番茄NAC家族基因的鑒定及其功能預(yù)測

張亞莉等

摘要 利用生物信息學(xué)方法對番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子家族成員、序列、保守區(qū)、分子量、等電點等基本信息進行分析，結(jié)果顯示，番茄NAC家族包含101個蛋白質(zhì)，分為12亞族（I～XII）。功能預(yù)測顯示，20個NAC基因可能與植物抗逆相關(guān)，8個NAC基因可能與植物所參與的滲透脅迫和衰老有關(guān)，24個NAC基因可能與發(fā)育相關(guān)。該研究為番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子家族基因功能分析提供信息基礎(chǔ)，從而對番茄品種的改良提供候選基因。

關(guān)鍵詞 番茄；NAC轉(zhuǎn)錄因子；功能預(yù)測

中圖分類號 S188 文獻標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06549-04

NAC （NAM/ATAF/CUC）轉(zhuǎn)錄因子家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，最早在矮牽牛NAM、擬南芥ATAF1/2和CUC2基因編碼蛋白的N端中發(fā)現(xiàn)一段高度保守的氨基酸序列，并命名為NAC結(jié)構(gòu)域[1]，并將包含NAC結(jié)構(gòu)域的蛋白稱為NAC轉(zhuǎn)錄因子。NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的一類轉(zhuǎn)錄因子，生物信息學(xué)分析表明：水稻基因組中有151個成員，擬南芥有117個[2]，煙草和大豆中各有152個成員[3-4]。 NAC 轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育及抗逆反應(yīng)中都具有重要的調(diào)控作用[5-6]。

在植物非生物脅迫中，5個水稻NAC基因SNAC1、SNAC2/ OsNAC6、OsNAC5、OsNAC10/ONAC122、ONAC045和3個擬南芥ANAC019、ANAC055 和 ANAC072/RD26 基因正向調(diào)控抗旱或抗鹽脅迫反應(yīng)， 并受 ABA或JA 的誘導(dǎo)表達和調(diào)控[7-13]。NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物抗病反應(yīng)中也具有重要作用，OsNAC6/SNAC2、ONAC122/OsNAC10和ONAC131 在水稻抗稻瘟病中具有正向調(diào)控作用[8，14]。 OsNAC4與水稻細胞的過敏性反應(yīng)有關(guān)[15-16]。在擬南芥中，過量表達 ATAF1 的轉(zhuǎn)基因植株灰霉病抗性降低[17-18]。與ATAF1高度同源的 ATAF2，過量表達 ATAF2 的轉(zhuǎn)基因植株對枯萎病菌的抗性下降， 而喪失功能突變體中這些防衛(wèi)基因表達水平增強， 枯萎病抗性也隨之增強[19]。過量表達 ANAC019 和 ANAC055 后可增強 JA 誘導(dǎo)VSP1 和 LOX2 的表達， 而這2個基因的雙突變體則降低 VSP1 和 LOX2 的表達， 并減弱灰霉病抗性[20]。NAC家族轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育中也具有重要功能。CUC1、2、3主要與擬南芥的葉原基及花器官的形成有關(guān)，而NST1、NST2、NST3、VND6、VND7 等NAC類轉(zhuǎn)錄因子與次生壁加厚有關(guān)[1，21-24]。

番茄作為一種具有重要營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值的蔬菜作物，隨著番茄基因組測序的完成，已成為植物學(xué)研究中一種重要的模式植物。NAC家族基因的功能鑒定主要集中在擬南芥和水稻中，而對番茄NAC家族基因的功能研究較少，研究發(fā)現(xiàn)番茄SlNAC1 、SLNAC3、SlNAM1參與番茄對逆境的響應(yīng)[25-26]。筆者利用生物信息學(xué)方法對番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子家族進行功能預(yù)測，為番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子家族基因功能分析提供信息基礎(chǔ)，從而對番茄品種的改良提供候選基因。

1 材料與方法

1.1 番茄NAC家族基因序列搜索

利用水稻和擬南芥中已鑒定的NAC基因（從NCBI蛋白數(shù)據(jù)庫中獲得http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/protein）序列，在植物轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫[Plant Transcription Factor Database （http：//planttfdb.cbi.pku.edu.cn/index.php）]和SOL （http：//solgenomics.net/）中搜索，并下載可能的番茄NAC氨基酸序列，分析是否含有NAC結(jié)構(gòu)域，對候選基因進行鑒定，并對其氨基酸長度、cDNA長度、分子量、等電點等基本信息進行分析。

