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        陸地棉GhDHN1基因結(jié)構(gòu)及內(nèi)含子生物信息學(xué)分析

        2018-07-06 10:34:42王俊娟郭麗雪陸許可陰祖軍王德龍陳修貴王帥樊偉麗陳超葉武威
        中國棉花 2018年6期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)含子殘基堿基

        王俊娟,郭麗雪,陸許可,陰祖軍,王德龍,陳修貴,王帥,樊偉麗,陳超,葉武威

        (中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室,河南安陽455000)

        脫水素是高度親水性蛋白,在成熟的種子中或在受逆境脅迫的營養(yǎng)組織中大量積累[1]。大量試驗證明脫水素基因表達受干旱、低溫、高鹽等逆境誘導(dǎo)[2-3]。前期研究發(fā)現(xiàn),陸地棉脫水素基因GhDHN1全長726 bp,含有1個90 bp的內(nèi)含子,響應(yīng)低溫脅迫,在細胞膜附近起作用[4];其啟動子含有多個響應(yīng)非生物逆境脅迫的順式作用元件[5]。

        內(nèi)含子是真核生物基因組中的獨特成分,在基因演變過程中起著重要的作用[6]?;虻膬?nèi)含子在調(diào)控基因表達方面的研究也越來越受到科研人員的重視[7]。本研究在前期研究的基礎(chǔ)上,對陸地棉脫水素基因GhDHN1的結(jié)構(gòu)和內(nèi)含子進行生物信息學(xué)分析,旨在揭示棉花脫水素基因響應(yīng)非生物脅迫的機制。

        1 材料與方法

        1.1 供試數(shù)據(jù)庫

        陸地棉基因組數(shù)據(jù)庫(http://cgp.genomics.org.cn/page/species/index.jsp)[8]和 NCBI數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)。

        1.2 方法

        1.2.1脫水素基因GhDHN1內(nèi)含子序列的獲得。在NCBI數(shù)據(jù)庫下載最新的BLAST程序包,將BLAST本地化[9],同時將所需數(shù)據(jù)本地化,利用王俊娟等[4]報道的GhDHN1基因組DNA序列和內(nèi)含子位置,調(diào)取其內(nèi)含子序列。

        1.2.2GhDHN1基因及其內(nèi)含子中AT含量計算。利用DNANMAN 6.0軟件計算GhDHN1基因和內(nèi)含子中各堿基的含量。

        1.2.3GhDHN1的內(nèi)含子中順式作用元件分析。利用植物順式作用元件數(shù)據(jù)庫P1antCARE在線啟動子 預(yù) 測 工 具 (http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)預(yù)測GhDHN1內(nèi)含子中的順式調(diào)控元件。

        1.2.4脫水素基因GhDHN1及內(nèi)含子CpG島分析。利用在線分析 CpG island finder(http://dbcat.cgm.ntu.edu.tw/)對脫水素基因GhDHN1的基因組DNA序列及其內(nèi)含子序列進行CpG島分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 脫水素基因GhDHN1結(jié)構(gòu)及其內(nèi)含子序列的獲得

        利用本地BLAST調(diào)取GhDHN1基因的內(nèi)含子為:GTAAGTACACTAATTCACCTGTCGTTAAATTAATGGGACTTGGTTGTACTATAATTATC-CTAACATGAAATCTGTTGCCTGAACGTGCAG。GhDHN1內(nèi)含子具有GT-AG規(guī)則的保守序列,即內(nèi)含子5′堿基是GT,3′堿基是AG,推測GhDHN1基因內(nèi)含子具有保守的剪接機制。

        前期試驗表明,在該因cDNA的259~348 bp位置上含有1個內(nèi)含子,其外顯子分別位于基因組DNA 的 1~258 bp、349~726 bp[4];GhDHN1 蛋白的S-片段(包含8個絲氨酸殘基)則位于N端的81~88氨基酸殘基之間[10],編碼S-片段的核苷酸殘基分別位于內(nèi)含子兩側(cè),具體對應(yīng)于基因組DNA的位置分別是:編碼第1~5個絲氨酸殘基的核苷酸殘基位于243~257 bp,編碼第6個絲氨酸殘基的核苷酸殘基位于258 bp和349~350 bp,編碼第7~8個絲氨酸殘基的核苷酸殘基位于351~356 bp。

        2.2 脫水素基因GhDHN1及其內(nèi)含子AT含量

        利用DNANMAN 6.0軟件分析發(fā)現(xiàn),GhDHN1基因組DNA序列中AT堿基含量為52.62%,GC堿基含量為47.38%;GhDHN1基因的內(nèi)含子序列中AT堿基含量為63.33%,GC堿基含量為36.67%;GhDHN1基因的2個外顯子中AT堿基含量分別為48.45%和52.91%。

