齊燕妮 李聞娟 王利民 趙 瑋 黨 照 謝亞萍 張建平

摘要：利用多個物種的SUC基因蛋白序列在胡麻基因組內(nèi)進(jìn)行BlastP分析，通過Pfam確認(rèn)結(jié)構(gòu)域，獲得胡麻SUC基因家族成員，并進(jìn)行基因結(jié)構(gòu)分析;對蛋白分子量、等電點(diǎn)、信號肽、跨膜結(jié)構(gòu)域、糖基化修飾位點(diǎn)、亞細(xì)胞定位、Motif及二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果鑒定得到12個胡麻SUC基因家族成員，大部分成員含有4個以上的外顯子，10個以上跨膜結(jié)構(gòu)域，并獲4個特征性Motif。進(jìn)化樹分析顯示，胡麻SUC分別屬于SUT1、SUT2和SUT4家族。

關(guān)鍵詞：胡麻;SUC基因家族;基因結(jié)構(gòu)分析;系統(tǒng)進(jìn)化分析

中圖分類號：S565.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號：1001-1463（2019）08-0035-06

Abstract：In this study， multiple SUC protein sequences were analyzed in flax genome using BlastP， and the structural domain was confirmed by Pfam. The members of the SUC gene family were obtained. The analysis of gene structure， prediction of protein molecular weight， isoelectric point， signal peptide， transmembrane domain， glycation modification site， subcellular localization， Motif and secondary structure were carried out on the family menbers. The results showed that 12 members of flax SUC gene family were identified， containing 4 characteristic motifs， most of which had more than 4 exons， more than 10 transmembrane domains. The evolutionary tree analysis showed that flax SUC belonged to SUT1， SUT2 and SUT4 families， respectively.

Key words：Flax; SUC gene family; Gene structure analysis; Phylogeny analysis

胡麻（Linum usitatissimum L.）即油用亞麻，屬于亞麻科亞麻屬，主要種植在中國、加拿大、印度[1 - 2 ]。胡麻籽含油率在40%以上，油脂中含有豐富的不飽和脂肪酸，特別是α-亞麻酸含量在55%左右，是人類從膳食中攝取α-亞麻酸的最好來源之一[1，3 ]。α-亞麻酸具有多種營養(yǎng)和保健功能，包括增強(qiáng)大腦健康和提高智力、預(yù)防和治療高血壓、抗癌、預(yù)防心腦血管疾病、降低血液膽固醇等[4 - 5 ]。由于人們對健康的日益重視，亞麻籽已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于奶制品、肉制品、烤制品等多種功能性食品[6 ]。

蔗糖是植物的主要光合作用產(chǎn)物，大部分蔗糖需運(yùn)輸?shù)狡渌M織中代謝或儲存。蔗糖可通過胞間連絲在細(xì)胞間短距離運(yùn)輸，然而長距離的運(yùn)輸則需要通過韌皮部，需要SWEET （Sugars Will Eventually be Exported Transporters）蛋白和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（sucrose transporters or carriers，SUT/SUC）共同來完 成[7 - 8 ]。蔗糖作為脂肪酸合成的主要底物，由蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸?shù)椒N子細(xì)胞中[9 ]，因此蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)效率直接影響種子含油率。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白屬于MFS（major facilitator superfamily），通常含有12個跨膜結(jié)構(gòu)域[10 ]?；谙到y(tǒng)發(fā)育分析，SUT家族分為5個亞家族，其中為SUT1為雙子葉植物特有，SUT3和SUT5為單子葉植物所特有，SUT2和SUT4為單子葉和雙子葉植物共有[11 ]。

近年來，多個植物基因組數(shù)據(jù)相繼被公布，這為基因家族的研究奠定了基礎(chǔ)。目前已經(jīng)從擬南芥（Arabidopsis thaliana）[12 ]、葡萄（Vitis vinifera L.）[13 ]、蘋果[14 ]、水稻（Oryza sativa）[15 ] 等基因組中鑒定到SUT基因家族，但對胡麻SUT的研究相對較少。我們利用生物信息學(xué)方法鑒定了胡麻基因組中SUT基因家族成員，并分析其基因結(jié)構(gòu)、蛋白理化性質(zhì)、保守基序及系統(tǒng)進(jìn)化，以期為克隆和深入研究胡麻SUC基因家族各成員的生物學(xué)功能奠定基礎(chǔ)。

1? ?材料與方法

1.1? ?胡麻SUC基因家族鑒定

從擬南芥數(shù)據(jù)庫TAIR中獲得9個擬南芥SUC基因的蛋白序列，從NCBI獲得油菜、大豆、水稻、煙草、玉米、葡萄等物種的SUC蛋白序列（登錄號分別為AEG89530.1、NP_001335852.1、AAF90181.1、BAO47334.1、BAA83501.1、AAL32020.1）。使用BlastP，將這些序列與胡麻全基因組蛋白數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，E值小于等于1E-5，并用Pfam對比對得到的蛋白序列進(jìn)行確認(rèn)（SUC蛋白結(jié)構(gòu)域Pfam號為PF13347.1）。

1.2? ?SUC基因家族的基因及蛋白序列分析

利用IBS在線工具繪制基因結(jié)構(gòu)圖，采用Expasy分析蛋白質(zhì)的分子量、等電點(diǎn)，通過SignalP-5.0預(yù)測胡麻SUC蛋白的信號肽，采用SOSUI進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)預(yù)測，用NetNGlyc 1.0對糖基化修飾位點(diǎn)在線預(yù)測。使用Plant-mPloc進(jìn)行蛋白的亞細(xì)胞定位預(yù)測，利用MEME對胡麻SUC蛋白保守基序進(jìn)行分析。

