蓖麻bZIP基因家族的全基因組鑒定、生物信息學及表達分析

摘要" 為了解蓖麻bZIP基因家族成員的組成和家族進化關系及特征，本研究利用生物信息學鑒定家族成員，進行基因結構、蛋白質保守基序分析及系統發育分析，同時分析其蛋白的理化性質、磷酸化位點和互作關系，以及該基因在組織中的表達模式和表達量。結果表明，共鑒定出46個蓖麻bZIP基因家族成員，位于10個染色體上；基因結構與蛋白質保守基序較為復雜，可分為11個亞族，包含25個基序；與擬南芥進化相似，較為保守；bZIP蛋白為親水性蛋白，位于細胞核、細胞膜和葉綠體，主要通過絲氨酸的磷酸化來發揮生物學作用，蛋白RcbZIP18、RcbZIP27、RcbZIP2、RcbZIP17和RcbZIP46之間的聯系較多，通過蛋白間的相互作用參與蓖麻各個生長時期；該基因家族均參與葉、莖、根和胚等生長時期的發育調控，其中RcbZIP10、RcbZIP25和RcbZIP44在葉片和種子中表現出明顯的組織差異性。上述結果為蓖麻bZIP基因家族成員的功能研究提供參考。

關鍵詞" 蓖麻；bZIP家族；生物信息學分析；系統進化；表達分析

中圖分類號" S565.6" " " "文獻標識碼" A" " " "文章編號" 1007-7731（2025）02-0027-09

DOI號" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.02.006

Genome-wide identification， bioinformatics and expression analysis of bZIP gene family of Ricinus communis

WANG Dongyan1" " ZHANG Chunling2" " FENG Yan1" " WANG Lixin1" " ZAN Rui1" " DI Jianjun1，3，4，5，6

（1College of Life Science and Food Engineering， Inner Mongolia Minzu University， Tongliao 028000， China;

2Tongliao Agricultural and Animal Husbandry Academy， Tongliao 028015， China;

3Inner Mongolia Key Laboratory of Castor Breeding and Comprehensive Utilization， Tongliao 028000， China;

4Key Laboratory of Castor Breeding of the State Et hnic Affairs Commission， Tongliao 028000， China;

5Inner Mongolia Industrial Engineering Research Center of Universities for Castor， Tongliao 028000， China;

6Inner Mongolia Engineering Research Center of Industrial Technology Innovation of Castor， Tongliao 028000， China）

Abstract" To understand the composition， evolutionary relationship and characteristics of Ricinus communis bZIP gene family members， bioinformatics was used to identify family members， analyze gene structure， protein conserved motifs， phylogenetic analysis， and analysis of protein physicochemical properties， phosphorylation sites， and interactions， as well as gene expression patterns and expression levels in tissues. The results showed that 46 members of the Ricinus communis bZIP gene family were identified， which were located on 10 chromosomes.The gene structure and protein conserved motifs were complex， which can be divided into 11 subfamilies， including 25 motifs. Similar to Arabidopsis， the evolution was more conservative; bZIP protein was a hydrophilic protein located in the nucleus， cell membrane and chloroplast. It played a biological role mainly through the phosphorylation of serine.The proteins RcbZIP18， RcbZIP27， RcbZIP2， RcbZIP17 and RcbZIP46 were associated with each other， participating in each growth cycle of Ricinus communis through the interaction between proteins. They are involved in the developmental regulation of leaf， stem， root and embryo during growth，RcbZIP10， RcbZIP25 and RcbZIP44 showed significant organizational differences in leaves and seeds These results provide references for the functional study of Ricinus communis bZIP gene family members .

Keywords" Ricinus communis L.; bZIP family; bioinformatics analysis; phylogeny; expression analysis

轉錄因子（Transcription factor，TF）是一類在特定的時間與空間下，目的基因與特定的序列進行專一性結合的蛋白質分子[1]。其作為細胞過程（如分化和發育）的關鍵調節因子，通過信號通路對外部干擾做出反應，在植物生長發育、代謝反應和抗逆反應等多種過程中發揮重要作用[2-3]。堿性亮氨酸拉鏈（Basic leucine zipper，bZIP）是真核生物中較為熟知的轉錄因子家族之一[4]。bZIP基因家族廣泛存在于植物中，在多種生物過程中起著重要作用，如孫耀國等[5]研究表明，西洋梨的bZIP基因家族參與該植物的生長發育、種子成熟、光信號響應和環境脅迫等過程；曹麗茹等[6]研究發現，玉米bZIP轉錄因子ZmbZIP26在多個部位表達，且在氮脅迫和高鹽條件下表達量上調20倍左右，在高溫和干旱脅迫下表達量也呈上調趨勢；潘婷婷[7]研究表明，在水稻中共鑒定出89個bZIP基因，其中調控水稻開花的新基因OsbZIP65在多種部位表達，在根、莖和穗中表達量較高，在葉片等部位表達量較低。游冉[8]研究發現，過表達OsbZIP34基因能夠延遲植物開花，并參與調控水稻抽穗。目前，在野菊、水稻、玉米、大豆和睡蓮等多種植物中，已有bZIP轉錄因子的基因組鑒定及生物學分析[9]，但關于bZIP轉錄因子在蓖麻（Ricinus communis）中的分子進化研究相對較少。

