王凌云+郭明+趙艷

摘要：蔗糖合成酶（sucrose synthase，SuS）是蔗糖代謝的關鍵酶，在植物的代謝反應中起重要作用。以谷子基因組數(shù)據(jù)庫為平臺，借用生物信息學手段對谷子SiSuS基因家族進行挖掘和分析。結果表明，谷子的SiSuS基因家族包括9個基因，它們不均勻地分布在5條染色體上。該家族氨基酸序列長度為809～1 088 aa，外顯子數(shù)目為10～16個，大多數(shù)蛋白質(zhì)為弱酸性。谷子SiSuS的氨基酸序列具有9個保守基序；進化樹分析結果表明，谷子、水稻、高粱SiSuS蛋白聚在一起。

關鍵詞：谷子；蔗糖合成酶；SiSuS基因；生物信息學分析；蛋白結構

中圖分類號： S515.01文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0030-04

蔗糖合成酶（sucrose synthase，SuS）作為植物蔗糖代謝的重要酶之一，對植物的生長具有重要作用。蔗糖合成酶能夠參與蔗糖的代謝和調(diào)控蔗糖的輸入，影響細胞分化與纖維壁的形成，調(diào)節(jié)淀粉的合成，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)調(diào)控都有重要的意義[1]。蔗糖合成酶基因廣泛存在于高等植物中，目前已經(jīng)從馬鈴薯、胡蘿卜、玉米、柑橘等大量植物中獲得SuS基因[2]。大量研究顯示，SuS是一個小的基因家族，在大多數(shù)植物中至少含有3個SuS基因，擬南芥、萵苣、橡樹均含有6個SuS基因[3-5]，玉米中至少有5個SuS基因，水稻中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)[JP3]9個SuS基因[6]，煙草中發(fā)現(xiàn)14個SuS基因[7]，但是對谷子SuS基因的研究尚未見報道，因此，本研究以谷子為對象進行分析。

谷子（Setaria italica）作為我國傳統(tǒng)糧食作物，種植面積廣，同時營養(yǎng)價值高，有“百谷之長”的美譽[8]。谷子基因組小且為二倍體，與水稻、高粱、玉米共線性高，是禾本科基因組研究的模式植物之一，也是研究C4植物的模式植物。目前谷子的全基因組測序已經(jīng)完成，這為谷子分子生物學研究奠定了良好的基礎。本研究利用生物信息學相關技術鑒定谷子SuS基因家族，并對該家族序列及蛋白系統(tǒng)進行比較分析，對了解SiSuS基因家族在谷子蔗糖代謝中的作用具有非常重要的意義。

1材料與方法

1.1谷子SuS基因的鑒定及序列分析

首先在Pfam數(shù)據(jù)庫（http：//pfam.xfam.org/）[9]中下載SuS家族的隱馬氏模型文件（Pfam號碼：PF00862），從Gramene（http：//www.gramene.org/）中輸入Pfam號碼進行相似性搜索，找到與谷子相關基因的ID及其蛋白序列，進行重復性比對，除去重復項和冗余，得到無重復的基因、轉(zhuǎn)錄本、蛋白ID以及蛋白序列和外顯子數(shù)量，共得到9條蛋白并命名為SiSuS1～SiSuS9。

利用SMART網(wǎng)站（http：//smart.embl-heidelberg.de/）和CDD（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）網(wǎng)站[10-11]對蛋白的結構域進行檢測。在ProtParam網(wǎng)站（http：//web.expasy. org/protparam/）對谷子SiSuS蛋白的相關信息（分子量、氨基酸數(shù)目、等電點）進行分析[12]。

1.2染色體定位

結合谷子基因組數(shù)據(jù)庫中的信息，從Ensembl Plants（http：//plants. ensembl.org/Setaria_italica/Info/Index）中查詢谷子染色體的長度，使用Adobe illustrator CS5軟件繪制基因在染色體上的相對位置。

1.3SiSuS基因家族蛋白的繪制

分析蛋白質(zhì)結構域的位置，使用PROSITE在線網(wǎng)站（http：//prosite.expasy.org/）[13]分析9個SiSuS蛋白序列，得出每個蛋白相應的蔗糖合成酶結構域、糖基轉(zhuǎn)移酶（glycosyltransferase）結構域、蔗糖磷酸合成酶（sucrose-phosphate synthase）結構域的位置。

[HTK]1.4SiSuS基因家族進化樹的繪制及內(nèi)含子、外顯子的結構分析[HT]

