玉米TCP家族基因生物信息学鉴定与分析

王玉红等

摘 要：TCP家族是一类与植物器官三维形态发育或细胞周期调控相关的转录因子。本研究通过SeqHunter2软件，在玉米基因组范围内进行TCP家族基因的搜索和鉴定。共鉴定了7个玉米TCP家族基因，并根据进化树拓扑结构将其分为两大类：ClassⅠ和ClassⅡ。通过玉米、拟南芥和水稻TCP家族的进化分析推测，玉米发生了特有的TCP家族基因扩增事件，这些物种分化后进化出的基因可能参与了玉米特有的生命活动或与玉米特有的生物特征相关。玉米7个TCP转录因子的保守基序在组成上存在差异，但均含有TCP家族中最保守的两个基序。

关键词：生物信息学；TCP；玉米

中图分类号：Q78 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2014）04-0001-06

Bioinformatics Identification and Analysis of TCP Gene Family in Maize

Wang Yuhong1， Xu Lihua2*， Li Jun1*

（1.Bio-Tech Research Center， Shandong Academy of Agricultural Sciences/Shandong Provincial Key Laboratory

of Crop Genetic Improvement， Ecology and Physiology， Jinan 250100， China；

2.Institute of Maize， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China）

Abstract TCP family is a kind of transcription factors which contains some genes regulating the three-dimensional morphological development of plant organs and some genes regulating the cell cycle. The SeqHunter2 soft ware was used to search and identify TCP gene family in maize genome. Seven maize （Zea may） TCP family genes were identified and classed into 2 groups， ClassⅠand ClassⅡ， based on the evolutionary tree topology. Through the evolution analysis on TCP family in maize， Arabidopsis thaliana and rice， it was predicted that the species-specific expansion of TCP family maybe occured. The expansion maybe associated with maize-specific vital movement and biological characteristics. The 7 genes had differences in motif combination， but all of them contained the 2 most conserved motifs.

Key words Bioinformatics； TCP； Maize

TCP家族基因是指含有保守的TCP结构域的基因。TCP结构域的名称来源于TCP家族中最早被发现的3个基因：Teosinte Branched 1（Tb1），Cycloidea （Cyc）和PCFs的首字母[1]。在植物器官的发育过程中，正常的形态发育十分重要，大部分TCP家族基因与植物器官的三维形态发育调控相关，最常见的是调控植物的花器官发育与形态建成[2]。金鱼草（Antirrhinum majus）花背腹不对称极性的建立就是由TCP家族基因中的Cyc基因和Dichotoma（Dich）基因共同调控的。金鱼草cyc和dich突变体的花会由两侧对称变为辐射对称[3]。柳川鱼（Linaria vulgaris）的cyc突变体与金鱼草cyc突变体类似，发育出了非正常对称花[4]。另一类TCP家族基因，如水稻的PCF1和PCF2及拟南芥（Arabidopsis thaliana）的TCP转录因子家族则与细胞周期调控相关[4，5]。TCP核心结构域大约包含59个氨基酸，可形成一个非典型的Basic-Helix-Loop-Helix（BHLH）结构，部分TCP蛋白还含有一个亲水的R结构域。TCP基因家族分为2个亚类：一类与Tb1基因较为同源，一类与PCF基因同源性更高[1]。目前，在拟南芥、水稻、金鱼草、柳川鱼、苦苣苔科（Gesneriaceae）等多种植物中均发现了TCP家族基因[3，6～8]。

