全 文 ：第 37 卷　第 5 期
2009 年 5 月
西北农林科技大学学报(自然科学版)
Journal of No rthwest A&F Univer sity(Nat.Sci.Ed.)
Vo l.37 No.5
May 2009
拟南芥次生生长相关 NAC转录因子
保守结构域分析＊
陈　莹 ,孙　霞 ,胡尚连 ,曹　颖 ,卢学琴
(西南科技大学生命科学与工程学院 , 四川 绵阳 621010)
[ 摘　要] 　【目的】了解植物次生生长调控网络以及挖掘新型次生生长相关 NAC 转录因子。【方法】通过生物
信息学手段对 19 个拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子进行氨基酸序列比对及系统发生树的构建 , 寻找保守结构
域 ,并对其保守结构域及蛋白质的二级结构 、亚细胞定位等进行分析 、预测。【结果】通过对 19 个拟南芥 NAC 转录因
子的 N 端保守域进行划分 ,共发现 A 、B、C 、D、E 5 个保守性不同 、同时含有多个化学修饰位点以及疏水性区域的亚结
构域 ,其中亚域 D 可能涉及 DNA 绑定及核定位信号功能 , 而位于多变氨基酸序列 C 端的 F 区与 G 区 , 可能涉及转录
激活功能 ,而该区域也是划分次生生长相关 NAC 转录因子亚家族的重要区域。【结论】拟南芥 NAC 类转录因子的
保守结构域 ,对于次生生长 NAC 转录因子家族功能的发挥具有重要作用。
[ 关键词] 　拟南芥;次生生长;NAC 转录因子;生物信息
[ 中图分类号] 　Q78 [ 文献标识码] 　A [ 文章编号] 　1671-9387(2009)05-0185-10
Analysis of NAC transcription factor and Its domain with
secondary growth in Arabidopsis thaliana
CHEN Ying , SUN Xia , HU Shang-lian , CAO Ying , LU Xue-qin
(Co llege o f Li f e Sciences an d Eng ineering , Sou thwest Universi ty o f S cience and Technolog y ,Mian yang , S ichuan 621010 , China)
Abstract:【Objective】The study w as done to bet te r understand the control netw ork of plant seconda ry
grow th and f ind new NAC transcription facto rs w ith secondary g row th in Arabidopsis.【Method】Multiple
alignment w as done and phy logenetic t ree w as buil t to find the conservat ive domains of NAC transcription
facto rs wi th secondary g row th in Arabidopsis.A naly sis and forecast of these conserv ative domains as w ell
as secondary st ructure w ere done w i th the help o f bioinfo rmational to ols.【Result】There we re f ive subdo-
mains in N side of amino acid w hich w ere A , B , C , D and E.These subdomains contained many chemical
modi ficat ion site s and hydrophobicity areas , and the conservative characters o f w hich w ere di fferent.Subdo-
main D was putative to bind DNA and function as nuclear localization signal , F area and G area in C side
were invovled in t ranscription act ivation and identify the NAC transcription factor subfami lies wi th second-
a ry g row th.【Conclusion】The conservative domains of NAC transcription factor w i th secondary grow th in
Arabidopsis play an impo rtant part in the function of N AC transcription facto r family w ith seconda ry
grow th .
Key words:Arabidopsis thal iana ;secondary g row th;NAC transcription factor;bioinformation
　　植物次生生长是一项重要的生命活动 ,主要通 过维管形成层的活动不断产生新的细胞组织 ,导致
＊[收稿日期] 　2008-08-12
[基金项目] 　四川省教育厅自筹项目(06ZD1018);西南科技大学博士基金项目(06ZX7126)
[作者简介] 　陈　莹(1983-),女 ,河南洛阳人 ,在读硕士 ,主要从事植物生理与分子生物学研究。 E-m ail:cyylotus@sina.com
[通信作者] 　孙　霞(1974-),女 ,山东日照人 ,博士,副研究员 ,主要从事植物生理与生物技术研究。 E-m ail:sunxia1936@126.com
植物增粗生长[ 1] 。相对于初生生长 ,植物次生生长
的分子生物学研究比较落后 。通过去除花序 、抑制
开花 、低密度种植以及短日照培养 ,拟南芥等草本植
物也可以产生次生木质部[ 2-4] ,这为次生生长的分子
生物学研究提供了便利。随着研究的深入 ,一些涉
及植物次生生长过程的调控因子 ,如 NAC 转录因
子等 ,由于在植物次生生长方面具有重要的作用而
逐渐被人们所认识。1997年 ,Aida 等[ 5]首先报道了
NAC结构域 ,发现在矮牵牛 N AM(NO AP ICAL
MERIS TEM)基因 、拟南芥 AT AF1/2 和 CUC2
(CUP-SHAPED COTY LEDON 2)基因编码蛋白
的 N端包含一段保守的氨基酸序列 ,随后取三基因
首字母命名为 NAC。2005年 ,Kubo 等[ 6] 对拟南芥
和白杨木质部导管分子形成系统进行微阵列分析发
现 ,一些与维管组织相关的 NAC 转录因子 VND
(Vascular-related NAC-Domain)参与了此过程 ,并
对其中 2个转录因子基因 VND6和 VND7进行抑
制表达发现 ,其突变体植株的木质部导管缺失 ,表明
该类 NAC 转录因子在介导维管组织导管形成方面
起着重要的调控作用 。在 NAC 转录因子中 , NST
转录因子 (NAC Secondary Wall Thickening Pro-
