全 文 ：分子植物育种，2014年，第 12卷，第 1期，第 127-137页
Molecular Plant Breeding, 2014, Vol.12, No.1, 127-137
研究报告
Research Report
百合甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)基因密码子偏性分析及其表达受
体选择
冯慧颖 1 梁云 1 徐雷锋 1 袁迎迎 1 袁素霞 1 刘春 1 明军 1* 陈丽静 2*
1中国农业科学院蔬菜花卉研究所,北京, 100081; 2沈阳农业大学生物科学技术学院,沈阳, 110866
*通讯作者, mingjunmail@aliyun.com；chenlijing1997@126.com
摘 要 本研究运用 CodonW和 Emboss中的 CHIPS、CUSP软件程序对铁炮百合(Lilium longiflorum)、亚洲
百合杂种系品种(Lilium‘Excite’)、王百合(Lilium regale)和毛百合(Lilium pensylvanicum)这 4种百合 GPAT
基因(GenBank登录号分别为: JX524738, JX524739, JX524740和 JX524741)密码子进行偏好性分析，分别与
5种单子叶和 6种双子叶植物的 GPAT基因密码子偏好性进行比较与系统进化分析，又与 4种常用模式生
物基因组密码子的偏好性进行比较分析。结果表明，4种百合 GPAT基因密码子偏性均较弱，基因表达水平
较低，偏好于以 A/T结尾的密码子；偏好密码子基本相同。在一定程度上表明，百合的 GPAT基因在属间进
化中比较保守。并且发现，GPAT密码子偏好性在单、双子叶植物上体现的差异并不显著，从一定程度上表明
GPAT基因在进化上的保守性较高。百合 GPAT基因密码子偏性与几种双子叶植物的更相近，某些双子叶植
物也是该基因的适宜导入受体。在系统进化分析中，基于相对同义密码子使用度(RSCU)的聚类结果与基于
CDS构成的聚类结果存在一定的差异，但均可在一定程度上反映物种间的进化关系。与 4种模式生物密码
子使用频率比较发现，4种百合与受体生物的差异情况比较一致，百合 GPAT的密码子偏好性与受体生物酵
母和大肠杆菌的基因组密码子偏好性均有较大的不同，表明需要对百合 GPAT基因的部分密码子进行优化
改造，才能使其在以上受体中高效的表达。百合 GPAT与拟南芥基因组密码子使用频率差值较少，表明百合
GPAT在拟南芥受体中的表达效率较高；而百合 GPAT在烟草受体中的表达效率一般。对于转化植物的选
择，拟南芥优于烟草。为准确预测百合 GPAT基因的异源表达，为接下来选择其适宜的表达系统以及提高该
基因在受体表达系统中的表达效率，进行有效的功能验证提供了有效的参考。
关键词 百合,甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)基因,密码子偏性,系统进化关系,转化受体选择
Analysis of Codon Bias and Phylogenetic Relationships of the Glycerol-
3-Phosphate Acyltransferase (GPAT) Gene inLilium L.
Feng Huiying 1 Liang Yun 1 Xu Leifeng 1 Yuan Yingying 1 Yuan Suxia 1 Liu Chun 1 Ming Jun 1* Chen
Lijing 2*
1 The Institute of Vegetables and Flowers, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing, 100081; 2 Shenyang Agricultural University, Shenyang,
110866
* Corresponding authors, mingjunmail@aliyun.com；chenlijing1997@126.com
DOI: 10.13271/j.mpb.012.000127
Abstract The CUSP and CHIPS programs in Emboss and CodonW were used to analyzed the codon usage bias
of GPAT genes (GenBank Accession No.: JX524738, JX524739, JX524740, JX524741) in Lilium longiflorum,
收稿日期：2013-03-28 接受日期：2013-08-02 网络出版日期：2013-09-23
URL: http://5th.sophiapublisher.com/abstract-1535-mpbopa
基金项目：本研究由国家自然科学基金(31272205)、国家 863 计划项目(2011AA100208)、国家科技支撑计划项目(2012BAD-
01B07)、国家社会公益研究专项项目(2005DIB3J022)、国家公益性行业(农业)科研专项项目(200903008-06, 200903020)、北京市
花卉重点项目(YLHH2006001, YLHH201200101)、农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室项目、中国博士后科学基金面
上项目资助(20100471471)和高等学校博士学科点专项科研基金联合资助课题(20112103120005)共同资助
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
Lilium‘Excite’, Lilium regale and Lilium pensylvanicum in this paper. In addition, comparison and analysis to the
codon usage bias and phylogenetic analysis of the GPAT genes with another five monocotyledonous and six dicot-
yledonous plants were carried out. Comparison with four model organism genomes was also done. The results
showed a weak existence of the codon usage bias of GPAT genes and a relatively low-level expression in the four
lilies. While the GPAT genes in the four lilies were biased toward the synonymous codons ended with A and T.
