小麦蔗糖运输基因TaSUT1A的生物信息学分析

苏世超，李桂兰，乔亚科

(河北科技师范学院生命科技学院，河北 秦皇岛，066600)



小麦蔗糖运输基因TaSUT1A的生物信息学分析

苏世超，李桂兰，乔亚科*

(河北科技师范学院生命科技学院，河北 秦皇岛，066600)

蔗糖是糖类在植物体内运输的主要形式。运用生物信息学工具对编码小麦蔗糖蛋白的基因TaSUT1A进行分析。结果表明小麦TaSUT1A基因由522个氨基酸组成，分子量为55 kD，等电点为8.68，编码蛋白为亲水性蛋白。进化和聚类分析表明，小麦TaSUT1A基因与粗山羊草AeSUT3基因、大麦HvSUT1基因的亲缘关系较近。

小麦；蔗糖；运输蛋白；生物信息

蔗糖是糖类在植物体内运输的主要形式[1]。淀粉在种子中的积累直接影响粮食作物的产量，淀粉也是依靠糖分子从蔗糖组织通过韧皮部运输来完成积累的。韧皮部是由筛管和伴胞通过胞间连丝的连接组成的复合体[2],其中筛管主要负责蔗糖和其它有机物质的长距离运输，然而伴胞主要为筛管提供能量和蛋白质[3]。蔗糖参与韧皮部的装载和输出有多重路径，包括质外体运输和共质体运输。由于蔗糖分子量较大和极性化合物，其跨膜运输属于被动运输需要辅助载体。蔗糖/H+转运子，被称为蔗糖转运子(sucrose transporter/SUT)或者蔗糖载体(sucrose carrier/SUC)的是一种在植物中广泛存在的负责运输蔗糖蛋白质。编码基因SUT已经在大量的粮食作物中得到鉴定包括水稻(Oryzasativa)、大麦(Hordeumvulgare)、玉米(Zeamays)和小麦(Triticumaestivum)[4]。

产量是作物农艺性状的重要性状之一。研究表明SUTs基因已经在作物种子发育过程中起到重要作用[1]。例如，在玉米生殖生长时ZmSUT1在叶片、叶鞘、茎秆和肉茎中均有高的表达量，ZmSUT1在叶片中的表达量升高光合效率就会提高，反应出其在韧皮部的装载增强。若此时使ZmSUT1发生突变，结果会损伤韧皮部的运输，叶片变黄，衰老导致产量下降[5,6]。小麦有3个同源TaSUT1基因，分别位于第4条染色体的A，B，D基因组，研究发现3个基因在旗叶、叶鞘、节间中的表达量相近[4]。笔者对TaSUT1A进行生物信息学分析，希望能对TaSUT1基因的功能和蛋白质对小麦产量性状、物质运输等研究提供有用价值。

1 材料与方法

1.1 材料

本次研究所采用小麦TaSUT1A基因在NCBI上的登录号为：AAM13408.1，下载此基因的蛋白质序列。

1.2 生物信息学方法分析

利用在线工具http://web.expasy.org/compute_pi/预测蛋白质的分子量和等电点；应用http://web.expasy.org/protscale/预测蛋白质疏水性；利用http://www.psort.org/预测亚细胞定位；利用http://smart.embl-heidelberg.de/网站进行基因编码蛋白质的结构功能域分析；利用http://kinasephos2.mbc.nctu.edu.tw/index.html网站预测蛋白质的磷酸化位点；利用NCBI EST数据库对该基因表达谱的分析；用NCBI搜索引擎中的blast在线工具进行同源序列分析；采用MEGA5.1软件NeighborJoining法构建系统进化树；蛋白质三级结构预测http://swissmodel.expasy.org/；通过PLEXdb(http://www.plexdb.org/plex.phpdatabase=Wheat)网站可以预测基因的表达情况，找到与TaSUT1匹配度最高的探针(Tgt ID：Ta.3677.1.S1_at，匹配度97.8%)。通过PLEXdb网站上芯片实验TA23分析TaSUT1A表达数据[7]。

2 结果分析

2.1TaSUT1A基因的获得

根据此基因在NCBI上的登录号AAM13408.1，获得蛋白质序列，然后在http://www.gramene.org/网站上预测此蛋白序列的核酸序列。结果表明，TaSUT1A基因的蛋白质序列含有522个氨基酸。理论预测该蛋白的分子量为55 kD，等电点为8.68。Wolfpsort亚细胞定位预测显示，该蛋白主要定位在细胞质。预测结果表明该蛋白可能参与细胞的生理反应。