moting Factor)主要在拟南芥木本组织次生细胞壁
形成过程中调控次生壁的加厚 , 通过抑制基因
N ST1和 N ST2的表达 ,以阻止花药室内壁的次生
壁加厚 ,而 nst1-1 和 nst3-1 基因双敲除突变体植
株 ,则具有维管束间纤维及次生木质部细胞壁加厚
完全被抑制的特征[ 7-9] 。Ko 等[ 10] 发现 , 在拟南芥
根 、茎形成层区 , AN AC012/ NST3基因作为负调控
子 ,其异位表达可明显抑制木质纤维次生壁合成。
通过对拟南芥根胚轴木质部与韧皮部形成层基因组
表达谱分析 ,发现 6个具有 NAC 结构域的调控蛋
白 ,其中包括涉及植物叶片衰老调控的木质部发育
相关 NAC 转录因子基因 X ND1/AN AC104(Xy-
lem N AC Domain 1),该基因在拟南芥中过量表达
能够阻止管状分子 TE(Tracheary Element)的分
化 ,表现为次级细胞壁不能形成 、维管束细胞不能进
行细胞程序化死亡(PCD)过程[ 11] ;有研究小组利用
蛋白酶抑制剂 MG132处理植物后 ,发现 NAC转录
因子基因 ———X ND1 基因 , 其敲除植物植株较矮
小 ,而过量表达 XND1基因其植株则极端矮小且呈
现导管缺失的表型 , 说明 NAC 转录因子基因
X ND1作为负调控子 ,通过调控次生细胞壁合成以
及木质部 PCD过程 ,从而影响管状分子的生长[ 12] 。
NAC转录因子在复杂的次生生长调控网络中
起着重要作用 ,而关于其行使重要功能的蛋白质保
守结构域的生物信息学分析目前还鲜有报道 。本研
究通过对拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子保守
结构域进行分析和预测 ,阐明植物次生生长相关基
因表达调控机理及蛋白质高级结构 ,旨在为挖掘新
型次生生长相关 NAC 转录因子提供一定的参考价
值。
1　材料与方法
1.1　材　料
数据资料来源于美国国立生物技术信息中心
NCBI(ht tp ://www .ncbi.nlm .nih.gov/)蛋白质数
据库。19个拟南芥 NAC类转录因子包括已注册的
VND1 ～ VND7[ 6] 、NST1 ～ NST3[ 7-9] 、XND1[ 12] 11
个与次生生长相关的 NAC 类转录因子 ,以及该结
构域家族 8个具有典型生物学功能的 NAC 类蛋白
(NAC1[ 13] 、 CUC1[ 14] 、 NAM [ 15] 、 ATAF1[ 16] 、
ANAC[ 17] 、NAP[ 18] 、T IP[ 19] 、N TM1[ 20] )完整的氨基
酸序列 ,其数据库核酸序列编号和氨基酸序列编号
及主要功能见表 1。
1.2　方　法
利用生物信息学数据库和互联网上的生物信息
学软件 ,对次生生长相关 NAC 类转录因子进行分
析 ,所用分析软件的相关网站如表 2所示 。
1.2.1 　次生生长相关 NAC 类转录因子氨基酸序
列比对分析及系统发生树的构建　利用欧洲生物信
息学研究所(EBI)在线的 ClustalW2 程序[ 21] 以及
TreeView ,进行氨基酸序列的多重比对及系统发生
树的构建 ,寻找氨基酸保守区。系统发生树的构建
参数设置:采取遗传距离建树法的相邻连接法
(Neighbo r-Joining ,NJ)[ 22] 构建系统树 ,对生成的树
进行 Bootst rap(自引导)校正 ,最终生成系统发生
树。
1.2.2 　次生生长相关 NAC 类转录因子氨基酸序
列保守区分析及疏水性预测 　利用 ExPASy 的
ScanProsi te在线分析软件 ,进行氨基酸保守区搜索
及 Motif预测;利用在线 Pro tScale 及DNAMAN软
件 ,进行氨基酸序列疏水性分析 。参数设置:采用
Ky te-Doo li t tle算法[ 23] ,滑动视窗设置为 6。
1.2.3 　次生生长相关 NAC 类转录因子二级结构
预测及亚细胞定位分析　利用 SOPMA 在线工具
预测蛋白质的二级结构 ,用 PSORT Prediction 对转
录因子蛋白进行亚细胞定位。
186 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 37 卷
表 1　拟南芥 NAC 类转录因子核酸和氨基酸序列编号及其主要功能
Table 1　 Nucleotide and cor responding amino acid sequences o f NAC tr anscription factor s in Arabidopsis thaliana
序号
Sequen ce No. 名称Name
NCBI 数据库核
酸序列编号
Nucleotide No.
in database
NCBI数据库氨基
酸序列编号
Protein No.
in database
主要功能
Main fun ction
1 VND1 NM 127362 NP 179397 次生生长 S econdary grow th
2 VND2 NM 119783 NP 195339 次生生长 S econdary grow th
3 VND3 NM 126028 NP 201431 次生生长 S econdary grow th
4 VND4 NM 101098 NP 172690 次生生长 S econdary grow th
5 VND5 NM 104947 NP 176457 次生生长 S econdary grow th
6 VND6 NM 125632 NP 201044 次生生长 S econdary grow th
7 VND7 NM 105851 NP 177338 次生生长 S econdary grow th
8 NST1 NM 130243 NP 182200 次生生长 S econdary grow th
9 NST2 NM 116056 NP 191750 次生生长 S econdary grow th
10 NST3 NM 103011 NP 174554 次生生长 S econdary grow th
11 XND1 NM 125849 NP 201258 次生生长 S econdary grow th
12 N AC1 AF198054 AAF21437
生长激素信号应答
Resp on sion for au xin signals
13 CUC1 NM 112380 NP 188135 花器官发育 Development of fl ow er organs
14 NAM NM 104166 NP 175696 顶端分生组织形成 Apical meri stem form at ion
15 ATAF1 NM 100054 NP 171677 逆境应答 Responsion for adversity
16 ANAC NM 104167 NP 175697 激素信号应答 Responsion for auxin signals
17 NAP NM 105616 NP 564966 植物衰老 Plan t senescence
18 TIP NM 122367 NP 197847 与病毒蛋白互作
Interaction wi th vi ru s proteins
19 NTM1 NM 001084874 NP 001078343 细胞膜绑定 Cel l m emb rane-b ound
表 2　生物信息学分析网站
Table 2　The web of bio information
