植物ICE蛋白基因家族的系統進化分析

陳露 楊立明 羅玉明

摘要：ICE是植物體內的一類bHLH轉錄因子，在植物低溫脅迫中發揮重要作用。本研究利用來自不同物種包括苔蘚、蕨類、裸子、被子植物的ICE蛋白序列，用Clustal X程序對其氨基酸序列進行比對，并用鄰近法構建系統進化樹，進一步了解ICE家族在植物界的分子進化情況。結果表明，ICE蛋白家族基本上按苔蘚、蕨類、裸子、單子葉和雙子葉植物而分別聚類，盡管不同來源的ICE序列有一定差異，但HLH結構域在各植物物種中具有很好的保守性，這說明ICE蛋白在進化上具有保守性；被子植物的ICE形成不同的分支，單子葉植物和雙子葉植物原始的ICE蛋白有可能不同。

關鍵詞：植物；ICE；序列比對；系統進化分析

中圖分類號： Q943.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）02-0042-06

收稿日期：2015-02-27

基金項目：國家高技術研究發展計劃（編號：2013AA102705）；國家自然科學基金（編號：30900871）；江蘇省自然科學基金（編號：（BK2011409）。

作者簡介：陳露（1989—），女，江蘇靖江人，碩士研究生，從事植物生物技術研究。E-mail：chenlu1201@163.com。

通信作者：羅玉明（1963—），男，江蘇漣水人，教授，研究生導師，主要從事植物生物技術研究。Tel：（0517）83525128；E-mail：yumingluo@163.com。

ICE（inducer of CBF expression）是CBF[C-repeat-binding factors，又稱DREBs（dehybration responsive element factors）]冷響應通道的上游調控因子，目前主要在擬南芥中發現[WTBX][STBX]ICE1和ICE2[WTBZ][STBZ]這2種ICE基因。ICE一般為組成型表達，常溫下沒有活性，低溫誘導可使[WTBX][STBX]ICE1[WTBZ][STBZ]成活性狀態，編碼一個類似MYC的螺旋-環-螺旋型（bHLH）轉錄激活因子，誘導CBF基因的表達，從而提高植物的抗寒性，在轉基因植株生長發育過程中沒有異常表現[1]。研究表明，ICE2可以直接影響[WTBX][STBX]CBF1[WTBZ][STBZ]基因的表達，將[WTBX][STBX]ICE2[WTBZ][STBZ]基因轉入擬南芥發現，擬南芥體內[WTBX][STBX]CBF1[WTBZ][STBZ]基因表達量明顯上升，轉基因擬南芥可在-20 ℃環境下正常生長[2-3]。由此可見，ICE在植物低溫抗性中有著重要的作用。有研究證明，ICE1-CBF轉錄級聯反應在植物響應低溫脅迫過程中發揮著至關重要的作用[4]。

目前，依賴CBF的信號轉導通路被視為植物低溫脅迫應答的主要途徑[4-7]。在ICE1-CBF的調控路徑中，ICE1在低溫誘導下與CBF3啟動子順式作用元件相互結合，并激活CBF3轉錄，調控CBF及下游抗冷相關基因的轉錄，也可以與R2R3型MYB轉錄因子AtMYB15相互作用，負調控CBF基因的表達[2，8]。ICE1蛋白的磷酸化可能涉及到低溫脅迫過程中ICE1的活性調控。另外，HOS1編碼一種E3連接酶，參與ICE1蛋白的泛素化降解，在低溫脅迫過程中，HOS1與ICE1相互作用并降解ICE1，通過ICE1調節CBF的轉錄。有研究表明，ICE1蛋白在冷脅迫時明顯降解，而在HOS1突變體中，ICE1蛋白受冷脅迫降解的程度明顯降低[9-10]。

鑒于ICE在植物低溫抗性中的重要作用，本研究通過對來源于植物的ICE蛋白進行同源比對，分析系統發生關系，擬找出ICE基因在植物界的系統進化關系，為研究該基因的功能進化提供參考。

1材料與方法

1.1序列信息的獲取與篩選

為獲得ICE家族的各成員，分別以擬南芥ICE基因的蛋白質序列AtICE1、AtICE2，使用Blastp程序搜索綠色植物數據（http：//blast.be-md.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi），database選擇為non-redundant protein sequences （nr），organism選擇為plants（taxid：3193），max target sequences設置為250，其余均為默認參數。對獲得的搜索結果用Pfam（http：//pfam.xfam.org/）進行分析，把具有與擬南芥ICE基本結構特征的序列保留下來做后續分析。

1.2多序列比對及系統進化樹的構建

以氨基酸全序列比對結果為基礎，用Mega 5.10軟件構建系統進化樹[11]。采用Neighbor-joining法運行相應參數[12]：Poisson model模式，缺口設置為Pairwise deletion；校驗參數為bootstrap=1 000。系統發生樹中，ICE家族各亞族的分組是在相似理論和分類學基礎上完成，并用Clustal X軟件[13]進行檢驗。