利用Clustal X[14]對比所得到的SiSuS蛋白序列并下載分析結果。使用MEGA 6.0軟件采用鄰接法（NJ法）繪制進化樹，Bootstrap設置為1 000。將Fasta格式的谷子SiSuS基因編碼的核苷酸序列和相應的全核苷酸序列，通過GSD軟件[15]繪制谷子SiSuS基因的內(nèi)含子和外顯子的結構模式圖。

1.5谷子SiSuS基因編碼的序列分析及模體分布

利用MEME（http：//meme.nbcr.net/meme/cgibin/meme.cgi）[16]將Fasta格式的谷子SiSuS基因編碼的氨基酸序列進行序列分析及保守性基序分布，設定序列長度范圍為20～300 aa。

1.6谷子、高粱和水稻SuS基因家族的比較分析

將獲得的谷子、高粱和水稻SuS基因的氨基酸序列以Fasta格式保存，采用“1.3”節(jié)的方法繪制這3種植物SuS基因的系統(tǒng)進化樹，對不同物種SuS基因家族進行比較分析。

2結果與分析

2.1谷子SiSuS基因家族的鑒定及序列分析[HT]

由表1可知，通過對谷子基因組數(shù)據(jù)庫的檢索共鑒定出9個SuS基因，命名為SiSuS1～SiSuS9。分析9個SiSuS蛋白序列發(fā)現(xiàn)不同蛋白差異很大，SiSuS蛋白的氨基酸個數(shù)范圍為809～1 088 aa，分子量范圍為92.34～120.00 ku，等電點范圍為5.88～7.49，基因含有10～16個外顯子。從蛋白的基本特點可知，SiSuS蛋白無論從序列的長度還是蛋白的特性變化都很大，表示該基因家族蛋白執(zhí)行不同的功能。值得注意的是，多數(shù)SiSuS蛋白的等電點小于7.00，表示多數(shù)SiSuS基因可能編碼弱酸性蛋白，在酸性的亞細胞環(huán)境中發(fā)揮作用。endprint

2.2谷子SiSuS基因家族內(nèi)含子、外顯子的分析

為進一步研究SiSuS基因的特性，使用GSDS 2.0軟件繪制SiSuS基因的結構模式圖，得到谷子SiSuS基因的內(nèi)含子-外顯子結構。由圖1可見，所有的SiSuS基因都含有內(nèi)含子，除SiSuS7基因含有9個內(nèi)含子外，其他8個基因的內(nèi)含子數(shù)均大于10，SiSuS3基因的內(nèi)含子最多，含有15個內(nèi)含子。由此可知，SiSuS基因結構較為復雜。

2.3谷子SiSuS基因染色體定位

由圖2可知，SiSuS基因在染色體上分布不均勻，在谷子的9條染色體中除2、3、7、8號染色體外，其余染色體上均含有SiSuS基因。5號、6號染色體上各只有1個SiSuS基因；1號、9號染色體上各含有2個SiSuS基因；4號染色體上含有3個SiSuS基因，數(shù)量最多。其中，除基因SiSuS6、SiSuS4、SiSuS5位于染色體的中上端外，其余基因均位于染色體的下端。

2.4谷子SiSuS蛋白的進化樹與結構域分析

運用MAGA 5.1軟件分析谷子9個SiSuS蛋白的進化，繪制出SiSuS蛋白進化樹（圖3-a），9個SiSuS蛋白被明顯地分成了2組（組一、組二），其中，SiSuS3、SiSuS4、SiSuS7、SiASuS8、SiSuS9蛋白聚為組一，組一可以進一步被分為3組。SiSuS1、SiSuS2、SiSuS5、SiSuS6蛋白聚在組二，組二也可以進一步被分成3組。組一含SiSuS蛋白較多，約有55.5%的SuS蛋白位于組一。

利用PROSOTE在線網(wǎng)站分析每個SiSuS蛋白的結構域（圖3-b），所有谷子SiSuS蛋白都含有植物特異的糖苷基轉(zhuǎn)移酶結構域和蔗糖合成酶結構域，部分蛋白含有蔗糖磷酸合成酶結構域。其中，SiSuS3、SiSuS4、SiSuS7、SiASuS8、SiSuS9蛋白均含有2個結構域，即糖苷基轉(zhuǎn)移酶結構域、蔗糖合成酶結構域，SiSuS1、SiSuS2、SiSuS5、SiSuS6蛋白不僅含有糖苷基轉(zhuǎn)移酶結構域、蔗糖合成酶結構域，也含有蔗糖磷酸合成酶結構域。蛋白的進化樹和結構域分組一致，即含有3個結構域的蛋白都聚集于組一，含有2個結構域的蛋白都聚集于組二，表明蛋白的結構、功能和進化的統(tǒng)一性。

