玉米YUCCA家族基因的特征分析

王景超 武強(qiáng) 徐珂 齊云 張君 商姍姍

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250100)

生長素是一種非常重要的植物激素，參與植物生長發(fā)育的諸多過程，如細(xì)胞分裂、細(xì)胞分化、莖端分生組織的分化、花的發(fā)育等[1-3]。在模式植物擬南芥中，生長素的生物合成機(jī)制包括色氨酸依賴和色氨酸獨(dú)立2種機(jī)制[4]。其中，色氨酸依賴機(jī)制又包括YUCCA途徑、吲哚-3-丙酮酸(IPA)途徑、吲哚-3-乙酰胺途徑和吲哚-3-乙醛肟途徑等4種生長素生物合成途徑[3，5]。至今，已有多個研究發(fā)現(xiàn)了參與這些途徑的相關(guān)基因，其中就包括YUCCA(YUC)基因，其編碼的蛋白質(zhì)是生長素生物合成的關(guān)鍵酶[5]。

對擬南芥進(jìn)行遺傳學(xué)、酶學(xué)和代謝產(chǎn)物學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)YUC基因參與的是IPA途徑而非YUC途徑。YUC基因編碼黃素單加氧酶(FMOs)，與哺乳動物的FMOs具有同源性，將IPA轉(zhuǎn)化為吲哚-3-乙酸(IAA)[6，7]。擬南芥中的YUC基因家族有11個成員[5，8]，成員之間存在功能冗余現(xiàn)象。

相對于擬南芥和水稻，對玉米YUC基因家族的了解仍然有限。在本研究中，分析了玉米YUC家族基因的基因結(jié)構(gòu)、染色體位置、保守基序和復(fù)制方式等。本研究結(jié)果為了解玉米YUC基因的特征提供有用信息。

1 材料與方法

1.1 ZmYUC基因結(jié)構(gòu)及保守基序分析

利用GSDS軟件(http://gsds.cbi.pku.edu.cn)分析ZmYUC基因的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)[9]。利用MEME軟件(http://meme.nbcr.net/meme/)分析ZmYUC基因的保守基序[10]。

1.2 ZmYUC基因的染色體定位和基因復(fù)制方式分析

從玉米B73序列數(shù)據(jù)庫中檢索到ZmYUCs的染色體位置，并將其定位到染色體上。玉米YUC基因中的重復(fù)事件研究基于以下標(biāo)準(zhǔn)[11]：比對長度≥較長基因長度的70%的保守序列；對齊區(qū)域的序列一致性為>70%。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZmYUC基因的基因結(jié)構(gòu)和保守基序

為了探討ZmYUC基因可能的結(jié)構(gòu)進(jìn)化，對玉米、水稻、擬南芥、番茄、草莓和馬鈴薯等6種植物YUC基因的cDNA序列和基因組序列進(jìn)行比對獲得了內(nèi)含子-外顯子結(jié)構(gòu)。如圖1a所示，這些基因根據(jù)其系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系可分為4個分支[12]。除了部分基因，大多數(shù)基因特別是同一進(jìn)化支系的基因，具有相似的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。在分支A中，除OsYUC1外，所有YUC基因都有4個外顯子和3個內(nèi)含子。ZmYUC9與OsFMO(t)具有相同的基因結(jié)構(gòu)，暗示ZmYUC9是OsFMO(t)在玉米中的同源基因。除AtYUC6和OsYUC2外，分支B中的基因也都有4個外顯子和3個內(nèi)含子。分支C的成員最多，其中大多數(shù)成員具有相似的基因結(jié)構(gòu)，并且分支C中的基因明顯分為單子葉和雙子葉2個亞分支，單子葉植物的基因結(jié)構(gòu)比雙子葉植物的基因結(jié)構(gòu)簡單。在分支D中，單子葉和雙子葉亞分支的基因組DNA結(jié)構(gòu)非常相似，但2個亞分支之間的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)存在明顯差異。

FAD和NADPH這2個保守結(jié)構(gòu)域通常被認(rèn)為是YUCs基因的經(jīng)典特征[13,14]。在之前的分析中[12]，所有的ZmYUC蛋白都包含這2個結(jié)構(gòu)域。為了檢測基因中的其他保守基序，利用MEME軟件對6種植物中的YUC蛋白序列進(jìn)行了分析。在所檢測YUC蛋白中鑒定出10個不同的保守基序，見圖1b和表1。其中，F(xiàn)AD結(jié)構(gòu)域和NADPH結(jié)構(gòu)域分別位于保守基序8和保守基序2中，ATG-containing motif1(WL(I/V)VATGENAE)和ATG-containing motif2(F/LATGY)分別位于motif7和motif6中。此外，motif1 ((E/D)(R/K)X(7)WX(4)YXR(L/V)XLHLX(K/R)X(4)LP)、motif3((F/H)X(4)PXYX(2)(K/R)X(2)FX(2)YX(3)YX(3)(F/A)X(3)PX(5)VX(2)A)、motif4(GPX(3)KX(3)GX(5)DXG(A/T)X(3)I(K/R)X(G/R)X(I/V)X(V/I)X(6))和motif5(M(K/R)GX(2)GLYX(2)G(F/L)X(3)G(L/I)XGX(3)DAX(6)(I/L))這4個保守基序存在于所檢測的6種植物的所有YUCs中，并首次在本研究中被描述。因此，推測這4個保守基序是植物YUC蛋白所獨(dú)有的。