随着一些植物全基因组测序的完成，利用生物信息学手段在全基因组范围内鉴定TCP家族基因已经成为可能。例如，大豆、水稻和拟南芥TCP基因家族已经在全基因组范围内被鉴定和分析[6，9]。在玉米中，已通过生物信息学方法鉴定出很多器官形态发育相关的基因，如SMO2基因[10]，但只鉴定出2个TCP家族基因：Teosinte Branched 1（Tb1）和BRANCH ANGLE DEFECTIVE 1（BAD1）。玉米Tb1基因可以抑制侧枝生长和雄花形成，其突变会导致玉米顶端优势丧失，侧枝和雄花的生长不受抑制[11]。BAD1基因可以影响玉米雄花穗分枝生长的角度，bad1突变体的雄花穗分枝聚合在一起，相比野生型玉米雄花穗分枝角度大大缩小[12]。因此，TCP家族基因对玉米的生长发育起到了重要作用。玉米是一种重要的粮食与经济作物，其基因组测序的完成，使全面鉴定和分析玉米各种基因家族成为可能，为重要基因的克隆和功能研究创造了条件。本研究以生物信息学手段从全基因组范围鉴定玉米TCP家族基因，分析玉米TCP转录因子的结构，对研究其在玉米发育中的功能具有重要的意义。endprint

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以玉米为研究对象，玉米全基因组核酸序列数据、蛋白序列数据均下载自MaizeGBD（http：//www.maizegdb.org/），拟南芥和水稻TCP蛋白序列下载自GenBank（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/）。

1.2 试验方法

1.2.1 玉米TCP家族基因的鉴定 从Pfam网站（http：//pfam.sanger.ac.uk/）下载TCP结构域的HMM序列，然后通过SeqHunter2软件对玉米全基因组蛋白序列进行本地blast，搜索和比对玉米中的TCP家族基因。再利用Pfam以及SMART在线软件鉴定搜索到的候选基因是否具有TCP结构域，利用GeneDoc软件分析这些蛋白序列的保守结构。

1.2.2 玉米、拟南芥和水稻TCP转录因子系统进化树构建 将水稻、拟南芥以及预测出的玉米TCP蛋白序列利用Clustal X软件进行多序列比对分析，序列比对结果使用MEGA 5.0程序[13]生成系统进化树，系统进化树生成算法采用邻接法。

1.2.3 玉米TCP家族保守结构域分析 利用在线软件MEME 4.8.1（http：//meme.sdsc.edu/meme/cgi-bin/meme.cgi）对玉米TCP蛋白序列进行保守结构域的预测分析。参数设定保守基序（motif）大小为6～200 aa，输出结构域数目最大为20。

1.2.4 玉米TCP家族基因的染色体定位 在MaizeGBD数据库上查询各个预测出的玉米TCP家族基因所在位置，利用MapInspect软件绘制出玉米TCP家族基因在各染色体上的位置分布图。

2 结果与分析

2.1 玉米TCP家族基因的鉴定

通过已知的拟南芥、水稻以及玉米TCP蛋白序列获得保守的TCP结构域HMM序列，经过本地blast在玉米全基因组鉴定出19个候选TCP家族基因（表1）。利用Pfam在线软件从19个候选基因中筛选出7个基因的编码蛋白具有完整的

TCP结构域。通过Genedoc软件对其蛋白序列进行比对发现，都具有完整的BHLH结构域（图1）。

因此，我们确定这7个基因为玉米TCP家族基因，其Gene ID分别为GRMZM2G110242、GRMZM2G148022、GRMZM2G089361、GRMZM2G064628、GRMZM2G055024、AC233950.1和GRMZM2G120151。其中AC233950.1和GRMZM2G110242分别为玉米Tb1基因和BAD1基因。这7个TCP家族基因分布在1、2、4、5、6、7、8号染色体上（图2），且没有重复序列。

2.2 玉米TCP基因家族的分类

利用水稻、拟南芥及预测的玉米TCP蛋白序列构建系统进化树（图3），TCP家族被明显地分为两个进化分支，据此，将玉米TCP家族基因分为ClassⅠ和ClassⅡ两个大类，这与以往其他物种TCP家族基因的分类一致。ClassⅠ的成员与PCF基因同源性高，而ClassⅡ的成员与Tb1基因同源性更高。这与之前的研究中将TCP家族分为PCF与Tb1两大家族的结果一致[1]。其中GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361属于ClassⅠ；GRMZM2G110242、GRMZM2G064628、GRMZM2G055024、AC233950.1属于ClassⅡ。