网站
Web
网址
Web address
Clus talW2 ht tp:// www .ebi.ac.uk/ Tools/ clustalw 2/
ScanProsite ht tp:// www .expasy.ch/ tools/ scanprosite/
SOPMA ht tp:// npsa-pbil.ibcp.f r/ cgi-bin/ npsa au tomat.pl? page=np sa s opm a.h tm l
PSORT ht tp:// www .psort.o rg/
2　结果与分析
2.1　拟南芥 NAC 类转录因子氨基酸序列的比对
分析
利用 EBI 在线的ClustalW2程序进行氨基酸序
列多重比对 ,结果如图 1 所示。根据比对结果(图
1)发现 ,19个 NAC 转录因子在蛋白质氨基酸序列
N端保守性较强 ,其保守结构域由高度保守的大约
150个氨基酸残基组成 ,具有典型的 NAC转录因子
结构特征 ,而位于蛋白质氨基酸序列 C 端保守性较
弱。对 N端保守结构域进一步划分 ,将其分为 A 、
B 、C 、D 、E 5个亚结构域 。
2.2　拟南芥 NAC类转录因子系统发生树的构建
利用 T reeView ,对19个拟南芥NAC 转录因子
氨基酸序列多重比对结果进行系统发生树的构建 ,
结果见图 2。图 2显示 ,19个 NAC转录因子主要聚
为两类 ,一类包括除 XND1外的10个与次生生长相
关的 NAC 转录因子(VND1 ～ VND7 和 NST1 ～
NST3);另一类包括拟南芥中涉及各种生物学功能
的 NAC 转录因子(NAC1 、CUC1 、ANAC 、NAM 、
ATAF1 、NAP 、TIP 、N TM1)及 XND1。XND1 虽然
为与次生生长相关的 NAC 转录因子 ,但其氨基酸
序列比对及系统发生树的聚类结果 ,与其他具有该
类功能的 NAC 转录因子相差较大 ,即在进化过程
中 ,XND1与其他次生生长相关的 NAC转录因子发
生偏离 。有研究表明 ,基因在进化过程中可以发生
倍增 、重组或突变 ,从而导致基因的水平转移 ,这可
能是转录因子聚类与其扮演的功能发生冲突的一个
重要原因[ 24] 。从该系统发生树中还发现 , NAC1 、
CUC1 、ANAC 、NAM 、A TAF1 、NAP 、T IP 、N TM1 8
个 NAC 转录因子的聚类关系远近略有差别 ,这可
能与他们各自的进化及其功能有着密切联系 。
187第 5 期 陈　莹等:拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子保守结构域分析
图 1　19 个拟南芥 NAC 类转录因子氨基酸序列的比对结果
阴影部分为保守位点 ,黑色部分保守性最强 ,灰色部分保守性稍弱;字母 A 、B、C 、D 、E下面的方框部分为 NAC 转录因子 N 端保守区
5个保守亚结构域;字母 F 、G 下面方框部分为 NAC转录因子C 端保守性较弱区 ,推测为拟南芥次生生长相关
NAC转录因子氨基酸序列C端转录激活功能区
Fig.1　Multiple alignment result of 19 NAC transc ription facto rs in Arabidopsis thaliana
Th e conservative domain sites are sh aded , black part is st rong , and th e gray part is s light ly weak.A to E are show n above the s equences as
subdomains.F and G are show n as t ran scrip tional activat ion d om ain s of NAC transcription factor w ith secondary grow th in Arabidop sis thal iana
188 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 37 卷
续图 1　19个拟南芥 NAC 类转录因子氨基酸序列的比对结果
阴影部分为保守位点 ,黑色部分保守性最强 ,灰色部分保守性稍弱;字母 A 、B、C 、D 、E下面的方框部分为 NAC 转录因子 N 端保守区
5个保守亚结构域;字母 F 、G 下面方框部分为 NAC转录因子C 端保守性较弱区 ,推测为拟南芥次生生长相关
NAC转录因子氨基酸序列C端转录激活功能区
Continuted fig.1　Multiple alignment result of 19 NAC transcription facto rs in Arabidopsis thaliana
The conservat ive domain sites are shaded , b lack part is st rong , and the gray part is sli ght ly w eak .A to E are
show n ab ove th e sequences as subdomains.F and G are show n as t ran script ional activation domains of NAC transcrip tion factor
wi th s econdary grow th in Arabid opsis tha liana
2.3　拟南芥 NAC 类转录因子氨基酸序列保守区
分析及亲/疏水性的预测
　　保守结构域是蛋白质中能够折叠成特定三维结
构的一段区域 ,其结构亚单位称为模体(mo tif),组
成这些模体的氨基酸区段行使特异的功能 ,并蕴含
各自的遗传进化信息 。NAC 转录因子 N 端含有高
度保守的 NAC 结构域 ,从而构成了植物特异性转
录因子大家族 。根据氨基酸多重比对的结果 ,对
NAC转录因子保守结构域从 N 端到 C 端进行划
分 ,结果发现依次有 A 、B 、C 、D 、E 5 个氨基酸相对
保守区(或保守亚域), 该亚域划分结果与 Ooka
等[ 25] 对拟南芥和水稻 NAC 家族结构亚域划分结果
189第 5 期 陈　莹等:拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子保守结构域分析
相近 。在 Expasy 的 ScanPro site 数据库中 ,这 5个 保守亚域共同组成 NAC 保守结构域(图 3)。
图 2　19 个拟南芥 NAC 类转录因子的系统发生树
Fig.2　Phy lo genetic tr ee o f 19 NAC tr anscription factor s in Arabidopsis thaliana
图 3　利用 Scan P ro site 对 VND1进行保守域搜索的结果
结果显示 9～ 158序列为保守结构域 ,其分值:score=59.279
F ig.3　VND1 conse rvativ e domain using Scan P rosite pro g ram
S equence 9-158 are show n as conservat ive domain , score=59.279
图 4　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子转录激活区多重比对的结果
