玉米JAZ基因家族的生物信息學(xué)分析

韓 斌，劉 江，趙興華，唐朝暉，任永康，牛瑜琦 ，王長(zhǎng)彪

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西太原030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太原030031）

茉莉酸（Jasmonic Acid，JA）[1]是植物在受到生物脅迫和非生物脅迫反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用的激素類(lèi)物質(zhì)。目前，SCFcoll[2]、coll蛋白[3]以及 JAZ 蛋白質(zhì)[4]等已被鑒定參與到茉莉酸信號(hào)通路途徑中。其中，JAZ蛋白質(zhì)由位于N端的TIFY功能結(jié)構(gòu)域和位于C端的CCT_2功能結(jié)構(gòu)域組成。通常，TIFY功能結(jié)構(gòu)域通過(guò)參與JAZ與其共抑制因子NINJA相互作用，從而調(diào)控JA相應(yīng)基因的表達(dá)。目前，在擬南芥[5]中發(fā)現(xiàn)了12個(gè)JAZ家族基因，水稻中[6]發(fā)現(xiàn)了15個(gè)JAZ基因。玉米[7]作為單子葉植物，同樣發(fā)現(xiàn)含有JAZ結(jié)構(gòu)域的基因，該基因在玉米抵御昆蟲(chóng)和病原微生物的危害中發(fā)揮作用。隨著玉米基因組測(cè)序的完成，玉米逐漸成為研究基因組學(xué)的重要模式生物之一。但是目前對(duì)玉米JAZ基因家族成員的研究還不多。據(jù)報(bào)道，玉米JAZ家族共有23個(gè)基因[8]，它們的表達(dá)具有組織特異性，且在非生物脅迫反應(yīng)中均發(fā)揮了重要作用。

本研究利用生物信息學(xué)方法，對(duì)玉米JAZ家族基因進(jìn)行氨基酸組成及其理化性質(zhì)等多方面的信息進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，旨在為功能基因的研究提供數(shù)據(jù)支持以及為玉米育種提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 JAZ基因堿基序列

玉米JAZ家族基因序列信息來(lái)自玉米基因數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//www.maizegdb.org/）。

1.2 試驗(yàn)方法

利用ProtParam對(duì)JAZ編碼的氨基酸組成、相對(duì)分子質(zhì)量、等電點(diǎn)等進(jìn)行分析，用NetPhos3.1server對(duì)JAZ蛋白磷酸化位點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用Protscale軟件進(jìn)行JAZ蛋白疏水性或親水性預(yù)測(cè)和分析，采用SOPMA進(jìn)行JAZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，采用TMHMM對(duì)JAZ蛋白跨膜結(jié)構(gòu)域進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，JAZ蛋白信號(hào)肽預(yù)測(cè)，采用Signal 3.0軟件進(jìn)行分析，采用WoLF PROST進(jìn)行JAZ蛋白亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)和分析，采用Pfam在線(xiàn)軟件進(jìn)行JAZ蛋白保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米JAZ蛋白的氨基酸組成及理化性質(zhì)分析

通過(guò)運(yùn)用ProtParam軟件在線(xiàn)分析玉米中JAZ蛋白氨基酸殘基數(shù)目、理論等電點(diǎn)、相對(duì)分子質(zhì)量、氨基酸組成及高含量氨基酸所占比例以及JAZ蛋白的穩(wěn)定性和親水性，其結(jié)果如表1所示，JAZ蛋白的氨基酸殘基數(shù)目介于110～426個(gè)，相對(duì)分子質(zhì)量介于11 834.49～30 494.24，玉米JAZ蛋白理論等電點(diǎn)均大于7，呈堿性；高含量氨基酸及其比例分析結(jié)果顯示，玉米JAZ1～JAZ23蛋白高含量氨基酸中亮氨酸含量最高，在玉米 JAZ2、JAZ3、JAZ12、JAZ14、JAZ16、JAZ20、JAZ22中，丙氨酸含量分布范圍為9.7%～24.9%，脯氨酸含量分布范圍為8.2%～14.5%，甘氨酸含量分布范圍為8.5%～12.4%。總體來(lái)看，玉米JAZ蛋白的主要氨基酸為丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸。穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析結(jié)果表明，玉米JAZ蛋白均為非穩(wěn)定性蛋白質(zhì)。

表1 玉米JAZ蛋白理化性質(zhì)的預(yù)測(cè)分析

2.2 玉米JAZ蛋白磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)及分析

在對(duì)JAZ蛋白磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)時(shí)，設(shè)定參數(shù)Threshold大于0.5，預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示，預(yù)測(cè)玉米JAZ蛋白磷酸化位點(diǎn)和數(shù)量結(jié)果表明，蛋白磷酸化位點(diǎn)數(shù)量最多的是絲氨酸，其次是蘇氨酸，絡(luò)氨酸最小。在絲氨酸蛋白位點(diǎn)數(shù)預(yù)測(cè)中，玉米JAZ蛋白均含有絲氨酸位點(diǎn)，其中，JAZ17位點(diǎn)數(shù)最多，為42個(gè)；其次為JAZ13，含有位點(diǎn)數(shù)39個(gè)；最少的為JAZ10，含有位點(diǎn)數(shù)2個(gè)。在蘇氨酸蛋白位點(diǎn)數(shù)預(yù)測(cè)中，玉米JAZ蛋白也均含有蘇氨酸位點(diǎn)，其中，JAZ4位點(diǎn)數(shù)最多，為14個(gè)；其次為JAZ14，含有位點(diǎn)數(shù)13個(gè)；最少的為JAZ1和JAZ10，均含有位點(diǎn)數(shù)1個(gè)。在絡(luò)氨酸位點(diǎn)預(yù)測(cè)中，JAZ3、JAZ4、JAZ9、JAZ10、JAZ14、JAZ18中均無(wú)絡(luò)氨酸磷酸化位點(diǎn)。