2.3 玉米TCP家族基因结构分析

对7个玉米TCP家族基因结构进行分析，其中AC233950.1、GRMZM2G064628、GRMZM2G089361、GRMZM2G110242没有内含子；GRMZM2G120151只有一个内含子；GRMZM2G055024有2个内含子；GRMZM2G148022有14个内含子（图4）。其中，AC233950.1、GRMZM2G064628、GRMZM2G110242同时属于ClassⅡ家族，他们与ClassⅠ家族成员GRMZM2G089361和GRMZM2G120151结构相似，都没有或只有1个内含子，因此从基因结构上推测，AC233950.1、GRMZM2G064628、GRMZM2G110242与GRMZM2G089361和GRMZM2G120151可能存在进化关系。

2.4 玉米TCP家族基因蛋白结构分析

对7个TCP家族基因的蛋白结构的分析发现，GRMZM2G148022的氨基酸序列最长，为778 aa，GRMZM2G110242（BAD1）的氨基酸序列最短，仅为276 aa。这7个蛋白序列的BHLH结构均十分保守，由约59个氨基酸组成。利用MEME4.9.0在线软件对拟南芥、水稻以及玉米TCP家族基因蛋白进行保守基序（motif）分析，预测出20个保守基序（图5）。

由图6可知，虽然7个玉米TCP家族转录因子的保守基序在组成上存在差异，但都共同含有各物种TCP家族中最保守的motif 1和motif 2（这两个保守基序在水稻和拟南芥TCP家族基因里普遍存在，是TCP家族中最保守的基序），且排列顺序一致，都是motif 2在前，motif 1在后，不出现重复。其中，motif 1位于BHLH结构中的Basic区域中。此外，GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242都有一个特异的保守基序motif 6，但其位置却与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242不同。蛋白序列相似性分析显示，GRMZM2G110242与GRMZM2G064628相似度为78%，与GRMZM2G148022相似度仅为46%。endprint

3 讨论

本研究预测了7个玉米TCP家族基因，他们都具有保守的TCP结构域，即一种非典型的BHLH蛋白结构。通过进化树分析发现，这7个玉米TCP基因分属于两个大类：ClassⅠ和ClassⅡ。其中GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361与水稻PCF基因同源性较高，属于PCF类TCP家族基因。水稻PCF基因可以促进分生组织中PCNA启动子的组织特异表达，与细胞分裂周期调控密切相关[14]，因此推测GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361可能参与调控玉米分生组织细胞分裂周期，从而影响不同的原基形成，进而影响玉米器官的发育。

GRMZM2G110242（BAD1）、GRMZM2G064628、GRMZM2G055024、AC233950.1（Tb1）属于Tb1类TCP家族基因。玉米Tb1和BAD1基因都与植物器官的三维形态发育及极性调控相关。因此GRMZM2G064628、GRMZM2G055024也可能影响玉米器官的三维形态发育及极性的建立。

玉米、水稻和拟南芥这3个物种的共计40多个TCP家族基因分散在进化树的各个大小分支，说明TCP家族基因扩增事件在物种分化尤其是单双子叶植物分化之前就已发生。而GRMZM2G064628和GRMZM2G110242在第二大类里单独聚为一个小分支，说明物种形成之后玉米在ClassⅡ TCP家族基因中发生了明显的基因扩增事件，这两个基因可能与玉米特有的生物性状相关。由于ClassⅡ家族基因的大部分成员同一物种发生聚类，因此推测ClassⅡ家族在进化后期逐渐形成，可能属于年轻的一类，而ClassⅠ属于古老的一类，ClassⅡ可能由ClassⅠ的成员进化而来。

蛋白结构分析显示，7个玉米TCP家族转录因子均含有TCP家族中最保守的两个基序：motif 1和motif 2。GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242一样都有motif 6这个特异的保守基序，但其排列顺序却与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242不同，进化上GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242也存在差异，属于两个大的分支，因此推测功能上也存在差异。

本研究为玉米TCP基因家族的功能研究和应用奠定了基础，为其进化研究提供了理论依据。

参 考 文 献：

[1] Cubas P， Lauter N， Doebley J， et al. The TCP domain： a motif found in proteins regulating plant growth and development [J]. Plant Journal， 1999a， 18（2）： 215-222.

