彭　華　何秀靜　高　健　羅　茂　潘光堂　張志明

1四川旅游學(xué)院, 四川成都 610100;2四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所, 四川溫江 611130;3四川醫(yī)科大學(xué)藥物與功能性食品研究中心, 四川瀘州 646000;4第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院病理學(xué)研究所西南癌癥中心, 重慶 400038

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玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子全基因組鑒定與功能分析

彭華1,**何秀靜2,**高健4羅茂3潘光堂2,*張志明2,*

1四川旅游學(xué)院, 四川成都 610100;2四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所, 四川溫江 611130;3四川醫(yī)科大學(xué)藥物與功能性食品研究中心, 四川瀘州 646000;4第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院病理學(xué)研究所西南癌癥中心, 重慶 400038

摘要:SBP基因家族是一類植物基因組特有的轉(zhuǎn)錄因子, 參與植物生長發(fā)育及多種生理生化過程。近來, 大量研究已在多種植物中鑒定出SBP轉(zhuǎn)錄因子, 但關(guān)于玉米(Zea mays L.) SBP轉(zhuǎn)錄因子家族的系統(tǒng)分析報道尚少。本研究通過對擬南芥、水稻等植物已知的轉(zhuǎn)錄因子與玉米基因組數(shù)據(jù)比對, 并設(shè)置一系列嚴(yán)格的篩選標(biāo)準(zhǔn)從玉米基因組中挖掘SBP轉(zhuǎn)錄因子, 系統(tǒng)發(fā)育分析顯示單子葉植物玉米和水稻的SBP基因保守性更強(qiáng)、親緣關(guān)系更近; 共鑒定37個SBP基因, 分布在9條染色體上; 通過基因分析注釋以及啟動子功能預(yù)測, 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)SBP家族基因參與植物生長發(fā)育、形態(tài)建成、逆境脅迫響應(yīng)、花器官發(fā)育以及植物光反應(yīng)等過程。并且, 玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子可通過參與赤霉素、生長素、脫落酸、水楊酸等多條激素信號調(diào)控途徑來調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。

關(guān)鍵詞:玉米; SBP轉(zhuǎn)錄因子家族; 生物信息學(xué)

本研究由國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA10A307)和四川省科技廳青年基金項目(2015JQO021)資助。

This study was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2012AA10A307) and the grants for Young Scientists from Science and Technology Department of Sichuan Province (2015JQO021).

第一作者聯(lián)系方式: E-mail: 16828333@qq.com**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

SBP基因家族屬于植物特有的轉(zhuǎn)錄因子, 是一類在轉(zhuǎn)錄水平促使目的基因特定時間與空間被激活或抑制的DNA結(jié)合蛋白。SBP轉(zhuǎn)錄因子通常含有長約80個氨基酸殘基的高度保守DNA結(jié)構(gòu)域, 能特異識別SQUAMOSA (SQ-UA)啟動子[1]。研究顯示, SBP轉(zhuǎn)錄因子保守區(qū)域基本具有相同的結(jié)構(gòu)特點, 即C3H (C-C-CH)和C2HC (C-C-H-C)。SBP保守區(qū)域的C端是核定位信號區(qū)域[2], 可引導(dǎo)SBP蛋白進(jìn)入細(xì)胞核行使功能[3]。