2.2 序列分析

对TaSUT1A编码的蛋白质进行蛋白质结构域分析表明，该蛋白在33-253区有SUT基因特有的保守结构域(MFS)，属于MFS基因家族(图1)。

图1 TaSUT1基因保守结构域

亲疏水性分析结果：带正电荷的氨基酸有33个，带负电荷氨基酸有26个。总的平均亲水性为0.61。图2为蛋白质的亲水性分析结果，疏水性最高的是异亮氨酸I(Ile)，亲水性最高的是精氨酸W(Arg)，该蛋白属于亲水性蛋白。该蛋白质三级结构预测结果显示有多个α螺旋，具有多个“球桶模型”结构特点(图3)，推测可能参与植物体内的多种运输途径。

图2 蛋白质亲疏水性分析疏水(+),亲水(-) 图3 TaSUT1A三级结构预测

2.3 进化树分析

采用MEGA5.1软件Neighbor Joining法构建进化树。结果表明小麦TaSUT1A与祖先粗山羊草AeSUT3，大麦HvSUT1，祖先乌拉图小麦TuSUT1的聚类亲缘关系较近，蛋白相似度较高，位于同一进化枝(图4)。

图4 小麦TaSUT1A蛋白与其它物种SUT蛋白的系统进化分析

表1 TaSUT1A在基因芯片TA23中的实验表达情况

2.4 基因芯片表达数据分析

通过PLEXdb网站上芯片实验TA23分析TaSUT1A的表达数据情况，实验TA23为小麦在灌浆期干旱处理基因的表达情况。实验TA23为需水小麦材料Creso，对照小麦材料中国春，节水小麦材料CS-5AL。研究小麦灌浆期干旱处理下蔗糖运输基因TaSUT1A的表达情况(表1)。结果表明，需水材料Creso在轻度干旱处理胁迫和重度干旱胁迫下TaSUT1A的表达量相当且均比对照高；中国春和节水材料CS-5AL在轻度干旱胁迫下TaSUT1A的表达量都高于重度干旱胁迫下的表达量且都高于对照。由此可以得出TaSUT1A基因可能受干旱胁迫调控。

3 结论与讨论

小麦TaSUT1A基因的ORF长度为1 569 bp，编码522个氨基酸，蛋白质高级结构含有多个α螺旋，具有“球桶模型”结构特点。从多序列比对和进化分析来看，TaSUT1A蛋白序列相当保守，其中与大麦和粗山羊草的亲缘关系最近，蛋白相似度分别为95.4%和68.1%。另外，3个不同小麦材料分别在干旱处理下TaSUT1A的表达量均高于对照，说明TaSUT1A基因可能参与小麦干旱胁迫调控路径。

在粮食作物中，蔗糖是光合作用的主要产物，是植物贮藏、积累和运输糖分的主要形式[8]。在水稻、大麦、玉米中蔗糖的运输是靠SUT基因的控制和编码的。但在小麦中所鉴定和描述的SUT基因较少，TaSUT1为其中之一。近几年生物信息学在生命科学中高速发展，已经在预测基因结构、基因功能、探索基因进化关系等方面发挥重要作用。利用生物信息学知识分析，进一步挖掘小麦SUT基因，为研究小麦SUT基因调控的蔗糖运输及淀粉积累提供依据。

[1] Deol K K,Mukherjee S,Gao F，et al.Identification and characterization of the three homeologues of a new sucrose transporter inhexaploid wheat (TriticumaestivumL.)[J].BMC Plant Biology，2013，13:181.

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(责任编辑：朱宝昌，陈于和)

Bioinformatics Analysis of Sucrose Transporter GeneTaSUT1A in Wheat (TriticumaestivumL.)

SU Shi-chao, LI Gui-lan, QIAO Ya-ke

(College of Life Science and Technology,Hebei Normal University of Science & Technology,Qinhuangdao Hebei，066004，China)

Sucrose is the major transported form of sugar in plants.TaSUT1A coding sucrose protein was analyzed by bioinformatics. The results showed that wheatTaSUT1A gene consisted of 522 amino acids, molecular weight was 55 kD, isoelectric point 8.68, coding protein possess hydrophily. Multiple sequences alignment revealed thatTaSUT1A sequence was familiarly similar withAegilopstauschii(AeSUT3) andHordeumvulgare(HvSUT1).

wheat;sucrose;transport protein;bioinformatics

2015-08-30; 修改稿收到日期: 2015-11-24

10． 3969 /J． ISSN． 1672-7983． 2015． 04． 007

S512.103.2

A

1672-7983(2015)04-0032-04

苏世超(1986-)，男，硕士研究生。主要研究方向：小麦转基因育种。

*通讯作者，男，教授，硕士研究生导师。主要研究方向：作物遗传资源。E-mail: qiaoyake@126.com。