1.3模體識別

使用MEME模體搜索工具以識別ICE家族相關蛋白質所共有的模體，并對相關參數進行修改，將可找到的模體最大值調整為25，每個模體的最大寬度調整為100，其他均為默認值；MEME在線軟件識別的模體通過Smart和Pfam模體識別工具[14-15]進行進一步檢驗。

2結果與分析

2.1植物ICE基因的鑒定

利用模式植物擬南芥中已測序的2個ICE蛋白基因序列，執行Blastp搜索、關鍵詞搜索、結構域搜索等，以在植物中獲得更多的ICE基因；將得到的初始目標序列經過整理、合并、篩選，通過Mega 5.10軟件構建系統進化樹，并進行逐一比對分析，去除不符合條件的序列，最終確定33個植物（表1）基因組中的65個ICE蛋白質基因（表2）用于分析，其中包括擬南芥2個模板ICE蛋白基因。按照從低等植物到高等植物的順序依次為：2條來自苔蘚植物，即蘚綱的小立碗蘚；2條來自蕨類植物，即石松綱的江南卷柏；1條來自裸子植物，即松柏綱的北美云杉；21條來自單子葉植物的禾本科和芭蕉科，包括山羊草、小麥、烏拉爾圖小麥、水稻、二穗短柄草、大麥、玉米、芭蕉共8種植物；39條來自雙子葉植物，包括芥菜、歐洲油菜、蓖麻、大白菜、山崳菜、板藍根、薺菜、擬南芥、蘿卜、白刺、桉樹、藍桉樹、葡萄、鷹嘴豆、大豆、野茶樹、番茄、黃瓜、野草莓、榛子、甜楊、毛果楊共22種植物。

2.2序列特異性分析

由圖1可見，65個ICE蛋白質基因中，有63、63、61、62、63個基因分別包含模體1、模體2、模體3、模體5和模體6；基因GmICE5、GmICE1-like2缺失模體1，基因GmICE5、GmICE6缺失模體2，基因GmICE5、GmICE6、HvICE2-3、PsiICE1缺失模體3，基因GmICE5、MuICE1-3、MuICE1-1缺失模體5，PpICE1、PpICE2缺失模體6。利用NCBI中Blastp對65個植物的ICE氨基酸序列進行結構域搜索，結合MEME做出蛋白序列25個模體（表3）中的模體2、模體3序列進行分析，并用Smart和Pfam進行檢驗，結果表明，不同來源的ICE氨基酸序列有一定的差異，但仍有一個保守結構域HLH存在，HLH是ICE氨基酸序列的功能區域，包含3個功能位點，分別為DNA結合區域（核酸結合位點）、E-box （5-CANNTG-3）/N-box （5-CACGC/AG-3）的特異性位點、二聚接口（多肽結合位點）。

2.3植物ICE基因家族的系統發生關系

由圖2可見，ICE蛋白家族基本按苔蘚、蕨類、裸子、單子葉和雙子葉植物而分別聚類，說明該基因在進化上具有保守性；大部分允許ICE蛋白亞族分離的節點，自展值都比較小；自上往下，將ICE家族分為4個亞組，分別被稱為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、

Ⅳ，其中第Ⅰ大亞組包含所有雙子葉植物，第Ⅱ大亞組全部為單子葉植物，第Ⅲ大亞組可分為2個小亞組A、B，其中，小亞組A全部為單子葉植物，小亞組B為裸子植物，第Ⅳ大亞組可分為2個小亞組C、D，其中，小亞組C為蕨類植物，小亞組D為苔蘚類植物；Ⅲ和Ⅳ位于系統發生樹的基部，其在進化地位上是最原始的類型。

3結論

對植物ICE蛋白基因家族進行分析發現，盡管不同來源的ICE序列表現出一定的差異，但HLH結構域在各植物物種中都有很好的保守性，這說明該基因在進化上具有保守性。對雙子葉植物來說，大多數同源基因聚類到一起，如 BrICE1-1 和BrICE1-2，VvICE1-1和VvICE1-2，GmICE5、GmICE6、GmICE1-like1、GmICE2、GmICE1、GmICEb、GmICE4和GmICEd，GmICE1-like2和GmICE3，CsiICE1和CsiICE2，PsuICE1和 PsuICE1；對單子葉植物、蕨類植物、苔蘚植物來說，也發生同樣的現象。這說明植物ICE蛋白基因家族的進化模式， 應歸因于物種特定的擴張，也可以說，植物進化歷程

中，細胞擴增過程中的基因復制及細胞分化是ICE蛋白基因家族的主要進化模式。因此，進化樹分支末端的基因可能是代表最近復制過程中突變的基因[16]，這為物種特定擴張學說提供了有力支持。同時，研究發現，被子植物中的ICE基因形成不同的分支，這表明單子葉植物和雙子葉植物可能有不同的原始ICE蛋白基因。

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