The preferred codons were basically the same. The GPAT gene of the lily in intergeneric evolution was more
conservative. It was found that the distinction of GPAT gene codon usage bias between monocotyledonous and
dicotyledonous plants were not significant. Therefore, to some extent, it indicated that GPAT genes in different
plants kept a high evolutionary conservation. The codon usage bias of GPAT genes in Lily was closer to several
dicotyledonous plants. This gene may also be suitable for its expression in dicotyledonous plants. In the phyl-
ogenetic analysis, though the clustering results based on the relative synonymous codon usage (RSCU) showed
some differences with the clustering results based on CDS, they both revealed the evolutional relations between
species. Compared with the codon usage frequency of four model organism genomes, the differences between each
lily and acceptor organisms were basically consistent. There were distinct codon usage differences between GPAT
genes of lilies and genome codons of E. coli and yeast. It indicated that it was necessary to modify and optimize
some codons for efficient expression of GPAT gene in this two hosts. The codon usage frequency differences
between GPAT genes of lilies and the genes of Arabidopsis thaliana were fewer. The consequence indicated that
the GPAT genes could be efficiently expressed in Arabidopsis thaliana, and at the ordinary level while expressed in
Nicotiana tabacum. Considering on the codon bias, the Arabidopsis thaliana expression system may be more suitable
for the expression of GPAT genes of lilies than Nicotiana tabacum. The effective reference was provided to accur-
ately predict the heterologous expression of the lily GPAT gene, further carry on effective functional verification,
select the appropriate expression system and improve expression of the lily GPAT gene in receptor systems.
Keywords Lilium L., Glycerol-3-Phosphate Acyltransferase (GPAT) gene, Codon usage bias, Phylogenetic rela-
tionships, Transformation acceptor selection
百合是世界重要花卉，其种球贮存一般不能低
于-2℃，而切花生长一般不低于 8℃，否则就会受冷