蓖麻是大戟科油料植物[10]，其種子含油量較高，蓖麻油中富含的蓖麻油酸在生活與工業中有著廣泛的用途[11-12]，為再生能源提供優質原料[13]。蓖麻油及其衍生物可代替部分石油產品，被稱為能夠再生的“綠色石油”[14]。然而，受到環境和種植效益的影響，蓖麻產量逐年下降，使產品供不應求。因此，利用基因工程和生物技術改良蓖麻的產量與性狀對生產具有重要意義[15]。

本研究主要通過生物信息學技術對蓖麻bZIP轉錄因子家族的蛋白和基因的保守結構、系統進化及其基因表達模式等進行分析，以了解bZIP轉錄因子家族在蓖麻中的進化過程[16]，為蓖麻bZIP轉錄因子家族在油脂代謝調控機制中的功能研究提供參考，有利于提高蓖麻育種效率和培育高產優質抗逆品種，對蓖麻穩產增產有重要作用。

1 材料與方法

1.1 數據來源

使用的蓖麻全基因組序列、編碼序列、蛋白質序列和注釋文件均下載自網站Oil plant database（https：//oilplants.iflora.cn），蓖麻基因組文件下載自蓖麻基因組數據庫 （https：//castorbean.jcvi.org./index.php），擬南芥bZIP基因家族的基因與蛋白質序列下載自TAIR數據庫（Araport11，https：//www.arabidopsis.org/）[17]，蓖麻的各組織相關表達量數據下載自GEO數據庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）。

1.2 家族成員鑒定

下載蓖麻的蛋白質序列和70個擬南芥bZIP基因家族成員序列，然后進行本地BLASTP比對（E-value≤1e-10）[18]。再從Pfam數據庫（http：//pfam.xfam.org/）下載bZIP基因家族典型結構域的蛋白質序列，進行本地HMMER比對[19]。采用這兩種方法進行家族成員的鑒定，將比對結果進行整合，刪除多余的重復序列。分別使用NCBI CDD工具（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/）與EBI InterPro工具（https：//www.ebi.ac.uk/interpro/）對候選序列進行結構域檢測[20-21]，使用Clustal Omega軟件進行多重比對[22-23]，從而確定蓖麻bZIP基因家族的成員。

1.3 基因結構與蛋白質保守基序分析

根據下載的蓖麻基因組注釋文件編寫腳本，獲得bZIP基因家族成員的基因、內含子與外顯子位點等信息。使用MEME在線工具（https：//meme-suite.org/tools/meme）對蓖麻bZIP蛋白進行保守基序分析[24]，基序數目設置為10個。使用Evoview在線工具對基因結構、蛋白質保守基序進行可視化分析[25]。

1.4 系統發育進化分析

在植物轉錄因子數據庫（http：//planttfdb.gao-lab.org/）下載模式植物擬南芥bZIP轉錄因子的家族成員基因序列。運用MEGA7軟件對擬南芥和蓖麻bZIP基因家族成員采用Clustal W方法進行多序列比對[26]。選用相鄰連接法（Neighbor-joining，NJ），設定Bootstrap值1 000進行校正，構建進化樹。導出Newick Export文件。用EvolView（https：//evolgenius.info//evolview-v2/）進行進化樹美化[27]。

1.5 蛋白的理化性質分析

利用在線工具ExPASy的ProtParam工具（https：//web.expasy.org/protparam/）對基因家族成員蛋白的氨基酸數目、分子量、理論等電點和親水性等理化性質進行分析[28]。在Plant-mPLoc[25]中進行蛋白質的亞細胞定位分析。

1.6 磷酸位點預測

利用在線網站NetPhos3.1（NetPhos 3.1-DTU Health Tech -Bioinformatic Services /netphos-3.1/）對潛在的蛋白磷酸化位點數量進行預測[29]，主要為蘇氨酸（Threonine，Thr）、酪氨酸（Tyrosine，Tyr）和絲氨酸（Serine，Ser）。

1.7 蛋白互作網絡分析

參考蓖麻蛋白質數據庫，利用在線網站String （https：//cn.string-db.org/）對蓖麻bZIP家族成員蛋白進行蛋白質網絡互作建模，從而預測該基因家族蛋白質間的相互作用[30]。

