文冠果MAPK16基因全長cDNA序列與生物信息學分析

文嗣鑫 王莉 鄧金蘭 紀冬穎 王兵 徐世琦

摘 ? ?要：為探明文冠果MAPK16基因的生物學特征及功能，根據文冠果de novo轉錄組數據搜索MAPK16基因的cDNA序列（XsMAPK16），并對XsMAPK16基因全長cDNA序列進行生物信息學分析。結果顯示，XsMAPK16基因cDNA序列包含1個長度為1 677bp的完整ORF，可編碼558個氨基酸。XsMAPK16蛋白大部分區域為親水區，由235個ɑ螺旋、232個無規則卷曲，59個延伸鏈、32個β轉角構成。依據2gcc.1.A同源建模法，獲得1個三級結構模型，該模型從第12個氨基酸開始到第362個氨基酸結束。XsMAPK16蛋白與12種其他植物MAPK蛋白的同源性分析顯示，文冠果MAPK16與甜橙MAPK的同源性最高（94.93%）。該結果將為解析文冠果抗旱的調控機制提供新的理論基礎，并為文冠果的抗旱育種提供新思路。?

關鍵詞：文冠果;MAPK16蛋白;親水性;ɑ螺旋;同源性

中圖分類號：F307.11; S341.1 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.02.004

Full-length cDNA Sequence and Bioinformatic Analysis of MAPK16 Gene from Yellow Horn

WEN Sixin， WANG Li， DENG Jinlan， JI Dongying， WANG Bing， XU Shiqi

（College of Environment and Resources， Dalian Minzu University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： In order to explore the biological characteristic and function of MAPK16 gene from Xanthoceras sorbifolia （yellow horn）， the cDNA sequence of MAPK16 gene（XsMAPK16） was searched based on the de novo transcriptome data of yellow horn， and then the full-length cDNA sequence of XsMAPK16 gene was analyzed by bioinformatics. The results showed that the cDNA sequence of XsMAPK16 gene contained a complete ORF of 1677 bp， which encoded 558 amino acids. The majority of XsMAPK16 protein is hydrophilic， consisting of 235 helium spirals， 232 random coils， 59 extended strands， and 32 beta turns. According to the 2gcc.1.A homology modeling method， a tertiary structure model was obtained， ranging from the 12th amino acid to the 362th amino acid. The homology analysis of XsMAPK16 protein and MAPK proteins from 12 higher plants showed that MAPK16 had the highest homology with sweet orange MAPK （94.93%）. These results will provide a new theoretical basis for the analysis of the regulation mechanism of drought resistance of yellow horn， and provide new ideas for drought-resistant breeding of yellow horn.

Key words： Xanthoceras sorbifolia; MAPK16 protein; hydrophilic; ɑ helix; homology

植物為應對外界環境變化會作出適應性反應從而進化出了一系列復雜的信號傳導機制，外界刺激被傳遞到細胞內部并轉化為對應的胞內信號以調控下游反應[1]。蛋白激酶特定位點上氨基酸殘基的磷酸化以及去磷酸化是細胞內信號傳遞的主要途徑之一[2]。促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）是植物體內MAPK信號通路的重要成員之一，與植物體的生長、發育和逆境脅迫響應等密切相關[3]。MAPK與促分裂原激活蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MAPKK）以及促分裂原激活蛋白激酶激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK）通過逐級磷酸化構成了MAPKKK→MAPKK→MAPK級聯反應信號傳導途徑[4]。保守的蛋白激酶MAPK級聯信號傳導系統是真核生物應答和傳導外界信號的關鍵通路[5-10]。植物MAPK級聯途徑可以響應多種生物脅迫（真菌、細菌侵染）和非生物脅迫（高鹽、低溫、干旱、活性氧爆發、激素誘導、組織機械損傷）。近年來的研究發現MAPK參與植物生長發育及抗逆過程的研究主要集中在擬南芥[11]、煙草[12]等植物中，已發現了大量MAPK家族成員。

文冠果（Xanthoceras sorbifolia）是我國北方特有的木本食用油料樹種[13]，易繁殖，具有耐旱[14]、耐寒[12]、耐瘠薄和鹽堿[15]等抗逆特征。然而木本油料文冠果中MAPK研究仍為空白。本研究擬在文冠果轉錄組的基因注釋結果搜索得到MAPK16基因的全長cDNA序列，并采用生物信息學相關方法來分析MAPK16蛋白的結構與理化性質，為解析文冠果干旱脅迫抗性的調控機制提供理論依據，對文冠果抗旱種質的篩選和育種具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 搜索文冠果轉錄組獲得XsMAPK16基因的cDNA序列

根據大連民族大學資源植物研究所高通量測序獲得的文冠果根、莖、葉的de novo轉錄組的基因注釋結果搜索獲得XsMAPK16基因的cDNA序列，用于后續生物信息學分析。

1.2 文冠果XsMAPK16基因cDNA序列的生物信息學分析

XsMAPK16基因cDNA序列的ORF區：利用NCBI 網站的ORF Finder在線軟件（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html）依據標準遺傳代碼進行預測;XsMAPK16蛋白序列的一級結構：使用ProtParam在線軟件（http：//web.expasy.org/protparam/）進行預測;XsMAPK16蛋白的疏水性/親水性：通過ProtScale在線軟件（http：//web.expasy.org/protscale/）進行分析;XsMAPK16蛋白序列的二級結構：利用SOPMA在線軟件（https：//npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/securedsopma.pl）進行預測;XsMAPK16蛋白的三級結構：采用SWISS-MODEL軟件（http：// www.swissmodel.expasy.org/）進行預測。

