燕麦bZIP基因家族的生物信息学鉴定

张 涛，田盈盈，赵鸿彬

（内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010010）

碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper，bZIP）转录因子普遍存在于真核生物的基因组中，在植物的生长发育和逆境胁迫应答等方面有着较为重要的调控功能[1]。燕麦（Avena sativa L.）是世界七大栽培作物之一，起源于地中海沿岸，分布于世界五大洲，集中种植在高纬度地区[2]。本研究利用生物信息学技术对燕麦bZIP基因家族的理化性质和系统发育进行研究，为探究燕麦bZIP基因的功能和分子机制提供了依据，为燕麦分子育种提供新思路。

1 材料与方法

1.1 基因家族成员的筛选

燕麦基因组从GrainGens网站下载，拟南芥、大麦、节节麦、水稻、玉米、粗山羊草和小麦基因组从Ensembl网站下载。bZIP结构域HMM文件下载于Pfam网站。通过HMMER3.3.2从燕麦基因组中获取bZIP家族成员，使用NCBI的Batch CD-Search进行筛选[3]。

1.2 蛋白质性质及亚细胞定位预测

利用网站ExPASy预测燕麦bZIP转录因子家族成员的理化性质。通过Cello网站预测蛋白的亚细胞定位[3]。

1.3 AsbZIP蛋白结构域和基因结构分析

用NCBI的Batch CD-Search检索AsbZIP上的所有结构域[3]。根据燕麦基因组注释文件分析AsbZIP基因结构、外显子和内含子数量[4]。

1.4 系统发育分析

将燕麦和拟南芥bZIP氨基酸序列导入MEGA-X软件中，使用邻接法构建系统发育树，并使用Evoview进行美化[3]。

1.5 燕麦与其他物种基因组的共线性分析

使用Tbtools软件检测AsbZIP基因在燕麦基因组的共线区域，以及AsbZIP基因与拟南芥、大麦、节节麦、水稻、玉米、粗山羊草和小麦基因组的共线区块，可视化燕麦与上述物种之间的共线性性关系[4]。

2 结果与分析

2.1 AsbZIP基因家族鉴定

使用HMMER3.3.2和NCBI的Batch CD-Search数据库检测，共获得387条包含bZIP结构域的蛋白，将它们依次命名为AsbZIP001～AsbZIP387。

2.2 燕麦bZIP基因在染色体上的分布

AsbZIP基因在A，C，D染色体上的分布比例分别为35.13%，33.85%，31.03%。根据燕麦bZIP基因在染色体上的分布可以发现（图1），AsChrUn上不存在任何AsbZIP基因。除燕麦bZIP_C亚家族外，燕麦AsbZIP基因的bZIP_1、2、Maf亚家族基因分布在其余21条染色体上，且分布在AsChr5A上的基因最多。AsbZIP_1有137个基因；AsbZIP_2有132个基因；AsbZIP_Maf有106个基因；AsbZIP_C有10个基因。

图1 燕麦AsbZIP基因位置图

2.3 AsbZIP成员的性质及亚细胞定位分析

利用E x P A S y 网站预测燕麦b Z I P 转录因子家族成员性质。在AsbZIP家族中，蛋白质序列长度在76～1255aa，平均长度为402.124aa。分子量在8864.06～138121.7Da，平均分子量为43689.54Da。蛋白质等电点（pI）在4.6～10.24，平均值为7.26。

根据CELLO的预测，燕麦AsbZIP的成员分别有69个表达定位在细胞质、28个定位在细胞外、60个定位在膜外、177个定位在细胞周质上。

2.4 AsbZIP基因家族的结构域与基因结构分析

比较结构域发现，AsbZIP家族成员拥有10种bZIP结构域，有bZIP_plant_BZIP46、bZIP_HY5-like、bZIP_1、bZIP_C、bZIP_plant_GBF1、bZIP_2、bZIP_plant_RF2、bZIP_HBP1b-like、bZIP和bZIP superfamily。大部分燕麦bZIP成员都有着不止一个结构域，bZIP_1、bZIP_2和bZIP_Maf家族成员的bZIP结构域还可以与其他非bZIP结构域发生重叠。四个bZIP家族中，部分bZIP成员含有两个bZIP结构域。

基因结构显示，在AsbZIP_1中，外显子数目为3～20个；在AsbZIP_2中，外显子数目为3～17个；在AsbZIP_C中，外显子数目为8个；在AsbZIP_Maf中，外显子数目为3～17个。

2.5 AsbZIP基因家族系统发育树的构建

为研究燕麦bZIP蛋白的系统发育关系，基于拟南芥和燕麦共465个bZIP成员的蛋白序列构建了系统发育树（图2）。最终根据拟南芥分类系统将燕麦和拟南芥的bZIP基因分为15组。其中L组的成员是多的，共有104个AsbZIP成员。其中在G、H、K和N组中仅有燕麦的bZIP的蛋白，不含拟南芥基因。

图2 燕麦和拟南芥bZIP基因系统发育树

2.6 燕麦与其他物种基因组共线性分析

为了进一步分析燕麦与其他物种的亲缘关系，我们构建了燕麦和拟南芥、大麦、二穗短柄草、水稻、节节麦、玉米和小麦的基因组共线性分析图（图3）。根据各分析结果推测，燕麦与小麦基因组的染色体共线性比燕麦与其他物种更高，即燕麦与小麦在进化关系上更近，而与其他物种较远。

图3 AsbZIP基因组共线性分析

3 讨论

文章通过对387个bZIP转录因子燕麦进行染色体定位、理化性质分析、与拟南芥bZIP成员进行系统进化树及其他物种进行共线性分析。在AsbZIP家族中，蛋白质序列平均长度为402.124aa，平均分子重量为43689.54Da，平均等电点为7.26。AsbZIP表达定位在细胞质、细胞外、膜外和细胞周质上。在AsbZIP转录因子中发现10种不同的bZIP结构域，且一个转录因子可能同时含有不止一个bZIP结构域，说明该基因家族功能的多样性。

大部分AsbZIP成员与AtbZIP成员有较高同源性，但在G、H、K和N组中仅有AsbZIP，不含AtbZIP蛋白。通过基因组共线性结果发现燕麦与小麦基因组的染色体共线性比燕麦与其他物种更高，即燕麦与小麦在进化关系上更近。鉴于bZIP转录因子对植物的重要调控作用，该实验可进一步加深对燕麦AsbZIP转录因子的研究，为验证AsbZIP基因功能提供依据。