楊沙沙,李穎波,譚何新,郭桂梅,何 婷,陳志偉,劉成洪*,黃劍華*
(1上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院,上海201306;2上海市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所,上海市農(nóng)業(yè)遺傳育種重點實驗室,上海201106;3第二軍醫(yī)大學藥學院,上海200433)
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大麥SERK基因家族cDNA克隆及生物信息學分析
楊沙沙1,2,3,李穎波2,譚何新3,郭桂梅2,何 婷2,陳志偉2,劉成洪2*,黃劍華2*
(1上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院,上海201306;2上海市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所,上海市農(nóng)業(yè)遺傳育種重點實驗室,上海201106;3第二軍醫(yī)大學藥學院,上海200433)
摘 要:通過對大麥體細胞胚胎發(fā)生受體類蛋白激酶SERK(Somatic embryogenesis receptor-like kinases)基因家族進行注釋和基因克隆,得到3條大麥序列,即HvSERK1、HvSERK2和HvSERK3,其中基因HvSERK3與相應已有參考序列(Accession:AK374641)相比,編碼氨基酸有所改變。生物信息學分析表明:3條大麥SERK基因都具有1 870 bp左右的開放閱讀框,620 aa左右的氨基酸殘基數(shù),69 kD左右的相對分子質(zhì)量大小,平均理論等電點5.5,說明SERK為酸性蛋白;大麥SERK蛋白具有強烈的親水性,且存在N端信號肽和跨膜螺旋區(qū),二級結(jié)構(gòu)組件主要是環(huán)(loop)。本研究為進一步探討大麥中SERK基因家族的功能奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:大麥;SERK;注釋;克??;生物信息學分析
體細胞胚胎發(fā)生受體類蛋白激酶(Somatic embryogenesis receptor-like kinases,SERKs)廣泛存在于植物體內(nèi),參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和各類脅迫響應過程[1]。有關(guān)SERK基因的功能已在模式植物擬南芥[2-8]和一些重要禾本科作物如水稻[9-11]、小麥[12]和玉米[13]中都有研究報道,但大麥中有關(guān)SERK基因家族的信息還有待研究。
大麥(Hordeum vulgare L.)是僅次于水稻、小麥和玉米的第四大谷類作物,普遍用作麥芽制造、啤酒釀造、飼料生產(chǎn)和食品加工,其適應性廣泛,具有較強的耐旱、耐寒和耐鹽特性,近年來已成為重要的遺傳和生理模式作物[14]。因此,對大麥中的耐逆性相關(guān)的基因開展深入研究,將有助于揭示大麥對環(huán)境較強適應性的分子機制,為禾谷類作物的耐逆性育種研究提供基礎(chǔ)。
在前期研究工作中,Gao等[15]利用Affymetrix基因芯片,對大麥鹽脅迫響應基因的表達水平進行了轉(zhuǎn)錄譜分析,獲得了3 326個差異表達基因,其中探針contig5422_at在大麥耐鹽性較強的品種中檢測到,注釋為Brassinosteroid insensitive 1-associated receptor kinase 1 precursor,進一步序列比對分析確認該基因?qū)儆赟ERKs基因家族。本研究在此基礎(chǔ)上對大麥中SERKs基因家族的cDNA進行了全長克隆、驗證和生物信息學分析,以便進一步開展大麥中SERKs基因功能研究。
1.1材料
供試材料為大麥品種‘花30’,由上海市農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所提供。
用濕潤紗布包裹種子于28℃恒溫條件下催芽,至種子露白后移種到營養(yǎng)土中,人工氣候室中培養(yǎng)至兩葉一心期時,取新鮮葉片液氮速凍于-70℃,用于總RNA提取。
1.2方法
1.2.1大麥SERK家族基因的注釋及同源性分析