害。中国百合切花在冬季年宵节的上市量占到全年
生产量的 60%以上。因此，研究百合的抗冷基因、提
高百合抗冷性、培育及筛选适宜北方寒冷地区生长
的百合新种质，对百合生产具有十分重要的意义。植
物的抗冷能力与叶绿体膜脂中磷脂酰甘油(PG)的顺
式不饱和脂肪酸水平密切相关(Nishida and Murata,
1996)，人们通过基因工程的手段调控 PG中顺式不
饱和脂肪酸的含量，从而改变植物的冷敏感性。甘
油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)是叶绿体 PG生物合
成过程中的第一个酰基酯化酶(Roughan and Slack,
1982)。GPAT基因在植物抗冷性中的正向作用已被
证实(Murata et al., 1992; Murata and Tasaka, 1997;
Yokoi et al., 1998)。目前已从许多植物中克隆了GPAT
基因的 cDNA或 DNA片段(Weber et al., 1991; Liu et
al., 1999; Nishida et al., 2000; Manaf and Harwood,
2000; Zheng et al., 2003)，并研究了其部分功能。对于
百合科植物的 GPAT基因的研究，陈丽静等(2011a;
2011b)分别克隆了毛百合(Lilium dauricum)和王百合
(Lilium regale)中的甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)
基因的保守区序列，并研究了冷诱导下 GPAT基因
的表达情况，表明 GPAT在百合抵抗冷胁迫的过程
中具有重要的作用。在此基础上，陈丽静等(2011a;
2011b)又克隆得到了铁炮百合、亚洲百合杂种系、毛
百合和王百合的 GPAT基因全长，并将进行功能验
证及表达等方面的研究。
基因的异源表达在新基因的开发研究、功能验
证以及转基因研究中是必不可少的。大肠杆菌和酵
母分别为常用的原核和真核表达系统，拟南芥和烟
草作为常用的新基因转基因功能验证的模式作物，
广泛应用于基因表达研究中(Kroll et al., 1993; Krü-
gel et al., 2002; Mager and Winderickx, 2005)。外源基
因密码子在受体表达系统中的翻译与表达，会受到
受体表达系统的影响与限制，如果导入的外源基因
中含有许多受体表达系统的稀有密码子，特别是当
稀有密码子呈连续分布时，就会使外源基因在受体
表达系统中的表达量降低或翻译提前终止(Thanaraj
128
and Argos, 1996;李平等, 2011)，因而无法对外源目
标基因的表达量及功能进行准确的分析。对目的基
因密码子的改造优化是实现目的基因在受体表达系
统中的成功、高效表达的重要方法(晁岳恩等, 2011)。
若通过选择适宜的表达系统或改造优化密码子来提
高外源目的基因的表达，首先要对目的基因的密码
子偏好性进行分析，提供参考依据。密码子偏好性也
可在一定程度上揭示有关物种间或某一物种的基因
家族间的基因进化规律(Chiapello et al., 1998)。目前
密码子偏性分析，在分子进化、翻译调控等研究领
域，对不同物种的密码子使用偏性有大量研究(吴宪
明等, 2007)，在多种植物中，密码子用法分析已有报
道。近几年的密码子用法分析多见于某单个功能基
因和同类基因家族中基因密码子偏性分析研究(刘
汉梅等, 2010;时慧等, 2012)，但对于百合某单个功
能基因的密码子偏好性研究还未见报道。
本研究通过对 4种百合 GPAT基因的密码子偏
好性及系统进化关系进行分析，并与酵母、大肠杆
菌、烟草以及拟南芥这 4种模式生物的基因组密码
子偏好性进行比较，为下一步开展百合 GPAT的转
基因功能验证，选取适合的密码子制定改造方案和
选择合适的表达系统，从而为提高基因在受体系统
中的表达效率提供有益参考，并为其在遗传改良育
种中选择合适的受体植物提供依据。
1结果与分析
1.1百合GPAT基因密码子偏性分析
1.1.1 百合 GPAT 基因密码子 ENc 值、GC 含量和
GC3s含量分析
应用 CHIPS 和 CodonW 计算 4 种百合 GPAT
基因密码子的 ENc值、GC含量和 GC3s含量(表 1)，
表 1百合 GPAT基因的 ENc, GC和 GC3s
Table 1 The ENc values and contents of GC and GC3s for GPAT
gene in lilies
物种
Species
铁炮百合
Lilium longiflorum
亚洲百合杂种系品种
Lilium‘Excite’
王百合
Lilium regale
毛百合
Lilium pensylvAnicum
ENc
56.043
