辣椒全基因組TCP轉(zhuǎn)錄因子家族生物信息學(xué)分析

馮羽娥

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712100）

辣椒全基因組TCP轉(zhuǎn)錄因子家族生物信息學(xué)分析

馮羽娥

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712100）

利用生物信息學(xué)方法對(duì)辣椒TCP轉(zhuǎn)錄因子家族成員、基因分類、基因結(jié)構(gòu)、染色體定位、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和結(jié)構(gòu)域序列保守性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。結(jié)果表明，辣椒TCP基因家族包含30個(gè)成員，CaTCP蛋白含有95～550個(gè)氨基酸，等電點(diǎn)為6.30～10.91。進(jìn)化樹(shù)分析將其分為11個(gè)不同的亞族。辣椒TCP家族進(jìn)化樹(shù)以及基因結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析，顯示辣椒TCP家族可分為兩大類，即ClassI類和ClassII類，而ClassII類可分為兩個(gè)不同的亞類，即CIN和CYC/TB1亞類。位于同一亞家族的大多數(shù)TCP基因具有相似的內(nèi)含子和外顯子結(jié)構(gòu)。此外，染色體定位分析表明，辣椒TCP基因不均衡的分布于辣椒的10條染色體上，其中3號(hào)染色體上最多，有7個(gè)。

辣椒；TCP；轉(zhuǎn)錄因子；全基因組分析

1 材料與方法

在Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)（http∶//pfam.xfam.org/）下載TCP結(jié)構(gòu)域序列（PF03634），用于在辣椒全基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（PGD,http∶//peppergenome.snu.ac.kr/,CM334 and Zunla-1 genomes）中檢索辣椒TCP基因。同時(shí)，擬南芥AtTCP蛋白序列也作為誘餌序列在PGD和NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索。所有檢索出的基因（E-value≤0.001）都利用PFAM及NCBI-CDD工具進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，刪除不含TCP結(jié)構(gòu)域的基因。利用在線程序Ex-PASy ProtParam（Artimo et al.2012;http∶//web. expasy.org/protparam）對(duì)辣椒CaTCP基因編碼蛋白的等電點(diǎn)和分子量進(jìn)行分析。

利用ClustalW程序?qū)M南芥和辣椒TCP蛋白序列進(jìn)行多序列比對(duì)，將多序列比對(duì)結(jié)果利用MEGA6.0軟件進(jìn)行構(gòu)建，采用鄰接法（Neighbor-Joining，NJ），重復(fù)1 000次。利用GSDS程序（GuoAY et al.2007;Gene Structure Display Server∶http∶//gsds.cbi.pku. edu.cn/）對(duì)辣椒CaTCP基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

利用DNAMAN軟件對(duì)辣椒CaTCP蛋白序列進(jìn)行多序列比對(duì)分析。利用MapDraw工具對(duì)辣椒CaTCP家族成員進(jìn)行染色體定位作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒CaTCP轉(zhuǎn)錄因子家族的鑒定與分類

通過(guò)檢索后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)域查找，共從辣椒基因組中鑒定得到30個(gè)CaTCP轉(zhuǎn)錄因子家族成員。根據(jù)其所在染色體的位置，對(duì)30個(gè)辣椒CaTCP基因進(jìn)行了系統(tǒng)編號(hào)。CaTCP對(duì)應(yīng)的基因編號(hào)、基因ID、所在染色體位置、編碼序列長(zhǎng)度、氨基酸序列長(zhǎng)度、分子量以及等電點(diǎn)等特征見(jiàn)表1；對(duì)辣椒CaTCP基因編碼蛋白進(jìn)行了理化性質(zhì)的分析，詳細(xì)情況見(jiàn)表1。辣椒CaTCP基因編碼蛋白所含氨基酸個(gè)數(shù)差異較大，最少編碼95個(gè)氨基酸（CaTCP8和CaTCP10），最多編碼550個(gè)（CaTCP20），平均為315個(gè)。分子量在59008.4Da（CaTCP20）到17 892.7Da（CaTCP23）之間；CaTCP蛋白的等電點(diǎn)基本都大于7，平均值為8.34，只有6個(gè)CaTCP蛋白（CaTCP1、4、11、17、29和30）的等電點(diǎn)小于7（分別為6.51、6.30、6.79、6.80、6.67和6.96），這說(shuō)明大多數(shù)CaTCP蛋白含有較多的堿性氨基酸。