[2] Bowman J L， Eshed Y， Baum S F. Establishment of polarity in angiosperm lateral organs [J]. Trends in Genetics，2002， 18 （3）： 134-141.

[3] Luo D， Carpenter R， Copsey L， et al. Control of organ asymmetry in flower of Antirrhinum [J]. Cell， 1999， 99（4）： 367-367.

[4] Cubas P， Vincent C， Coen E. An epigenetic mutation responsible for natural variation in floral sysmmetry [J]. Nature， 1999b， 401（6749）：157-161.

[5] Kosugi S， Ohashi Y. PCF1 and PCF2 specifically bind to cis-elements in the rice proliferating cell nuclear antigen gene [J]. The Plant Cell， 1997， 9（9）： 1607-1619.

[6] Yao X， Ma H， Wang J， et al. Genome-wide comparative analysis and expression pattern of TCP gene families in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa [J]. Journal of Integrative Plant Biology， 2007， 49（6）： 885-897.

[7] Mller M， Clokie M， Cubas P，et al. Intergrating molecular phylogenies and developmental genetics： a Gesneriaceae case study [M]//Hollingsworth P M， Baterman R M and Gornall R J.Molecular systematics and plant evolution.London： Taylor & Francis， 1999：375-402.

[8] Citerne H L， Moller M， Crock Q C B. Diversity of cycloidea-like genes in Gesneriaceae in relation to floral sysmmetry [J]. Annals of Botany， 2000， 86（1）：167-176.

[9] 刘洋，张慧，辛大伟，等. 大豆TCP转录因子家族结构域分析及功能预测[J].大豆科学， 2012， 31（5）： 707-713.

[10]方志军，鲁守平，董瑞，等. 玉米器官大小相关基因SMO2的鉴定和特征分析[J]. 山东农业科学， 2013， 45（3）： 4-6.

[11]Deobely J， Stec A O， Hubbard L. The evolution of apical dominance in maize [J]. Nature， 1997， 386（6624）： 485-488.

[12]Bai F， Reinheimer R， Durantini D， et al. TCP transcription factor， BRANCH ANGLE DEFECTIVE 1 （BAD1）， is required for normal tassel branch angle formation in maize [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2012， 109（30）： 12225-12230.

[13]Larkin M A， Blackshields G， Brown N P， et al. Clustal W and Clustal X version 2.0 [J]. Bioinformatics， 2007， 23 （21）： 2947-2948.

[14]Chatthai M， Forward B S， Yevtushenko D， et al. 2S storage protein gene of Douglas-fir： characterization and activity of promoter in transgenic tobacco seeds [J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2004， 42（5）： 417-423.endprint

3 讨论

本研究预测了7个玉米TCP家族基因，他们都具有保守的TCP结构域，即一种非典型的BHLH蛋白结构。通过进化树分析发现，这7个玉米TCP基因分属于两个大类：ClassⅠ和ClassⅡ。其中GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361与水稻PCF基因同源性较高，属于PCF类TCP家族基因。水稻PCF基因可以促进分生组织中PCNA启动子的组织特异表达，与细胞分裂周期调控密切相关[14]，因此推测GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361可能参与调控玉米分生组织细胞分裂周期，从而影响不同的原基形成，进而影响玉米器官的发育。

GRMZM2G110242（BAD1）、GRMZM2G064628、GRMZM2G055024、AC233950.1（Tb1）属于Tb1类TCP家族基因。玉米Tb1和BAD1基因都与植物器官的三维形态发育及极性调控相关。因此GRMZM2G064628、GRMZM2G055024也可能影响玉米器官的三维形态发育及极性的建立。