在PLEXdb網(wǎng)站(http://www.plexdb.org/modules/PD_probeset/annotation.php)中檢索獲得contig5422_ at探針序列;以contig5422_at探針序列為參照,利用大麥全基因組數(shù)據(jù)庫IPK(http://webblast.ipk-gatersleben.de/barley/viroblast.php)進行BLAST分析[16],Database設(shè)為“full length cDNA”;利用ClustalX2軟件進行多序列比對并用GeneDoc軟件對比對結(jié)果進行編輯,從而顯示序列間相似性和特征性保守區(qū)段;利用MEGA 5.0軟件,對部分禾本科植物的SERK家族基因及8個大麥序列構(gòu)建系統(tǒng)進化樹;禾本科植物SERK蛋白序列同源比對采用NCBI上的Blastp程序完成。
1.2.2總RNA提取和cDNA合成
利用TRNzol試劑(北京天根生化科技有限公司)提取大麥‘花30’葉片的總RNA;RNA質(zhì)量檢測采用0.8%瓊脂糖凝膠電泳的方法,RNA濃度[C(μg/μL)= A260×40×稀釋倍數(shù)/1 000]采用紫外分光光度計來測定;按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒產(chǎn)品說明書進行反轉(zhuǎn)錄。
1.2.3基因克隆及測序驗證
根據(jù)目標研究基因在GeneBank中已知的cDNA序列,利用Vector NTI軟件設(shè)計特異性引物(表1),確保引物無回文結(jié)構(gòu)(Palindromes)和重復序列(Repeats)等。以RNA反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA為模板進行RT-PCR反應,用于擴增基因全長并測序驗證。
表1 引物設(shè)計Table 1 Design of primers
1.2.4生物信息學分析
利用網(wǎng)站PredictProtein(https://www.predictprotein.org/)在線預測SERK蛋白二級結(jié)構(gòu);其他所用生物信息學軟件和網(wǎng)站參照參考文獻[17]。
2.1大麥SERK家族基因的注釋及同源性分析
在IPK數(shù)據(jù)庫中比對后,得到8個與探針contig5422_at相似性較高的全長cDNA序列,即AK372118 (99%)、AK252995(83%)、AK374641(78%)、AK371411(68%)、AK251794(68%)、AK358689(68%)、AK363516(68%)和AK360261(69%)。其中前3個序列的同源性明顯高于其他5個基因,且E-value值為0.0,本研究將這3個大麥序列分別暫命名為HvSERK1(AK372118)、HvSERK2(AK252995)和HvSERK3 (AK374641)。
圖1 8個大麥氨基酸序列和5個擬南芥SERK蛋白序列的多重比對Fig.1 Multiple alignment of 8 barley amino acid sequences and 5 Arabidopsis SERK protein sequences
上述8個大麥氨基酸序列和5個擬南芥SERK蛋白序列(AtSERK1—5)的多重比對,結(jié)果顯示(圖1):Leucine zipper結(jié)構(gòu)域中,擬南芥AtSERK1—3和大麥HvSERK1—3都具有完整的“Leu-X6-Leu-X6-Leu-X6-Leu”共識序列,而擬南芥AtSERK4、AtSERK5和其他5個大麥序列只具有“Leu-X6-Leu-X6-Leu/Leu-X6-Leu”的不完整結(jié)構(gòu)。除了5個大麥序列的LRR5結(jié)構(gòu)域變化較大,所有參與比對的SERK序列LRR1—LRR5結(jié)構(gòu)域都具有很高的一致性。SPP結(jié)構(gòu)域是SERK蛋白區(qū)別于其他LRR-RLKⅡ成員的特征性結(jié)構(gòu)域[18],大麥HvSERK1—3和擬南芥AtSERK1—3都具有此結(jié)構(gòu)域,而擬南芥AtSERK4、AtSERK5和其他5個大麥序列缺失,且5個大麥序列與其他所有SERK基因的同源性最低。
圖2 大麥及其他禾本科植物SERK蛋白序列的NJ樹Fig.2 NJ phylogenetic tree of SERK protein sequences in barley and other grasses
2.1.1禾本科植物SERK家族基因的進化樹
為進一步確認大麥SERK基因家族成員和物種進化,該試驗對常見禾本科植物水稻、小麥、玉米以及菠蘿中的已知SERK蛋白[19]進行了多序列比對和系統(tǒng)進化樹分析。