1.3? ?SUC基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化分析

利用MEGA6.0軟件對胡麻和擬南芥的SUC氨基酸序列進(jìn)行多重比對，將比對結(jié)果用Maximun Likelihood法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，Bootstrap校驗(yàn)值為1 000次。

1.4? ?SUC蛋白的二級結(jié)構(gòu)分析

利用SOPMA對胡麻SUC蛋白的次級結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?胡麻SUC基因家族的鑒定及理化性質(zhì)分析

以擬南芥9個SUC基因和油菜、大豆、水稻、煙草、玉米、葡萄SUC基因的氨基酸序列對胡麻基因組進(jìn)行BLASTP分析，獲得28條期望值小于1E-5的候選序列。用Pfam對這些序列進(jìn)行結(jié)構(gòu)域注釋，發(fā)現(xiàn)有12條序列含有SUC家族的保守結(jié)構(gòu)域MFS_2，將這些基因分別命名為LuSUC1～ LuSUC12（表1）。

比較分析12個胡麻SUC蛋白序列，結(jié)構(gòu)顯示不同的蛋白差異較大。蛋白長度為252（LuSUC8）～952 aa（LuSUC4），分子量為26 863.30（LuSUC8）～101 956.83 Da（LuSUC4），等電點(diǎn)為5.99（LuSUC10）～9.42（LuSUC3），糖基化位點(diǎn)為0（LuSUC7、LuSUC8）～5（LuSUC10），跨膜結(jié)構(gòu)域?yàn)?（LuSUC7、LuSUC8）～13（LuSUC5）。對上述序列進(jìn)行信號肽預(yù)測，發(fā)現(xiàn)所有序列均無信號肽。亞細(xì)胞定位預(yù)測結(jié)果顯示，所有基因都定位在細(xì)胞膜，其中LuSUC3和LuSUC4除細(xì)胞膜外還定位在葉綠體、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核中。在胡麻的12個SUC蛋白二級結(jié)構(gòu)中，α- 螺旋所占比例最大（41.58%），其次為無規(guī)卷曲（37.48%）、β-折疊（16.62%）、β- 轉(zhuǎn)角所占比例最?。?.78%）（表2）。

2.2? ?胡麻SUC基因家族的基因結(jié)構(gòu)及motif預(yù)測

為進(jìn)一步分析胡麻SUC基因家族的功能，需根據(jù)其DNA序列和CDS序列分析其基因結(jié)構(gòu)（表1，圖1）。除LuSUC6和LuSUC7只含有1個外顯子，沒有內(nèi)含子外，其余10個基因均含有數(shù)量不等的外顯子和內(nèi)含子，外顯子數(shù)量為2 （LuSUC8）～13（LuSUC9），內(nèi)含子數(shù)量為1（LuSUC8）～12（LuSUC9）。Motif預(yù)測結(jié)果表明，Motif1、Motif2、Motif6和Motif 7為SUC家族的特征性、保守性Motif。這12個基因共預(yù)測到22個Motif，除LuSUC8只含有4個特征性Motif外，其余11個基因都含有Motif11。另外，除LuSUC7和LuSUC8外，有10個基因還含有Motif3、Motif4、Motif5、Motif8、Motif9和Motif15，還有9個基因含有Motif10，說明Motif11、Motif4、Motif5、Motif8、Motif9、Motif15和Motif10的功能也相當(dāng)保守（圖2）。

2.3? ?胡麻SUC基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化分析

采用MEGA6.0中的ClustalW，將胡麻和模式植物擬南芥SUC基因的氨基酸序列進(jìn)行序列比對（圖3），并用比對后的結(jié)果采用Maximun Likelihood法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹（圖4）。序列比對結(jié)果顯示，植物SUC蛋白存在許多保守的氨基酸位點(diǎn)，這些位點(diǎn)所在的區(qū)域應(yīng)為該蛋白的保守功能區(qū)。從進(jìn)化樹上可以看出，胡麻SUT基因分為3個家族，LuSUC1～LuSUC8與擬南芥的AtSUC1、AtSUC2、AtSUC5、AtSUC6、AtSUC7、AtSUC8、AtSUC9聚在一起，屬于SUT1家族;LuSUC9和LuSUC10與屬于SUT2家族的擬南芥AtSUC3聚為一支;而LuSUC11和LuSUC12與屬于SUT4家族的擬南芥AtSUC4聚為一支。

3? ?結(jié)論與討論

從胡麻基因組鑒定得到12個SUC基因家族成員，并對其進(jìn)行了生物信息學(xué)分析。12個SUC基因外顯子數(shù)量為2～13，編碼蛋白長度為252～952 aa，含有6～13個跨膜結(jié)構(gòu)域，4個特征性Motif。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析顯示，胡麻SUC分別屬于SUT1、SUT2和SUT4家族，與雙子葉植物擬南芥分類結(jié)果相同[12 ]。

總體來看，胡麻SUC基因家族成員之間雖然具有比較保守的功能結(jié)構(gòu)域，但蛋白長度及序列、基因結(jié)構(gòu)、跨膜結(jié)構(gòu)域數(shù)量等也存在明顯的差異，需進(jìn)行更全面的研究，才能深入解析每個家族成員的功能。

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（本文責(zé)編：陳? ? 珩）