十字花科植物DFR蛋白的生物信息学分析

胡燕 尹明智 匡光炼 黄杰 严秋香

摘要 采用生物信息学的方法分析已经在GenBank上注册十字花科植物的DFR基因序列及相应氨基酸序列，并对其理化性质、结构特征、系统进化关系等进行预测。结果表明，十字花科植物的DFR蛋白大部分都有6个外显子，分子质量36 481.89～43 129.21 Da，大多数蛋白亚细胞定位于叶绿体中;除了BnaDFRA402，其他的DFR蛋白均具有酶活性部位、NADP结合位点和底物特异结合位点，这些保守区域形成了5个motifs;每个DFR蛋白均有多个磷酸化位点，以Ser为主，以Thr和Tyr磷酸化为辅;二级结构均由α-螺旋、β-转角、延伸链和无规则卷曲组成，其中α-螺旋为主要结构元件。

关键词 十字花科;花青素;DFR蛋白;生物信息学

中图分类号 S188文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）17-0103-05

Abstract The DFR gene sequences and corresponding amino acid sequences registered on GenBank in Cruciferae plants were analyzed by means of bioinformatics， their physical and chemical properties，structural characteristics and phylogenetic relationships were predicted. The results showed that most of DFR proteins in Cruciferae plants had six exons with molecular weight ranging from 36 481.89 Da to 43 129.21 Da.Most of the protein subcells were located in chloroplasts. Except BnaDFRA402， other DFR proteins had enzymatic activity sites， NADP binding sites and substrate specific binding sites， which formed five motifs. Each DFR protein had multiple phosphorylation sites，in which Ser was the dominant and Thr and Tyr were the minor. The secondary structures were composed of alpha helix， beta turn， extended strand and random coil， and alpha helix was the main structural element.

Key words Cruciferae;Anthocyanin;DFR protein;Bioinformatics

植物花色主要是由类黄酮、类胡萝卜素和甜菜色素三大色素决定的。花青素是一类十分重要的类黄酮化合物，广泛分布于各种植物中，其赋予了植物花、叶和果实各种颜色[1]，它主要调控花、叶和果实生成红色、紫色和蓝色。花色苷合成过程中，二氢黄酮醇转变成花色苷的反应非常复杂，二氢黄酮醇4-还原酶（dihydroflavonol 4-reductase，DFR）是这一转变中起作用的第一个酶，失去DFR活性的突变体产生象牙色或者白色[2]。DFR是花青素生物合成途径中的关键酶，是一个重要的调控点。它以二氢堪非醇（dihydrokaempferol，DHK）、二氢栎皮黄酮（dihydroquercetin，DHQ）和二氢杨梅黄酮（dihydromyricetin，DHM）为底物，在辅因子NADPH的作用下将4位的羰基还原为羟基，产生相应的不稳定无色花青苷元，然后这些无色花青苷元在花色素合酶（anthocyanidin synthase，ANS）和类黄酮3-O-糖基转移酶（flavonoid 3-O-glucosyltransferase，3GT）的催化下分别形成矢车菊素、天竺葵素和翠雀素[3-5]。DFR基因调控机制的研究对于了解花色素苷生化合成途径和花朵显色的分子机制有重要的意义[6]。

目前，DFR基因在很多植物中均已被克隆，由于DFR基因具有底物特异性，利用该特点可以定向改良花的颜色[7]。自1987年Meyer等[8]将玉米DFR基因导入矮牵牛RC01突变体使花色由白色变为淡砖红色以来，其在改造花色方面的应用取得了很多进展[9-12]。该研究采用生物信息学的方法，对十字花科植物DFR氨基酸序列的组成成分、理化特性、亚细胞定位、功能结构域等进行预测和推断，以期为进一步研究十字花科花色素苷生物合成的分子机制以及选育不同花色的植物资源提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 数据获取

以dihydroflavonol 4reductase为信息探针搜索NCBI Gene数据库（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/），获得十字花科植物的基因序列及编码的相应蛋白质序列。

1.2 DFR蛋白質序列分析及亚细胞定位

利用ProtParm 在线分析软件（http：//web.expasy.org/protparam）预测各蛋白质的相对分子质量及等电点信息[13]。使用WoLF PSORT在线分析软件进行蛋白质的亚细胞定位（http：//www.genscript.com-/wolf-psort.html）。

技术的发展，公共数据量日益增加促使生物信息学成为后基因组时代用于预测和研究基因功能的重要方法。该研究应用生物信息学的方法对拟南芥、甘蓝型油菜、甘蓝、萝卜等十字花科植物的24个DFR蛋白序列的理化性质、结构特征和系统进化关系等进行预测和分析，结果表明十字花科的DFR蛋白均具有NAD（P）结合位点和底物特异结合位点，且序列较为保守，亚细胞定位主要在叶绿体，磷酸化以Ser为主，以Thr和Tyr磷酸化为辅，但不同种属的DFR蛋白序列具有一定差异，同一种属的DFR蛋白并不聚在一起，表明这些DFR在功能上也是有差异的，这些分析为该类基因表达和功能研究提供了参考，也为将来研究油菜花色形成分子机制及利用基因工程技术创新彩色油菜种质资源提供了基础资料。

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