(1)为 F 区 ,(2)为 G 区。阴影标注为保守位点 ,黑色部分为次生生长相关 NAC类转录因子相对于其他该家族转录因子氨基酸序列
保守性最强区域 ,灰色部分保守性较弱。该比对结果来源于 19个 NAC类转录因子 C端序列比对结果
Fig.4　Multiple alignment results of NAC transcription facto r with secondary gr ow th in transcriptional activa tion domain
(1)Show s F subdomain ,(2)Show s G subd om ain.The conservat ive domain sites are shaded , b lack part is st rong ,
and the gray part i s sligh tly w eak.This alignment com es f rom th e mul tiple alig nmen t result of 19 NAC transcription factors in C end
　　拟南芥次生生长相关 NAC类转录因子保守结
构亚域的氨基酸序列模式及其保守性 、Motif 分析
结果 、亲/疏水性见表 3和表 4 。由表 3可知 , A 、B 、
C 、D 、E 5个亚域每位点氨基酸变化幅度为 1 ～ 4 ,由
于 XND1的存在 ,使各保守域相似程度峰低 ,每位
点 1 ～ 2个氨基酸变化幅度在各保守亚域内普遍存
在。表 4显示 ,各保守亚域保守性由强到弱依次排
列为:C>D>A >E>B。根据氨基酸序列比对结果
还发现 ,位于蛋白质氨基酸序列 C 端有 2 个较为保
守的区域(图 1和图 4),分别为 F 区与 G 区 ,是 11
190 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 37 卷
个与次生生长相关 NAC 转录因子所共有 ,其他 8
个NAC转录因子氨基酸序列C 端的 F 区和G 区保
守性较弱 ,故未在图 4中列出。对这两个保守区域
进行分析发现:F 区较为保守的氨基酸是亮氨酸(L)
和脯氨酸(P);而 G 区较为保守的氨基酸是色氨酸
(W)、亮氨酸(L)、天冬氨酸(D)、缬氨酸(V)和谷氨
酰胺(Q)(图 4)。NAC 转录因子 C端一般是转录激
活所在区(TA Rs),该区域一般富含酸性氨基酸 、谷
氨酰胺以及脯氨酸等不同种类氨基酸 ,同时氨基酸
具有高度的多样性。 19 个拟南芥次生生长相关
NAC转录因子在多变的氨基酸序列 C端 ,均含有这
两个较强的保守结构域 ,推测其可能为转录激活功
能区。
表 3　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子保守结构亚域的氨基酸序列模式
Table 3　Amino acid arr ay pattern of conserv ative subdomains of NAC transcription fac to r
seconda ry w ith g rowth in Arabidopsis thaliana secondary
亚结构域
Subdomain
氨基酸序列模式
Amino acid array pattern in subdomain
亚域 A
Subdomain
A
V 64 P100P100G 100F91R 100F100H 91 P100 T100D64E100E100 L100V 73 Y 91Y91 L100R64K 73K 100
I18　　　　　　Y 9　　　 F9　　　　E36　　　　　 L27 　　H9 F9　　　K 18R18
M 9　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　D9 N 9
L9　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 H9
亚域 B
Subdomain
B
D100V 82 I100R46D73 I55D 100 L100Y73K 73I55E91 P100W 91D100 L55Q 91E82　　F9 　　K 27E 27V 36 　　　N 27R18 L27D9 　　C9 　　 I45 P9 A 9　　I9 　　P18 　L9 　　　　　H9 M 9　　　　　　　　G 9
　　　　　V 9 　　　　　　　　　　 Y9
亚域 C
Subdomain
C
E55W100Y100 F100 F82S100H91K 91D 91K82K 91Y91P91 T91G91T91R91 T91N91R100A 91 T100 A 73G100 F91W100K91A 91T91G 100R91D100K91A64I64
D36 　　　　　　Y18　　R9R9 T9 R9　X9 　X9 X9 X 9 X9 X9 X 9 X 9 E9　　　V 9　　　S9 　 Y9 　 G9 S9 　M 9 　　M 9　 E9 I18 V 36
Q9 　　　　　　　　　　　　　Q9 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V 9　　　　　　　　　　 　　　　　　T9　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　N 9　　　　　　　　　　　　　　　　P9
亚域 D
Subdomain
D
I82G 100M 82R91K 100 T91 L100V 91F91Y 100K 82G100R91A 91 P91N 64G 91Q 82K 91 S82D 91W100I100M 91H 91E100Y100R82 L100
V 18 　 L9 K 9 　 Y9 　　T9 Y 9　 R9 　　D 9 X9 X9H 27X9 K 9　X9 T 18N 9　　　　I9　Q 9　　　 Y 9
　　　I9 　　　　　　　　　　　　L9 　　　　　　　S 9　　R 9　　　　　　　　　　　　　 　 S9
亚域 E
Subdomain
E
E91G 91W91V 91V 91C 91R91A 46F91K 73K 91
X9 X9 X9 X 9 X 9 X 9 X9 V 36X 9 R18X 9　　　　　　　　　　　I9　　X 9　　　　　　　　　　　X 9
　　注:各亚域氨基酸序列模式中英文字母代表该位点所含氨基酸 , X 表明该位点没有氨基酸 ,各字母右下角数字代表该类氨基酸在此点所占
百分比。各亚域划 处表示该位点氨基酸保守性不强。XND1的存在使保守亚域相似性程度降低。
Note:Let ters in amino acid array pat tern represent amino acid of thi s site , X represent th ere is n o amin o acid , th e f igure represent percent-
age in thi s site.Lineation in conservat ive su bdomain s indicates that amino acid conservative is not st rong.T he exist ing of XND1
low er the similarit y degree of conservative subdomains.