目前, SBP轉(zhuǎn)錄因子已在大量植物中被鑒定, 具有多種功能, 在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用。例如, 擬南芥SBP8和SBP14基因分別與調(diào)控花粉發(fā)育和真菌毒素FB1誘導(dǎo)的程序性死亡的抗性相關(guān)[4], 擬南芥SPL3基因的轉(zhuǎn)錄受發(fā)育調(diào)控, 主要集中在花序頂端分生組織、花分生組織和花器官原基等, 可能與控制開花時間有關(guān)[5]。水稻基因組SBP轉(zhuǎn)錄因子主要在花和愈傷組織表達(dá)[6]。番茄SBP基因(LeSPL-CNR)是控制果實發(fā)育的關(guān)鍵基因[7]。玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子lg1與玉米舌葉和葉耳的發(fā)育密切相關(guān), 若該基因發(fā)生突變, 植株將不能形成正常形態(tài)的舌葉和葉耳組織[8-9]。Andrea等[10]發(fā)現(xiàn)玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子tsh4與玉米雄花分枝形態(tài)構(gòu)成有密切關(guān)系。Eveland等研究表明玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子tga1調(diào)控玉米果穗的穎片發(fā)育,是玉米進(jìn)化過程中的一個關(guān)鍵基因, 同時Eveland等和L?nnenp??等[11-12]研究揭示玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子家族成員果實構(gòu)造基因tga1控制有麩玉米的種皮形態(tài)特征。Chuck等[13]研究顯示, 玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子ub2和ub3基因可以通過控制玉米雌雄花序的分支和分化影響玉米的產(chǎn)量。研究進(jìn)一步提示, ub2和ub3雙突變玉米植株的雄花分支數(shù)減少, 花藥數(shù)量減少, 散粉量嚴(yán)重減少, 同時玉米雌穗穗長變短、穗行數(shù)增加, 產(chǎn)量下降[13]。另外, 當(dāng)tsh4基因也缺失時, 玉米產(chǎn)量下降更嚴(yán)重。Chuck等[14]研究顯示, 玉米Cg1基因受Zma-miR156b/c的調(diào)控, 與玉米開花期SBP-box基因表達(dá)密切相關(guān), 提示Cg1基因能夠通過抑制玉米SBP-box基因表達(dá), 進(jìn)而調(diào)控玉米幼嫩葉片發(fā)育和雄花分枝。

目前, 大量研究陸續(xù)從在擬南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、葡萄(Vitis amurensis)、蘋果(Malus pumila Mill)、大豆[Glycine max (Linn.) Merr]、草莓(Fragaria ananassa)、番茄(Lycopersicon esculentum Miller)等植物基因組中鑒定出SBP基因[3,6,15-19]。隨著玉米基因組測序的完成為加快玉米的遺傳育種和分子生物學(xué)研究提供了機(jī)遇, 然而, 關(guān)于玉米SBP基因的信息仍然較少。本研究利用生物信息學(xué)方法, 在玉米全基因水平鑒定SBP轉(zhuǎn)錄因子, 同時結(jié)合擬南芥、水稻SBP家族基因成員, 分析植物中SBP基因的進(jìn)化關(guān)系及其表達(dá)模式, 研究結(jié)果不僅有助于鑒定玉米SBP基因家族的功能, 還可為以后玉米育種過程提供重要的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

水稻和擬南芥SBP蛋白序列來源于植物轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)PlnTFDB網(wǎng)站(http://plntfdb.bio.uni-potsdam. de/v3.0/)。

1.2玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的鑒定

從蛋白質(zhì)家族數(shù)據(jù)庫Pfam網(wǎng)站(http://pfam. sanger.ac.uk/)下載SBP基因家族的隱馬氏模型序列譜(PF03110)文件, 應(yīng)用HMMER 3.0程序包中的hmmbuild 命令將其轉(zhuǎn)化成隱馬氏模型序列模式。首先應(yīng)用GENSCAN將在NCBI下載的玉米基因組B73 V5b+參考序列基因組(http://www.maizesequence. org/v5b+)數(shù)據(jù)預(yù)測得到蛋白序列, 并利用HMMER 3.0軟件中的hmmsearch對這些蛋白進(jìn)行轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測(參數(shù)為默認(rèn)設(shè)置)[20]。然后, 利用在線數(shù)據(jù)庫SMART (http://smart.embl-heidelberg.de/)對候選SBP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域進(jìn)行鑒定, 確定真實的玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子基因。利用玉米基因組mRNA數(shù)據(jù)庫(http:// www.maizesequence.org/index.html)進(jìn)行玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子對應(yīng)mRNA序列的比對分析(參數(shù)設(shè)置為BLASTp, 數(shù)據(jù)庫基因集B73_RefGen_v3, E=1e?10,其他參數(shù)默認(rèn)); 收集所有閾值小于1.0的非冗余的數(shù)據(jù)集, 與PlnTFDB (http://plntfdb.bio.uni-potsdam. de/v3.0/)和PlantTFDB (http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn)中的SBP家族成員比對; 重新注釋的序列通過其SMART (http://smart.embl-heidelberg.de/), CDD (http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)和Inter-ProScan (http://www.ebi.ac.uk/Tools/InterProScan/)來確認(rèn)SBP家族結(jié)構(gòu)域的存在, 進(jìn)而查明玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子mRNA序列。

