毛竹甘油3-磷酸酰基轉移酶（GPAT）基因家族成員的生物信息學分析

戴麗紅 柳麗霞 傅志真 華俊峰 鄧先俊

摘要：? 以已知擬南芥、水稻的GPAT基因信息為基礎，利用毛竹（Phyllostachys pubescens）基因組數據庫分析了GPAT基因在毛竹中編碼的相關酶類，確定了毛竹基因組中含有16個毛竹GPAT基因，并分析了這些基因的核苷酸序列長度、編碼氨基酸的數量、蛋白分子量、基因結構和氨基酸序列保守結構域。

關鍵詞：? 毛竹;? 甘油3-磷酸酰基轉移酶（GPAT）;? 基因功能;? 生物信息學

中圖分類號：? ?S 795. 7? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2020）06 - 0025 - 04

毛竹（Phyllostachys heterocycla）生長迅速、材質好且分布廣泛[ 1 - 3 ]，是我國經濟價值高、栽培面積最廣最重要的竹種，毛竹竹材韌性強，整體性好，可制成家具、農具、文具等多種工具和日用品。毛竹纖維含量高達30%～35%，纖維長度在1 500～

1 750 μm之間，這使其成為纖維和造紙工業的優良原料[ 4 ]。此外，竹筍味道鮮美，除鮮食外，還可制成各種干筍和蜜餞。不僅能夠快速大幅增加林農收入，還可改善生態環境。然而，毛竹生長對水肥、氣候條件要求高，即使在適宜毛竹生長的地區，也經常受到來自外部不良環境因素的干擾，如季節性干旱、冷害與凍害、土壤鹽堿化等，這都會對毛竹的生長和成林產生威脅，造成竹材、竹筍的減產[ 5 - 6 ]。因此，提高毛竹的抗逆性、挖掘毛竹抗逆潛能對提高竹農收入，維持竹產業的高產、穩產具有重要意義。

利用分子生物學手段進行毛竹基因功能研究已成為毛竹生物學研究的熱點。目前，中國竹類基因功能的鑒定和研究主要集中在與竹筍生理及竹子開花等相關的基因[ 7 - 8 ]。毛竹脂質代謝，特別是對生長發育、逆境信號應答起重要作用的磷脂分子PA的代謝過程研究還未開始。GPAT是生物膜中重要成分——磷脂酰甘油（PG）生物合成中的第一個酰基酯化酶，該酶在植物、微生物和動物中皆有報道[ 9 - 11 ]。植物GPAT不僅影響種子油脂合成，還會通過其下游產物參與植物的生長發育以及抗旱、抗寒和耐鹽等生理過程[ 11 - 14 ]。本研究通過生物信息學分析確定毛竹基因組中GPAT成員，以及對應的核苷酸、氨基酸序列，為進一步探索GPAT在毛竹生長發育、逆境脅迫響應中的功能奠定基礎。

1 材料與方法

1. 1 研究材料

已知模式生物擬南芥中有10個GPAT成員[ 11 ]，在TAIR（http：//www.arabidopsis.org/index.jsp）上輸入擬南芥基因ID號得到它們核苷酸序列、氨基酸序列。在TIGR（http：//rice.plantbiology.msu.edu/）上搜索關鍵詞“Glycerol-3-phosphate acyltransferase”，發現模式生物水稻基因組含有17個成員。通過以上2個專業數據庫網站的查找、搜索，獲得擬南芥、水稻GPAT基因的核苷酸、氨基酸序列信息。

1. 2 研究方法

在毛竹基因組數據庫網站（http：//bioinformatics.

cau.edu.cn/bamboo/search.php）BambooNet，用已知的10個擬南芥基因的氨基酸序列和17個水稻基因的氨基酸序列，同時通過在線BlastP和擬南芥基因位點搜索兩種方法，找到相似性或同源度高的毛竹序列，通過比較、刪除兩種方法中重復的基因，最終確定毛竹基因組中含有16個GPAT候選基因成員，記下它們的 ID號并在BambooNet網站上查詢、下載相應的核苷酸、氨基酸序列。

在分子生物學網站（http：//pfam.xfam.org/search#

tabview=tab0）輸入擬南芥GPAT基因的氨基酸序列，獲得這些氨基酸序列的蛋白保守結構域。

在https：//www.predictprotein.org/網站進行毛竹基因的蛋白質亞細胞定位，確定該蛋白質處于特定亞細胞的位置，從而分析該序列在特定位置的功能。

