水稻2个F—box基因的生物信息学分析

赵黎明

摘要：对水稻中2个新的F-box蛋白基因Os5h和Os7h进行生物信息学预测分析。试验结果表明，基因序列分析确定Os5h和Os7h是F-box家族的两个基因：启动子预测分析结果表明，这两个基因含有大量的与光反应应答相关的元件，并且也都含有非生物逆境应答元件：对这两个基因进行了转录表达分析和共表达基因的分析，Os5h基因在花中表达最高，胚芽中最低，Os7h基因在根中表达相对其他组织较低，但整体表达相对比较均匀。

关键词：水稻；Os5h基因；Os7h基因；F-box；生物信息学

中图分类号：S511；078 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）09-2396-04

F-box蛋白是一类含有40～50个保守氨基酸F-box结构域的蛋白家族成员，在真核生物中广泛存在。研究报道双子叶模式植物拟南芥基因组中至少存在568个F-box蛋白基因，单子叶模式植物水稻中有687个F_box蛋白基因。植物F-box蛋白基因家族中只有少部分F-box蛋白基因的功能被研究报道，研究表明F-box蛋白参与许多植物生长发育的过程，尤其与花发育有关，并参与生长素、乙烯、GA、JA等激素和光信号传导等多种生理过程，也在植物的逆境和防御反应中发挥重要功能。最近报道F-box蛋白SLF控制植物基于S-RNase的自交不亲和。F-box蛋白在生物体内数量庞大，功能复杂，但目前已经研究透彻的F-box蛋白基因非常有限，为此，美国针对模式植物拟南芥启动了拟南芥全基因组F-boX蛋白研究计划，这一计划的实施将促进F-box蛋白家族功能的揭秘，

关于水稻中F-box蛋白类基因的研究较少，其中1个赤霉素不敏感的基因dwarf2是赤霉酸信号的正调控因子。dwarf3（D3）控制着水稻分蘖芽的活动，MAIF1受非生物逆境诱导，可能是mieroRNA的靶基因。

为了更多地了解F-box蛋白基因在水稻中的表达特性，本研究对水稻中2个新的F-box蛋白基因进行了生物信息学预测分析，有助于揭示F-boX蛋白家族的功能，同时为水稻作物遗传改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 基因结构及其编码蛋白序列的特征分析

RiceGenomeAnnotationProjectRiceGenomeBrowser网站分析基因结构及蛋白质序列。Pfm（http：//pfam.sanger.ac.uk/）和Mobyle数据库（http：//mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal，py？#forms：：hm-memit）获得F-boxmotif结构域及其氨基酸序列。采用ClustalXVersion2.0程序比对蛋白质序列。

1.2 2个F-box基因的启动子预测

选取基因ATG上游1500bp的启动子序列在PlantCARE （http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）中进行分析，显示基因启动子序列所包含的motif，选取相关的重要motif，根据结果进行修正，手工绘图。

1.3 2个F-box基因的转录表达分析

在CREP（http：//crep.ncpgr.cn/crep-cgi/home.p1）水稻基因表达谱数据库中分别搜集了Os5h、Os7h基因在明恢63以及珍汕97品种两个水稻品种中8个对应组织器官的表达情况。

1.4 2个F-box基因的共表达分析

Os5h和Os7h的共表达分析是在水稻寡核酸芯片数据库中进行的（http：//www.ricearrav.org/eoex-pression/coexpression.shtml），相关性的阈值设置为0.5。分析的步骤完全按照网站说明进行。

2 结果与分析

2.1 水稻Os5h和Os7h的结构模式图及其编码蛋白的序列特征

在RiceGenomeAnnotationProjectRiceGenomeBrowser网站（http：//rice.plantbiology.msu.edu/analvses.shtml）分别输入Os5h、Os7h基因的水稻LOC号，即显示这两个基因的模式图，确定了各基因的内含子和外显子的数目及位置。Os5h含有3个外显子，CDS总长894bp，编码297个氨基酸。Os7h含有5个外显子，CDS总长1191bp，编码396个氨基酸（图1）。

将Os5h、Os7h基因的蛋白序列及F-boxmotif的氨基酸序列用ClustalXVersion2，0程序来进行蛋白质的序列比对，并对结果进行手工修正绘图。得到蛋白序列特征模式图（图2）。图中黑色方框为Os5h、Os7h基因所编码蛋白含有的F-boxdomain，表明它们都属于F-box家族基因。