表 4　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子保守结构亚域的特点
Table 4　Cha racteristics o f conser vativ e subdomains o f NAC t ranscription factor with seconda ry g row th in Arabidopsis thaliana
亚结构域
Subdomain
保守性
Conservative character
M otif 分析
M otif analysi s
亲/疏水性
Hy drophilici ty/H ydrophobici ty
亚域 A
Subdomain A
强 St rong 含有酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点
Contain casein kinase Ⅱ phosph orylation site
亲水性
Hyd rophi licity
亚域 B
Subdomain B
较弱
Weaker
- 亲水性较强
St rong hydrophilici ty
亚域 C
Subdomain C
最强
St rongest
含有酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点 、蛋白激酶
C磷酸化位点 、N-肉豆蔻酰化位点
Contain casein kinase Ⅱ phosph orylation si te , protein kinase C
phosp horylation si te and N-my ristoylation si te
疏水性较弱
Weak hyd roph obicity
亚域D
Subdom ain D
较强
S t ronger
含有 N-肉豆蔻酰化位点(除 XND1)
Contain N-myris toylat ion site(except XND1)
疏水性较弱
Weak hyd roph obicity
亚域 E
Subdomain E
弱 Weak - 疏水性较强
St rong hydrophobici ty
　　蛋白质生物合成后 ,对其活性进行调节的一种
重要形式是化学修饰 ,比如蛋白质的磷酸化 、N-肉
豆蔻酰化等。磷酸化对于蛋白质的功能影响很大 ,
比如蛋白激酶 C 的磷酸化对于机体代谢 、基因表
达 、细胞分化和增殖起着重要作用 。蛋白质在进行
N-肉豆蔻酰化后 ,蛋白质的功能会发生改变 ,其与
细胞质膜及其他蛋白质的结合能力也会明显加
强[ 26] 。利用 ScanProsite程序对各保守结构亚域进
行 Motif分析(表 4)发现 ,亚域 A 富含酪蛋白激酶
Ⅱ磷酸化位点 ,尤其在氨基酸 TD(E)E 处几乎 19
191第 5 期 陈　莹等:拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子保守结构域分析
个 NAC 转录因子所共有 ,表明该亚域可能受到了
磷酸化修饰;亚域 C 除含有酪蛋白激酶 Ⅱ磷酸化位
点外 ,还含有蛋白激酶 C磷酸化位点以及 N-肉豆蔻
酰化位点;亚域 D仅含 N-肉豆蔻酰化位点;亚域 B
与亚域 E除个别 NAC 转录因子(TIP 在亚域 B含
有蛋白激酶 C磷酸化位点)外 ,其他 NAC 转录因子
几乎不含任何功能性位点 。
　　利用在线 Pro tScale 及 DNAMAN 软件 ,对拟
南芥次生生长相关 NAC类转录因子氨基酸保守亚
域进行疏水性预测(表 4 和图 5),根据氨基酸分值
越高疏水性越强 ,分值越低亲水性越强的原则发现 ,
在亚域 A ,除 NTM1(只含有 1个疏水性区)外 ,其
他 NAC 转录因子均存在 2个疏水性区域。亚域 B
疏水性不强 ,不过在该区 1 ～ 5 aa 处普遍有 1个疏
水性峰 ,但疏水性分值不高 , 约为 1.5(VND7 除
外)。亚域 C 疏水性不强 , VND1 ～ VND3 以及
NST1 ～ NST3在该区域 19 ～ 28 aa 处有 1个疏水性
峰;而 VND4 ～ VND7以及 XND1在该区域几乎不
存在疏水性区;除 T IP 及 NAP 外 ,其他 NAC 类转
录因子均显示较强亲水性 。在亚域 D , 所有 NAC
转录因子在该区域 5 aa 处有 1 个疏水性区域
(VND7及 N TM1除外)。在亚域 E ,所有次生生长
相关 NAC 转录因子在该区域 1 ～ 8 aa 处有 1个疏
水性区域;除 N TM1 外(该转录因子在该亚域由于
序列不保守而造成其疏水性图谱显示无规律性),其
他 NAC转录因子在该区域 2 ～ 8 aa 处有 1个疏水
性区域 。蛋白质之间一般是靠其疏水性界面相互结
合 ,形成二聚体并结合DNA ,次生生长相关 NAC转
录因子在 N 端含有疏水性区 ,推测其氨基酸序列中
可能含有一段可以结合 DNA ,并能形成二聚体结构
的区域 。研究表明 , ANAC 转录因子可以通过其单
体表面的疏水性界面发生相互作用 ,而涉及蛋白质
互作的疏水性残基主要处于保守的 N 端结构域[ 14] ,
这说明处于 N 端的 NAC 保守域 ,可能是 NAC 转录
因子功能得以实现的重要区域。对 F 区与 G 区进
行分析发现 ,这两个区域主要含有 2个疏水性峰 ,可
能是跨膜基序 ,推测该基序所在区可能涉及转录激
活功能 。整体而言 ,所有次生生长相关 NAC 类转
录因子 ,整个肽链亲水性氨基酸数多于疏水性氨基
酸 ,因此可认为 , 该类转录因子属亲水性蛋白。总
之 ,拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子保守结构
域 ,在氨基酸序列保守性 、Motif 分析以及亲/疏水
性等方面的特点表明 , 保守结构域对于次生生长
NAC转录因子家族功能的发挥起着重要作用。
图 5　拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子 VND1 全序列的疏水性图谱
该图谱方框处为 A 、B 、C 、D 、E 、F、G 7个保守亚域所在区域;其中 A 、B 、C 、D、E 5个保守亚域为 19个 NAC转录因子共有 ,
F 区与 G 区为 11个与次生生长相关 NAC转录因子所特有;由于疏水性图谱较多 ,其他 18个 NAC转录因子未一一列出
Fig.5　P redicted hydrophobicity g raph for NAC transcription fac to r VND1 o f secondary g row th in Arabidopsis thaliana
A to E are show n ab ove th e rectangles as subdomains;F and G are su bdomain s ow n by NAC trans cript ion factor of secondary grow th
in A rabid opsis tha liana;Other 18 NAC trans cript ion factors are not li sted because of too many hydrophobici ty graphs in existence
2.4　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子二级
结构的预测
蛋白质分子的生物学功能由其高级结构决定 ,
其多肽链通常折叠和盘曲成比较稳定的空间结构 ,
