玉米YUCCA家族基因的特征分析

王景超 武强 徐珂 齐云 张君 商姗姗

(山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250100)

生长素是一种非常重要的植物激素，参与植物生长发育的诸多过程，如细胞分裂、细胞分化、茎端分生组织的分化、花的发育等[1-3]。在模式植物拟南芥中，生长素的生物合成机制包括色氨酸依赖和色氨酸独立2种机制[4]。其中，色氨酸依赖机制又包括YUCCA途径、吲哚-3-丙酮酸(IPA)途径、吲哚-3-乙酰胺途径和吲哚-3-乙醛肟途径等4种生长素生物合成途径[3，5]。至今，已有多个研究发现了参与这些途径的相关基因，其中就包括YUCCA(YUC)基因，其编码的蛋白质是生长素生物合成的关键酶[5]。

对拟南芥进行遗传学、酶学和代谢产物学分析，发现YUC基因参与的是IPA途径而非YUC途径。YUC基因编码黄素单加氧酶(FMOs)，与哺乳动物的FMOs具有同源性，将IPA转化为吲哚-3-乙酸(IAA)[6，7]。拟南芥中的YUC基因家族有11个成员[5，8]，成员之间存在功能冗余现象。

相对于拟南芥和水稻，对玉米YUC基因家族的了解仍然有限。在本研究中，分析了玉米YUC家族基因的基因结构、染色体位置、保守基序和复制方式等。本研究结果为了解玉米YUC基因的特征提供有用信息。

1 材料与方法

1.1 ZmYUC基因结构及保守基序分析

利用GSDS软件(http://gsds.cbi.pku.edu.cn)分析ZmYUC基因的外显子/内含子结构[9]。利用MEME软件(http://meme.nbcr.net/meme/)分析ZmYUC基因的保守基序[10]。

1.2 ZmYUC基因的染色体定位和基因复制方式分析

从玉米B73序列数据库中检索到ZmYUCs的染色体位置，并将其定位到染色体上。玉米YUC基因中的重复事件研究基于以下标准[11]：比对长度≥较长基因长度的70%的保守序列；对齐区域的序列一致性为>70%。

2 结果与分析

2.1 ZmYUC基因的基因结构和保守基序

为了探讨ZmYUC基因可能的结构进化，对玉米、水稻、拟南芥、番茄、草莓和马铃薯等6种植物YUC基因的cDNA序列和基因组序列进行比对获得了内含子-外显子结构。如图1a所示，这些基因根据其系统进化关系可分为4个分支[12]。除了部分基因，大多数基因特别是同一进化支系的基因，具有相似的外显子-内含子结构。在分支A中，除OsYUC1外，所有YUC基因都有4个外显子和3个内含子。ZmYUC9与OsFMO(t)具有相同的基因结构，暗示ZmYUC9是OsFMO(t)在玉米中的同源基因。除AtYUC6和OsYUC2外，分支B中的基因也都有4个外显子和3个内含子。分支C的成员最多，其中大多数成员具有相似的基因结构，并且分支C中的基因明显分为单子叶和双子叶2个亚分支，单子叶植物的基因结构比双子叶植物的基因结构简单。在分支D中，单子叶和双子叶亚分支的基因组DNA结构非常相似，但2个亚分支之间的外显子-内含子结构存在明显差异。

FAD和NADPH这2个保守结构域通常被认为是YUCs基因的经典特征[13,14]。在之前的分析中[12]，所有的ZmYUC蛋白都包含这2个结构域。为了检测基因中的其他保守基序，利用MEME软件对6种植物中的YUC蛋白序列进行了分析。在所检测YUC蛋白中鉴定出10个不同的保守基序，见图1b和表1。其中，FAD结构域和NADPH结构域分别位于保守基序8和保守基序2中，ATG-containing motif1(WL(I/V)VATGENAE)和ATG-containing motif2(F/LATGY)分别位于motif7和motif6中。此外，motif1 ((E/D)(R/K)X(7)WX(4)YXR(L/V)XLHLX(K/R)X(4)LP)、motif3((F/H)X(4)PXYX(2)(K/R)X(2)FX(2)YX(3)YX(3)(F/A)X(3)PX(5)VX(2)A)、motif4(GPX(3)KX(3)GX(5)DXG(A/T)X(3)I(K/R)X(G/R)X(I/V)X(V/I)X(6))和motif5(M(K/R)GX(2)GLYX(2)G(F/L)X(3)G(L/I)XGX(3)DAX(6)(I/L))这4个保守基序存在于所检测的6种植物的所有YUCs中，并首次在本研究中被描述。因此，推测这4个保守基序是植物YUC蛋白所独有的。