1.3玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的分類

利用ClustalX 2.1軟件[21]對玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的SBP保守域蛋白序列進(jìn)行多序列比對, 結(jié)合比對結(jié)果與水稻、擬南芥SBP轉(zhuǎn)錄因子的分類依據(jù), 進(jìn)行玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的分類。

1.4玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

首先, 從玉米、擬南芥和水稻的SBP轉(zhuǎn)錄因子中提取完整SBP結(jié)構(gòu)域(包括I組成員N端和C端的SBP結(jié)構(gòu)域, 發(fā)生缺失的SBP結(jié)構(gòu)域被舍棄)的蛋白序列以及完整的SBP結(jié)構(gòu)域。然后, 利用ClustalX 2.1軟件進(jìn)行蛋白質(zhì)多序列比對。利用Mega 5.0軟件Neighbor-Joining算法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹[22-23], 設(shè)置JTT模型, 位點替換速率Gamma分布, Bootstrap值為1000。

1.5玉米SBP 轉(zhuǎn)錄因子蛋白序列的氨基酸保守域分析

利用在線軟件MEME 4.8.1 (http://meme.sdsc.

edu/meme/cgi-bin/meme.cgi)對玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子蛋白序列進(jìn)行氨基酸保守域的預(yù)測分析。搜索得到的保守域數(shù)目上限為30; 保守域氨基酸殘基的數(shù)量為10～300; 保守域可重復(fù)出現(xiàn)。

1.6玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)模式分析

利用玉米轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫qTeller (http://qteller. com/)中公布的RNAseq在各種組織中的表達(dá)結(jié)果分析玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子(ZmSBP)表達(dá)模式, 并用MEV軟件對所檢測到的ZmSBP家族成員進(jìn)行聚類分析。進(jìn)一步利用PlantCARE (htp://bioinformatics.psb.ugent. be/webtols/plantcare/html/)網(wǎng)站預(yù)測候選ZmSBP可能包含的轉(zhuǎn)錄因子順式作用元件, 預(yù)測ZmSBP功能。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的鑒定與染色體定位

利用Pfam工具搜索和在線數(shù)據(jù)庫SMART、CDD和Inter-ProScan比對鑒定, 共獲得37個典型結(jié)構(gòu)域的玉米SBP基因, 分別命名為ZmSBP1～ ZmSBP37 (表1)。如圖1所示, 除第9染色體外, 玉米SBP基因被錨定于所有染色體, 幾乎呈均勻分布狀態(tài); 第4和第5染色體上SBP基因數(shù)目分布最多,分別有8個和7個家族成員; 第3、第6、第7染色體上SBP基因數(shù)目最少, 為2個成員; 其余染色體上包含SBP基因3～5個。

2.2玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)域比對及分類

利用Clustal X程序?qū)τ衩譙BP蛋白家族氨基酸序列進(jìn)行多序列比對表明(圖2), 除ZmSBP16、ZmSBP31、ZmSBP1外, 各玉米SBP蛋白的SBP結(jié)構(gòu)域包含約79個氨基酸殘基并具備2個鋅指結(jié)構(gòu),分別為C3 (C-C-C-H)和C2HC (C-C-H-C)類型, 命名為Zn1和Zn2; 其中, ZmSBP16、ZmSBP31和ZmSBP1中只含有Zn1結(jié)構(gòu)而Zn2缺失結(jié)構(gòu); 另外, 除ZmSBP35、ZmSBP3、ZmSBP4外, 所有轉(zhuǎn)錄因子在SBP保守結(jié)構(gòu)域的C端都有一個NLS (nuclear localization signal)核定信號位點, 其他ZmSBP均具有完全保守的SBP結(jié)構(gòu)域。