以形成特有的生物学活性和理化性质。因此 ,蛋白
质二级结构分析与预测 ,对了解其空间结构及功能
具有重要的意义 。利用 SOPMA 在线工具 ,对蛋白
质的二级结构进行了预测。图 6 为次生生长相关
NAC类转录因子 VND1 氨基酸序列二级结构的预
测结果 。由图 6可知 , α-螺旋和不规则卷曲这两类
192 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 37 卷
结构元件在转录因子 VND1中所占比例较大 ,而 β-
转角和延伸链则散布于整个蛋白质中。对其他次生
生长相关 NAC 类转录因子进行预测也得到类似结
果 ,只是各结构元件所占比例略有不同。
图 6　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子 VND1 二级结构的预测结果
A 、B 、C 、D、E下面的方框部分为 NAC转录因子的 5个保守亚域 ,不同长度竖线所组成的区域分别代表转录因子不同类型的二级结构;
图中数字代表蛋白质氨基酸序列的不同位点
Fig.6　P redicted seconda ry str ucture fo r NAC transcription facto r of VND1 in Arabi dopsis thaliana
A to E are show n above as subdomains , di fferent leng th s of lines represent dif feren t types of secon dary st ructu re;
Th e figu res represen t the dif feren t sites of amino acid sequ ences in protein
2.5　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子的亚
细胞定位
亚细胞定位与蛋白质的功能存在着非常重要的
联系 。亚细胞定位预测基于如下原理:(1)不同的细
胞器往往具有不同的理化环境 ,其根据蛋白质的结
构及表面理化特征 ,选择性容纳蛋白;(2)蛋白质表
面直接暴露于细胞器环境中 ,它由序列折叠过程决
定 ,而序列折叠过程又和氨基酸组成密切联系。因
此 ,可以通过氨基酸组成进行亚细胞定位预测 。
　　利用 PSO RT 软件 ,对 19个拟南芥次生生长相
关 NAC 类转录因子进行亚细胞定位 ,发现 VND1
和 VND2 定位于细胞核的可能性较大 , VND3 和
XND1定位于细胞微体的可能性较大 ,其他转录因
子定位于细胞质的可能性较大。图 7是 VND1的
亚细胞定位结果 ,该结果显示 ,VND1定位于细胞核
(nucleus)的可能性为 70%, 定位于微体(micro-
body)的可能性为 18%,定位于线粒体(mito chon-
drial matrix space)的可能性为 10%,从而推断该蛋
白可能最终定位于细胞核内。
图 7　拟南芥次生生长相关 NAC 类转录因子 VND1 的亚细胞定位结果
Fig.7　Subcellular Loca lization P rediction o f NAC tr anscription factor o f VND1 pro tein in Arabidopsis thaliana
3　讨　论
NAC转录因子是近十几年来发现的具有多种
生物学功能的植物特异性蛋白 ,该转录因子家族的
共同特点是 ,在蛋白质氨基酸序列 N 端含有一个高
度保守的 NAC 结构域[ 5] 。本研究对拟南芥 19个
NAC转录因子 N 端保守域的亚域划分发现 ,在 A 、
B 、C 、D 、E这 5个保守结构域中 ,C 、D亚域与其他结
构域相比保守性较强。一般而言 ,蛋白质不同区域
由于进化速率不同 ,其保守性也存在差异 ,在这些保
守位点上 ,一些氨基酸残基对于蛋白质的结构和功
能是至关重要的。C 、D 区具有较强的保守性可能
与该区所具有的重要功能有关 。研究显示 ,拟南芥
NAC转录因子 ANAC 、NAC1和 NAM 蛋白质氨基
酸序列 N 端保守域 , 可特异结合 CaMV35S 启动
子[ 14 , 27-28] ,该启动子-90 ～ +9 CaMV 序列片段含
有回文序列可能是 NAC 二聚体蛋白结合位点 ,序
列分析还发现 , 氨基酸序列 Val 118 ～ Ser 183 及
Val 111 ～ Lys 168 区域分别是 NAM 及 ANAC 的
DNA 绑定位点 , Lys 114 ～ Asn 131 区域和 Arg
120 ～ Asp 137区域则分别是 ANAC 及 NAC1 的双
向核定位信号区(N LS)[ 14] 。由本研究氨基酸序列
比对结果可知 , NAM 氨基酸序列的 Val 118 ～ Ser
183区域 、ANAC 氨基酸序列的 Val 111 ～ Lys 168
193第 5 期 陈　莹等:拟南芥次生生长相关 NAC 转录因子保守结构域分析
区域以及 ANAC 氨基酸序列的 Lys 114 ～ Asn 131
区域和NAC1的 Arg 120 ～ A sp 137区域 ,均处亚域
D ,因此推测次生生长相关 NAC转录因子亚域 D可
能涉及 DNA 绑定及核定位功能。同时 ,本研究还
发现 ,位于多变的氨基酸序列 C端含有两个较为保
守的结构域 F 区与 G 区 ,该区域可能涉及转录激活
功能 ,而在多变的氨基酸序列 C端含有的保守结构
域 ,是划分次生生长相关 NAC 转录因子亚家族的
重要区域 。疏水性是决定蛋白质三维空间构象的重
要因素之一 ,许多转录因子通常会利用其疏水性区
与其他蛋白质发生相互作用 ,而这种互作对于植物
的生长调控具有重要的作用 。有研究表明 ,转录因
子 MYB46 、MYB26/ MS35通过与 NST 蛋白的相
互作用 ,参与植物次生生长调控[ 29-30] ,而在此过程中
蛋白质保守结构域的疏水性起着重要作用。
NAC转录因子广泛存在于陆生植物中 ,仅在拟
南芥中至少存在 100多种 NAC编码基因[ 31] 。笔者
通过生物信息学同源性搜索 ,发现有许多未知蛋白
与次生生长相关 NAC 转录因子具有高度的同源
性 ,未来研究重点将集中在对这些未知功能的 NAC
蛋白进行分析与鉴定 ,而其中对重要功能域 、N LS
区及靶基因的鉴定[ 32] 将是次生生长相关 NAC 转录
因未来研究的重点。总之 ,由于转录因子数量之庞
大 ,对次生生长相关 NAC 蛋白的研究任重而道远 ,
相信随着组织学和生物信息学的发展 ,以及对植物
次生生长转录表达谱及相关 NAC候选基因的深入
了解 ,次生生长复杂的分子调控网络将会越来越清
楚。
[ 参考文献]
[ 1] 　田　敏 ,夏琼梅 ,李纪元.植物的次生生长及其分子调控 [ J] .
遗传 , 2007 , 29(11):1324-1330.
Tian M , Xia Q M , Li J Y.Th e secondary grow th in plant and
i ts molecu lar regulation [ J] .Hereditas , 2007 , 29(11):1324-
1330.(in Chinese)
[ 2] 　Oh S , Park S , H an K H.Transcrip tional regu lation of seconda-
ry grow th in Arabidop sis [ J] .J Exp Bot , 2003 , 54(393):2709-
2722.