圖2顯示,整個進化樹由2個進化分支構(gòu)成:3個大麥SERK序列HvSERK1 (AK372118)、HvSERK2(AK252995)和HvSERK3(AK374641)與其他禾本科植物的SERK蛋白序列同位于1個分支,即分支Ⅰ。其中,禾本科植物的SERK又可分為3組:大麥HvSERK1與小麥TaSERK1、水稻OsSERK1、玉米ZmSERK1聚為一類,HvSERK1與TaSERK1同源性最高;大麥HvSERK2與小麥TaSERK2以及玉米ZmSERK2、ZmSERK3聚為一類,HvSERK2與TaSERK2同源性最高;大麥HvSERK3與水稻OsbiSERK1以及菠蘿AcSERK1、AcSERK2和AcSERK3聚為一類,HvSERK3與OsbiSERK1同源性最高。分支Ⅱ中包含了其他的5個大麥序列(AK358689、AK363516、AK371411、AK360261和AK251794),與禾本科植物的SERK序列位于不同分支,遺傳距離較遠,可能屬于其他類型的RLK基因。
2.1.2序列同源性分析
根據(jù)系統(tǒng)進化樹結(jié)果,對分支Ⅰ中所有禾本科植物和大麥中的3個SERK蛋白序列進行了同源性比對(表2),結(jié)果表明:大麥HvSERK1蛋白與TaSERK1、OsSERK1和TaSERK2具有較高同源性,分別為98%、94%和92%;大麥HvSERK2蛋白與TaSERK2、OsSERK1和TaSERK1具有較高同源性,分別為99%、91%和91%;大麥HvSERK3蛋白與OsbiSERK1、AcSERK1具有較高同源性,分別為93%、91%。3條大麥SERK蛋白之間的同源性在87%—91%。
表2 大麥與其他禾本科植物SERK蛋白同源性比較Table 2 Homology comparison of SERK proteins in barley and other grasses
2.2大麥SERK基因克隆
通過PCR擴增后經(jīng)測序驗證得到了3條與預期片斷大小(2 077 bp、1 929 bp和1 896 bp)一致的目的條帶。使用Vector NTI Advance11軟件包中的AlignX軟件和NCBI中的BLAST程序?qū)y序結(jié)果與已有參考序列的ORF區(qū)域及其翻譯的氨基酸序列進行比對發(fā)現(xiàn),與相應的已有參考序列(Accession:AK374641)相比,大麥HvSERK3基因的測序序列存在3個堿基位點(160、941和1113)的突變和3組密碼子(TGC→CGC、TAC→TTC、CTT→CTC)的改變,其中密碼子TGC→CGC和TAC→TTC分別導致了編碼氨基酸的突變:半胱氨酸(C)→精氨酸(R),酪氨酸(Y)→苯丙氨酸(F),屬于非同義突變(圖3)。其他2個克隆序列與參考序列都是完全一致,未發(fā)現(xiàn)任何核苷酸和氨基酸的突變。
圖3 大麥HvSERK3基因ORF區(qū)核苷酸及氨基酸序列Fig.3 Nucleotide sequence and amino acid sequence in ORF region of barley HvSERK3 gene
2.3大麥SERK蛋白序列理化參數(shù)的檢索和分析
對大麥及模式植物擬南芥SERK蛋白序列的理化參數(shù)進行分析比較,結(jié)果顯示(表3),大麥和擬南芥SERK基因的蛋白參數(shù)基本一致。理論等電點(pI)值均為5.5左右,所帶氨基酸殘基比例都是酸性大于堿性,表明SERK蛋白呈弱酸性。大麥和擬南芥SERK蛋白所含主要氨基酸中,Leu的含量始終最高(13.7%),亮氨酸(Leu)、甘氨酸(Gly)、纈氨酸(Val)和絲氨酸(Ser)等其次。不同的是,大麥和擬南芥SERK蛋白均為不穩(wěn)定蛋白,除了大麥HvSERK1的不穩(wěn)定系數(shù)小于40,為穩(wěn)定蛋白??偲骄杷跃鶠樨撝?,說明大麥和擬南芥SERK蛋白具有很強親水性,均屬于親水性蛋白。
表3 SERK蛋白序列的理化參數(shù)分析Table 3 Analysis of SERK protein sequences’physicochemical parameters
2.4大麥SERK蛋白親疏水性的預測和分析
蛋白質(zhì)折疊過程中會形成疏水內(nèi)核和親水表面,其折疊情況和相應的親疏水性序列譜(Profile)可以由ProtScale程序繪制完成[20]。大麥SERK蛋白親疏水性預測結(jié)果顯示(圖4),分值(Score)越低,表明此區(qū)域親水性越強;反之,疏水性則越強。HvSERK1蛋白在第255位氨基酸處具有最高分2.126,第399位氨基酸處具有最低分-2.089;HvSERK2在第23位具有的最高分2.142,第400位具有最低分-2.321;HvSERK3在第245位具有最高分值2.089,第393位具有最低分值-2.021;3條序列的親水區(qū)域都要大于疏水區(qū)域,均為親水性蛋白。對擬南芥SERK蛋白序列進行分析,結(jié)果與大麥SERK蛋白一致。結(jié)合上述ProtPram預測的結(jié)果可知,大麥SERK蛋白是親水性蛋白,表現(xiàn)為親水性。
