水稻2個F—box基因的生物信息學分析

趙黎明

摘要：對水稻中2個新的F-box蛋白基因Os5h和Os7h進行生物信息學預測分析。試驗結果表明，基因序列分析確定Os5h和Os7h是F-box家族的兩個基因：啟動子預測分析結果表明，這兩個基因含有大量的與光反應應答相關的元件，并且也都含有非生物逆境應答元件：對這兩個基因進行了轉錄表達分析和共表達基因的分析，Os5h基因在花中表達最高，胚芽中最低，Os7h基因在根中表達相對其他組織較低，但整體表達相對比較均勻。

關鍵詞：水稻；Os5h基因；Os7h基因；F-box；生物信息學

中圖分類號：S511；078 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）09-2396-04

F-box蛋白是一類含有40～50個保守氨基酸F-box結構域的蛋白家族成員，在真核生物中廣泛存在。研究報道雙子葉模式植物擬南芥基因組中至少存在568個F-box蛋白基因，單子葉模式植物水稻中有687個F_box蛋白基因。植物F-box蛋白基因家族中只有少部分F-box蛋白基因的功能被研究報道，研究表明F-box蛋白參與許多植物生長發育的過程，尤其與花發育有關，并參與生長素、乙烯、GA、JA等激素和光信號傳導等多種生理過程，也在植物的逆境和防御反應中發揮重要功能。最近報道F-box蛋白SLF控制植物基于S-RNase的自交不親和。F-box蛋白在生物體內數量龐大，功能復雜，但目前已經研究透徹的F-box蛋白基因非常有限，為此，美國針對模式植物擬南芥啟動了擬南芥全基因組F-boX蛋白研究計劃，這一計劃的實施將促進F-box蛋白家族功能的揭秘，

關于水稻中F-box蛋白類基因的研究較少，其中1個赤霉素不敏感的基因dwarf2是赤霉酸信號的正調控因子。dwarf3（D3）控制著水稻分蘗芽的活動，MAIF1受非生物逆境誘導，可能是mieroRNA的靶基因。

為了更多地了解F-box蛋白基因在水稻中的表達特性，本研究對水稻中2個新的F-box蛋白基因進行了生物信息學預測分析，有助于揭示F-boX蛋白家族的功能，同時為水稻作物遺傳改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 基因結構及其編碼蛋白序列的特征分析

RiceGenomeAnnotationProjectRiceGenomeBrowser網站分析基因結構及蛋白質序列。Pfm（http：//pfam.sanger.ac.uk/）和Mobyle數據庫（http：//mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal，py？#forms：：hm-memit）獲得F-boxmotif結構域及其氨基酸序列。采用ClustalXVersion2.0程序比對蛋白質序列。

1.2 2個F-box基因的啟動子預測

選取基因ATG上游1500bp的啟動子序列在PlantCARE （http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）中進行分析，顯示基因啟動子序列所包含的motif，選取相關的重要motif，根據結果進行修正，手工繪圖。

1.3 2個F-box基因的轉錄表達分析

在CREP（http：//crep.ncpgr.cn/crep-cgi/home.p1）水稻基因表達譜數據庫中分別搜集了Os5h、Os7h基因在明恢63以及珍汕97品種兩個水稻品種中8個對應組織器官的表達情況。

1.4 2個F-box基因的共表達分析

Os5h和Os7h的共表達分析是在水稻寡核酸芯片數據庫中進行的（http：//www.ricearrav.org/eoex-pression/coexpression.shtml），相關性的閾值設置為0.5。分析的步驟完全按照網站說明進行。

2 結果與分析

2.1 水稻Os5h和Os7h的結構模式圖及其編碼蛋白的序列特征

在RiceGenomeAnnotationProjectRiceGenomeBrowser網站（http：//rice.plantbiology.msu.edu/analvses.shtml）分別輸入Os5h、Os7h基因的水稻LOC號，即顯示這兩個基因的模式圖，確定了各基因的內含子和外顯子的數目及位置。Os5h含有3個外顯子，CDS總長894bp，編碼297個氨基酸。Os7h含有5個外顯子，CDS總長1191bp，編碼396個氨基酸（圖1）。

將Os5h、Os7h基因的蛋白序列及F-boxmotif的氨基酸序列用ClustalXVersion2，0程序來進行蛋白質的序列比對，并對結果進行手工修正繪圖。得到蛋白序列特征模式圖（圖2）。圖中黑色方框為Os5h、Os7h基因所編碼蛋白含有的F-boxdomain，表明它們都屬于F-box家族基因。