2.2 启动子的预测分析

启动子预测分析显示（图3），水稻Os5h和Os7h均含有大量光应答有关的元件。如Q-box、GAG-motif、Box I、Spl、I-box等，热胁迫应答元件HSE。茉莉酸甲酯的应答元件CGTCA-motif、TGACG-motif，脱落酸应答顺式元件ABRE，胚乳表达元件Skn-1motif。另外，Os5h还含有赋予高转录水平元件的5UTR Py-richstretch、低温应答LTR元件、厌氧诱导ARE元件、冷和脱水应答元件C-repeat/DRE、防御和胁迫应答TC-richrepeats元件、水杨酸应答TCA-element元件、昼夜节律控制cir-cadian元件。Os7h还含有干旱诱导MBS元件、缺氧特异诱导GC-motif元件、胚乳表达GCN4_motif元件及分生组织特异激活元件CCGTCC-box。

2.3 水稻Os5h和Os7h基因的转录表达分析

在CREP（http：//crep.ncpgr.cn/crep-cgi/home.p1）水稻基因表达谱数据库中分别搜集了Os5h、Os7h基因在明恢63以及珍汕97两个品种中8个对应组织器官的表达情况。所取组织器官分别为继代愈伤、胚芽，成熟期的茎、叶、根、花、3-5cm长幼穗、15-20cm长幼穗。芯片结果显示，Os5h基因在花中表达最高。胚芽中最低（图4A）。芯片结果显示。Os7h基因在根中表达相对其他组织较低，但整体表达相对比较均匀（图4B）。

2.4 基因的共表达分析结果

在水稻寡核苷酸芯片数据库中对Os5h（OsO3g02550）和Os7h（Os03g02560）基因进行共表达分析。结果表明。多个表达蛋白（如LOCOs06g15700基因）、多种酶。还有过敏反应（如LOCOs05g51420基因）、镉诱导的蛋白（如LOCOs07g05040基因）与Os5h基因正向共表达（表1）。有1个葡萄糖-1-磷酸磷酸转移酶的大亚基LOC_Os05g50380基因、叶绿索的前体与此基因负向共表达。多个表达蛋白、锌指家族蛋白、多种酶蛋白与Os7h基因正向共表达，有2个抗病蛋白LOCOS01G15580基因和LOCOs07g17250基因与其负向共表达（表2）。

3 小结与讨论

基因结构分析显示，Os5h和Os7h这两个基因均含有保守F-box结构域，属于F-box基因家族，因此可能在泛素途径中的SCF蛋白复合体中发挥作用。基因转录表达分析结果显示，这2个F-box基因为组成型表达，其中尤其在花器官中表达较高。可能控制花的发育。启动子的分析预测显示，它们的启动子中含有较多的光应答元件。有研究报道，EID1和AFR这2个F-box蛋白参与phvyA介导的光信号传导。已报道的水稻Hd1是水稻种第一个被克隆的数量性状基因，其在短日照下促进抽穗和在长日照下抑制抽穗。由于Hd1本身的转录并不受日照长短的影响，推测转录受其影响的基因的表达受光周期变化的控制。

同时，这2个基因的启动子序列均含有脱落酸应答顺式元件ABRE和各种非生物逆境诱导应答元件，推测他们可能也在水稻非生物逆境和防御反应中起一定作用。另外，OsSh基因还含有防御和胁迫应答元件TC-richrepeats及低温、热胁迫元件HSE等逆境应答所需的作用元件，Os7h基因还含有大量脱落酸应答的顺式元件ABRE及干旱、JA等逆境所需应答元件，这些为进一步功能鉴定提供了依据。

共表达分析结果显示，多个表达蛋白、多种酶，还有过敏反应、镉诱导蛋白与OsSh基因正向共表达，有1个葡萄糖-1-磷酸磷酸转移酶的大亚基、叶绿素前体与此基因负向共表达。多个表达蛋白、锌指家族蛋白、多种酶蛋白与Os7h基因正向共表达，有2个抗病蛋白与其负向共表达。这个结果也印证了F-box蛋白在植物体内的作用相当广泛，与其组成型表达的特征关系密切。