[ 3] 　Ko J H , Han K H , Park S , et al.Plant body w eig ht-indu ced sec-
ondary grow th in Arabidop sis and i ts t ran script ion p henotype
revealed by w hole-transcriptome profi ling [ J] .Plant Physiolo-
gy , 2004 , 135:1069-1083.
[ 4] 　C haf fey N , Cholew a E , Regan S , et al.S econdary xy lem devel-
opment in A rabido psis:a m odel for w ood formation [ J] .Physi-
ol Plant , 2002 , 114(4):594-600.
[ 5] 　Aida M , Ishida T , Fkaki H , et al.Genes involved in organ sepa-
rat ion in Arabidop sis , analysis of the cu p-shaped cotyledon mu-
t ant [ J] .T he Plant Cell , 1997 , 9:841-857.
[ 6] 　Kubo M , Udagaw a M , Nishik ubo N , et al.Transcrip tion swi t-
ches for protoxylem and metaxylem vessel formation [ J ] .
Genes &Dev , 2005 , 19:1855-1860.
[ 7] 　Mitsuda N , Seki M , Shinozaki K , et al.Th e NAC transcription
factors NST 1 and NST2 of Arabidop sis regulate secondary
w all thick ening s and are required for anther dehiscence [ J] .
Plant C ell ,2005 , 17(11):2993-3006.
[ 8] 　Mitsuda N , Iw as e A , Yamamoto H , et al.NAC transcription
factors , NST1and NST3 , are key regu lators of the formation of
secondary wall s in w oody ti ssues of A rabid opsis [ J ] .Plant
Cell , 2007 , 19(1):270-280.
[ 9] 　Zhong R , Demu ra T , Ye Z H .SND1 , a NAC domain t ranscrip-
t ion factor , is a k ey regulator of secondary w all sy nthesi s in fi-
bers of Arabid opsis [ J] .Plant Cel l , 2006 , 18(11):3158-3170.
[ 10] 　Ko J H , Yang S H , Park A H , et al.NAC012, a member of
the p lan t-specif ic NAC trans cript ion factor family , negat ively
regulates xy lary fib er developmen t in Arabidopsis thaliana
[ J] .Plant J , 2007 , 50(6):1035-1048.
[ 11] 　Zhao C S , Craig J C , Petzold H E , et al.T he xy lem and phloem
transcriptom es f rom secondary tis sues of the A rabid opsis
root-hypocotyl [ J] .Plant Physiology , 2005 , 138(2):803-818.
[ 12] 　Zh ao C , Avci U , Gran t E H , et al.XND1 , a member of the
NAC domain family in Arabidop sis th aliana , negatively regu-
lates lignocellu lose synthesis and programmed cell death in
xy lem [ J] .Plant J , 2008 , 53(3):425-436.
[ 13] 　Guo H S , Xie Q , Fei J F , et al.MicroRNA direct s mRNA
cleavage of the t ran script ion factor NAC1 to dow nregu late
auxin signals for Arabidopsis lateral root development [ J] .
Plant C ell , 2005 , 17(5):1376-1386.
[ 14] 　Takada S , Hibara K , Ishida T , et al.The CUP-SHAPED COTY-
LEDON gene of Arabidopsis regulates shoot apical meristem for-
mat ion [ J] .Development , 2001 , 128(7):1127-1135.
[ 15] 　S ou r E , Houw el Ingen V A ,K loos D , et al.Th e n o apical mer-
is tem gene of petunia is required for pat tern formationin em-
b ryos and f lowers and is expressed at m eris tem and p rimordial
b ou ndaries [ J] .Cell , 1996 , 85(2):159-170.
[ 16] 　H u H , Dai M , Yao J , et al .Overex pres sing a NAM , AT AF ,
and CUC(NAC)t ranscription factor enhances drough t resi st-
ance and salt tolerance in rice [ J] .Proc Nat l Acad S ci U S A ,
2006 , 103(35):12987-12992.
[ 17] 　E rnst H A , Olsen A N , Sk river K , et al.S t ructure of the con-
served domain of ANAC , a member of the NAC family of
t ranscription factors [ J] .Embo Rep , 2004 , 5(3):297-303.
[ 18] 　Guo Y , Gan S .AtNAP , a NAC family t ranscription factor ,
h as an im portan t role in leaf senescence [ J] .Plant J , 2006 , 46
(4):601-612.
[ 19] 　Ren T , Qu F , Morris T J .HRT gene funct ion requires interac-
t ion betw een a NAC protein and viral capsid protein to confer
resis tance to tu rnip crin kle vi rus [ J] .Plan t Cell , 2000 , 12
(10):1917-1926.
(下转第 200页)
194 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 37 卷
天然产物研究与开发 , 2005 , 17(5):553-556.
Wu C ,C hen L L.Study on scavenging activity of f ree radical s
by S emen cuscutae f lavonoids [ J] .Natural Produ ct Research
and Development , 2005 , 17(5):553-556.(in Chinese)
[ 9] 　邓胜国.荷叶黄酮体外抗氧化活性的研究 [ J] .食品科技 , 2006
(7):274-276.
Deng G.Study on the ant ioxidant act ivity of fl avonoids ext rac-
t ed f rom lotu s leaves in vit ro [ J] .Food S cien ce and Techn olo-
gy , 2006(7):274-276.(in Chinese)
[ 10] 　陈乃富 ,张　莉.蕨菜黄酮类化合物的提取与分析 [ J] .中国
林副特产 , 2004(6):1-4.
C hen N F , Zhang L.Ex t ract ion and analysi s of f lavon oid s
f rom P teridium aqui linum var.lat iusculum [ J] .Forest By-
Product and Speciali ty in China , 2004(6):1-4.(in Chinese)
[ 11] 　杨　洋 ,韦小英.柚皮黄酮类化合物的提取方法和抗氧化性的
研究 [ J] .食品与发酵工业 , 2002 , 28(6):9-12.