        2.3 脫水素基因GhDHN1內(nèi)含子順式作用元件分析

        利用在線軟件P1antCARE預(yù)測脫水素基因內(nèi)含子中的順式作用元件,結(jié)果顯示,GhDHN1基因的內(nèi)含子中含有6個順式作用元件(表1),其中正鏈中含有2個順式作用元件,分別是光響應(yīng)的保守DNA模塊的部分元件和赤霉素響應(yīng)元件,說明該內(nèi)含子可能參與了該基因的轉(zhuǎn)錄或調(diào)控活動。

        2.4 脫水素基因GhDHN1及其內(nèi)含子的CpG島分析

        CpG島分析表明,GhDHN1基因的cDNA及內(nèi)含子的序列上均沒有CpG島,這與其AT含量高的結(jié)果相一致。

        表1 GhDHN1基因內(nèi)含子中的順式作用元件

        3 討論與結(jié)論

        孫乃恩等[11]研究染色體中富含AT的區(qū)段對于基因的轉(zhuǎn)錄表達具有重要的調(diào)節(jié)功能。本研究中,脫水素基因GhDHN1的內(nèi)含子中AT含量(63.33%)明顯高于2個外顯子中AT的含量(分別為48.45%和52.91%),且存在1個TATA啟動子框的結(jié)構(gòu),與黃瓜CSHSP70基因的內(nèi)含子中AT含量相似[12],推測脫水素基因的內(nèi)含子可能具有增強該基因轉(zhuǎn)錄的作用。

        Jiménez-Bremont等[13]系統(tǒng)比較了不同植物脫水素基因內(nèi)含子特性,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)SKn型脫水素均含有1個內(nèi)含子,并且此內(nèi)含子與編碼S片段的核苷酸序列有關(guān),這與本研究結(jié)果相符合。本研究表明,陸地棉GhDHN 1屬于SKn型,其S片段的編碼序列也分別位于內(nèi)含子的兩側(cè),說明棉花脫水素基因的內(nèi)含子在進化中是相對保守的。

        Salgueiro等[14]在基因的內(nèi)含子中也曾發(fā)現(xiàn)啟動子結(jié)構(gòu),對基因的表達起調(diào)控作用。本研究結(jié)果表明,陸地棉GhDHN1中的1個內(nèi)含子也存在調(diào)控基因表達的重要結(jié)構(gòu),推測與該基因的功能有關(guān)。陸地棉脫水素基因內(nèi)含子含有多個順式作用元件,其中含有參與光響應(yīng)的部分元件、赤霉素響應(yīng)元件,這與沙冬青脫水素基因AmCIP的內(nèi)含子所含順式作用元件部分相似[15],說明該區(qū)域響應(yīng)激素、光的刺激,可能在增強基因的抗逆性中起到重要調(diào)控作用,是對啟動子功能的補充。

        [1] Xiao Huogen,Nassuth A.Stress-and development-induced expression of spliced and unspliced transcripts from two highly similar dehydrin 1 genes inV.ripariaandV.vinifera[J].Plant Cell Reports,2006,25(9):968-977.

        [2] Wahid A,Close T J.Expression of dehydrins under heat stress and their relationship with water relations of sugarcane leaves[J].Biologia Plantarum,2007,51(1):(王俊娟,等)陸地棉GhDHN1基因結(jié)構(gòu)及內(nèi)含子生物信息學(xué)分析104-109.

        [3] Shinozaki K,Yamaguchi-Shinozaki K,Shinozaki K,et al.Gene networks involved in drought stress response and tolerance[J].Journal of Experimental Botany,2007,58(2):221-227.

        [4] 王俊娟,穆敏,王帥,等.棉花脫水素GhDHN1的克隆及其表達[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,49(15):2867-2878.

        [5] 王俊娟,王德龍,王帥,等.陸地棉脫水素基因GhDHN1啟動子序列分析[J].中國棉花,2017,44(5):10-12.

        [6] 陳兵,文建凡.內(nèi)含子在生物信息學(xué)研究和基因工程中的應(yīng)用[J].生命的化學(xué),2010,30(1):59-63.

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        [9] 冉昆,王少敏.Windows 7平臺下BLAST本地化構(gòu)建[J].落葉果樹,2015,47(3):39-42.

        [10] 王俊娟,陰祖軍,王德龍,等.陸地棉脫水素蛋白GhDHN1的結(jié)構(gòu)特征和無序性分析[J].中國棉花,2017,44(8):17-19.

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        [12] 楊寅桂,婁群峰,陳勁楓,等.黃瓜CSHSP70基因內(nèi)含子結(jié)構(gòu)分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,40(12):2915-2919.

        [13] Jiménez-Bremont J F,Maruri-López I,Ochoa-Alfaro A E,et al.LEA,gene introns:is the intron of dehydrin genes a characteristic of the serine-segment?[J].Plant Molecular Biology Reporter,2013,31(1):128-140.

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        [15] 雷晨,劉勝利,于婷喬,等.沙冬青AmCIP基因結(jié)構(gòu)及其內(nèi)含子生物信息學(xué)分析[J].生物技術(shù)通報,2016,32(9):93-99.

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