番茄和馬鈴薯CIPK3基因的鑒定和特征分析

馬蕾+王施慧+劉淑梅+郎豐慶+紀復勤+李利斌+侯麗霞

摘 要：為了研究番茄和馬鈴薯CIPK3基因的功能，利用生物學信息學的方法從番茄和馬鈴薯的基因組中分別鑒定出2個與擬南芥CIPK3同源的基因，并對這些基因的結構特征、系統進化和順式元件進行了系統分析。結果表明，番茄和馬鈴薯的2個CIPK3基因均與擬南芥的CIPK3直系同源，且都含有14個外顯子，編碼區大小相似，編碼蛋白預測都位于細胞膜上且含有的基序類型相同；在它們的編碼區上游序列中均存在多個激素和逆境應答元件，暗示它們在激素和逆境應答中具有一定功能。

關鍵詞：番茄；馬鈴薯；CIPK3；基因特征；進化；順式元件

中圖分類號：Q785 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.08.001

Abstract： To dissect the function of CIPK3 genes of tomato and potato， respectively identified two genes in the genome of tomato and potato homologous to Arabidopsis CIPK3 using bioinformatics method. And also the structure， characteristics， evolution， and cis-elemetnts of these genes were systematically analyzed. The results showed that， all these CIPK3 genes in tomato and potato were orthologs of AtCIPK3. And they all had 14 exons and similar coding sequence size. Their putative encoded proteins were all predicted to localized on membrane and had same type motifs. In the upstream of tomato and potato CIPK3 genomic sequences， there were multiple cis-elements responsive to plant hormones and environmental stresses， which suggested these gene may play some roles in the process of hormone and stress response.

Key words： tomato； potato； CIPK3； gene characteristics； evolution； cis-elements

馬鈴薯是我國重要的糧菜兼用作物，其抗逆性如何直接影響馬鈴薯的產量和品質[1-2]。目前，有關馬鈴薯抗性品種篩選[3-4]、抗逆生理[5-6]、抗性指標篩選[7]以及抗逆基因克隆表達和轉移基因研究取得了很大進展[8-9]。番茄是我國主要的栽培蔬菜之一，有關番茄非生物逆境抗性的研究日益受到國內外學者的重視，目前已取得很大進展[10-14]。但是有關馬鈴薯和番茄CIPK基因的研究尚未見報道。CIPK家族是植物特有的激酶家族[15-16]，其作為細胞內鈣信號系統的一員，在植物非生物逆境和生物逆境應答[17-19]、ABA信號轉導[20-21]、礦質營養吸收[22-24]和發育過程中具有重要功能[25-27]。其中，擬南芥的CIPK3在ABA和冷脅迫應答、細胞內鎂離子的動態平衡和鎂離子過量脅迫下的植株生長發育具有一定功能[21，24，28]。模式植物擬南芥CIPK的研究和番茄、馬鈴薯基因組測序的完成[29-30]，為解析番茄和馬鈴薯的CIPK基因及其功能提供了重要啟示。

本研究利用生物信息學的方法，分別從馬鈴薯和番茄基因組中鑒定出2個與擬南芥CIPK3直系同源的基因，并對它們的分子特征和遺傳進化等進行了系統分析，旨在為進一步研究其在逆境應答中的功能奠定基礎。

1 研究方法

利用擬南芥CIPK3基因序列搜索NCBI數據庫中的番茄和馬鈴薯CIPK3基因，利用motif Scan（http：//myhits.isb-sib.ch /cgi-bin/motif_scan） 對番茄和馬鈴薯CIPK3基因編碼的蛋白進行結構預測分析，并根據編碼區序列信息對其進行染色體定位。利用Mega 4.1對番茄和馬鈴薯CIPK3基因進行系統進化分析。通過番茄和馬鈴薯CIPK3編碼區和基因組序列的比對來顯示基因外顯子和內含子的結構組成，得到番茄和馬鈴薯CIPK3基因的啟動子區及上游序列。順式元件預測采用PlantCARE軟件（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/ webtools/ plant care/ html/）進行在線分析。亞細胞定位預測在WoLFPSORT （http：//wolfpsort.org/） 中進行。