56.223
55.436
55.805
GC3s
0.388
0.393
0.376
0.381
GC
0.457
0.463
0.456
0.460
可见 ENc值均偏大，且大于 55，表明百合 GPAT密
码子偏性较弱且基因表达水平偏低；GPAT的 GC含
量小于 50%，GC3s含量小于 40%，两者均偏低，表明
在百合 GPAT编码区序列中 G+C含量小于 A+T含
量，且百合 GPAT偏好于以 A/T结尾的密码子。从表
中可以看出，4种百合的密码子偏性指标差异很小，
规律一致。4种百合 GPAT基因 CDS序列同源性极
高，密码子差异较小。
1.1.2百合 GPAT同义密码子相对使用度(RSCU)分析
使用 CodonW计算 4种百合 GPAT各密码子的
RSCU值，并用 CUSP计算各密码子的使用频率，结
果显示，在铁炮百合 GPAT的密码子中，有 25个密
码子的 RSCU值大于 l，其中 18个密码子是以 A/T
碱基结尾的；在亚洲百合杂种系 GPAT的密码子中，
有 25个密码子的 RSCU值大于 l，其中 18个密码子
是以 A/T碱基结尾的；在毛百合 GPAT的密码子中，
有 26个密码子的 RSCU值大于 l，其中 19个密码子
是以 A/T碱基结尾的；在王百合 GPAT的密码子中，
RSCU值大于 l的有 22个，以 A/T碱基结尾的有 18
个；且表示各密码子在编码该氨基酸的同义密码子
中出现的比例的 Fraction值也比较大，为百合 GPAT
的偏好密码子，并且 4种百合的偏好密码子基本相
同，仅有个别的差异。铁炮百合与百合杂种系偏好密
码子完全相同：GCA、GAT、GCT、GGA、TTT、ATT、
GTT、TCA、TCT、AGT、CAT、AAT、CTT、ACA、AGA、
CAA、CCT和 CCA；王百合与前两者相比仅相差一
个，偏好 TAT，而无 CCA；毛百合与前两者相比仅多
一个 TAT。结合 1.1.1的分析，在一定程度上可以表
明，百合的 GPAT基因在属间进化中比较保守，同
源性极高。
1.2 百合 GPAT 密码子与代表植物 GPAT 密码子偏
性的比较
1.2.1 ENc值、GC含量、GC3s含量及 RSCU分析
分析得到 4种百合与其他 11种代表植物(5种
单子叶植物和 6 种双子叶植物 ) GPAT 密码子的
ENc值、GC含量、GC3s含量结果。从 ENc值来看，
15种植物的 ENc值均比较大，表明其密码子偏性较
弱。4种百合与粳稻、大麦、拟南芥和柑橘的 ENc值
均大于 55，基因的表达水平偏低；其他 7种植物均小
于 55、大于 30，基因表达水平一般。除了粳稻和大
麦，其它 13中植物的 GC含量和 GC3s含量均低于
0.5，粳稻的 GC含量和 GC3s含量仅稍大于 0.5，大
百合甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)基因密码子偏性分析及其表达受体选择
Codon Bias and Phylogenetic Relationships of the Glycerol-3-Phosphate Acyltransferase (GPAT) Gene inLilium L. 129
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
麦的 GC含量略大于 0.5，而 GC3s含量则小于 0.5。
本研究中大部分植物的 GPAT 对 A/T 有一定的偏
好。豌豆与苜蓿两种双子叶植物的 GC含量相对偏
低。从整体上，双子叶植物比单子叶植物更偏好于
A/T，但 GPAT密码子偏好性在单、双子叶植物上体
现的差异并不明显，也从一定程度上表明 GPAT基
因在进化上的保守性较高。尤其百合 GPAT基因的
ENc值、GC含量、GC3s含量与几种双子叶植物更为
相近，推测该基因也适合于在双子叶植物中表达。
之后分析得到 11种代表植物 GPAT的 59个密
码子(去除 ATG, TGG和 3个终止密码子)的 RSCU。
单子叶植物油棕中 RSCU大于 1的有 36个，以 A/T
为结尾的有 28个；大麦中 RSCU大于 1的有 24个，
以 A/T 为结尾的有 13 个。双子叶植物拟南芥中
RSCU大于 1的有 24个，以 A/T为结尾的只有 20
个；毛果杨中 RSCU大于 1的有 25个，以 A/T为结
尾的有 20个；柑橘中 RSCU大于 1的有 26个，以
A/T为结尾的有 20个；苜蓿中 RSCU大于 1的有 26
个，以 A/T为结尾的只有 23个；番茄中 RSCU大于
1的有 29个，以 A/T为结尾的只有 22个；豌豆中
RSCU大于 1的有 27个，以 A/T为结尾的只有 22
个。表明偏好于 A/T，这与 GC含量和 GC3s含量计
算结果相一致，与百合 GPAT密码子偏好一致。而粳
