶，進化樹分析說明AhDGAT1、AhDGAT2和AhDGAT3具有較近的親緣關系，與AhWSD/DGAT的親緣關系較遠?？梢?，它們的序列差異導致了其功能的明顯不同。

AhWSD/DGAT是進化較快的一個亞家族，其基因數目占整個AhDGAT家族的一半以上，可能在進化中發生了基因加倍事件。而正是由于該家族進化中產生的變異，該亞家族保守結構域的序列一致性也較差。但是所有的序列都保留了HHXXXDG基序，該序列被認為在蠟質合成和TAG合成中至關重要[25]。

表達模式分析對于研究基因的功能至關重要，4個亞家族基因的表達模式也存在明顯差異。AhDGAT1和AhDGAT2在種子中的表達水平大于根和葉，而AhDGAT3和AhWSD/DGAT卻相反，這種表達模式與玉米和大豆的DGAT相似。玉米中DGAT1主要在胚乳中表達，ZmDGAT1.1在花藥中也有較高的表達水平；ZmDGAT2表達范圍較廣，ZmDGAT2.1在節間和莖表達較高，而ZmDGAT2.2在胚和整粒種子中有較高的表達水平；ZmDGAT3的表達主要集中在葉片，在胚乳和胚等部位表達較低[8]。大豆中DGAT1主要在莖端分生組織和綠色果莢中表達，DGAT3主要在根中表達，而DGAT2表達范圍最廣，主要在根瘤、葉、花和綠色果莢中表達[9]。李蘭等[26]對花生種子發育中的脂肪酸含量進行了研究，發現不同的脂肪酸在種子中積累的時間不一致，在果針入土20多天時大部分脂肪酸都開始快速積累，脂肪酸總量在成熟后期有所下降，正是由于AhDGAT1和AhDGAT2在發育種子中高表達，導致種子中的TAG不斷積累。

還有研究發現，DGAT的表達與環境脅迫有關。大豆和花生DGAT2的表達受溫度脅迫和生物脅迫的誘導[21，27]。這些現象啟示我們，DGAT可能在植物適應脅迫中發揮著重要作用。 可變剪接作為一種轉錄后的調控機制，對植物的許多生命進程都起到重要的調節作用。前人已經對擬南芥、水稻和玉米等植物中基因的可變剪接進行了分析[13， 28-35]，但是在花生中僅有一篇關于可變剪接的報道，通過對AhDGAT的可變剪接分析發現，AhDGAT中存在大量的可變剪接現象，而且種子發育的中后期可變剪接情況最多[20]。種子發育中后期的油脂大量合成，AhDGAT大量表達，這一時期可變剪接的頻繁發生可能對DGAT的油脂合成功起調控作用。研究表明植物體內基因轉錄水平的變化是植物抵御非生物脅迫和生物脅迫的重要方式，轉錄水平變化包含可變剪接的變化。熱激蛋白HsfA2基因在內含子區剪接出一個31 bp的外顯子序列HsfA2 Ⅱ，在熱脅迫下HsfA2的表達量是HsfA2 Ⅱ的17%，但是HsfA2 Ⅱ是沒有活性的RNA，通過NMD途徑降解[36]。水稻中DREB2B是溫度響應基因，有不同的可變剪接形式，脅迫誘導下可變剪接情況的變化是其抵御脅迫的一種方式。在正常環境下，Os-DREB2B1的表達量是Os-DREB2B2的5倍，在脅迫條件下兩者表達量都增加，但是Os-DREB2B2增加顯著，表達量與Os-DREB2B1相當或者較高[37]。由此可見，深入研究可變剪接調控基因功能的作用機制具有重要意義。下一步我們將針對逆境脅迫下AhDGAT的可變剪接情況變化進行分析，揭示AhDGAT與花生抗逆的相關性。

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