小麦全基因组表达序列基因家族鉴定分类

李迪　李冬洁　韩迎迎　赵钰珊

摘 要 小麦全基因组表达序列基因家族鉴定分类是将已经测出的小麦的全基因组蛋白序列提取至Pfam进行结构域查找分析，对基因家族进行分类，从而对小麦的所有基因表达序列分类整理，以便于进一步对小麦进行研究。通过基因家族的鉴定分类，对小麦的研究将更加系统化和精确化，有助于以后进一步筛选，并对它们做出更详尽的功能分析，为小麦的遗传改良提供一个借鉴。与此同时，也为研究小麦中某一特定基因家族的作用奠定基础。

关键词 小麦；基因家族；Pfam分析；功能鉴定分类

中图分类号：S512.1；Q943.2 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.17.096

1 小麦作物的意义

小麦属于禾本科植物的小麦属，是世界上三大重要的经济粮食作物之一。2016—2017年全球小麦产量为7.54亿吨，我国当年产量为1.29亿吨[1]。小麦几乎全作食用，其颖果被磨成面粉后可制作面条、馒头、面包等中西方主食。

人类对小麦开展系统化的育种工作的时间虽然不长，但是也取得了许多优秀的成果，20世纪60年代兴起的“绿色革命”对农业研究、农业技术和设备的开发工作都起到了推动作用，极大地提高了小麦的产量。但近年来，由于受人类生产活动所导致的极端天气频繁出现、水资源匮乏等环境问题的影响，小麦的产量并不稳定。据测算，全球小麦的产量至少需要增长60%才能够满足2050年的人口需要。对我国来说，小麦的单产还有很大的提升空间[2]。目前，非生物胁迫如干旱、冻害等是妨碍提升小麦产量的主要原因，解决这一问题的最好办法就是通过小麦育种技术培育出能够在恶劣条件下生长的小麦新品种。而尽快破译小麦和其他农作物的基因组以及分析清楚各基因家族的功能则是顺利开展小麦育种工作的关键。

通过对已知的小麦庞大的基因组序列进行分析，对小麦全部基因家族加以鉴定及分类，把各基因家族所表达的相应蛋白质的功能进行分析与系统化总结，对小麦的遗传、产量等各方面的科学研究具有重要的意义。

2 小麦基因组组成及测序研究进展

基因组（Genome）是指单倍体细胞中的全部DNA分子。小麦基因组的规模大约是人类基因组的6倍，共计有17 Gb。如此庞大的基因组中包含了大量的重复DNA序列，这就意味着即使小麦全基因组测序工作已经完成，如何高保真地组装仍比较困难。普通异源6倍体小麦（Triticum aestivum）是由AA、BB、DD 3组共6套染色体组成的，即包含3个不同的基因组，这给基因定位工作带来了一定的困难，使针对小麦的基因研究更加具有挑战性。

坂村彻在1918年首次确定了普通小麦有42条染色体。任本命[3]在其基础之上通过杂交试验查明：一粒小麦（T.monococcum，AA）与拟斯卑尔脱山羊草（Aegilops speltoides）或其近似种（BB）杂交形成杂种Ⅰ（AB），经过染色体自然加倍形成二粒系小麦（AABB）。二粒系小麦（AABB）与粗山羊草（Aegilops tauschii Coss.，DD）杂交形成杂种Ⅱ（ABD），经染色体自然加倍后繁衍为普通异源六倍体小麦（AABBDD）。

2013年我国科研人员领先完成了普通六倍体小麦的A基因组[4]、D基因组的测序及草图绘制。2014年Mayer 等[5]对中国春小麦（Chinese Spring）进行了染色体臂的分离、测序及组装，并精确定位了超过12万个基因，对研究小麦应答生物胁迫和非生物胁迫的机制和优质小麦育种等具有重要的意义。Choulet 等[6]确认了3B染色体的序列（21条染色体中最大的序列），并验证了3B染色体上数千个基因标记。此外，在基因组测序草图绘制完成的基础之上，研究人员系统地揭示了普通异源六倍体小麦的基因组演化过程，也对与发育相关的一些基因做出新的注释[7-8]。

基于已知的小麥全部基因序列，本项目对其庞大且复杂的全基因组基因家族进行鉴定分类，将挖掘出巨大的信息，为后续研究提供了极大便利，对小麦的产量、遗传等方面的研究具有重要的意义。