玉米、水稻和拟南芥这3个物种的共计40多个TCP家族基因分散在进化树的各个大小分支，说明TCP家族基因扩增事件在物种分化尤其是单双子叶植物分化之前就已发生。而GRMZM2G064628和GRMZM2G110242在第二大类里单独聚为一个小分支，说明物种形成之后玉米在ClassⅡ TCP家族基因中发生了明显的基因扩增事件，这两个基因可能与玉米特有的生物性状相关。由于ClassⅡ家族基因的大部分成员同一物种发生聚类，因此推测ClassⅡ家族在进化后期逐渐形成，可能属于年轻的一类，而ClassⅠ属于古老的一类，ClassⅡ可能由ClassⅠ的成员进化而来。

蛋白结构分析显示，7个玉米TCP家族转录因子均含有TCP家族中最保守的两个基序：motif 1和motif 2。GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242一样都有motif 6这个特异的保守基序，但其排列顺序却与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242不同，进化上GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242也存在差异，属于两个大的分支，因此推测功能上也存在差异。

本研究为玉米TCP基因家族的功能研究和应用奠定了基础，为其进化研究提供了理论依据。

参 考 文 献：

[1] Cubas P， Lauter N， Doebley J， et al. The TCP domain： a motif found in proteins regulating plant growth and development [J]. Plant Journal， 1999a， 18（2）： 215-222.

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[3] Luo D， Carpenter R， Copsey L， et al. Control of organ asymmetry in flower of Antirrhinum [J]. Cell， 1999， 99（4）： 367-367.

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[6] Yao X， Ma H， Wang J， et al. Genome-wide comparative analysis and expression pattern of TCP gene families in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa [J]. Journal of Integrative Plant Biology， 2007， 49（6）： 885-897.

[7] Mller M， Clokie M， Cubas P，et al. Intergrating molecular phylogenies and developmental genetics： a Gesneriaceae case study [M]//Hollingsworth P M， Baterman R M and Gornall R J.Molecular systematics and plant evolution.London： Taylor & Francis， 1999：375-402.

[8] Citerne H L， Moller M， Crock Q C B. Diversity of cycloidea-like genes in Gesneriaceae in relation to floral sysmmetry [J]. Annals of Botany， 2000， 86（1）：167-176.

[9] 刘洋，张慧，辛大伟，等. 大豆TCP转录因子家族结构域分析及功能预测[J].大豆科学， 2012， 31（5）： 707-713.

[10]方志军，鲁守平，董瑞，等. 玉米器官大小相关基因SMO2的鉴定和特征分析[J]. 山东农业科学， 2013， 45（3）： 4-6.

[11]Deobely J， Stec A O， Hubbard L. The evolution of apical dominance in maize [J]. Nature， 1997， 386（6624）： 485-488.

[12]Bai F， Reinheimer R， Durantini D， et al. TCP transcription factor， BRANCH ANGLE DEFECTIVE 1 （BAD1）， is required for normal tassel branch angle formation in maize [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2012， 109（30）： 12225-12230.

[13]Larkin M A， Blackshields G， Brown N P， et al. Clustal W and Clustal X version 2.0 [J]. Bioinformatics， 2007， 23 （21）： 2947-2948.

[14]Chatthai M， Forward B S， Yevtushenko D， et al. 2S storage protein gene of Douglas-fir： characterization and activity of promoter in transgenic tobacco seeds [J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2004， 42（5）： 417-423.endprint

3 讨论

本研究预测了7个玉米TCP家族基因，他们都具有保守的TCP结构域，即一种非典型的BHLH蛋白结构。通过进化树分析发现，这7个玉米TCP基因分属于两个大类：ClassⅠ和ClassⅡ。其中GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361与水稻PCF基因同源性较高，属于PCF类TCP家族基因。水稻PCF基因可以促进分生组织中PCNA启动子的组织特异表达，与细胞分裂周期调控密切相关[14]，因此推测GRMZM2G120151、GRMZM2G148022和GRMZM2G089361可能参与调控玉米分生组织细胞分裂周期，从而影响不同的原基形成，进而影响玉米器官的发育。