图1 ZmYUC基因的外显子-内含子结构组成和通过MEME软件获得的保守基序构成

表1 通过MEME软件获得的保守基序序列

2.2 ZmYUC基因的染色体定位和基因复制方式

为了研究ZmYUC基因在玉米基因组中的染色体分布，通过MaizeSequence数据库获得了ZmYUC基因的染色体位置。结果表明，14个ZmYUC基因不均匀地分布在7条染色体上，见图2，其余3条染色体(染色体5、6和9)上没有发现ZmYUCs。3号染色体上有3个ZmYUCs(ZmYUC8、ZmYUC10和ZmSPI1)，7号染色体上只有1个ZmYUC5，其余5条染色体上均有2个ZmYUCs，其中，1号染色体上有ZmYUC9和ZmYUC12，2号染色体上有ZmYUC4和ZmYUC7，4号染色体上有ZmYUC3和ZmYUC13，8号染色体上有ZmYUC6和ZmYUC11，10号染色体上有ZmYUC1和ZmYUC2。

图2 ZmYUCs的染色体位置和基因复制

基因家族的进化主要是通过串联扩增导致聚集发生，或通过节段复制导致家族成员分散发生[15]，在ZmYUC基因家族中发现了这2种形式的基因复制方式。定位在4号染色体上的ZmYUC3和ZmYUC13之间的物理距离小于Holub[16]定义的基因簇中的距离，因此其构成一对基因簇。同时，根据Zhou等[11]的标准鉴定了2对重复片段(ZmYUC2和ZmYUC4，ZmYUC5和ZmYUC7)：比对核苷酸序列长度>较长基因序列长度的70%；序列之间氨基酸的同源性>70%。结果表明，片段复制事件在ZmYUC基因家族的扩增中发挥了重要作用。

3 讨论与结论

在基因组中，串联复制和大规模片段复制事件在基因家族成员的扩增中起着至关重要的作用。利用串联重复和片段复制事件阐明了YUC基因家族在玉米中的扩增机制。在ZmYUC基因家族中均发现2种形式的基因复制。发现ZmYUC3和ZmYUC13构成一对基因簇，ZmYUC2和ZmYUC4，ZmYUC5和ZmYUC7两对基因参与片段复制。结果表明，玉米YUC基因家族的扩增主要是通过片段复制事件实现的。此外，在系统发育树中观察到的姐妹对ZmYUC9和ZmSPI1[12]具有相似的基因结构，见图1a，这表明这2个基因可能来源于重复事件。然而，ZmYUC9和ZmSPI1在系统发育树上的亲缘关系较近的成员与鉴定出的片段重复序列并不一致[11]。可能的解释是，ZmYUC9和ZmSPI1可能是通过串联复制而产生，然后迁移到染色体的其他部分，或者直接复制到远端位点[17]。到目前为止，玉米YUC基因的数量(14个)多于拟南芥(11个)[13]、草莓(8个)[18]、水稻(8个)[19,20]、马铃薯(8个)[21]和番茄(6个)[22]，这些可能是由基因复制引起的。

本研究从基因结构、染色体定位、基因复制方式等方面对ZmYUC基因进行了综合分析。所有YUC基因聚类为4个分支，每个分支的外显子/内含子结构和保守基序组成相对保守。此外，ZmYUC基因家族的重排和扩增可能源于进化过程中的串联扩增和片段复制事件。本研究结果对了解ZmYUC基因的特征提供了重要信息。