Yang Y , Wei X W.S tudy on th e ext raction method of f la-
vonoid compound in pomelo peel and i t s ant ioxidation p rop-
erty [ J] .Food an d Ferm entation Indus tries , 2002 , 28(6):9-
12.(in Chinese)
[ 12] 　李　丹 , 肖　刚 , 丁霄霖 , 等.苦荞黄酮抗氧化作用的研究
[ J] .无锡轻工大学学报 , 2001 , 20(1):44-47.
Li D ,Xiao G , Din g X L , et al.S tudy on antioxidan t ef fect of
tartary buckw heat flavonoid [ J] .Jou rnal of Wuxi University
of Light Indu st ry , 2001, 20(1):44-47.(in Chinese)
[ 13] 　杨建雄 ,原江峰 , 李发荣.柿叶黄酮的体外抗氧化作用研究
[ J] .营养学报 , 2003 , 25(2):215-217.
Yang J X , Yuan J F , Li F R.T he ant i-oxidat ive effect of per-
simmon leaf falconoid in vi t ro [ J] .Acta Nut imenta Sinica ,
2003 , 25(2):215-217.(in Chinese)
[ 14] 　杨建雄 ,杨　晨 ,邱　娟 ,等.连翘叶黄酮的体外抗氧化作用
[ J] .天然产物研究与开发 , 2007(19):97-100.
Yang J X , Yang C , Qiu J , et al.In vi tro ant ioxidant p ropert ies
of F orsythia suspense leaves flavonoids [ J] .Natu ral Produ ct
Research and Development , 2007(19):97-100.(in Chinese)
[ 15] 　郑敏燕 ,魏永生.迎春叶黄酮类化合物抗氧化性的研究 [ J] .
咸阳师范学院学报 , 2005 , 20(6):30-32.
Deng M Y ,Wei Y S.S tudies on the antioxidant act ivity of f la-
vonoids in Jasminum nud i f lorum Lin dl [ J] .J ournal of Xian-
yang Teachers college , 2005 , 20(6):30-32.(in Chinese)
[ 16] 　徐雅琴 ,李淑琴 ,付　红 ,等.黄树霉叶片中黄酮类物质的提取
及抗氧化性 [ J] .化学研究与应用 , 2002 , 14(6):739-741.
Xu Y Q , Li S Q , Fu H , et al.S tu dy on the ex t ract ion of f la-
vonoids in the leaves f rom yel low raspberry and ant ioxidant
act ivity [ J] .Chemical Research and Applicat ion , 2002 , 14(6):
739-741.(in C hinese)
[ 17] 　王肇慈.粮油食品品质分析 [ M ] .2版.北京:中国轻工业出版
社 , 2000.
Wang Z C.Foodstuf f s quali ty analysis [ M] .2th Edition.Bei-
jing:China Lig ht Indus t ry Publis hing House , 2000.(in Chi-
nese)
[ 18] 　许　钢 ,张　红.大麦麦叶中黄酮类化合物清除自由基动态研
究 [ J] .营养学报 , 2003 , 25(4):401-404.
Xu G , Zhan g H .S tu dy on scavengin g f ree radicals by active
com pounds f rom b arley leaves [ J] .Acta nut rimenta Sinica ,
2003 , 25(4):401-404.(in Chinese)
(上接第 194页)
[ 20] 　Kim Y S , Kim S G , Park J E , et al.A memb rane-b ound NAC
transcription factor regulates cell division in Arabidop sis [ J] .
Plant Cell , 2006 , 18(11):3132-3144.
[ 21] 　Larkin M A , Blackshields G , Brow n N P , et al.Clu stalW and
ClustalX version 2 [ J] .Bioinfo rm at ics , 2007 23(21):2947-
2948.
[ 22] 　Sai tou N , Nei M .The neighbo r-joining method:a new method
for reconst ructin g phy logenetic t rees [ J] .Mol Biol Evol ,
1987 , 4(4):406-425.
[ 23] 　Kyte J , Doolit t le R F.A simple m ethod for displaying the hy-
dropathic character of a protein [ J] .J M ol Biol , 1982 , 157(6):
105-132.
[ 24] 　Doyle J J.T rees w ithin t rees:genes and species , m olecu les and
m orphology [ J] .Syst.Biol , 1997 , 46:537-553.
[ 25] 　Ooka H , Satoh K , Doi 1 K , et al.Comprehensive analysi s of
NAC fami ly genes in Oryza sat iva and A rabid opsis thal iana
[ J] .DNA Research , 2003 , 10(6):239-247.
[ 26] 　Farazi T A , Waksman G , Gordon J I.T he biology an d enzy-
mology of p rotein N-myristoylat ion [ J] .J Biol Chem , 2001 ,
276(43):39501-39504.
[ 27] 　Xie Q , Frugis G , Colgan D , et al.A rabid opsis NAC1 transduc-
es auxin signal d ow n st ream of TIR1 to promote lateral root
development [ J] .Genes &Dev , 2000 , 14:3024-3036.
[ 28] 　Duval M , Hsieh T F , Kim S Y , et al.Molecular ch aracteri za-
t ion of AtNAM :A m ember of the Arabidop sis NAC domain
superfamily [ J] .Plant Mol Biol , 2002 , 50:237-248.
[ 29] 　Zhong R , Richardson E A , Ye Z H .The MYB46 t ranscription
factor is a di rect target of SND1 and regu lates secon dary w all
biosy nthesi s in Arabidopsis [ J] .Plan t Cel l , 2007 , 19(9):
2776-2792.
[ 30] 　Yang C , Xu Z , Song J , et al.Arabido psis M YB26/MA LE
STERILE35 regulates secondary thick ening in th e endoth eci-
um and is essent ial for an th er dehis cen ce [ J] .Plan t C ell ,
2007 , 19(2):534-548.
[ 31] 　Qu L J , Zhu Y X.Transcription factor fami lies in A rabido p-
sis:major progress and ou ts tanding issu es for future research
[ J] .Cu rr Opin Plant Biol , 2006 , 9(5):544-549.
[ 32] 　Olsen A N , Ern st H A , Leggio L L , et al.NAC transcription
factors:st ructu rally dist inct , fu nct ionally diverse [ J] .T rends
Plant S ci , 2005 , 10(2):79-87.
200 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第 37 卷