大白菜DA1基因的生物信息学解析

李利斌　王殿峰　刘立峰　刘国明　高建伟

摘要：运用比较基因组学的方法，首次从大白菜基因组中鉴定出一个与拟南芥中控制种子和器官大小的基因DAl同源的序列BrDA1，并对这个基因和编码蛋白的结构以及顺式反应元件进行了系统分析。结果表明，BrDA1具有LIM家族和锌指蛋白的结构特征，而且还有和泛素互作的位点。可能具有和AtDA1相似的功能。另外，本研究还发现，在大白菜和拟南芥DA1基因的启动子序列中存在多个能够响应不同激素和逆境信号的顺式反应元件。这说明，植物DA1基因不仅与种子和器官发育有关，而且与激素信号转导和逆境响应存在密切关系。本文为进一步研究DA1基因在大白菜生长发育和逆境响应中的功能以及与大白菜杂种优势的关系奠定了基础。

关键词：大白菜；DA1；结构；顺式反应元件

中图分类号：S634.1；Q343.1⁺2文献标识号：A文章编号：1001-4942(2009)07-0001-03

植物器官大小特别是经济产量部分器官的大小是影响植物产量的重要因素和衡量植物杂种优势的重要指标，这些性状也是受基因控制的。近年来多个控制植物器官大小的基因被克隆并得到功能验证，如马铃薯的EBP1，拟南芥中控制器官大小和发育的基因KLUH、ARF2、AP2、ANT、BB等，水稻中控制抽穗期和穗粒数的基因GDH7。影响种子大小的基因GW2、GIF1和GW5。最近，李云海等(2008)克隆了一个最终控制种子和器官大小的拟南芥基因DAl(AtDA1)。AtDA1编码一个含有LIM结构域的能够和泛素相互作用的C3HCA类锌指蛋白，负向调控种子和器官大小，该基因突变后植株的种子和器官明显增大。因此，AtDA1类基因在种子和器官发育过程中具有重要功能，值得广泛和深入研究。植物杂种优势的遗传和分子机理研究以往多采用差异表达的方法，对杂种和亲本的基因表达调控从核酸和蛋白水平进行比较研究，找到多个在杂种和亲本间显著差异表达的基因或者蛋白，但是这些基因或者蛋白很难和植物的性状联系起来。本文作者认为，直接从控制性状的基因特别是和植物杂种优势表现密切相关的性状的基因。如控制植物种子和器官大小的基因人手来研究植物杂种优势的分子机理，可能会更加富有成效。

本文利用比较基因组学和生物信息学的方法首次从大白菜基因组中鉴定出一个AtDA1的同源基因，并对这个基因的序列特征、编码蛋白的结构域和顺式反应元件进行了系统分析，为进一步研究它在大白菜生长发育中的功能以及与大白菜杂种优势的关系奠定了基础。

1材料与方法

根据拟南芥的DA1基因和蛋白序列，通过各种序列比对在NCBI数据库中搜索大白菜的同源序列。利用基因组序列解析得到全长编码区序列，并在数据库中进行手工比对和分析。根据基因组序列和编码区序列的信息，研究基因的外显子和内含子结构，并解析得到启动子区序列和预测编码的蛋白序列。然后利用PLANTCARE对启动子序列中的顺式反应元件进行分析，利用Pla-ntsP Feature Scan对蛋白进行结构域预测和分析。

2结果与分析

2.1大白菜DA1基因的鉴定和特征分析

利用比较基因组学和生物信息学的方法从大白菜基因组中得到一个与拟南芥DA1同源的基因，命名为BrDA1。BrDA1与AtDA1的核苷酸序列一致性高达86.73％，二者预测编码蛋白的序列一致性为87.10％。BrDA1基因组序列长为2278bp，编码区为1584bp，预测编码一个含有527个氨基酸残基、分子量为59.67ku的蛋白。这个基因位于大白菜的BAC克隆AC172888.2(47086～49363)中，含有9个外显子，其外显子和内含子的结构如图1所示。

2.2大白菜DA1基因的顺式反应元件分析

基因的表达主要是其顺式作用元件和反式作用因子相互作用的结果，通过分析启动子及其上游序列的顺式反应元件可以预测基因的功能。因此，本研究在得到BrDA1的基因组序列以后，取起始密码子上游2000bp的序列进行顺式元件分析，结果(表1)表明。在BrDA1起始密码子上游2000bp的范围内共有10种不同的顺式反应元件，包括四个脱落酸响应元件ABRE，赤霉素响应元件TATC－box和P－box各一个，一个茉莉酸甲酯响应元件CGTCA，三个水杨酸响应元件TCA，一个热激应答元件HSE，一个干旱响应元件MBS，与防卫反应有关的富含AT和TC的响应元件各一个，还有两个胚乳特异表达顺式反应元件Skn－1。另外，通过对拟南芥DA1启动子区的分析，也发现了多个能响应逆境和激素信号的顺式元件(表2)，这与拟南芥DAI受ABA诱导表达的结果一致。这些结果显示，植物DA1基因可能不仅与种子和器官发育有关，而且与植物逆境响应和激素信号转导密切相关。

2.3大白菜DA1基因编码蛋白的结构分析

为了研究大白菜DA1的功能，在解析得到它的编码序列后，对其预测编码的蛋白进行了结构分析。结果显示，BrDA1蛋白含有两个泛素互作位点，一个LIM结构域，一个zf－C3HCA结构域，一个锌离子结合区和跨膜结构域，还有8个潜在的豆蔻酰化位点(见表3)。这说明BrDA1蛋白具有LIM蛋白和锌指蛋白的结构特征，而且可能能够与泛素结合和被豆蔻酰化。这说明BrDA1蛋白可能具有与拟南芥DA1类似的功能，作为负调控因子来调控细胞的分裂过程，从而影响种子和器官的发育和大小。

3讨论与结论

本研究利用比较基因组学和生物信息学的方法从大白菜基因组中鉴定出一个与拟南芥DA1同源的基因BrDA1，并对这个基因和编码蛋白的结构以及顺式反应元件进行了系统分析。分析结果表明，BrDA1具有LIM家族和锌指蛋白的结构特征，而且还有和泛素互作的位点，可能具有和AtDA1相似的功能。另外，本研究还发现，在大白菜和拟南芥DA1基因的启动子序列中存在多个能够响应不同激素(如脱落酸ABA和水杨酸SA)和逆境信号(如热胁迫、干旱胁迫和病原物等)的顺式反应元件，而脱落酸和水杨酸在植物非生物逆境和抗病反应过程中具有重要功能。这说明，植物DA1基因不仅与种子和器官发育有关，而且与激素信号转导和逆境响应存在密切关系。植物DA1基因对不同逆境和激素信号的响应模式、在不同组织器官和发育时期的表达情况及与植物杂种优势的关系值得深入细致探讨。本研究为下一步研究DA1基因在大白菜生长发育和逆境响应中的功能以及与大白菜杂种优势的关系奠定了基础。