圖4 大麥SERK蛋白親疏水性的預測Fig.4 Prediction of barley SERK proteins’hydrophobicity and hydrophilicity
2.5大麥SERK蛋白導肽的預測和分析
利用工具“TargetP 1.1 Server”在線預測大麥和擬南芥SERK蛋白序列,將置信區(qū)間設(shè)為0.95。結(jié)果顯示(表4),HvSERK1、HvSERK2和HvSERK3三條大麥SERK蛋白的導肽預測可靠性分別為IV級、IV級、V級,HvSERK1可能具有分泌途徑信號肽,且在蛋白序列第30位存在一個導肽分裂位點,無法確定HvSERK2、HvSERK3是否具有導肽,也未發(fā)現(xiàn)其導肽分裂位點。AtSERK1、AtSERK2、AtSERK3、AtSERK4 4條擬南芥SERK蛋白的導肽預測可靠性均為Ⅰ級,說明可靠性很大,很可能都具有分泌途徑信號肽,且分別在蛋白序列第23位、第29位、第25位、第33位存在一個導肽分裂位點;AtSERK5蛋白的導肽預測可靠性為Ⅲ級,也可能具有分泌途徑信號肽,且導肽分裂位點位于第24位氨基酸。
表4 SERK蛋白的導肽預測Table 4 Prediction of SERK proteins’leader peptide
2.6大麥SERK蛋白信號肽的預測和分析
信號肽(Signal peptide)是蛋白質(zhì)肽鏈N端包含16—30個氨基酸的一段多肽,可以引導蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移到特定亞細胞結(jié)構(gòu)或分泌到胞外[20]。為了驗證和進一步確認上述導肽預測結(jié)果,利用SignalP 4.1 Server工具在線預測和分析大麥SERK蛋白信號肽(圖5)?;赮-max和S-mean值判定,3條大麥SERK蛋白N末端均存在信號肽:HvSERK1和HvSERK2剪切位點在第30位點和第31位點間,成熟蛋白啟動(包括)的位點是31,信號肽區(qū)為前30個氨基酸;HvSERK3剪切位點在第22位點和第23位點間,成熟蛋白啟動(包括)的位置是23,信號肽區(qū)為前22個氨基酸。對擬南芥SERK蛋白序列預測,也獲得到相似結(jié)果:AtSERK1信號肽區(qū)為前27個氨基酸;AtSERK2信號肽區(qū)為前28個氨基酸;AtSERK3信號肽區(qū)為前26個氨基酸;AtSERK4信號肽區(qū)為前30個氨基酸;AtSERK5信號肽區(qū)為前25個氨基酸?;赟-mean和D值,進一步說明大麥SERK蛋白是分泌蛋白,可能被跨膜分泌到特定亞細胞結(jié)構(gòu)或細胞外起作用。
圖5 大麥SERK蛋白的信號肽預測分析Fig.5 Prediction and analysis of barley SERK proteins’signal peptide
2.7大麥SERK蛋白的跨膜區(qū)預測和分析
跨膜蛋白通過與胞外信號分子結(jié)合,從而轉(zhuǎn)導胞外信號[20]。利用TMHMM服務器在線預測和分析大麥SERK蛋白的跨膜區(qū)(圖6),結(jié)果表明:對于HvSERK1蛋白,跨膜螺旋(TMhelix)區(qū)預測位置位于243—265處的氨基酸殘基處,構(gòu)成了一個跨膜區(qū);對于HvSERK2蛋白,跨膜螺旋(TMhelix)區(qū)預測位置位于10—32和244—266處的氨基酸殘基處,構(gòu)成了2個跨膜區(qū);對于HvSERK3蛋白,跨膜螺旋(TMhelix)區(qū)預測位置位于237—259處的氨基酸殘基處,構(gòu)成了一個跨膜區(qū)。對擬南芥SERK蛋白的跨膜區(qū)進行分析,結(jié)果與大麥相似:除AtSERK1蛋白具有2個跨膜螺旋區(qū)外,AtSERK2、AtSERK3、AtSERK4和AtSERK5蛋白均具有一個跨膜螺旋區(qū)。因此可確定大麥SERK蛋白是一個跨膜蛋白,具有轉(zhuǎn)導細胞信號的功能。
圖6 大麥SERK蛋白的跨膜區(qū)預測Fig.6 Prediction of barley SERK proteins’membrane-spanning region
2.8大麥SERK蛋白二級結(jié)構(gòu)的預測和分析
蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)(Secondary structure)組件包括α-螺旋(α-helix)、β-折疊(β-sheet)、無規(guī)則卷曲(coil)及模體(motif)等[20]。利用PredictProtein預測大麥SERK蛋白二級結(jié)構(gòu)(表5),結(jié)果顯示:環(huán)狀結(jié)構(gòu)(loop)是大麥SERK蛋白二級結(jié)構(gòu)的主要組件;所含氨基酸殘基中,暴露氨基酸和包埋氨基酸等此外全部的氨基酸的比例基本一致。對擬南芥SERK蛋白進行同樣預測,結(jié)果與大麥SERK蛋白一致,即蛋白二級結(jié)構(gòu)中都是富含環(huán)狀結(jié)構(gòu)(loop)。
表5 SERK蛋白的二級結(jié)構(gòu)和溶劑可及性預測Table 5 Prediction of SERK proteins’secondary structure and solvent accessibility
2.9大麥SERK蛋白三級結(jié)構(gòu)的預測和分析
2個或多個結(jié)構(gòu)域組合并折疊成的三維結(jié)構(gòu),即蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)(Tertiary structure)[20]。利用Phyre2線串法預測蛋白質(zhì)折疊,運算模式設(shè)為“Normal”,結(jié)果如圖7所示。
圖7 大麥SERK蛋白三維結(jié)構(gòu)預測Fig.7 Prediction of barley SERK proteins’three-dimensional structure
利用基于PROCHECK程序的在線蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)檢驗工具“PDBsum Generate”,從多個角度對預測蛋白模型的健康度進行評估,得到Ramachandran圖(圖8)和G-Factors值。大麥HvSERK1、HvSERK2和HvSERK3蛋白氨基酸殘基落在最佳區(qū)(紅色)的比例為85.0%、86.8%和87.2%,小于90%,說明3條大麥SERK蛋白的空間構(gòu)象需要進一步優(yōu)化,并沒有落在最有利區(qū);但是最佳區(qū)和次允許區(qū)(棕色)的總比例均大于90%,說明3條大麥SERK蛋白具有相對合理的空間結(jié)構(gòu);大麥HvSERK2和HvSERK3不允許區(qū)(淺色)的比例分別為0.9%和0.4%(低于1%),大麥HvSERK1不允許區(qū)比例為1.3%(高于1%),說明HvSERK2和HvSERK3的蛋白結(jié)構(gòu)模型穩(wěn)定性較好,HvSERK1穩(wěn)定性較差。3條大麥SERK蛋白的GFactors值分別為0.05、0.06和0.04,大于-0.5,說明它們的空間結(jié)構(gòu)屬于正常范圍內(nèi),是常見結(jié)構(gòu)。
圖8 大麥SERK蛋白Ramachandran圖Fig.8 Ramachandran map of barley SERK proteins
該研究以自主育成的啤酒大麥品種‘花30’為材料,通過同源克隆方法獲得了大麥SERK家族3個基因的cDNA全長序列,其中2個基因的cDNA全長序列與國際大麥測序聯(lián)盟(IBSC)公布的序列完全一致,而另一個基因HvSERK3與相應已有參考序列(Accession:AK374641)對比,有3個核苷酸的非同義突變以及編碼氨基酸的變化。推測該序列變化可能是與克隆所用大麥材料不同有關(guān),是否有功能上的差別還有待于深入研究。
SERKs具有多重作用,且家族成員間同時存在功能冗余和分化的現(xiàn)象。如,在模式植物擬南芥中,At-SERK1和AtSERK2參與植物花粉發(fā)育過程[2-3];AtSERK1、AtSERK3/BAK1和AtSERK4/BKK1參與植物BR信號通路[4,8];AtSERK3/BAK1和AtSERK4/BKK1參與植物先天免疫反應[5,7];AtSERK3/BAK1和AtSERK4/BKK1參與調(diào)節(jié)細胞死亡[4,6]。常見禾本科植物水稻的SERK基因家族中,只有OsSERK2基因參與水稻對白葉枯?。?1]和稻瘟?。?-10]的免疫反應。本研究對大麥SERK家族基因的核苷酸及氨基酸序列的理化特征、結(jié)構(gòu)特點和功能等預測和分析,其中可以發(fā)現(xiàn)大麥中的3個SERK基因在一些理化特征上仍然存在差別:如HvSERK1為穩(wěn)定蛋白,而HvSERK2和HvSERK3為不穩(wěn)定蛋白;HvSERK1和HvSERK3具有一個跨膜區(qū)域,HvSERK2具有2個跨膜區(qū)域等。大麥中這3個SERK基因在功能上,特別是對外界環(huán)境中生物脅迫和非生物脅迫響應是否存在差異,還有待于在本研究基礎(chǔ)上展開深入研究。