2 結果與分析

2. 1 毛竹GPAT基因結構預測

根據已經得到的擬南芥GPAT家族中9個基因和水稻的17個GPAT成員的核苷酸序列、氨基酸序列信息，通過在線BlastP和擬南芥基因位點搜索，分析毛竹GPAT基因家族16個成員，它們的基因ID號分別是PH01001328G0270、PH010000

19G1720、PH01004026G0190、PH01002284G0240，PH01001208G0480、PH01001171G0080、PH01000

607G0640、PH01000773G0530、PH01001809G0320、PH01000632G0290、PH01000090G0730、PH01000

400G0030、PH01003665G0130 、PH01000276G0140、

PH01001272G0420、PH01000578G0740。在16個毛竹基因成員中，多數毛竹GPAT序列核苷酸長度在4 000～8 000 bp之間，氨基酸序列的編碼區由1～13個外顯子組成，編碼150～870個氨基酸，蛋白質分子量大小在17.2 kD～97.20 kD之間，其中PH01000

632G0290核苷酸序列最長，編碼9 176個堿基對;PH01004026G0190基因核苷酸序列最短，編碼3 339個堿基對（表1）。

2. 2 毛竹GPAT基因蛋白保守結構域分析

通過對擬南芥的 GPAT 蛋白保守結構域的查找（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/ lexington/

lexington.cgi？cmd=rps）和比較發現， 擬南芥GPAT基因家族的每個成員都具有一個活性酰基轉移酶結構域，其中AtGPAT4 / 6/8具有一個包含糖類水解酶和磷水解酶的鹵酸鹵化酶樣水解酶（HAD-like）域。在Pfam網站輸入毛竹蛋白序列，得到這些序列的保守結構域，由毛竹GPAT基因序列蛋白結構域（表2）結果表明：這些成員均包含酰基轉移酶蛋白結構域，個別成員還包含鹵酸脫鹵酶的保守結構域。不同毛竹GPAT的N端序列差異很大，但它們都具有相同的GPAT功能結構域。

2. 3 毛竹GPAT蛋白亞細胞定位

根據亞細胞定位、酰基化位點的差異，擬南芥GPAT可分為3類：質體GPAT（ATSI）、線粒體GPAT

（AtGPAT1～3）和內質網GPAT（AtGPAT4～8）[ 11 ]，其中，只有ATSI為質體GPAT。不同的亞細胞定位具有不同的生化特性和生理功能。在16個毛竹序列中，有8條序列定位于線粒體，有2條預測定位于葉綠體，而4條預測定位于內質網中（圖1），其中PH01002284G0240、PH01000773G0530共同定位于內質網和線粒體;PH01000090G0730共同定位于葉綠體和線粒體。

3 結論與討論

本文通過生物信息學分析，確定毛竹基因組中含有16個GPAT基因成員，且16條氨基酸序列都具有酰基轉移酶保守結構功能域，從亞細胞定位預測來看毛竹GPAT與擬南芥GPAT相似，主要分布在內質網、葉綠體和線粒體中。擬南芥質體定位的GPAT，ATSI通過脂酰種類影響PG分子sn-1位脂肪酸的不飽和度，影響種子含油量和植株的耐寒性[ 14 ]。擬南芥中GPAT1-3定位于線粒體中，3個成員僅有sn-2酰基轉移酶活性，GPAT1在角果和花芽中表達高，GPAT2、GPAT3在各組織中均有表達，這些基因主要參與花器官角質合成[ 14 - 15 ]。定位在內質網中的擬南芥GPAT5參與角質合成和軟木脂的合成，維持種皮和根表皮的正常結構，缺失GPAT5的突變體植株對鹽的耐受性降低[ 14 ]。基于擬南芥已有研究結果和本文毛竹GPAT基因家族成員的保守結構域分析、亞細胞定位預測，我們推測16個毛竹GPAT成員在不同的細胞器中也會有底物選擇性和酰基轉移位點特異性，在毛竹抵抗逆境脅迫過程中行使著各異的生理功能。本文對毛竹中可能編碼的GPAT基因做了初步的生物信息學分析，但它們的亞細胞定位在毛竹抗逆反應中發揮的生理、生化功能還有待進一步驗證。

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