2.2 辣椒與擬南芥TCP家族系統(tǒng)進(jìn)化及保守結(jié)構(gòu)域分析

圖1為辣椒上的30個(gè)CaTCP蛋白序列與24個(gè)擬南芥AtTCP蛋白序列構(gòu)建的進(jìn)化樹(shù)。有的進(jìn)化枝上的數(shù)值相較其他大部分?jǐn)?shù)值比較低，但這在前人的研究中也出現(xiàn)過(guò)。由圖1可以看出，根據(jù)其TCP結(jié)構(gòu)域特點(diǎn)，TCP轉(zhuǎn)錄因子家族可以分為11個(gè)亞家族（Group A到Group K）。其中Group A、B和C屬于class II類亞家族中的CIN類，而Group D和E屬于class II類亞家族中的CYC/TB1類；而其余的（Group F、G、H、I、J和K）則屬于class I類亞家族成員。這兩個(gè)物種中的TCP基因基本上在所有進(jìn)化枝上都有分布。許多擬南芥TCP基因在辣椒中擁有2個(gè)或更多的復(fù)本，表明CaTCP基因的復(fù)制發(fā)生于辣椒與擬南芥分離之后。如Group D中包含7個(gè)辣椒CaTCP基因，但卻只有3個(gè)擬南芥AtTCP基因；Group C中包含5個(gè)辣椒CaTCP基因，但卻只有3個(gè)擬南芥AtTCP基因。

許多具有相似功能的擬南芥TCP基因可聚集到一簇中，這可能意味著在同一進(jìn)化枝上的辣椒TCP基因具有相似的功能。如Group I和Group K中與5個(gè)CaTCP基因聚為一簇的所有AtTCPs（AtTCP8、AtTCP14、AtTCP15、AtTCP22、AtTCP23）基因在通過(guò)介導(dǎo)細(xì)胞周期以及維持頂端分生組織調(diào)控葉片發(fā)育方面起重要作用。Group D中的所有AtTCPs在調(diào)控植株側(cè)枝發(fā)育中起重要作用。Group B和Group C中與7個(gè)CaTCP基因聚為一簇的所有AtTCP基因（AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4、AtTCP10、AtTCP24）受miRNA319負(fù)調(diào)控，且在調(diào)控葉片邊緣發(fā)育中負(fù)調(diào)控細(xì)胞增殖。

表1 辣椒CaTCP基因家族鑒定

對(duì)預(yù)測(cè)的30個(gè)辣椒CaTCP轉(zhuǎn)錄因子蛋白序列進(jìn)行保守結(jié)構(gòu)域序列比對(duì)（圖2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，辣椒CaTCP蛋白中均包含有TCP結(jié)構(gòu)域，即TCP轉(zhuǎn)錄因子的特征序列—bHLH結(jié)構(gòu)域。

2.3 辣椒CaTCP家族系統(tǒng)進(jìn)化及基因結(jié)構(gòu)分析

圖1 擬南芥和辣椒TCP蛋白家族的進(jìn)化分析

圖2 辣椒TCP轉(zhuǎn)錄因子家族多重序列比對(duì)

為了進(jìn)一步了解CaTCP基因的進(jìn)化關(guān)系，通過(guò)其cDNA序列以及對(duì)應(yīng)的DNA序列進(jìn)行比對(duì)，對(duì)每個(gè)CaTCP基因的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究（圖3）。如圖3 b可以看出，大多數(shù)CaTCP的基因結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，30個(gè)CaTCP基因中27個(gè)沒(méi)有內(nèi)含子，其他3個(gè)（CaTCP1、CaTCP16和CaTCP20）都只有1個(gè)內(nèi)含子。此外，為驗(yàn)證CaTCP基因的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)是否與其進(jìn)化樹(shù)亞家族一致，對(duì)CaTCP的蛋白序列進(jìn)行了進(jìn)化樹(shù)分析（圖3 a）。如圖3 a可以看出，大部分位于同一亞家族的CaTCP基因擁有相似的外顯子/內(nèi)含子分布結(jié)構(gòu)（外顯子長(zhǎng)度和內(nèi)含子數(shù)量）。例如，在A、B、C、F和I亞家族的大部分CaTCP基因只有一個(gè)具有相似長(zhǎng)度的外顯子，但沒(méi)有內(nèi)含子；然而，在K亞家族中僅有的2個(gè)CaTCP基因都包含一個(gè)內(nèi)含子。