參 考 文 獻
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(責任編輯:程智強)
Cloning and bioinformatics analysis of SERK gene family in barley(Hordeum vulgare L.)
YANG Sha-sha1,2,3,LI Ying-bo2,TAN He-xin3,GUO Gui-mei2,HE Ting2,CHEN Zhi-wei2,LIU Cheng-hong2*,HUANG Jian-hua2*
(1College of Fisheries and Life Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2Shanghai Key Laboratory of Agricultural Genetics and Breeding/Biotech Research Institute,Shanghai Academy of Agricultural Sciences,Shanghai 201106,China;3School of Pharmacy,Second Military Medical University,Shanghai 200433,China)
Abstract:By annotation and cloning of barley SERK gene family,three barley sequences(HvSERK1,HvSERK2 and HvSERK3)were obtained,and the alignment with the corresponding reference sequence(Accession:AK374641)showed that the HvSERK3 gene’s amino acid sequence somewhat varied.The bioinformatics analysis indicated that the 3 barley SERK genes have the open reading frame(ORF)of about 1 870 bp,the amino acid residues of some 620 aa and the molecular weight of approximately 69 kD,and their theoretic isoelectric point is averagely 5.5,showing that the SERK are acidic proteins;The SERK are high in hydrophilicity and have signal peptide at N-terminus and transmembrane helix region,and the predicted secondary structures are mainly “l(fā)oop”.This research has laid the basis for further functional study of barley SERK gene family.
Key words:Barley(Hordeum vulgare L.);SERK;Annotation;Cloning;Bioinformatics analysis
中圖分類號:S512.3
文獻標識碼:A
文章編號:1000-3924(2016)03-005-09
DOI:10.15955/j.issn1000-3924.2016.03.02
收稿日期:2016-03-28
基金項目:上海市自然科學基金(15ZR1436600);上海市種業(yè)發(fā)展項目[滬農(nóng)科種字(2016)第1-1號];大麥青稞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-05)
作者簡介:楊沙沙(1990—),女,在讀碩士,研究方向:大麥分子育種。E-mail:ayxyss0915@163.com
*通信作者:黃劍華,E-mail:sw1@saas.sh.cn;劉成洪,E-mail:liuchenghong@saas.sh.cn