水稻WRKY轉錄因子家族的生物信息學分析

王鵬洋 曲姍姍 梁源

摘要 [目的]對水稻WRKY轉錄因子家族成員進行生物信息學分析，為進一步研究水稻WRKY轉錄因子的功能提供依據。[方法]從NCBI網站下載水稻全基因組序列，利用CDD、Blast、MEME、MEGA、ProtParam等在線工具或本地軟件篩選WRKY家族成員，對所得WRKY家族成員的理化性質、系統(tǒng)進化親緣關系、保守元件等項目進行生物信息學分析。[結果]共從水稻基因組中鑒定篩選出65個WRKY家族成員，每一個成員中都具有WRKYGQK的保守元件，除此之外還有一個保守鋅指結構的元件存在。利用MEGA對所得WRKY家族成員進行聚類發(fā)現，65個WRKY家族成員可以分為A、B、C、D、E 5類，其中A、B、C、D 4類的親緣關系較近，可以聚為一類;而A類相對親緣關系較遠，認為A類成員可能是長期進化過程中被保留下來的較為原始的一類。[結論]該研究較系統(tǒng)地鑒定了水稻WRKY家族，為進一步研究水稻WRKY轉錄因子功能和互作關系提供參考。

關鍵詞 水稻;WRKY轉錄因子;生物信息學;系統(tǒng)進化樹

中圖分類號 Q 943.2 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）12-0123-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.12.033

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract [Objective]Bioinformatics analysis of WRKY transcription factor family members in rice was carried out to provide basis for further study on the function of WRKY transcription factor family in rice.[Method]The whole genome sequence of rice was downloaded from NCBI website.The WRKY family members were screened by CDD，Blast，MEME，MEGA，ProtParam and other online tools or local software.The physical and chemical properties，phylogenetic relationships and conservative elements of the WRKY family members were analyzed by bioinformatics.[Results]A total of 65 WRKY family members were identified from the rice genome，each of which had a conserved element of WRKYGQK，in addition to a conserved zinc finger structure.Using MEGA to cluster the obtained WRKY family members，65 WRKY family members can be divided into A，B，C，D，E 5 categories，among which A，B，C，D 4 are closely related and can be clustered into one group;while class A is relatively distantly related，and it is considered that class A members may be a relatively primitive class that has been preserved during longterm evolution.[Conclusion]This study systematically identified the WRKY family of rice，and provided a reference for further study on the function and interaction of WRKY transcription factors in rice.

Key words Rice;WRKY transcription factor;Bioinformatics;Phylogenetic tree

水稻（Oryza sativa）被譽為五谷之首，是我國的主要糧食作物之一，其生產史悠久，種植分布廣泛，我國水稻主產區(qū)主要是東北地區(qū)、長江流域、珠江流域[1]。稻米中有豐富的營養(yǎng)，如碳水化合物、蛋白質和一些礦物元素。據統(tǒng)計，世界上近一半人口都以稻米為食[2-3]。

WRKY是存在于植物中的最大且最重要的轉錄因子家族之一，因其存在WRKYGQK（色氨酸-精氨酸-賴氨酸-酪氨酸-甘氨酸-谷氨酰胺-賴氨酸）結構域而得名，該結構域十分保守[4]。WRKY轉錄因子是通過與靶基因啟動子中的W-box相互作用來啟動應答的，一種應答反應常常需要多個WRKY因子的協(xié)同作用，而同一個WRKY轉錄因子有可能在多組應答作用中發(fā)揮功能[5]。在多種植物中都存在WRKY轉錄因子，如擬南芥（Arabidopsis thaliana）中有74個、番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）中有81個、蘋果（Malus pumila Mill.）中有116個[6]。

