番茄和马铃薯CIPK3基因的鉴定和特征分析

马蕾+王施慧+刘淑梅+郎丰庆+纪复勤+李利斌+侯丽霞

摘 要：为了研究番茄和马铃薯CIPK3基因的功能，利用生物学信息学的方法从番茄和马铃薯的基因组中分别鉴定出2个与拟南芥CIPK3同源的基因，并对这些基因的结构特征、系统进化和顺式元件进行了系统分析。结果表明，番茄和马铃薯的2个CIPK3基因均与拟南芥的CIPK3直系同源，且都含有14个外显子，编码区大小相似，编码蛋白预测都位于细胞膜上且含有的基序类型相同；在它们的编码区上游序列中均存在多个激素和逆境应答元件，暗示它们在激素和逆境应答中具有一定功能。

关键词：番茄；马铃薯；CIPK3；基因特征；进化；顺式元件

中图分类号：Q785 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.08.001

Abstract： To dissect the function of CIPK3 genes of tomato and potato， respectively identified two genes in the genome of tomato and potato homologous to Arabidopsis CIPK3 using bioinformatics method. And also the structure， characteristics， evolution， and cis-elemetnts of these genes were systematically analyzed. The results showed that， all these CIPK3 genes in tomato and potato were orthologs of AtCIPK3. And they all had 14 exons and similar coding sequence size. Their putative encoded proteins were all predicted to localized on membrane and had same type motifs. In the upstream of tomato and potato CIPK3 genomic sequences， there were multiple cis-elements responsive to plant hormones and environmental stresses， which suggested these gene may play some roles in the process of hormone and stress response.

Key words： tomato； potato； CIPK3； gene characteristics； evolution； cis-elements

马铃薯是我国重要的粮菜兼用作物，其抗逆性如何直接影响马铃薯的产量和品质[1-2]。目前，有关马铃薯抗性品种筛选[3-4]、抗逆生理[5-6]、抗性指标筛选[7]以及抗逆基因克隆表达和转移基因研究取得了很大进展[8-9]。番茄是我国主要的栽培蔬菜之一，有关番茄非生物逆境抗性的研究日益受到国内外学者的重视，目前已取得很大进展[10-14]。但是有关马铃薯和番茄CIPK基因的研究尚未见报道。CIPK家族是植物特有的激酶家族[15-16]，其作为细胞内钙信号系统的一员，在植物非生物逆境和生物逆境应答[17-19]、ABA信号转导[20-21]、矿质营养吸收[22-24]和发育过程中具有重要功能[25-27]。其中，拟南芥的CIPK3在ABA和冷胁迫应答、细胞内镁离子的动态平衡和镁离子过量胁迫下的植株生长发育具有一定功能[21，24，28]。模式植物拟南芥CIPK的研究和番茄、马铃薯基因组测序的完成[29-30]，为解析番茄和马铃薯的CIPK基因及其功能提供了重要启示。

本研究利用生物信息学的方法，分别从马铃薯和番茄基因组中鉴定出2个与拟南芥CIPK3直系同源的基因，并对它们的分子特征和遗传进化等进行了系统分析，旨在为进一步研究其在逆境应答中的功能奠定基础。

1 研究方法

利用拟南芥CIPK3基因序列搜索NCBI数据库中的番茄和马铃薯CIPK3基因，利用motif Scan（http：//myhits.isb-sib.ch /cgi-bin/motif_scan） 对番茄和马铃薯CIPK3基因编码的蛋白进行结构预测分析，并根据编码区序列信息对其进行染色体定位。利用Mega 4.1对番茄和马铃薯CIPK3基因进行系统进化分析。通过番茄和马铃薯CIPK3编码区和基因组序列的比对来显示基因外显子和内含子的结构组成，得到番茄和马铃薯CIPK3基因的启动子区及上游序列。顺式元件预测采用PlantCARE软件（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/ webtools/ plant care/ html/）进行在线分析。亚细胞定位预测在WoLFPSORT （http：//wolfpsort.org/） 中进行。