稻中 RSCU大于 1的有 22个，高粱中 RSCU大于 1
的有 28个，二者以 A/T结尾的和 G/C结尾的密码子
数相同；玉米中 RSCU大于 1的有 26个，以 A/T为
结尾的有 12个，略偏好于 G/C。这 15种植物 GPAT
偏性密码子大体相同，如 GCA、GAT、GCT、GGA、
TTT、ATT、CAT、AAT、CTT、AGA、CCA、ACT、
TCA、GTT和 TAT等。
1.2.2基于密码子使用偏性和 CDS序列的系统进化
分析
根据 15种植物 GPAT各密码子的 RSCU，计算
物种间的欧氏距离平方。4种百合相互间的距离最
近，小于 2。各物种之间的距离差异相对偏小，也表明
了 GPAT基因在进化上较为保守。
亲缘关系较近的物种的密码子使用频率通常较
为相似(Sharp and Li, 1986)，因此，基于密码子使用偏
性的系统进化树常可用于推测不同物种、不同基因
以及物种和基因之间在密码子使用方面的相似和亲
缘程度，也可用于推测不同物种之间的亲缘进化关
系(李平等, 2011;时慧等, 2012;杨春亮等, 2012)。
从基于 15种植物 GPAT基因的 RSCU欧式距
离平方的聚类结果(图 1)可以看出，基本可以看做三
图 1基于GPAT基因的相对同义密码子使用度的系统进化关系
注: 2:百合杂种系品种; 4:毛百合; 1:铁炮百合; 3:王百合; 13:
苜蓿; 15:豌豆; 10:拟南芥; 12:柑橘; 5:油棕; 11:毛果杨; 14:
蕃茄; 6:玉米; 9:高粱; 7:粳稻; 8:大麦
Figure 1 Phylogenetic relationships based on RSCU values of
GPAT gene
Note: 2: Lilium‘Excite’; 4: Lilium pensylvanicum; 1: Lilium lon-
giflorum; 3: Lilium regale; 13: Medicago truncatula; 15: Pisum
sativum; 10: Arabidopsis thaliana; 12: Citrus unshiu; 5: Elaeis
guineensis; 11: Populus trichocarpa; 14: Solanum lycopersicum; 6:
Zea mays; 9: Sorghum bicolor; 7: Oryza sativa Japonica Group; 8:
Hordeum vulgare
大类：4种百合聚为一类；玉米、高粱、粳稻、大麦这 4
种单子叶植物聚为一类；双子叶植物聚为一类，而单
子叶植物油棕与双子叶植物聚在一起，与柑橘距离
较近。单子叶植物玉米与高粱的亲缘关系近；双子叶
植物苜蓿与豌豆聚在一起，同为豆科植物，亲缘关系
最近；番茄与其他双子叶植物亲缘关系相对较远，番
茄的进化程度相对较高。值得注意的是，4种百合与
几种双子叶植物的亲缘关系比与玉米、高粱、粳稻、
大麦这 4种单子叶植物的更近。这也在一定程度上
反映出百合 GPAT基因在进化中与双子叶植物的关
系及其进化水平。
这一聚类结果与基于 15条 GPAT的 CDS构成
的系统进化树(图 2)不完全一致：4种百合与油棕、大
麦、粳稻、玉米、高粱这 9种单子叶植物聚为一类；除
番茄外的其他双子叶植物聚为一大类；番茄独立于
其他 14种植物成为一类，表明番茄与其他植物亲缘
关系较远，进化程度相对较高。在单子叶植物类中，4
种百合亲缘关系最近，聚为一类；油棕与百合的亲缘
关系比其他单子叶植物与百合的亲缘关系更近。玉
米与高粱的亲缘关系最近。同为豆科双子叶植物的
苜蓿与豌豆聚在一起，亲缘关系最近。柑橘与毛果杨
130
图 2基于 GPAT基因的编码区序列的系统进化关系
注: 1:王百合; 2:毛百合; 3:铁炮百合; 4:亚洲百合杂种系品
种; 5:油棕; 6:大麦; 7:粳稻; 8:玉米; 9:高粱; 10:拟南芥; 11:
柑橘; 12:毛果杨; 13:苜蓿; 14:豌豆; 15:蕃茄
Figure2 Phylogenetic relationships of CDS of GPAT gene
Note: 1: Lilium regale; 2: Lilium pensylvanicum; 3: Lilium longi-
florum; 4: Lilium‘Excite’; 5: Elaeis guineensis; 6: Hordeum vul-
gare; 7: Oryza sativa Japonica Group; 8: Zea mays; 9: Sorghum
bicolor; 10: Arabidopsis thaliana; 11: Citrus unshiu; 12: Populus
trichocarpa; 13: Medicago truncatula; 14: Pisum sativum; 15: Sol-