表2 玉米JAZ蛋白磷酸化作用位點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3 玉米JAZ蛋白信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)分析

信號(hào)肽預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，玉米JAZ蛋白均為非分泌蛋白質(zhì)，均不含信號(hào)肽。跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)如圖1所示，未發(fā)現(xiàn)玉米JAZ蛋白有明顯的跨膜結(jié)構(gòu)域。

2.4 玉米JAZ蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)及各元件含量預(yù)測(cè)

對(duì)玉米JAZ蛋白的氨基酸序列進(jìn)行二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，結(jié)果如表3所示，玉米JAZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)主要元件為不規(guī)則卷曲，其次依次為α-螺旋、延伸鏈和β-轉(zhuǎn)角。

表3 玉米JAZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)及各含量預(yù)測(cè) %

2.5 玉米JAZ蛋白亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)和分析

對(duì)玉米JAZ蛋白進(jìn)行蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)得分如表4所示，在玉米JAZ蛋白中JAZ1、JAZ2、JAZ3、JAZ4、JAZ5、JAZ6、JAZ11、JAZ12、JAZ15、JAZ18、JAZ20、JAZ21、JAZ22 定位在細(xì)胞核的得分較高，由此可推斷玉米JAZ蛋白很可能是在細(xì)胞核內(nèi)行使其功能。此外，JAZ8、JAZ9、JAZ13、JAZ14、JAZ16、JAZ17、JAZ19和JAZ23定位在細(xì)胞質(zhì)的得分較高，推斷其蛋白可能在細(xì)胞質(zhì)中行使功能。JAZ7定位在葉綠體的得分較高，推斷其蛋白可能在葉綠體中行使功能。JAZ10定位在線(xiàn)粒體的得分較高，推斷其蛋白可能在線(xiàn)粒體中行使功能。

表4 玉米JAZ蛋白亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)和分析

2.6 玉米JAZ蛋白功能結(jié)構(gòu)域的預(yù)測(cè)和分析

對(duì)玉米JAZ蛋白的功能結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，玉米JAZ蛋白均含有JAZ蛋白家族典型的TIFY和CCT_2這2個(gè)功能結(jié)構(gòu)域（圖2）。根據(jù)之前的報(bào)道，甘薯[9]、丹參[10]、煙草[11]、擬南芥[12]的 JAZ 蛋白均含有TIFY和CCT_2這2個(gè)功能結(jié)構(gòu)域。由蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域決定功能可知，玉米JAZ蛋白與其他植物均含有典型的結(jié)構(gòu)域，推斷玉米JAZ蛋白與其他植物的JAZ蛋白一樣，行使著相似的功能。

3 結(jié)論與討論

玉米是我國(guó)第一大糧食作物[13]，其對(duì)全國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的作用。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，從常規(guī)育種選育很難快速定向提高玉米的抗病性[13]。而采用基因工程技術(shù)進(jìn)行定向改良玉米性狀為玉米抗病基因工程育種開(kāi)辟了新的途徑[14]。目前，以水楊酸、茉莉酸和乙烯等為抗病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是非常具有代表意義的激素[15]抗病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[16]。當(dāng)植物識(shí)別到外來(lái)物質(zhì)如病原菌的信號(hào)后，通常會(huì)激活和調(diào)控下游防衛(wèi)基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)植物發(fā)生防衛(wèi)反應(yīng)[17]。然而，有關(guān)玉米茉莉酸途徑抗病基因的克隆和功能研究報(bào)道較少。本研究采用系列生物信息學(xué)軟件對(duì)玉米JAZ蛋白的氨基酸組成及其理化性質(zhì)、蛋白質(zhì)磷酸化位點(diǎn)、JAZ蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件和含量、跨膜結(jié)構(gòu)域、信號(hào)肽、亞細(xì)胞定位和功能域等進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果顯示，玉米JAZ蛋白相對(duì)分子質(zhì)量介于11 834.49～30 494.24，主要氨基酸為絲氨酸、脯氨酸、賴(lài)氨酸和蘇氨酸，理論等電點(diǎn)均大于7，呈堿性，且JAZ蛋白均為非穩(wěn)定性蛋白質(zhì)。磷酸化位點(diǎn)預(yù)測(cè)分析結(jié)果表明，磷酸化位點(diǎn)數(shù)量由多到少依次為絲氨酸、蘇氨酸、絡(luò)氨酸。根據(jù)信號(hào)肽和跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)表明，這些蛋白質(zhì)均為非分泌蛋白質(zhì)，不含有信號(hào)肽，沒(méi)有明顯的跨膜結(jié)構(gòu)域。玉米JAZ蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)元件主要為不規(guī)則卷曲、α-螺旋和延伸鏈。亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，JAZ蛋白質(zhì)主要定位于細(xì)胞核；結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)結(jié)果表明，玉米JAZ蛋白均含有家族典型的TIFY和CCT-2這2個(gè)功能結(jié)構(gòu)域，推測(cè)這些蛋白質(zhì)行使著相似的功能。對(duì)玉米JAZ基因家族的生物信息學(xué)預(yù)測(cè)和分析將有助于預(yù)測(cè)其在玉米中的生物學(xué)功能[18]，并為探究玉米JAZ基因家族抗逆育種奠定理論基礎(chǔ)[19]，進(jìn)而為研究其他禾本科植物的JAZ基因家族[20-21]提供一定理論依據(jù)。