進(jìn)一步依據(jù)SBP轉(zhuǎn)錄因子氨基酸序列的ClustalW多序列比對結(jié)果, 結(jié)合Meighbor-joining (J) 和Bootstrap方法, 分析玉米ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子蛋白的同源性和系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系。結(jié)果顯示(圖3), 玉米SBP基因家族成員可以分為5種類型(I～V), 其中I類只有1個家族成員ZmSBP15, II和III類包含10個 ZmSBP家族成員, IV和V類包含8個ZmSBP家族成員。

2.3玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的蛋白保守序列分析

利用MEME軟件分析結(jié)果, 構(gòu)建ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子蛋白保守序列的結(jié)構(gòu)特征圖, 即motif分布圖。結(jié)果表明(圖4), ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子蛋白保守序列主要包括4個motif結(jié)構(gòu), 分別為motif 1～4, 其中所有氨基酸位點都包括C2HC結(jié)構(gòu)域(motif 1)和C3H結(jié)構(gòu)域(motif 2)。進(jìn)一步分析顯示, ZmSBP1和ZmSBP31在進(jìn)化過程中缺失motif 1結(jié)構(gòu), ZmSBP19缺失motif 2結(jié)構(gòu), ZmSBP17及ZmSBP22在進(jìn)化過程中motif 3結(jié)構(gòu)發(fā)生了2～3次復(fù)制; ZmSBP12和ZmSBP30在進(jìn)化過程中motif 4結(jié)構(gòu)發(fā)生了2次復(fù)制, 推測這些ZmSBP蛋白在進(jìn)化過程中, 通過對功能區(qū)序列的復(fù)制產(chǎn)生了新的功能。

2.4玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)模式及功能分析

利用玉米轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫qTeller中公布的RNA-seq數(shù)據(jù), 對玉米不同組織SBP轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)模式及功能分析。圖5表明, ZmSBP10、ZmSBP15、ZmSBP22、ZmSBP28、ZmSBP23、ZmSBP26、ZmSBP12 和ZmSBP30在成熟玉米根莖、葉、果穗、胚及胚乳中大量表達(dá)。大部分ZmSBP基因在胚珠、幼穗和未受精果穗中大量表達(dá), 但在花粉、維管束鞘組織和葉肉細(xì)胞中表達(dá)量很低。其中, ZmSBP10是唯一一個在維管束鞘和葉肉細(xì)胞中大量表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子,推測ZmSBP10在進(jìn)化過程中具有不同于其他玉米SBP家族成員的功能。

利用在線軟件PlantCARE (http://bioinformatics. psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)預(yù)測ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子啟動子包含的順式作用元件, 進(jìn)而預(yù)測ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子成員的功能顯示(表2), 37個轉(zhuǎn)錄因子在啟動子區(qū)的各種功能元件有所不同, 除了最基本的TATA-box、CAAT-box外, 個別轉(zhuǎn)錄因子還包括如W-box、MBS、AuxRR-core等其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。其中, W-box是AP2/EREBP類轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點, 涉及植物生長發(fā)育, 如糖酵解和脂肪酸循環(huán)途徑中關(guān)鍵酶的合成。同時W-box也是真菌誘導(dǎo)反應(yīng)元件, 能夠參與植物生物脅迫響應(yīng)過程; MBS是MYB轉(zhuǎn)錄因子家族特有的結(jié)合位點, 推測其可能參與誘導(dǎo)抗性基因表達(dá), 進(jìn)而參與調(diào)控植物逆境脅迫響應(yīng); AuxRR-core一類是生長素響應(yīng)因子,在植物形態(tài)建成, 如胚乳、子葉和側(cè)根發(fā)育中起著重要作用。另外, 還發(fā)現(xiàn)大量光刺激應(yīng)答元件, 推測