anum lycopersicum
的亲缘关系也比较近。基于相对同义密码子使用度
(RSCU) 和基于基因 CDS的系统进化树都可在一定
程度上反映物种间的进化关系，两者所体现的进化
关系有很多相似的地方，但也存在一定的差异。
1.3百合 GPAT密码子与大肠杆菌、酵母、拟南芥、烟
草基因组密码子偏性比较
表 2中列出了铁炮百合 GPAT与酵母、大肠杆
菌、烟草以及拟南芥这 4种模式生物的基因组各密
码子的使用频率及它们的比值。同时也分别将其他
三种百合与酵母、大肠杆菌、烟草、拟南芥基因组中
不同密码子出现的频率进行了比较。分析统计得到 4
种百合 GPAT密码子与这 4种模式生物基因组密码
子使用偏性差异较大的密码子个数(表 3)。
4种百合与受体生物的密码子偏性差异情况比
较一致，百合 GPAT的密码子偏性与酵母和大肠杆
菌的基因组密码子偏性差异较大，酵母表达系统较
为优于大肠杆菌表达系统，可对表 2中标出的部分
差异较大的密码子进行优化改造，使其适应受体生
物的表达系统，可提高该基因在以上宿主中的表达
效率。百合 GPAT与拟南芥基因组密码子使用偏性
差异显著的密码子较少，表明百合 GPAT在拟南芥
受体中的表达效率较高；而百合 GPAT在烟草受体
中的表达效率一般。从密码子偏性的角度考虑，对于
转化植物的选择，拟南芥优于烟草。
以上分析结果对利于后续研究工作的开展进
行，尤其对转基因功能验证中模式植物的筛选有重
要的参考作用。但多种因素影响着外源基因在受体
系统中的高效表达，密码子偏性只是其中的一个重
要影响因素。如果单纯盲目依据密码子偏性，就会存
在偏差。要实现外源基因在受体系统中的高效表达
需要对其他影响因素进行深入全面的研究，综合考
虑各因素的影响。
2讨论
2.1百合 GPAT基因密码子偏好性特征与进化
前人研究表明单子叶植物基因 GC3s含量往往
较高，而双子叶植物的 GC3s 含量通常小于 50%
(Murray et al., 1989)。本研究中研究的 6种双子叶植
物 GPAT 各密码子 GC 含量和 GC3s 含量均小于
50%；而单子叶植物 4种百合 GPAT各密码子 GC含
量和 GC3s含量均较低，小于 50%，偏好以 A/T结尾
的密码子。百合和油棕、玉米、高粱这三种单子叶代
表植物的 GPAT基因 GC含量和 GC3s含量均小于
50%；单子叶植物大麦的 GC 含量略大于 0.5，而
GC3s含量则小于 0.5；粳稻的 GC含量和 GC3s含量
仅稍大于 0.5；密码子偏好性与前人研究的单子叶植
物基因组密码子偏好性不一致。尤其 4 种百合
GPAT基因的 ENc值、GC含量、GC3s含量与几种双
子叶植物更为相近；从基于密码子偏性的聚类分析
结果可以看出，百合与几种双子叶植物的亲缘关系
反而比与粳稻、玉米、大麦、高粱这 4种单子叶植物
的更近。反映出百合 GPAT基因在进化中的与双子
叶植物相近，因此推测该基因也适合于导入双子叶
植物，百合 GPAT基因进化水平相对其他单子叶植
物较低，进化过程相对保守。
2.2代表植物 GPAT基因密码子偏好性特征与进化
在粳稻和高粱 GPAT中，以 A/T结尾的和 G/C
结尾的偏好密码子数均相同；玉米中 RSCU大于 1
的有 26 个，以 A/T 为结尾的有 12 个，略偏好于
G/C。相比之下，百合 GPAT的密码子偏好情况与双
子叶植物更相近。虽然 6种双子叶植物比其他单子
叶植物更偏好于 A/T且表达水平略高，但 GPAT密
码子偏好性在本研究中的单、双子叶植物上显示出
百合甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)基因密码子偏性分析及其表达受体选择
Codon Bias and Phylogenetic Relationships of the Glycerol-3-Phosphate Acyltransferase (GPAT) Gene inLilium L. 131
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
密
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2.
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1.
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0.
99
3.
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1.
49
2.
48
0.
74
1.
73
1.
24
2.
23
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5.