3 基因家族研究概况

基因家族（Gene Family）是指由一个原始基因通过复制不同的拷贝数而产生的基因簇，各成员在基因组上距离相近，功能相似即可编码相似的蛋白质产物。目前围绕植物的全基因组家族进行的研究非常多，如拟南芥、水稻、烟草等。模式生物拟南芥是植物中第一个实现全序列分析的物种，其基因组测序已于2000年完成，因此对基因家族的研究比较深入。卢珊等[9]发现拟南芥中有204个包含NBS-LRR的、与植物抗病有关的基因，71.6%的NBS-LRR基因分布在一定的基因簇内。SET结构域基因家族在植物的发育过程中扮演着重要的角色，其编码的蛋白质（即赖氨酸转移酶）高度保守，由120～150个氨基酸残基构成的SET结构域，可对组蛋白进行甲基化修饰，从而能够调控基因表达。张亮生 等[10]分别鉴定了拟南芥和水稻的部分SET结构域基因，并通过分析表明片段复制和反转录是SET结构域基因扩增的主要原因。F-box基因家族是植物体内数量巨大的基因家族之一，F-box蛋白C端通常含有重复序列，是介导底物特异识别的区域，主要参与植物开花的调控、蛋白质降解、应答生物胁迫和非生物胁迫等[11]。He R等[12]发现拟南芥F-box基因家族成员之一的FOF2基因在过度表达时会造成开花延迟。范贝 等[13]在研究中发现拟南芥氨基酸通透酶基因家族（At AAP）的启动子区域均有应答激素、胁迫等的元件，其编码的氨基酸通透酶由466-493个碱性氨基酸残基构成，且均为跨膜转运蛋白。拟南芥组蛋白去乙酰化酶家族（At HDACs）[14]通过系统进化树分析可以分为3个亚家族，广泛参与植物生长发育和逆境应答过程，其编码的不同组蛋白去乙酰化酶行使功能不同。其中Sirtuin类组蛋白去乙酰化酶（At SRT2）可以通过调控组蛋白H4K8位点的乙酰化水平来调控盐胁迫下的种子萌发过程，并主要通过减少盐胁迫下植物DNA的损伤以及NAD+的积累这一途径行使基因功能。

通过分析有关拟南芥全基因组的研究，可以看出研究人员对基因家族的探索已经越来越普遍和广泛，这也对揭示植物的生殖发育过程具有重要的意义。拟南芥作为模式植物，针对其基因家族已完成的研究为对小麦全基因组表达序列基因家族的鉴定分类做了很好的示范，也提供了重要的理论基础和技术指导。

4 小麦基因家族分析研究进展及前景

基因表达是指基因指导下的蛋白质合成过程，细胞在生命的过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。从基因层面研究生物体的种种现象已是大势所趋。拟南芥只有5对染色体，基因组较小，操作简便且转化成功率高，因而能成为植物中第1个完成全基因组测序的物种。而小麦基因组大约为17 Gb，包含超过100 000个表达基因，如此庞大且重复序列较多的基因组转化相对困难，并且也没有进行过系统分类。2014年以后，研究人员经过分析共得到162个小麦基因家族，如mapkk、Tamlo、Jacalin、SnRk2和YABBY等。其中SnRK2是一个相对较小的植物专一性蛋白激酶家族[15]，该家族成员以不同的调控方式广泛参与植物的逆境胁迫信号传递，在植物的逆境应答中扮演了重要的角色。又如广泛存在于双子叶植物和单子叶植物中的YABBY基因[16]，在控制植物背腹极性的建立中发挥着重要的作用。虽然目前在双子叶植物拟南芥中关于该极性建立的分子机理取得了一定的进展，但是在单子叶植物，尤其是禾本科植物中，获得的涉及极性建立的突变体较少，不易于研究。而小麦既是主要的禾本科植物，也是重要的粮食作物，对其极性建立展开进一步的研究具有非常重要的意义。

目前，相比于拟南芥，对小麦基因家族的研究仍不够完善。此外，由于非生物胁迫及非生物胁迫越来越多，给普通小麦产量的稳定性带来了挑战。所以对小麦全基因组进行基因家族的鉴定分类，有助于以后进一步筛选，并对它们做出更详尽的功能分析，为小麦的遗传改良提供一个有价值的资源，也为更早地培育出适应不同生长环境的小麦新品种奠定基础。

参考文献：

[1] 李圣军.世界小麦产销格局及演变分析[J].粮食问题研究，2017（6）：9-15.

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[8] Pfeifer M，Kugler K G，Sandve S R，etal.Genome Interplay in the Grain Transcriptome of Hexaploid Bread Wheat[J].Science，2014，345（6194）：1250091.

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[12] He R，Li X，Zhong M，etal.A Photo-Responsive F-box Protein FOF2 Regulates Floral Initiation by Promoting FLC Expression in Arabidopsis[J].Plant Journal for Cell & Molecular Biology，2017，91（5）：345-350.

[13] 范贝.拟南芥AAP基因家族的组织表达分析以及AtAAP1基因的功能研究[D].长春：吉林农业大学，2016.

[14] 钟理.拟南芥组蛋白去乙酰化酶基因家族分析及AtSRT2在盐胁迫下调控种子萌发的分子机制[D].北京：中国农业科学院，2015.

[15] 张洪映，贾宏昉，代晓燕.植物和小麦SnRK2基因家族的研究进展[J].安徽农业科学，2014，42（13）：3805-3807.

[16] 赵伟，宿红艳，王磊.小麦YABBY基因的生物信息学分析[J].现代农业科技，2009（7）：139-141.

（责任编辑：刘昀）