玉米泛素结合酶基因家族的生物信息学及表达分析
摘要：【目的】利用生物信息学分析玉米泛素结合酶（E2）基因家族的理化性质和功能，并研究低磷处理下泛素E2基因在玉米幼苗不同组织部位的表达情况，为深入研究泛素E2基因响应低磷胁迫的分子机制提供理论参考。【方法】以MEGA 6.0邻接法（NJ）构建拟南芥、水稻和玉米E2基因家族成员的系统发育进化树，利用生物信息学方法对75个玉米E2基因进行序列分析及理化性质预测。对玉米幼苗进行低磷处理，分别在0、1、6和24 h时采集其根部和叶片样品，并分别通过实时荧光定量PCR（qRT-PCR）检测其E2亚家族XVIII成员基因即ZmUBC17、ZmUBC18、ZmUBC48、ZmUBC57和ZmUBC58在玉米幼苗不同组织中的表达情况。【结果】拟南芥、水稻和玉米的E2基因可划分为18个亚家族，各亚家族间基因功能和进化关系较相近，但含有的E2基因数量差异明显，以亚家族VI的成员最多，亚家族X、XII和XV的成员数最少，均为3个，各亚家族中均分别含拟南芥、水稻和玉米E2基因各1个。玉米E2基因的编码区序列（CDS）长度为402～2616 bp，编码133～871个氨基酸，外显子数目数量存在明显差异，以4～6个居多，最少为1个，最多为12个。86.8%的玉米E2蛋白为不稳定蛋白。玉米E2亚家族XVIII成员中，ZmUBC18、ZmUBC48、ZmUBC57和ZmUBC58蛋白UBC结构域序列具有高度相似性，但与ZmUBC17存在明显差异，且这4个基因在玉米根和叶中均有表达，基因表达模式相似，整体上在低磷处理6 h时的表达量最高；低磷处理下ZmUBC17基因在根中不同时间点的表达量变幅较小，但在叶0～24 h时的表达量呈逐渐升高的变化趋势，尤其是24 h时表达量达最高，表明ZmUBC17基因的响应部位是叶片。【结论】玉米泛素E2蛋白可能参与调控对磷元素的吸收，尤其是ZmUBC17基因具有组织表达特异性，在叶片中大量表达，推测ZmUBC17基因通过调控玉米对磷元素吸收和转运间接影响光合作用效率。
关键词： 玉米；泛素结合酶（E2）；生物信息学；系统发育进化树；基因表达
中图分类号： S513.035.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）08-1476-08
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【研究意义】泛素化修饰作为蛋白质翻译后的重要调控方式之一，广泛存在于真核细胞中。泛素结合酶（E2）是泛素化过程的重要组成部分，参与蛋白质的泛素化修饰过程，通过调节蛋白活性而影响其功能的表达，从而保证生物体生命活动有序进行（Pickart and Eddins，2004），所有E2蛋白均含有一个保守催化结构域，大约由150个氨基酸组成，被称为UBC结构域，是蛋白质进行选择性降解的重要途径（Adam et al.，2011）。玉米是我国重要的粮食作物，其产量影响我国人民生活和社会经济发展。玉米产量受诸多因素的影响，如低温、干旱、病虫害和土壤肥力等生物胁迫或非生物胁迫，而E2在作物的抗逆境胁迫中发挥重要作用。磷作为植物体内ATP、核酸和磷脂等物质的重要组成元素，对调节植物体内代谢过程及促进植物生长发育等方面均发挥重要作用（田跃辉等，2014）。因此，研究在低磷条件下E2基因在玉米不同组织中的表达特异性，对探究E2蛋白对玉米吸收磷元素的作用机制具有重要意义。【前人研究进展】近年来，E2基因家族功能已逐渐成为研究热点，在拟南芥（Lau and Deng，2009）、酵母（王金利等，2010）、水稻（Bae and Kim，2014）、玉米（Jue et al.，2015）和香蕉（Dong et al.，2016）等真核生物中均有发现，研究方向集中在植物生长发育、DNA损伤修复及逆境胁迫等方面。Broomfield等（2001）研究发现，拟南芥AtUBC1参与蛋白质N末端序列剪切及DNA复制后的损伤修复，从而减少错配率，保证细胞生命活动有序进行。Xu等（2009）对拟南芥进行缺铁处理，结果显示AtUBC13基因过表达可提高根部对铁元素的吸收率，增强植株对缺铁症状的耐受性，将AtUBC13基因沉默后，植株则表现出明显的缺铁症状。王安邦等（2013）研究发现，香蕉MaUCE2基因在干旱、低温条件诱导下，其基因表达量明显升高，表明MaUCE2基因可能参与香蕉的耐冷调控过程。Mario等（2013）将大豆GmUBC2基因转入拟南芥中进行过量表达，结果发现，转基因植株的抗干旱和抗盐胁迫能力明显增强。Gu等（2009）研究表明，拟南芥AtUBC1和AtUBC2基因参与调控花发育，通过上调抑制开花基因FLC表达，从而抑制植株开花，双突变体Atubc1Atubc2单株表现出明显的早开花和莲座叶减少现象，而单个基因突变体Atubc1和Atubc2表型与野生型并无明显差异，说明AtUBC1和AtUBC2基因在功能上存在互补性。Lau和Deng（2009）研究发现，COP10作为E2-like蛋白，通过与DNA损伤结合蛋白DET1和DDB1相互结合形成复合物COP10-DET1-DDB1，参与调控拟南芥叶片的感光性及光周期过程。蔡佳文等（2016）研究发现，在干旱、盐和高温胁迫下龙葵SorUBC3基因表达具有组织特异性，在叶中其表达量显著高于其他组织，但叶片中MDA、POD和SOD含量无显著差异，表明逆境胁迫下SorUBC3基因过表达可抑制植株活性氧的产生，并对其进行清除。此外，Asuka等（2015）研究发现，人体UBE2T突变后会引发范可尼贫血症，并导致基因组的不稳定，患癌症概率增加。【本研究切入点】目前，对E2基因功能的研究主要集中在植物抗逆性等方面，而对E2基因在植物吸收大量元素途径中的作用及组织表达特异性和应答模式尚未见研究报道。【拟解决的关键问题】利用生物信息学初步分析玉米E2基因家族的理化性质和生物學功能，同时通过对玉米幼苗进行低磷处理，利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）检测泛素E2基因在不同时间点及不同组织中的表达特性，为后续深入研究E2蛋白生物学功能提供理论参考。