1.2 番茄NAC家族基因DNA保守區(qū)及其進化關(guān)系分析

通過SOL（http：//solgenomics.net/）中的多序列聯(lián)配工具Clustal Alignment分析番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子整個家族DNA結(jié)合的保守結(jié)構(gòu)域。利用水稻和擬南芥已鑒定的NAC轉(zhuǎn)錄因子以及番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列，共129個NAC基因，利用Clustal Alignment分析工具構(gòu)建進化樹。

2 結(jié)果與分析

利用植物轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫[Plant Transcription Factor Database （http：//planttfdb.cbi.pku.edu.cn/index.php）]和SOL （http：//solgenomics.net/）數(shù)據(jù)庫對番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子進行鑒定，分析其NAC保守的結(jié)構(gòu)域，共獲得101個含有NAC保守結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列，并分析了其氨基酸長度、cDNA長度、分子量、等電點等，結(jié)果見表1。

通過SOL （http：//solgenomics.net/）中的多序列聯(lián)配工具Clustal Alignment分析了番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子整個家族DNA結(jié)合的保守結(jié)構(gòu)域。由圖1可知，整個番茄NAC結(jié)構(gòu)域由約150個氨基酸組成，可分為A、B、C、D、E 5個亞結(jié)構(gòu)域，其中A、C、D 3個亞結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列保守性較高，這一NAC結(jié)構(gòu)域與先前在擬南芥中報道的NAC結(jié)構(gòu)域相類似[5]。

圖 1 番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子保守結(jié)構(gòu)域

將預(yù)測出的番茄NAC蛋白質(zhì)以及已鑒定的水稻和擬南芥的NAC蛋白質(zhì)構(gòu)建系統(tǒng)進化樹，番茄NAC家族基因被分成12個亞族（I～XII），結(jié)果見圖 2。由圖2可知，其中I～III 亞族，共20個番茄NAC基因與植物抗逆相關(guān)基因如SNAC1、SNAC2/ OsNAC6、OsNAC5、ANAC055、ONAC131、ONAC122/OsNAC10、ANAC042等處于相同的分支，預(yù)示這些番茄NAC基因在番茄抗生物和非生物逆境中具有重要作用[7-11， 14， 20， 27]。進一步將這些抗逆相關(guān)基因命名為3個抗逆的亞區(qū)SNACI、SNACII和SNACIII。VII亞族番茄8個NAC基因與NTL9基因處于相同的分支，而NTL9主要與植物所參與的滲透脅迫和衰老有關(guān)，這些基因可能與植物的抗逆與發(fā)育有關(guān)[28]。NAC家族轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育中也有重要的功能。CUC1、2、3主要與擬南芥葉原基及花器官的形成有關(guān)，而NST1、NST2、NST3、VND6、VND7 等NAC類轉(zhuǎn)錄因子與次生壁加厚有關(guān)[1，21-24]。番茄NAC 基因中IX、X亞族24個基因與發(fā)育相關(guān)的VND和CUC類NAC基因處于相同的分支，預(yù)示這些基因可能在番茄發(fā)育中具有重要的作用。

3 結(jié)論與討論

NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物對不同類型逆境脅迫及生長發(fā)育具有重要作用，但作為植物特有的一個龐大轉(zhuǎn)錄因子家族，目前只明確少數(shù)幾個NAC轉(zhuǎn)錄因子的功能，大多數(shù)NAC轉(zhuǎn)錄因子的作用需要進一步研究。近年來研究越來越顯示出NAC轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)基因育種中的應(yīng)用潛力，如過量表達SNAC1、SNAC2的轉(zhuǎn)基因水稻植株抗旱抗鹽能力增強[7-8]。因此，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改變番茄NAC基因表達水平或NAC蛋白活性有可能獲得轉(zhuǎn)基因番茄新品種或新材料。該研究共鑒定了番茄101個NAC家族基因，并將其分為12亞族（I～XII）。功能預(yù)測顯示20個NAC基因可能與植物抗逆相關(guān)，8個NAC基因可能與植物所參與的滲透脅迫和衰老有關(guān)，24個NAC基因可能與發(fā)育相關(guān)。研究結(jié)果為番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子家族基因功能分析提供信息基礎(chǔ)，從而對番茄品種的改良提供候選基因。

圖 2 番茄NAC轉(zhuǎn)錄因子系統(tǒng)進化樹

參考文獻

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