GRMZM2G110242（BAD1）、GRMZM2G064628、GRMZM2G055024、AC233950.1（Tb1）属于Tb1类TCP家族基因。玉米Tb1和BAD1基因都与植物器官的三维形态发育及极性调控相关。因此GRMZM2G064628、GRMZM2G055024也可能影响玉米器官的三维形态发育及极性的建立。

玉米、水稻和拟南芥这3个物种的共计40多个TCP家族基因分散在进化树的各个大小分支，说明TCP家族基因扩增事件在物种分化尤其是单双子叶植物分化之前就已发生。而GRMZM2G064628和GRMZM2G110242在第二大类里单独聚为一个小分支，说明物种形成之后玉米在ClassⅡ TCP家族基因中发生了明显的基因扩增事件，这两个基因可能与玉米特有的生物性状相关。由于ClassⅡ家族基因的大部分成员同一物种发生聚类，因此推测ClassⅡ家族在进化后期逐渐形成，可能属于年轻的一类，而ClassⅠ属于古老的一类，ClassⅡ可能由ClassⅠ的成员进化而来。

蛋白结构分析显示，7个玉米TCP家族转录因子均含有TCP家族中最保守的两个基序：motif 1和motif 2。GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242一样都有motif 6这个特异的保守基序，但其排列顺序却与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242不同，进化上GRMZM2G148022与GRMZM2G064628和GRMZM2G110242也存在差异，属于两个大的分支，因此推测功能上也存在差异。

本研究为玉米TCP基因家族的功能研究和应用奠定了基础，为其进化研究提供了理论依据。

参 考 文 献：

[1] Cubas P， Lauter N， Doebley J， et al. The TCP domain： a motif found in proteins regulating plant growth and development [J]. Plant Journal， 1999a， 18（2）： 215-222.

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[3] Luo D， Carpenter R， Copsey L， et al. Control of organ asymmetry in flower of Antirrhinum [J]. Cell， 1999， 99（4）： 367-367.

[4] Cubas P， Vincent C， Coen E. An epigenetic mutation responsible for natural variation in floral sysmmetry [J]. Nature， 1999b， 401（6749）：157-161.

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[6] Yao X， Ma H， Wang J， et al. Genome-wide comparative analysis and expression pattern of TCP gene families in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa [J]. Journal of Integrative Plant Biology， 2007， 49（6）： 885-897.

[7] Mller M， Clokie M， Cubas P，et al. Intergrating molecular phylogenies and developmental genetics： a Gesneriaceae case study [M]//Hollingsworth P M， Baterman R M and Gornall R J.Molecular systematics and plant evolution.London： Taylor & Francis， 1999：375-402.

[8] Citerne H L， Moller M， Crock Q C B. Diversity of cycloidea-like genes in Gesneriaceae in relation to floral sysmmetry [J]. Annals of Botany， 2000， 86（1）：167-176.

[9] 刘洋，张慧，辛大伟，等. 大豆TCP转录因子家族结构域分析及功能预测[J].大豆科学， 2012， 31（5）： 707-713.

[10]方志军，鲁守平，董瑞，等. 玉米器官大小相关基因SMO2的鉴定和特征分析[J]. 山东农业科学， 2013， 45（3）： 4-6.

[11]Deobely J， Stec A O， Hubbard L. The evolution of apical dominance in maize [J]. Nature， 1997， 386（6624）： 485-488.

[12]Bai F， Reinheimer R， Durantini D， et al. TCP transcription factor， BRANCH ANGLE DEFECTIVE 1 （BAD1）， is required for normal tassel branch angle formation in maize [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2012， 109（30）： 12225-12230.

[13]Larkin M A， Blackshields G， Brown N P， et al. Clustal W and Clustal X version 2.0 [J]. Bioinformatics， 2007， 23 （21）： 2947-2948.

[14]Chatthai M， Forward B S， Yevtushenko D， et al. 2S storage protein gene of Douglas-fir： characterization and activity of promoter in transgenic tobacco seeds [J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2004， 42（5）： 417-423.endprint