1.8 表達模式分析

在NCBI GEO數據庫（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）獲取蓖麻在Ⅱ/Ⅲ期胚乳、Ⅴ/Ⅵ期胚乳、萌芽種子、葉片和雄花5個組織中基因的表達量[28]。得到的reads count 值進行FPKM標準化處理。對蓖麻的bZIP基因家族進行層次聚類，使用R4.1.0軟件（https：//www.r-project.org/）的Pheatmap包繪制基因表達量熱圖。

1.9 熒光定量分析

選擇具有代表性的差異基因，測定其在蓖麻種子和葉片中的表達量。提取蓖麻種子和葉片RNA，使用反轉錄試劑盒PrimeScript TMRT Master Mix（TaKaRa）反轉錄合成cDNA。用TB Green Premix Ex TaqTM Ⅱ試劑（TaKaRa）進行熒光定量PCR試驗，待測樣本設3個重復。參照2-ΔΔCt方法計算bZIP在蓖麻不同組織基因的相對表達量。

2 結果與分析

2.1 家族成員鑒定

由表1可知，通過比對鑒定共得到46個蓖麻bZIP基因家族成員，按照基因在染色體上的定位，命名為RcbZIP1～RcbZIP46，基因長度在476～19 184 bp。對蓖麻基因組注釋文件進行分析，發現46個蓖麻bZIP基因分布在10條染色體上。其中，2號染色體上分布的bZIP基因最多，有12個；3和6號染色體分布較少，各2個基因；1、4、5、8和9號染色體上均分布4個基因；7和10號染色體上各分布5個基因。

2.2 蓖麻bZIP基因結構與蛋白質保守基序

由表2可知，46個蓖麻bZIP基因家族成員分為11個亞族，第Ⅶ亞組包含了9個基因，是包含基因最多的亞族，Ⅲ組、Ⅷ組、Ⅸ組和Ⅹ組bZIP基因最少，各組僅有2個基因。除了Ⅰ組和Ⅱ組的部分基因無內含子外，其余bZIP基因家族成員均含有內含子和外顯子，內含子數0～25個，外顯子數1～26個；其中，Ⅱ組和Ⅲ組組內基因內含子數和外顯子數完全一致。

基序是介于生物大分子二級和三級結構之間的一種結構層次，也被稱為模體（Motif）[31]。11個亞族共25個Motif，單個成員含有的Motif范圍在2～10個，其中Motif1為所有基因共有，經比較發現，Motif1是典型的類鋅指結構CX2CX6CX3C，是bZIP基因家族的標志；Ⅰ～Ⅴ組內家族成員同時具有Motif1和Motif3，Ⅵ～Ⅺ組內家族成員同時具有Motif1和Motif2；其中，Ⅴ組組內家族成員Motif種類及排布完全一致，Ⅱ組除了bZIP11外，其他家族成員Motif種類及排布完全一致，各組內家族成員Motif種類差別較小。表明蓖麻bZIP家族的蛋白質保守基序結構較復雜，但與對應的基因結構基本一致（圖1）。

2.3 系統發育進化樹

由圖2可知，蓖麻轉錄因子保守結構域和系統進化樹將進化樹分為5個亞族，蓖麻轉錄因子家族成員在各個亞族中呈不均勻分布。Ⅴ組中含有蓖麻bZIP基因最多為14個，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和IV組中分別含有9、8、6和9個蓖麻bZIP基因。蓖麻和擬南芥的bZIP基因在多個分支中均有分布，表明二者可能具有相似的進化方式。

2.4 蛋白質理化性質

蛋白質理化性質方面，46個蓖麻bZIP蛋白的氨基酸數目和分子量有較大差異，其中有9個蛋白的氨基酸數小于200，分子量較小；RcbZIP28只有136個氨基酸，分子量最小，為15 781.28 D；RcbZIP34則有1 223個氨基酸，分子量最高，為135 988.36 D。RcbZIP17等電點最低，為5.13；RcbZIP15等電點最高，為10.06。另外，46個蓖麻bZIP蛋白的疏水系數均為負值，即蓖麻bZIP蛋白均為親水性蛋白。在亞細胞定位中，除了RcbZIP16位于葉綠體，其余45個蓖麻bZIP蛋白全部分布于細胞核內，而RcbZIP25在細胞核內和細胞膜中均含有（表3）。