其可能與植物光合作用相關(guān), 參與調(diào)控植物開花等光反應(yīng)。

圖1　玉米SBP 基因的染色體定位Fig. 1　Chromosome mapping of SBP genes in maize

2.5植物SBP基因的進(jìn)化發(fā)育關(guān)系

玉米、水稻和擬南芥的SBP基因系統(tǒng)發(fā)育樹,表明(圖6) 3個物種的基因家族成員可分為5個類群(I～V), 其中第II類群僅包括水稻和玉米SBP基因家族成員, 其余4個類群均包括來自3個物種的SBP家族成員。另外, 進(jìn)化發(fā)育樹末端同一分支的兩個外部結(jié)點很可能就是親緣關(guān)系比較近的同源基因?qū)?。進(jìn)一步對進(jìn)化樹末端分析顯示, 水稻和玉米中存在大量直系同源基因, 如LOC_Os05g33810.1和ZmSBP17、LOC_Os05g44860.1和ZmSBP13、LOC_ Os01g69830.1和ZmSBP37等, 但是在玉米和擬南芥、水稻和擬南芥中未能發(fā)現(xiàn)直系同源基因, 提示單子葉植物的SBP轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)化模式存在相似性, 推測雙子葉植物(如擬南芥) SBP轉(zhuǎn)錄因子家族的基本特征形成時間早于單子葉植物。此外, 在物種內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了大量SBP基因旁系同源基因, 如玉米ZmSBP29和ZmSBP18、ZmSBP5和ZmSBP6、ZmSBP36和ZmSBP27、ZmSBP32和ZmSBP20、ZmSBP2和ZmSBP14等均為旁系同源基因, 提示SBP基因家族在物種內(nèi)以大量同源基因形式存在,這些基因家族在物種中按照各自物種特異性方式擴(kuò)展。

表1　玉米SBP基因家族信息Table 1　Information of SBP-domain gene family in maize

圖2　玉米SBP蛋白在不同亞家族中的比對分析Fig. 2　Alignment of multiple ZmSBP protein in different groups

圖3　SBP轉(zhuǎn)錄因子家族基因的進(jìn)化關(guān)系Fig. 3　Phylogenetic relationships of maize SBP family genes

圖4　玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子家族基因的基因結(jié)構(gòu)及基序元件組成Fig. 4　Gene structure and motif compositons of ZmSBP genes

圖5　玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子家族基因表達(dá)模式分析Fig. 5　Expression pattern of ZmSBP transcription factors gene in different organs

圖6　玉米、擬南芥和水稻SBP轉(zhuǎn)錄因子基因的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig. 6　Phylogenetic trees constructed with SBP domain protein sequences from maize (ZmSBP), rice (OsSPL), and Arabidopsis (AtSPL)

3　討論

隨著植物基因組學(xué)研究的深入尤其是測序技術(shù)的迅猛發(fā)展, 已陸續(xù)完成大量植物全基因組序列鑒定, 轉(zhuǎn)錄因子全基因組的鑒定及表達(dá)模型研究逐漸成為當(dāng)前植物基因功能研究的熱點。近年來, 不同植物種類的SBP基因家族成員及大小已得到分析,這些研究結(jié)果提示植物SBP轉(zhuǎn)錄因子家族成員在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育及多種生理生化過程中發(fā)揮重要作用。同時, 玉米基因組測序的完成為我們在全基因組水平分析SBP轉(zhuǎn)錄因子奠定了基礎(chǔ)。本研究基于玉米全基因組測序數(shù)據(jù)庫, 在玉米全基因水平鑒定SBP轉(zhuǎn)錄因子并分析其表達(dá)功能, 共鑒定出37個SBP基因, 包括1個I型基因, 10個II型基因, 10個III型基因, 8個IV型基因, 8個V型基因。通過與水稻、擬南芥轉(zhuǎn)錄因子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系比對分析, 在擬南芥、水稻中分別發(fā)現(xiàn)了25個和27個SBP轉(zhuǎn)錄因子, 并且水稻和玉米中大量SBP基因具有直系同源關(guān)系, 而在玉米和擬南芥、水稻和擬南芥中未能檢