圖3 辣椒CaTCP基因的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系及外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)

2.4 辣椒CaTCP基因的染色體分布

對(duì)辣椒CaTCP基因進(jìn)行染色體定位分析，30個(gè)CaTCP基因只定位到25個(gè)（CaTCP26、27、28、29和30未定位到染色體）。如圖4所示，在辣椒的12條染色體中，25個(gè)辣椒CaTCP基因定位到10條染色體上，第4號(hào)和第12號(hào)染色體上沒(méi)有CaTCP基因分布。一般而言，每條染色體上CaTCP基因分布不均，數(shù)量從0到7不等。其中，第3號(hào)染色體上的CaTCP基因數(shù)目最多，分布7個(gè)CaTCP基因，占總基因數(shù)量的23.3%，其次為2號(hào)染色體，分布5個(gè)CaTCP基因；而第1、5和10號(hào)染色體上都只有1個(gè)CaTCP基因。

3 討論與結(jié)論

TCP轉(zhuǎn)錄因子在植物中分布較廣，各物種間的分布數(shù)量存在一定差異。擬南芥TCP轉(zhuǎn)錄因子家族有24個(gè)成員，水稻有22個(gè)成員（Yao et al.2007;Cubas et al.2002），本研究鑒定了30個(gè)辣椒TCP家族成員，通CaTCP蛋白含有95～550個(gè)氨基酸，等電點(diǎn)為6.30～10.91。進(jìn)化樹(shù)分析將其分為11個(gè)不同的亞族。辣椒TCP家族進(jìn)化樹(shù)以及基因結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析顯示辣椒TCP家族可分為兩大類，即Class I類和Class II類，而Class II類可分為兩個(gè)不同的亞類，即CIN和CYC/TB1亞類。位于同一亞家族的大多數(shù)TCP基因具有相似的內(nèi)含子和外顯子結(jié)構(gòu)。染色體定位分析表明辣椒TCP基因不均勻的分布于辣椒的10條染色體上，其中3號(hào)染色體上最多，有7個(gè)。

圖4 辣椒CaTCP基因的染色體定位

通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，辣椒和擬南芥中的TCP家族基因分散在進(jìn)化樹(shù)的各個(gè)分支，且擬南芥中的許多TCP基因在辣椒中擁有2個(gè)或2個(gè)以上的復(fù)本，這表明辣椒TCP家族的擴(kuò)展可能是由于基因組重組（如片段重復(fù)、串聯(lián)重復(fù)和轉(zhuǎn)座子）導(dǎo)致的。CaTCP8、CaTCP9、CaTCP10、CaTCP14、CaTCP25、CaTCP26和CaTCP28與AtTCP1、AtTCP12和AtTCP18的同源性較高，說(shuō)明他們有可能在調(diào)控植株側(cè)枝發(fā)育中起重要作用（Aguilar-Martinez et al.2007）；而與擬南芥AtTCP基因（AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4、AtTCP10、AtTCP24）聚為一簇的Group B和Group C中的7個(gè)CaTCP基因有可能作為miRNA319的靶基因參與辣椒葉片的發(fā)育（Palatnik et al.2003）。

借鑒擬南芥、水稻及其他物種中的TCP轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育和相關(guān)代謝過(guò)程中的功能研究，探索CaTCP轉(zhuǎn)錄因子在辣椒生長(zhǎng)發(fā)育尤其是葉片和側(cè)枝、某些激素代謝過(guò)程中的功能及其相互作用機(jī)制，是今后辣椒TCP基因相關(guān)研究的重點(diǎn)。

1005-2690（2017）08-0152-03

S641.3

B

2017-07-13）