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续
表
1
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1
百合甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT)基因密码子偏性分析及其表达受体选择
Codon Bias and Phylogenetic Relationships of the Glycerol-3-Phosphate Acyltransferase (GPAT) Gene inLilium L. 133
分子植物育种
Molecular Plant Breeding
的差异并不大，GPAT基因的碱基组成在单、双子叶
植物分化后没有发生较大的变化，与 GPAT基因在
植物进化上的较为保守有关。
2.3密码子偏性与物种间的进化关系
虽然基于 GPAT基因密码子偏性反映的进化关
系与基于基因 CDS的系统进化关系不完全相同，但
并不认为基于基因密码子偏性的系统进化关系是错
误的。物种的进化是受多种影响因素综合作用的结
果，从不同的角度进行系统进化分析的结果会存在
差异。基于 GPAT基因密码子偏性和基于基因 CDS
的系统进化树都可在一定程度上反映物种间的进化
关系，但两者显示的进化关系存在一定的差异，前人
研究中也有此种现象。
2.4百合 GPAT基因表达受体的选择
从密码子偏性的角度考虑，比较百合 GPAT的
密码子偏性与大肠杆菌、酵母、拟南芥和烟草这 4
种模式生物基因组密码子偏性的差异，表明对于百
合 GPAT基因，酵母表达系统较为优于大肠杆菌表达
系统，拟南芥优于烟草。此分析结果可以应用于百
合GPAT转基因功能验证中模式生物的选取，有利
于后续研究工作的开展进行。但是，百合 GPAT的
密码子偏性与酵母和大肠杆菌的基因组密码子偏性
差异均较大，只是选择差异相对较小酵母的作为表
达受体，并不能很好的提高表达效率。因此对部分差
异较大的密码子进行优化改造，使其适应受体生物
的表达系统，会是提高该基因在宿主中表达效率的
有效方法。
3材料与方法
3.1材料
3.1.1百合 GPAT的 CDS序列来源
在 GenBank登录的铁炮百合 (Lilium longiflor-
um)、亚洲百合杂种系品种(Lilium‘Excite’)、王百合
(Lilium regale)、毛百合(Lilium pensylvanicum) GPAT
基因的 CDS序列，登录号分别为：JX524738、JX52-
4739、JX524740和 JX524741。CDS序列长度大于或
等于 300 bp，均编码完整的蛋白质，以 ATG为起始
密码子，以 TAG、TGA或 TAA为终止密码子(刘汉
梅等, 2008)。
3.1.2代表物种序列来源
粳稻(Oryza sativa Japonica Group)、大麦(Hord-
eum vulgare)、高粱 (Sorghum bicolor)、油棕 (Elaeis
guineensis)、玉米 (Zea mays)、拟南芥(Arabidopsis
thaliana)、毛果杨 (Populus trichocarpa)、柑橘 (Citrus
unshiu)、苜蓿 (Medicago truncatula)、番茄 (Solanum
lycopersicum)、豌豆 (Pisum sativum)这 11 种植物的
GPAT的 CDS序列来源于 GenBank，序列登录号分
别为 NM001072027、AK371419、XM002467381、AF2-
51795、NM001158637、NM102953、XM002326514、A-
B076608、XM003612753、EU622313 和 X59041。其
中，粳稻、大麦、高粱、油棕、玉米与百合同为单子叶
植物，其他 6种植物均为双子叶植物。
从 Codon Usage Database (http://www.kazusa.or.
jp/codon/)数据库获得大肠杆菌(Escherichia coli)、酵
母(Saccharomyces cerevisiae)、拟南芥(Arabidopsis th-
aliana)和烟草(Nicotiana tabacum)这 4种模式生物基
因组的密码子偏性数据信息。
3.1.3分析软件
分别使用 CodonW和 EMBOSS程序中的 CUSP
和 CHIPS对基因密码子使用偏性进行分析。使用 SP-
SS19.0基于基因密码子偏性进行聚类分析，利用me-
ga5.0对基因的 CDS进行聚类分析、构建系统进化树。
3.2方法
3.2.1百合 GPAT基因密码子使用偏性参数分析
运用 CHIPS 对 4 条百合 GPAT 基因的全长编
码区进行有效密码子数(ENc)的统计(Sharp and Li,
1986; Wright, 1990)。运用 CUSP和 CodonW软件分
表 3 4种百合 GPAT密码子与 4种模式生物基因组密码子偏
性差异情况
Table 3 The difference of codon usage bias between GPAT gene
of four lilies and four model organisms genome
物种
Species
铁炮百合
Lilium longif-
lorum
亚洲百合杂种
系品种
Lilium‘Excite’
王百合
Lilium regale