WRKY轉錄因子在應對逆境脅迫時可以發(fā)揮重要功能[7]。有研究表明，許多WRKY基因有參與抗病過程的功能，其參與途徑一般為調控抗病相關基因的轉錄[8]。WRKY還在干旱、低溫、高鹽的情況下表達以降低植物受到的傷害，例如WRKY13選擇性的結合到SNAC1啟動子區(qū)不同的順式作用元件上通過調節(jié)氣孔閉合來提高對干旱的抗性[9];WRKY1、WRKY7、WRKY22等基因在低溫情況下有應激反應[10];WRKY75是對鹽脅迫響應的重要調控因子[11]。因此解析WRKY基因的生物學功能對建立植物對逆境脅迫的調控信號網絡意義重大，也可對植物分子改良提供理論基礎。該研究擬對水稻WRKY進行生物信息學分析，以期全面了解水稻WRKY蛋白的基本性質、結構特點及系統(tǒng)進化等信息，為WRKY基因的進一步研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源 從NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCA_000004655.2）上下載水稻的全基因組序列，以染色體為單位下載，共12條染色體。用NCBI中的在線工具CDD[12]（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd）得到WRKY轉錄因子家族的保守簡并結構域（LDDGYRWRKYGQKVVKGNPYPRSYYKCTTPGCGVRKHVERAATDPKAVVTTYEGKHNH），并以該結構域作為后續(xù)Blast的探針。

1.2 試驗方法

1.2.1 數據篩選。運用本地Blast軟件，采用tBlastn[13]算法，以水稻12條染色體的全基因組為數據庫，以WRKY保守結構域為探針進行比對，E-value值設為1e- 5，手動除去短的干擾序列，輸出分值比較高的比對結果。上述tBlastn算法比對輸出的結果為蛋白序列，將其逐條于水稻數據庫（http：//rice.plantbiology.msu.edu/）的在線Blastp算法比對以獲得WRKY蛋白的全序列。

1.2.2 數據的篩選與鑒定。將從水稻數據庫獲得的WRKY蛋白輸入CDD，有WRKY保守結構域的蛋白質才被確定為WRKY家族成員。應用在線工具MEME（http：//meme-suite.org/tools/meme）對WRKY家族成員做鑒定，尋找該家族是否有其他共有的保守序列，設定保守序列長度為2～600個氨基酸殘基，最多檢測10個保守序列，其余參數為默認，并得到保守序列處于蛋白位置的示意圖。

1.2.3 WRKY家族成員系統(tǒng)進化分析。將篩選鑒定得到的WRKY蛋白質序列以fasta格式保存，利用軟件MEGA（Molecular Evolutionary Genetics Analysis）中的ClustalW進行序列比對，再利用MEGA中PHYLOGENY功能的鄰接法（neighbor-joining）[14-15]，設置NO.of Bootstrap Replications值為1 000，Number of Threads值為3，其余參數為默認，作出WRKY家族的系統(tǒng)進化樹。

1.2.4 WRKY家族成員蛋白的理化性質分析。利用在線工具ProtParam（https：//web.expasy.org/cgi-bin/protparam/protparam）對WRKY家族成員蛋白作理化性質預測與分析，分別預測了分子質量（Molecular weight）、等電點（PI）、不穩(wěn)定系數（Instability index）和總平均親水性（Grand average of hydropathicity）。

2 結果與分析

2.1 水稻WRKY轉錄因子家族的鑒定及理化性質分析 通過篩選鑒定得到水稻WRKY轉錄因子家族成員65個，鑒定依據為蛋白序列中存在WRKYGQK保守基序，WRKY家族成員的命名采用水稻數據庫中的名字，登錄號為水稻數據庫中該蛋白對應基因的登錄號，并統(tǒng)計了蛋白氨基酸數目、對應基因的ORF長度、蛋白相對分子質量、等電點、不穩(wěn)定系數和總平均親水性。據統(tǒng)計，水稻WRKY家族中蛋白氨基酸數目最多為1 002個，最少為181個，極差較大，平均值為400個氨基酸。等電點范圍為4.52～10.20，其中小于7的有39個，大于7的有26個，說明該家族蛋白質更偏向于弱酸性。相對分子質量在18 481.3～109 042.29之間。該家族中不穩(wěn)定系數只有3個成員小于40，為穩(wěn)定蛋白，其余均為不穩(wěn)定蛋白?？偲骄H水性均為負值，說明WRKY家族成員均為親水蛋白。