2.5谷子SiSuS蛋白的序列分析及模體分布

模體（motif）是序列中局部的保守區(qū)域。進一步分析谷子的9個SiSuS蛋白結構域，利用MEME對SiSuS蛋白進行基序分析，設定序列長度為20～300 aa，設定大范圍的長度序列可多樣性搜索蛋白的模體序列。由表2可知，SiSuS蛋白3個結構域又可以細分為9個基序，9條序列氨基酸個數(shù)范圍在55～200 aa之間。其中，motif1、motif3、motif4、motif7、motif9 5個保守基序包含的氨基酸數(shù)量均大于100 aa，基序motif 2、motif 5包含的氨基酸數(shù)量較少，均為55 aa。通過軟件分析得出motif 3、motif4、motif7、motif8共同組成了谷子蔗糖合成酶結構域，motif1、motif2、motif5、motif6共同組成了糖基轉(zhuǎn)移酶結構域，motif 9構成了蔗糖磷酸合成酶結構域。

進一步分析谷子SiSuS蛋白9個基序的保守程度（圖4-a），在相同部位蔗糖合成酶結構域中SiSuS3、SiSuS4、SiSuS7、SiSuS8、SiSuS9蛋白含有motif 3，SiSuS1、SiSuS2、SiSuS5、SiSuS6則含有motif 7、motif 4、motif 8，這表明該蛋白序列可能存在缺失。進一步分析發(fā)現(xiàn)，9個motif中motif 8的保守性較高，保守比例為71.4%；而含200個氨基酸的motif 3保守性最低，其中許多位置的氨基酸多樣性程度較高，其保守比例僅為42%（圖4-b）。

2.6谷子、高粱、水稻SuS基因家族進化樹比較

為了更深入研究谷子SuS基因家族的進化關系，選取高粱、水稻SuS與谷子SuS進行比較和分析。其中，高粱和水稻的基因均為9個，共27個SuS基因。如圖5所示，27個基因分成了4個分支，命名為Class A～Class D。除Class C亞支含有2種植物的SuS基因外，其他3個亞支都含有3種植物（高梁、水稻、谷子）的SuS基因；Class A亞支中SuS基因最多，有10個基因，Class C亞支中SuS基因最少，僅有2個基因。通過對谷子、水稻、高粱SuS基因的進化關系分析，發(fā)現(xiàn)9對物種間的直系同源基因，1對水稻的旁系同源基因，約占所有基因的74.1%，表明這些基因在谷子、水稻和高粱基因組中，按照各自物種的特異方式進行了擴展，這種現(xiàn)象在其他植物基因家族中也普遍存在。

3討論與結論

長發(fā)育過程中發(fā)揮著至關重要的作用。1955年Cardini等首次在小麥胚芽中發(fā)現(xiàn)了蔗糖合成酶[17]，自此以后蔗糖合成酶基因從多種植物中分離得到，其中多數(shù)為玉米、水稻等淀粉儲存植物，在擬南芥、煙草等蔗糖儲存植物中也相繼獲得。谷子是我國傳統(tǒng)的淀粉植物，也是C4植物的模式植物，但是目前還沒有對其SuS基因家族進行系統(tǒng)研究和分析的報道，基于此，本研究開展了谷子全基因掃描，深入分析SuS基因家族的特征、特性。

在許多植物中蔗糖合成酶以不同亞型形式存在，這些亞型至少由2個基因編碼，甚至更多，玉米中至少有5個SuS基因，水稻中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)9個SuS基因[18]。這些基因的結構、功能和染色體定位各不相同，白楊中蔗糖合成酶基因家族的15個成員分別在2、4、6、15、17、18號染色體上[19]，谷子中蔗糖合酶基因分別在1、4、5、6、9號染色體上。蔗糖合成酶在植物中催化蔗糖+二磷酸尿（嘧啶）苷果糖+尿嘧啶核苷-5′-二磷酸葡萄糖可逆反應，已經(jīng)公認蔗糖合成酶基因含有2個結構域：蔗糖合成酶結構域、糖基轉(zhuǎn)移酶結構域，在擬南芥中所有的AtSUS家族都有這2個結構域，本研究的結果與之相符。endprint

隨著生物信息學的發(fā)展和完善，植物蔗糖合成酶基因家族的進化與分類研究備受關注。進化分析表明，SuS基因家族可分為4族：單子葉族、雙子葉SuS1族、雙子葉SuS2族、NG族。本研究初步分析了谷子、水稻、高粱SuS基因家族的進化關系，結果表明，這些基因的同源性高，可為深入研究SuS家族對谷子生長調(diào)控的機制提供參考，對深入揭示蔗糖合成酶在谷子的生物學功能以及了解整個糖代謝過程具有重要意義。

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