2.5 蛋白磷酸化位點預測

由表4可知，各基因家族成員的磷酸化位點均是絲氨酸（Ser）占比最大，且其磷酸位點數量明顯高于蘇氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）。其中bZIP32具有94個磷酸化位點，而RcbZIP28磷酸化位點最少，僅11個。RcbZIP32有最多的絲氨酸（Ser）位點，為75個，RcbZIP16有最多的蘇氨酸（Thr）位點，為27個。說明RcbZIP家族可能主要通過絲氨酸的磷酸化來發揮生物學作用。

2.6 蛋白互作網絡分析

由圖3可知，在bZIP蛋白基因家族中，各家族成員相互作用，其中以RcbZIP18、RcbZIP27、RcbZIP2、RcbZIP17和RcbZIP46之間的聯系較多，其他蛋白之間也相互聯系。

2.7 蓖麻bZIP基因家族表達模式

在GEO數據庫中下載蓖麻各個組織的bZIP基因表達量數據，其結果見圖4。蓖麻bZIP基因在不同組織中的表達量差異較大，具有組織特異性。其中多數的蓖麻bZIP基因僅在特定的組織部位中高表達，例如RcbZIP13、RcbZIP31、RcbZIP16、RcbZIP3和RcbZIP28在蓖麻各個生長時期的表達量較高，而RcbZIP20、RcbZIP24、RcbZIP15、RcbZIP11、RcbZIP5、RcbZIP38和RcbZIP39則在蓖麻各個生長時期的表達量均相對較低；其中，RcbZIP3和RcbZIP28，以及RcbZIP38和RcbZIP39在蓖麻各個生長時期表達量基本一致。

2.8 bZIP基因的熒光定量表達

選擇具有代表性的差異基因，在蓖麻種子和葉片中測定表達量，結果如圖5所示。4個基因的熒光定量表達量與GEO數據庫表達量大致相同。RcbZIP13在葉片和種子中均為高表達，而RcbZIP10、RcbZIP25和RcbZIP44在葉片和種子中具有組織差異性表達。RcbZIP44基因在種子中的表達量顯著高于在葉片中的表達量。

3" 結論與討論

植物中bZIP轉錄因子家族成員較多，是分布較廣且高度保守的轉錄因子，參與植物的生長調控過程。安爽等[32]研究發現，不同基因bZIP在藍莓不同組織或是不同pH條件下表達模式有差異，具有抗逆調控作用；靳正偉等[33]通過對蓖麻bZIP基因家族成員在不同組織和種子發育階段的表達規律的研究，鑒別出RcbZIP8、RcbZIP31和RcbZIP40基因的表達可能與種子油脂累積具有較強的相關性。本研究在蓖麻全基因組水平上共鑒定了46個bZIP轉錄因子家族成員。種內系統發育樹顯示，根據基因結構和蛋白質保守基序，46個RcbZIP基因被分為11個亞族，這11個亞族的蛋白質保守基序結構較復雜，但與對應的基因結構基本一致，其中外顯子與內含子結構與分布，可能攜帶著基因家族的進化痕跡。蓖麻和擬南芥種間系統發育樹表明，RcbZIP基因家族成員與擬南芥家族成員在進化上相似，均較為保守。通過基因的組織表達分析可以直觀了解其功能，本研究發現，基因在組織中的表達量具有明顯的組織特異性。多數蓖麻bZIP基因家族成員在蓖麻發育過程均存在較高的表達，推測該基因家族在蓖麻發育過程中發揮了重要的作用。蓖麻是重要的油料作物，胚乳是其油脂積累的重要部位，部分bZIP基因在胚組織中的表達量低，推測這些基因與油脂積累無關，或是油脂積累的負調控因子。部分基因在胚組織中的表達量較高，推測這些基因可能與蓖麻油脂積累與代謝通路密切相關，可能是甘油三酯合成代謝通路中的關鍵轉錄調控因子或關鍵酶，在油脂形成與累積過程中發揮關鍵作用。蛋白磷酸化分析結果顯示，絲氨酸是該基因家族的主要磷酸化位點，預測絲氨酸的磷酸化修飾對蓖麻bZIP基因家族的生物功能起著至關重要的作用。同時，該基因家族成員之間相互作用，進而參與蓖麻的各個生長時期。

綜上，本研究在全基因組水平上共篩選與鑒定出了46個蓖麻bZIP基因家族成員，采用生物信息學手段對其進行分析，發現46個蓖麻bZIP基因家族成員，可分為11個亞族，進化保守，位于細胞核、細胞膜和葉綠體中，主要通過絲氨酸的磷酸化來發揮生物學作用；參與葉、莖、根和胚等生長時期的發育調控，其中bZIP44基因在種子中的表達量明顯高于在葉片中的表達量，推測在種子油脂形成中發揮作用。研究結果為bZIP基因家族功能研究提供理論基礎，并為改良種質及優良品種選育提供參考。

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（責任編輯：胡立萍）