出, 提示與雙子葉植物如擬南芥比較, 單子葉植物玉米和水稻中SBP基因保守性更強(qiáng)、親緣關(guān)系更近。利用系統(tǒng)發(fā)育樹將3類物種SBP基因分為5個類群(I～V), 單子葉植物的SBP轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)化模式存在相似起源方式, 推測雙子葉植物(如擬南芥) SBP轉(zhuǎn)錄因子家族的基本特征形成時間早于單子葉植物。

SBP轉(zhuǎn)錄因子保守結(jié)構(gòu)域的C端是核定位信號區(qū)域, 能夠引導(dǎo)蛋白進(jìn)入細(xì)胞核行使功能[3]。本研究在分析SBP基序時發(fā)現(xiàn), 玉米蛋白的結(jié)構(gòu)域包含約79個氨基酸殘基并具備2個鋅指結(jié)構(gòu), 分別為C3 (C-C-C-H)和C2HC (C-C-H-C)類型, 推測其可能特異識別SQUAMOSA (SQ-UA)啟動子。另外, ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子蛋白保守序列分析結(jié)果顯示, ZmSBP蛋白在進(jìn)化過程中可能經(jīng)歷片段重復(fù)事件, 通過功能區(qū)序列復(fù)制而產(chǎn)生新的功能。

本研究進(jìn)一步利用玉米轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫所公布RNA-seq數(shù)據(jù), 分析玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)模式及功能, 結(jié)果顯示, 大部分ZmSBP基因在玉米胚珠、幼穗和未受精果穗中大量表達(dá), 但在玉米花粉、維管束鞘組織和葉肉細(xì)胞中表達(dá)量很低, 其中ZmSBP10是唯一一個在維管束鞘和葉肉細(xì)胞中大量表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。研究表明, 植物花序發(fā)育與其產(chǎn)量密切相關(guān), 如擬南芥同源基因SPL3、SPL4和SPL5能夠調(diào)控擬南芥花發(fā)育, 擬南芥SBP8和SBP14基因能夠調(diào)控其花粉發(fā)育[4-5], 進(jìn)而影響擬南芥產(chǎn)量。隨著玉米SBP基因的揭示及功能研究迅猛發(fā)展, 大量研究顯示玉米控制花序發(fā)育的部分SBP基因與玉米產(chǎn)量密切相關(guān)。例如, 玉米Cg1基因能夠通過抑制玉米SBP基因表達(dá), 調(diào)控玉米幼嫩葉片發(fā)育和雄花分枝[14]; 玉米ub2和ub3基因能夠通過控制玉米雌雄花序的分支和分化[13], 調(diào)控玉米產(chǎn)量, 提示增強(qiáng)ub2和ub3基因表達(dá)可以增加玉米雄花分支和花藥數(shù),進(jìn)而增長玉米雌穗穗長, 提高玉米產(chǎn)量。部分研究揭示, 玉米tsh4能夠調(diào)控玉米雄花分枝形態(tài)構(gòu)成[10], 提示增強(qiáng)tsh4基因表達(dá), 能夠有效增加玉米產(chǎn)量。