圖1 ZmYUC基因的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)組成和通過MEME軟件獲得的保守基序構(gòu)成

表1 通過MEME軟件獲得的保守基序序列

2.2 ZmYUC基因的染色體定位和基因復(fù)制方式

為了研究ZmYUC基因在玉米基因組中的染色體分布，通過MaizeSequence數(shù)據(jù)庫獲得了ZmYUC基因的染色體位置。結(jié)果表明，14個ZmYUC基因不均勻地分布在7條染色體上，見圖2，其余3條染色體(染色體5、6和9)上沒有發(fā)現(xiàn)ZmYUCs。3號染色體上有3個ZmYUCs(ZmYUC8、ZmYUC10和ZmSPI1)，7號染色體上只有1個ZmYUC5，其余5條染色體上均有2個ZmYUCs，其中，1號染色體上有ZmYUC9和ZmYUC12，2號染色體上有ZmYUC4和ZmYUC7，4號染色體上有ZmYUC3和ZmYUC13，8號染色體上有ZmYUC6和ZmYUC11，10號染色體上有ZmYUC1和ZmYUC2。

圖2 ZmYUCs的染色體位置和基因復(fù)制

基因家族的進(jìn)化主要是通過串聯(lián)擴(kuò)增導(dǎo)致聚集發(fā)生，或通過節(jié)段復(fù)制導(dǎo)致家族成員分散發(fā)生[15]，在ZmYUC基因家族中發(fā)現(xiàn)了這2種形式的基因復(fù)制方式。定位在4號染色體上的ZmYUC3和ZmYUC13之間的物理距離小于Holub[16]定義的基因簇中的距離，因此其構(gòu)成一對基因簇。同時，根據(jù)Zhou等[11]的標(biāo)準(zhǔn)鑒定了2對重復(fù)片段(ZmYUC2和ZmYUC4，ZmYUC5和ZmYUC7)：比對核苷酸序列長度>較長基因序列長度的70%；序列之間氨基酸的同源性>70%。結(jié)果表明，片段復(fù)制事件在ZmYUC基因家族的擴(kuò)增中發(fā)揮了重要作用。

3 討論與結(jié)論

在基因組中，串聯(lián)復(fù)制和大規(guī)模片段復(fù)制事件在基因家族成員的擴(kuò)增中起著至關(guān)重要的作用。利用串聯(lián)重復(fù)和片段復(fù)制事件闡明了YUC基因家族在玉米中的擴(kuò)增機(jī)制。在ZmYUC基因家族中均發(fā)現(xiàn)2種形式的基因復(fù)制。發(fā)現(xiàn)ZmYUC3和ZmYUC13構(gòu)成一對基因簇，ZmYUC2和ZmYUC4，ZmYUC5和ZmYUC7兩對基因參與片段復(fù)制。結(jié)果表明，玉米YUC基因家族的擴(kuò)增主要是通過片段復(fù)制事件實(shí)現(xiàn)的。此外，在系統(tǒng)發(fā)育樹中觀察到的姐妹對ZmYUC9和ZmSPI1[12]具有相似的基因結(jié)構(gòu)，見圖1a，這表明這2個基因可能來源于重復(fù)事件。然而，ZmYUC9和ZmSPI1在系統(tǒng)發(fā)育樹上的親緣關(guān)系較近的成員與鑒定出的片段重復(fù)序列并不一致[11]。可能的解釋是，ZmYUC9和ZmSPI1可能是通過串聯(lián)復(fù)制而產(chǎn)生，然后遷移到染色體的其他部分，或者直接復(fù)制到遠(yuǎn)端位點(diǎn)[17]。到目前為止，玉米YUC基因的數(shù)量(14個)多于擬南芥(11個)[13]、草莓(8個)[18]、水稻(8個)[19,20]、馬鈴薯(8個)[21]和番茄(6個)[22]，這些可能是由基因復(fù)制引起的。

本研究從基因結(jié)構(gòu)、染色體定位、基因復(fù)制方式等方面對ZmYUC基因進(jìn)行了綜合分析。所有YUC基因聚類為4個分支，每個分支的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)和保守基序組成相對保守。此外，ZmYUC基因家族的重排和擴(kuò)增可能源于進(jìn)化過程中的串聯(lián)擴(kuò)增和片段復(fù)制事件。本研究結(jié)果對了解ZmYUC基因的特征提供了重要信息。