2.2 啟動子的預測分析

啟動子預測分析顯示（圖3），水稻Os5h和Os7h均含有大量光應答有關的元件。如Q-box、GAG-motif、Box I、Spl、I-box等，熱脅迫應答元件HSE。茉莉酸甲酯的應答元件CGTCA-motif、TGACG-motif，脫落酸應答順式元件ABRE，胚乳表達元件Skn-1motif。另外，Os5h還含有賦予高轉錄水平元件的5UTR Py-richstretch、低溫應答LTR元件、厭氧誘導ARE元件、冷和脫水應答元件C-repeat/DRE、防御和脅迫應答TC-richrepeats元件、水楊酸應答TCA-element元件、晝夜節律控制cir-cadian元件。Os7h還含有干旱誘導MBS元件、缺氧特異誘導GC-motif元件、胚乳表達GCN4_motif元件及分生組織特異激活元件CCGTCC-box。

2.3 水稻Os5h和Os7h基因的轉錄表達分析

在CREP（http：//crep.ncpgr.cn/crep-cgi/home.p1）水稻基因表達譜數據庫中分別搜集了Os5h、Os7h基因在明恢63以及珍汕97兩個品種中8個對應組織器官的表達情況。所取組織器官分別為繼代愈傷、胚芽，成熟期的莖、葉、根、花、3-5cm長幼穗、15-20cm長幼穗。芯片結果顯示，Os5h基因在花中表達最高。胚芽中最低（圖4A）。芯片結果顯示。Os7h基因在根中表達相對其他組織較低，但整體表達相對比較均勻（圖4B）。

2.4 基因的共表達分析結果

在水稻寡核苷酸芯片數據庫中對Os5h（OsO3g02550）和Os7h（Os03g02560）基因進行共表達分析。結果表明。多個表達蛋白（如LOCOs06g15700基因）、多種酶。還有過敏反應（如LOCOs05g51420基因）、鎘誘導的蛋白（如LOCOs07g05040基因）與Os5h基因正向共表達（表1）。有1個葡萄糖-1-磷酸磷酸轉移酶的大亞基LOC_Os05g50380基因、葉綠索的前體與此基因負向共表達。多個表達蛋白、鋅指家族蛋白、多種酶蛋白與Os7h基因正向共表達，有2個抗病蛋白LOCOS01G15580基因和LOCOs07g17250基因與其負向共表達（表2）。

3 小結與討論

基因結構分析顯示，Os5h和Os7h這兩個基因均含有保守F-box結構域，屬于F-box基因家族，因此可能在泛素途徑中的SCF蛋白復合體中發揮作用。基因轉錄表達分析結果顯示，這2個F-box基因為組成型表達，其中尤其在花器官中表達較高。可能控制花的發育。啟動子的分析預測顯示，它們的啟動子中含有較多的光應答元件。有研究報道，EID1和AFR這2個F-box蛋白參與phvyA介導的光信號傳導。已報道的水稻Hd1是水稻種第一個被克隆的數量性狀基因，其在短日照下促進抽穗和在長日照下抑制抽穗。由于Hd1本身的轉錄并不受日照長短的影響，推測轉錄受其影響的基因的表達受光周期變化的控制。

同時，這2個基因的啟動子序列均含有脫落酸應答順式元件ABRE和各種非生物逆境誘導應答元件，推測他們可能也在水稻非生物逆境和防御反應中起一定作用。另外，OsSh基因還含有防御和脅迫應答元件TC-richrepeats及低溫、熱脅迫元件HSE等逆境應答所需的作用元件，Os7h基因還含有大量脫落酸應答的順式元件ABRE及干旱、JA等逆境所需應答元件，這些為進一步功能鑒定提供了依據。

共表達分析結果顯示，多個表達蛋白、多種酶，還有過敏反應、鎘誘導蛋白與OsSh基因正向共表達，有1個葡萄糖-1-磷酸磷酸轉移酶的大亞基、葉綠素前體與此基因負向共表達。多個表達蛋白、鋅指家族蛋白、多種酶蛋白與Os7h基因正向共表達，有2個抗病蛋白與其負向共表達。這個結果也印證了F-box蛋白在植物體內的作用相當廣泛，與其組成型表達的特征關系密切。