2 結果與分析

2.1 番茄和馬鈴薯CIPK3基因及其分子特征

利用比較基因組學的方法，分別從番茄和馬鈴薯基因組中鑒定出2個CIPK3基因，分別命名為SlCIPK3.1， SlCIPK3.2， StCIPK3.1和StCIPK3.2（表1）。馬鈴薯的2個CIPK3基因都位于馬鈴薯1號染色體上，編碼大小分別為1 320，1 317 bp；而番茄的CIPK3基因分別位于1號和11號染色體上，編碼區大小均為1 314 bp。從基因結構示意圖來看，馬鈴薯和番茄CIPK3的外顯子數均為14，編碼區大小相似，但是基因組序列番茄明顯大于馬鈴薯（圖2）。亞細胞定位預測顯示，番茄和馬鈴薯CIPK3基因的編碼產物均定位在細胞膜上。馬鈴薯的2個CIPK3基因的核苷酸序列一致性為97.20%，編碼蛋白的序列一致性為97.27%；而番茄的2個CIPK3基因的核苷酸序列一致性為85.88%，編碼蛋白的序列一致性為88.36%。遺傳進化和Blatsp分析發現，它們均與擬南芥的CIPK3直系同源（圖1）。StCIPK3.1和StCIPK3.2與AtCIPK3編碼蛋白序列一致性分別為78.54%，77.88%，而SlCIPK3.1和SlCIPK3.2與AtCIPK3編碼蛋白的的序列一致性分別為79.82%，79.60%。蛋白基序分析發現，StCIPK3.1和StCIPK3.2含有的蛋白基序類型相同，二者均含有1個酰胺化位點，3個N-糖基化位點，2個N-豆蔻?；稽c，1個ATP結合區，1個核定位信號，1個CIPK家族特有的NAF結構域；不同的是，StCIPK3.1含有3個蛋白激酶磷酸化位點，而StCIPK3.2含有4個磷酸化位點。番茄的2個CIPK3基因編碼的蛋白含有基序的種類一樣，含有基序的數目除了豆蔻?；稽c和蛋白激酶C磷酸化位點不一樣之外，其余均相同（表2）。

2.2 番茄和馬鈴薯CIPK3順式調控元件和功能預測

順式調控元件分析表明，番茄和馬鈴薯CIPK3基因上游序列中均含有多個逆境和激素應答順式調控元件，StCIPK3.1分別含有一個ABA應答元件，1個冷脅迫應答元件，1個干旱應答元件，3個赤霉素應答元件，1個水楊酸應答元件和2個逆境及防衛應答元件；StCIPK3.2分別含有1個乙烯應答元件和水楊酸應答元件，4個赤霉素應答元件，2個熱脅迫應答元件HSE，2個干旱應答元件，3個逆境及防衛應答元件；SlCIPK3.1 分別含有1個乙烯應答元件，2個干旱應答元件，6個赤霉素應答元件，2個逆境和防衛應答元件，2個水楊酸應答元件2個創傷及病原物應答元件；SlCIPK3.1 分別含有1個脫落酸應答元件，5個赤霉素應答元件，3個干旱應答元件，1個逆境和防衛應答元件，1個創傷及病原物應答元件。表明它們調控的逆境應答過程可能有所不同。已有研究表明，擬南芥的CIPK3基因參與ABA信號、冷脅迫應答、細胞內鎂離子的平衡及鎂離子過量脅迫下的生長發育過程。 根據擬南芥CIPK3的研究結果和番茄、馬鈴薯CIPK3順式元件分析結果，推斷番茄和馬鈴薯的CIPK3基因在逆境應答過程中具有多種功能。

3 結 論

本研究分別從番茄和馬鈴薯基因組中鑒定出2個與擬南芥CIPK3直系同源的基因，其序列一致性高達85%以上；在基因結構上一致，都有14個外顯子，而且各外顯子的大小和排列順序基本一致。在編碼蛋白的結構方面十分相似，含有的蛋白基序類型一致，而且不同基序的數目幾乎完全一樣，但它們在上游順式調控元件方面差異較大。說明它們在基因結構上十分保守，但是也存在功能上的分化。筆者據此推測，番茄和馬鈴薯的CIPK3可能具有多樣的生物學功能，能夠參與多個相似和不同的逆境及激素應答過程。至于番茄和馬鈴薯CIPK3基因的具體功能如何，還需進一步深入研究。

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