Chen等[24]研究顯示AtSPL8 (SPB轉(zhuǎn)錄因子)功能缺失會導(dǎo)致擬南芥花絲變短、萼片和表皮毛數(shù)量減少等半不育表型, 而外施赤霉素(GA)藥劑, 其育性得到恢復(fù), 這表明AtSPL8參與了GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,推測SPB基因能通過參與調(diào)控赤霉素(GA)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來影響植物的生長發(fā)育; Martin等[25]研究表明SBP轉(zhuǎn)錄因子可以通過參與信號傳導(dǎo)途徑調(diào)控種子萌發(fā)、根系生長、下胚軸及莖的伸長、植物發(fā)育階段轉(zhuǎn)變、成花誘導(dǎo)以及花器官發(fā)育過程。本研究進(jìn)一步預(yù)測ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子啟動子順式作用元件并分析ZmSBP轉(zhuǎn)錄因子成員的功能結(jié)果顯示, SBP家族基因與花發(fā)育等植物生長發(fā)育、形態(tài)建成、逆境脅迫以及植物光反應(yīng)等相關(guān)。并且, 玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子可通過參與赤霉素、生長素、脫落酸、水楊酸等多條激素信號調(diào)控途徑來調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。

近幾年研究表明, SBP轉(zhuǎn)錄因子不僅參與玉米根、莖、葉、果穗、胚、胚乳、胚珠等器官的生長發(fā)育, 而且涉及多條激素信號調(diào)控途徑, 提示SBP轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育各進(jìn)程具有重要的作用,然而SBP轉(zhuǎn)錄因子上游調(diào)控機(jī)制尚不清楚。本文基于玉米全基因組測序的完成, 鑒定分析玉米SBP的基因結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系以及表達(dá)模型與功能, 為未來深入解析玉米SBP轉(zhuǎn)錄因子在玉米生長發(fā)育和調(diào)節(jié)激素信號傳遞途徑中作用提供基因資源和理論依據(jù)。

4　結(jié)論

共鑒定分布在9條染色體上的37個SBP基因,單子葉植物玉米和水稻的SBP基因保守性更強(qiáng)、親緣關(guān)系更近; 玉米SBP家族基因參與植物生長發(fā)育、形態(tài)建成、逆境脅迫響應(yīng)、花器官發(fā)育以及植物光反應(yīng)等過程, 可通過參與多條激素信號調(diào)控途徑來調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育。

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Genome-wide Identification and Function Analysis of SBP Gene Family in Maize

PENG Hua1,**, HE Xiu-Jing2,**, GAO Jian4, LUO Mao3, PAN Guang-Tang2,*, and ZHANG Zhi-Ming2,*
1Sichuan Tourism University, Chengdu 610100, China;2Maize Research Institute of Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, China;3Research Center for Drug Discovery of Luzhou Medical College, Luzhou 646000, China;4Institute of Pathology and Southwest Cancer Center, Southwest Hospital, Third Military Medical University, and Key Laboratory of Tumor Immunopathology, Ministry of Education, Chongqing 400038, China

Abstract:SBP gene family, as a plant special transcription factor, is involved in plant growth and development, as well as many physiological and biochemical processes. Recently, SBP transcription factor family has been identified in model plants, such as Arabidopsis and Oryza sativa; however, systematic analysis of SBP transcription factor family in maize (Zea mays L.) is scarcely. In this study, based on homology alignment technology, we aligned all known SBP TFs from Arabidopsis and Oryza sativa with those from maize genome sequence to mine novel SBP TFs in maize. A total of 37 SBP TFs distributed in eight chromosomes were identified. Phylogenetic analysis indicated that SBP transcription factor genes have stronger homology, especially between Zea mays and Oryza sativa. Moreover, promoters-cis elements analysis of those SBP TFs demonstrated that they might be involved in plant growth and development, morphogenesis, adversity response, the development of flower organs and photosynthesis. It is probable that SBP TFs regulate plant growth and development through the multiple hormone of signaling transduction pathway, such as gibberellin, auxin, abscisic acid, and salicylic acid.

Keywords:Maize; SBP TFs gene family; Bioinformatics

收稿日期Received(): 2015-05-12; Accepted(接受日期): 2015-11-20; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2015-12-07.

通訊作者*(Corresponding authors): 潘光堂, 張志明, E-mail: panlab605@gmail.com, Tel: 028-86290917

DOI:10.3724/SP.J.1006.2016.00201