毛百合
Lilium pensyl-
vanicum
大肠杆菌
E. coli
27
26
30
27
酵母
S. cerevisiae
20
20
22
21
拟南芥
A. thaliana
11
11
12
11
烟草
N. tabacum
17
15
21
17
134
析 GPAT密码子(Xu et al., 2013)，获得密码子使用频
率(Frequency)、GC含量、GC3s含量(密码子第三位碱
基上的 GC含量)、密码子使用频率和相对同义密码
子使用度 RSCU (Sharp and Li, 1986; 1987)等衡量同
义密码子使用偏性的参数，进行分析比较。以下是部
分重要密码子使用偏性参数的应用描述：
(1)密码子使用频率(Frequency)表示某一密码
子在编码基因的全部密码子中出现的频率(%) (时慧
等, 2012)。
(2)有效密码子数(effective number of codon, ENc)
ENc值是描述密码子使用偏离随机选择的程度，能
反映密码子家族中同义密码子非均衡使用的偏好程
度(Wright, 1990;吴宪明等, 2007)。ENc的最小值为
20，ENc值越接近 20偏性越强；而最大值为 61，ENc
值越接近 61偏性越弱(Sharp and Cowe, 1991)。通常
高表达基因 ENc值较小，密码子偏好性较强；低表达
基因 ENc值较大，含有多种稀有密码子。所以，可以
通过比较各基因的 ENc值来确定内源基因表达量的
相对高低，ENc值与基因表达水平成反比，将 ENc值
小于 30的基因预测为高表达基因，大于 55的为低
表达基因(Sharp and Li, 1986)。
(3)相对同义密码子使用度(relative synonymous
codon usage, RSCU)，表示某一特定的密码子在其
同义密码子中的相对使用概率(Sharp and Li, 1986;
1987)。如果密码子使用平均，无偏好性，则 RSCU值
为 1；如果该密码子比起其他同义密码子来说，出现
更为频繁，则其 RSCU值大于 1，反之亦然(Sharp and
Li, 1986)。该偏性指标计算简单，并可较为直观地反
映密码子使用的偏好性情况，因此应用最为广泛。
3.2.2 百合 GPAT 密码子与代表植物 GPAT 密码子
偏性的比较与系统进化分析
运用 2.2.1中的方法得到 11种代表植物的密码
子偏性指标：ENc值、GC含量、GC3s含量、RSCU，进
行分析比较，找出百合与代表植物 GPAT基因密码
子偏好的差异与规律。
一般认为在同一物种或是相近的物种中密码子
使用模式也是极为相似的，基于这一原理，不少研究
者尝试着采用密码子偏好为指标构建系统发育树，
其基本思路是根据距离的远近进行聚类分析(张文
娟, 2006)。因此利用 SPSS19.0软件对 15条 GPAT基
因进行基于密码子使用偏好性的聚类分析。聚类分
析采用系统聚类法(Hierarcial cluster analysis)，将所
选植物的每一条 GPAT基因作为一个对象，变量为
59个同义密码子(去除 AUG, UGG和 3个终止密码
子 TAG, TGA和 TAA)的 RSCU，RSCU的欧氏距离
平方(Squared Euclidean Distance)被规定为基因间的
距离(周童等, 2001;周祎, 2009;时慧等, 2012)。而后
利用 Mega5.0 对 4 种百合和其他 11 种代表植物
GPAT基因的 CDS进行聚类分析，构建系统进化树。
3.2.3百合 GPAT密码子与模式生物大肠杆菌、酵母、
拟南芥、烟草基因组密码子的偏性比较
密码子使用频率(Frequency)的比值是衡量物种
间密码子使用偏性差异大小的重要指标之一(李平
等, 2011)。当比值大于 0.5且小于 2.0时，表示二者的
密码子偏性较为一致，比值小于 0.5或大于 2.0时，
则表示密码子偏性差异较大(Lv et al., 2005)。
分别计算得到百合 GPAT密码子与模式生物大
肠杆菌、酵母、拟南芥、烟草基因组密码子使用频率
的比值，从而分析百合 GPAT密码子与转化受体系
统密码子间的差异，为其选择较为适宜的表达系统
和如何改造优化密码子提供依据，从而提高该基因
在受体系统中的表达效率。
作者贡献
冯慧颖是本研究的设计和执行人，完成数据、结
果分析及论文写作；梁云、徐雷锋、袁迎迎、袁素霞和
刘春分别参与数据整理与研究结果分析工作；明军
和陈丽静是项目的构思者及负责人，指导实验设计，
数据分析，论文写作与修改。全体作者都阅读并同意
最终的文本。
致谢
本研究由国家自然科学基金(31272205)、国家
863 计划项目(2011AA100208)、国家科技支撑计划
项目(2012BAD01B07)、国家社会公益研究专项项目
(2005DIB3J022)、国家公益性行业(农业)科研专项项
目(200903008-06, 200903020)、北京市花卉重点项目
(YLHH2006001, YLHH201200101)、农业部园艺作物
生物学与种质创制重点实验室项目、中国博士后科
学基金面上项目资助(20100471471)和高等学校博士
学科点专项科研基金联合资助课题(201121031200-
05)共同资助。作者感谢中国农业科学院蔬菜花卉研
究所和沈阳农业大学生物科学技术学院各位老师在
本研究过程中给予的帮助。
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