2 结果与分析

2.1 番茄和马铃薯CIPK3基因及其分子特征

利用比較基因组学的方法，分别从番茄和马铃薯基因组中鉴定出2个CIPK3基因，分别命名为SlCIPK3.1， SlCIPK3.2， StCIPK3.1和StCIPK3.2（表1）。马铃薯的2个CIPK3基因都位于马铃薯1号染色体上，编码大小分别为1 320，1 317 bp；而番茄的CIPK3基因分别位于1号和11号染色体上，编码区大小均为1 314 bp。从基因结构示意图来看，马铃薯和番茄CIPK3的外显子数均为14，编码区大小相似，但是基因组序列番茄明显大于马铃薯（图2）。亚细胞定位预测显示，番茄和马铃薯CIPK3基因的编码产物均定位在细胞膜上。马铃薯的2个CIPK3基因的核苷酸序列一致性为97.20%，编码蛋白的序列一致性为97.27%；而番茄的2个CIPK3基因的核苷酸序列一致性为85.88%，编码蛋白的序列一致性为88.36%。遗传进化和Blatsp分析发现，它们均与拟南芥的CIPK3直系同源（图1）。StCIPK3.1和StCIPK3.2与AtCIPK3编码蛋白序列一致性分别为78.54%，77.88%，而SlCIPK3.1和SlCIPK3.2与AtCIPK3编码蛋白的的序列一致性分别为79.82%，79.60%。蛋白基序分析发现，StCIPK3.1和StCIPK3.2含有的蛋白基序类型相同，二者均含有1个酰胺化位点，3个N-糖基化位点，2个N-豆蔻酰化位点，1个ATP结合区，1个核定位信号，1个CIPK家族特有的NAF结构域；不同的是，StCIPK3.1含有3个蛋白激酶磷酸化位点，而StCIPK3.2含有4个磷酸化位点。番茄的2个CIPK3基因编码的蛋白含有基序的种类一样，含有基序的数目除了豆蔻酰化位点和蛋白激酶C磷酸化位点不一样之外，其余均相同（表2）。

2.2 番茄和马铃薯CIPK3顺式调控元件和功能预测

顺式调控元件分析表明，番茄和马铃薯CIPK3基因上游序列中均含有多个逆境和激素应答顺式调控元件，StCIPK3.1分别含有一个ABA应答元件，1个冷胁迫应答元件，1个干旱应答元件，3个赤霉素应答元件，1个水杨酸应答元件和2个逆境及防卫应答元件；StCIPK3.2分别含有1个乙烯应答元件和水杨酸应答元件，4个赤霉素应答元件，2个热胁迫应答元件HSE，2个干旱应答元件，3个逆境及防卫应答元件；SlCIPK3.1 分别含有1个乙烯应答元件，2个干旱应答元件，6个赤霉素应答元件，2个逆境和防卫应答元件，2个水杨酸应答元件2个创伤及病原物应答元件；SlCIPK3.1 分别含有1个脱落酸应答元件，5个赤霉素应答元件，3个干旱应答元件，1个逆境和防卫应答元件，1个创伤及病原物应答元件。表明它们调控的逆境应答过程可能有所不同。已有研究表明，拟南芥的CIPK3基因参与ABA信号、冷胁迫应答、细胞内镁离子的平衡及镁离子过量胁迫下的生长发育过程。 根据拟南芥CIPK3的研究结果和番茄、马铃薯CIPK3顺式元件分析结果，推断番茄和马铃薯的CIPK3基因在逆境应答过程中具有多种功能。

3 结 论

本研究分别从番茄和马铃薯基因组中鉴定出2个与拟南芥CIPK3直系同源的基因，其序列一致性高达85%以上；在基因结构上一致，都有14个外显子，而且各外显子的大小和排列顺序基本一致。在编码蛋白的结构方面十分相似，含有的蛋白基序类型一致，而且不同基序的数目几乎完全一样，但它们在上游顺式调控元件方面差异较大。说明它们在基因结构上十分保守，但是也存在功能上的分化。笔者据此推测，番茄和马铃薯的CIPK3可能具有多样的生物学功能，能够参与多个相似和不同的逆境及激素应答过程。至于番茄和马铃薯CIPK3基因的具体功能如何，还需进一步深入研究。

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