2.2 WRKY家族成員系統(tǒng)進化分析結果 為得到WRKY家族中各成員間的同源進化關系，筆者采用系統(tǒng)進化分析的方法，將鑒定得到的65個家族成員輸入MEGA繪制系統(tǒng)進化樹（圖1）。根據進化樹的聚類結果將這65個成員分為A、B、C、D、E 5類，其分別包括WRKY基因9、16、12、11和17個，A類中的WRKY成員最少，E類中的WRKY成員最多。從進化樹分支關系中還可以得到B、C、D、E 4類的親緣關系相對較近聚為一大類，而A類相對關系較遠，認為可能A類成員是在長期進化過程中保留下來的較原始的一類。根據進化樹分組結果將家族成員分組進行比對發(fā)現，每組的保守氨基酸都各不相同，但相同的是所有組都有WRKY保守序列（圖2）。其中C組中同組完全保守氨基酸較多，E組中完全保守氨基酸較少。B、C、D、E 4組比較相似，它們與A組成員相差較遠，其差異主要表現在后半部分，從第1個保守的半胱氨酸（C字母）開始出現差異，第2個半胱氨酸相對于其他4組更晚出現，且碳端保守組氨酸（H字母）也出現的更晚，這些是由于長期進化而出現的序列差異。

2.3 保守元件分析 利用在線工具MEME尋找WRKY家族的保守元件，發(fā)現除WRKYGQK的保守元件，該家族中還具有1個鋅指結構[16]，A組中該鋅指結構為C-X7-C-X22-28-H-X-H，B組和C組中該鋅指結構為C-X5-C-X23-H-X-H，而D組和E組中該鋅指結構為C-X4-C-X23-H-X-H，其中X可以是任意氨基酸，但X中也有相對保守的氨基酸存在。

3 結論與討論

WRKY轉錄因子家族是在植物中廣泛存在的一類重要蛋白，其可以在很多逆境脅迫中發(fā)揮作用以減少逆境對植物帶來的傷害，因此對WRKY家族的研究至關重要。常常有多個WRKY協(xié)同發(fā)揮一個功能，但WRKY轉錄因子與基因之間或兩個WRKY之間是如何協(xié)同進行信號轉導的，該機制尚不清楚，仍需進一步闡明和完善。該研究對水稻WRKY轉錄因子家族成員的理化性質、系統(tǒng)進化親緣關系、保守元件等項目的生物信息學分析。結果表明，水稻WRKY轉錄因子家族成員共有65個，每一個成員中都具有WRKYGQK的保守元件，除此之外還有一個保守鋅指結構的元件存在。利用MEGA對所得WRKY家族成員進行聚類發(fā)現，65個WRKY家族成員可以分為A、B、C、D、E 5類，其中A、B、C、D 4類的親緣關系較近，可以聚為一類;而A類相對親緣關系較遠，認為A類成員可能是長期進化過程中被保留下來的較原始的一類。該研究認為，水稻基因組中共有65個WRKY轉錄因子，這與Ross等[17]在日本晴水稻上得出的結論不同，可能是由于所選用的水稻基因組數據、篩選方式以及結構域探針不同等因素導致的。該研究較系統(tǒng)地鑒定了水稻WRKY家族，為學者研究WRKY轉錄因子功能和互作關系提供生物信息學信息，有利于對WRKY的進一步深入研究。未來對WRKY轉錄因子的研究重點依然在明確WRKY在植物受逆境脅迫時的信號轉導途徑，以及利用WRKY對作物和林木進行分子改良以開發(fā)其巨大的應用價值。

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