1.3 文冠果MAPK16與其他植物MAPK氨基酸序列的同源性比較

利用DNAman軟件對文冠果MAPK16氨基酸序列和克萊門柚（Citrus clementia）、甜橙（Citrus sinensis）、可可（Theobroma cacao）、胡楊（Populus euphratica）、木薯（Manihot esculenta）、榴蓮（Durio zibethinus）、麻風樹（Jatropha curcas）、棗（Ziziphus jujuba）、白樺（Betula platyphylla）、歐洲甜櫻桃（Prunus avium）等10種其他植物的MAPK氨基酸序列進行同源性分析，上述10種植物的MAPK氨基酸序列通過NCBI數據庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）下載。

2 結果與分析

2.1 文冠果XsMAPK16基因cDNA序列的ORF

文冠果XsMAPK16基因cDNA序列的ORF分析結果顯示，XsMAPK16基因包含1個長度為1 677 bp的ORF，可編碼氨基酸個數為558個（圖1）。

2.2 XsMAPK16蛋白一級結構

利用ProtParam在線軟件對XsMAPK16基因編碼的蛋白質結構進行預測，XsMAPK16蛋白分子式為C2836H4455N789O819S22，相對分子質量為63 413.69，等電點為8.86，脂肪系數為78.69，不穩定系數為35.67，正電荷（精氨酸+賴氨酸）殘基80個，負電荷（天冬氨酸+谷氨酸）殘基71個，平均疏水性為

-0.475，其中正值表示疏水性，負值表示親水性，且該值越高則表示該性質越強。說明XsMAPK16為穩定的親水性蛋白，這與其疏水性/親水性分析結果基本一致。

2.3 XsMAPK16蛋白疏水性/親水性分析

由圖2可見XsMAPK16蛋白的疏水性最大值為2.298，最小值為-2.898，說明XsMAPK16蛋白中大部分氨基酸為親水性氨基酸，與其理化性質分析結果相一致。

2.4 XsMAPK16蛋白序列的二級結構

基于蛋白質數據庫，利用SOPMA軟件對XsMAPK16蛋白序列進行二級結構預測，結果（圖 3）顯示，XsMAPK16蛋白由235個ɑ螺旋、232個無規則卷曲、59個延伸鏈、32個β轉角構成，分別占42.11%、41.58%、10.57%、5.73%，其中ɑ螺旋和無規則卷曲所占比例分別位列第1、2位，可以推測文冠果XsMAPK16蛋白二級結構的結構元件是以ɑ級螺旋和無規則卷曲的形式存在，而β旋轉角和延伸鏈散布在整個蛋白質中。

2.5 XsMAPK16蛋白序列的三級結構

利用同源建模法，將XsMAPK16蛋白質序列提交至SWISS-MODEL，根據 2gcc.1.A同源建模法，得到1個三級結構模型（圖4），該模型從第12個氨基酸開始到第362個氨基酸結束，主要由ɑ氨螺旋、無規則卷曲、延伸鏈和β旋轉角組成，與二級結構預測結果基本一致。

2.6 XsMAPK16蛋白序列與其他植物MAPK蛋白序列的同源性比較

將XsMAPK16氨基酸序列提交至NCBI數據庫進行在線比對，選擇與其同源性較高的10種植物的MAPK氨基酸序列：克萊門柚MAPK15（Citrus clementia，XP_006419783.1）、甜橙MAPK15（Citrus sinensis，XP_006489245.1）、可可MAPK15（Theobroma cacao，XP_007034572.1）、胡楊MAPK15（Populus euphratica，XP_011009014.1）、木薯MAPK15（Manihot

esculenta，XP_021594735.1）、榴蓮MAPK16（Durio zibethinus，XP_022761951.1）、麻風樹MAPK15（Jatropha curcas，XP_012069504.1）、棗MAPK15（Ziziphus jujuba，XP_015888257.1）、白樺MAPK16（Betula platyphylla，AHX99574.1）、歐洲甜櫻桃MAPK16（Prunus avium，XP_021806466.1）。利用DNAman軟件將這些序列進行多序列比對，發現不同植物的MAPK氨基酸序列同源性較高，其中文冠果XsMAPK16氨基酸序列與甜橙MAPK15氨基酸序列的同源性最高，達到94.93 %。多重序列比對結果如圖5所示，深色部分表示高度的保守氨基酸序列，第41個至第450個氨基酸序列存在較長的相對保守重疊區。

3 結論與討論

MAPK蛋白是植物體內MAPK信號通路的重要成員，與植物體的生長、發育和逆境脅迫響應密切相關。本研究通過將文冠果MAPK16氨基酸序列與NCBI數據庫中10種其他植物的MAPK氨基酸序列進行同源性分析，發現文冠果MAPK16與克萊門柚、甜橙、可可、胡楊、木薯、榴蓮、麻風樹、棗、白樺、歐洲甜櫻桃等10種植物均有較高的同源性，其中與甜橙同源性最高（94.93%）。這說明文冠果與其他高等植物在MAPK氨基酸序列上第41個氨基酸至第450個氨基酸存在較長的保守區域，從而在進化上相對較為保守。本研究獲得文冠果MAPK家族成員——MAPK16全長cDNA序列以及功能預測結果，將為文冠果抗旱種質的分子育種提供重要參考，也為下一步將該基因的完整ORF區連接入表達載體并轉化到模式植物擬南芥中，進行功能驗證奠定基礎。

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