全 文 ：收稿日期:2012 － 08 － 10
基金项目:国家 973 重大基础性研究项目(2010CB126600) ;国家高技术研究发展计划(863 计划)
(2009AA10Z102) ;国家自然科学基金(30860151;31170234;31160061) ;中央级公益性科研院所基
本科研项目(ITBB110218) ;国家木薯产业技术体系项目
作者简介:叶可勇(1986 －) ，男，浙江温州人，中国热带农业科学院热带生物技术研究所研究实习员．
通信作者:郭建春，女，博士，研究员，E-mail:jianchunguoh@ 163． com
第 3 卷 第 3 期 热 带 生 物 学 报 Vol． 3 No． 3
2012 年 9 月 JOURNAL OF TROPICAL ORGANISMS Sep. 2012
文章编号:1674 － 7054(2012)03 － 0222 － 06
小果野蕉 microRNAs及其靶基因的生物信息学预测
叶可勇1，陈 瑶2，李瑞梅1，符少萍1，郭建春1
(1． 中国热带农业科学院 热带生物技术研究所，海南 海口 571101;
2． 中国热带农业科学院 科技信息研究所，海南 海口 571101)
摘 要:通过基于表达序列标签(EST)、基因组勘测序列(GSS)和高通量测序基因组序列(HTGS)的同源序
列比对搜索，以及一系列的标准筛选，最终预测到属于 8 个家族的 10 条小果野蕉 miRNAs。在线软件 psR-
NATarget预测到 24 对 miRNAs与靶基因的互作，这些靶基因主要参与小果野蕉的新陈代谢、生长发育以及胁
迫响应等过程。
关键词:小果野蕉;microRNAs (miRNAs) ;靶基因;生物信息学
中图分类号:S 668． 1 文献标志码:A
小果野蕉(Musa acuminate)为姜目(Zingiberales)芭蕉科(Musaceae)芭蕉属的植物，分布于印度北部、
缅甸、泰国、越南、马来西亚、菲律宾以及我国云南、广西等地，多生长于海拔 1 000 ～ 1 200 m 的阴湿的沟
谷、沼泽、半沼泽及坡地上，具有适应性强，分布广等特点。小果野蕉是目前世界上栽培香蕉的亲本种之
一，其假茎可作猪饲料［1］。
microRNAs(miRNA)普遍存在于真核生物中，是一类内源、非编码的单链小分子 RNA，其前体具有茎 －
环结构。在植物体内具有高度保守性、时序性和组织特异性［2 － 3］。在转录后水平，成熟的 miRNA 通过特
异性的碱基互补配对与靶基因结合，从而降解靶基因或抑制其翻译来调控基因的表达［4］。相比于双链
siRNA，转录后的 miRNA前体以单链的形式存在，并自身折叠形成发夹结构［5］。miRNA 前体通过 Dicer 1
酶(DCL1)切割，产生长约 21 bp的 miRNA:miRNA* ，然后被运输到细胞质中。成熟的 miRNA与 RNA沉
默复合体结合，其中 1 条 miRNA保留在复合体中，通过与靶基因互补区配对来调控靶基因表达［6］。
相比动物的 miRNA，植物 miRNA的研究起步晚，随着 miRNA 研究方法以及新一代测序技术的快速
发展，植物中大量的 miRNA被发现。2011 年 10 月 4 日，microRNA数据库 miRBase数据库升级至 18． 0 版
本，记录了 168 个物种中的 18 266 条 miRNAs序列［7］。到目前为止，对植物 miRNA的研究主要集中在拟
南芥、水稻，玉米等基因组已被解析的模式植物上，而在非模式植物中研究较少，miRBase 数据库中尚未
储存小果野蕉 miRNAs的相关研究信息。本研究以 miRNA的保守性为基础，利用生物信息学方法对小果
野蕉的 miRNA及其靶基因进行预测，为进一步研究小果野蕉的 miRNA奠定基础。
1 材料与方法
1． 1 miRBase中的 miRNAs序列 在 miRBase数据库(http:∥www． mirbase． org /)中下载拟南芥、水稻、
玉米、毛果杨、大豆等 53 种植物的 4 014 条 miRNAs 序列。为避免重复的 miRNAs 序列产生冗余性结果，
将碱基序列相同的 miRNAs去除，以去重复后剩余的 miRNAs为参考序列，来预测小果野蕉中的 miRNAs。
1． 2 小果野蕉的 EST，GSS和 HTGS序列 小果野蕉的表达序列标签(EST)、基因组勘测序列(GSS)和
DOI:10.15886/j.cnki.rdswxb.2012.03.013
高通量测序基因组序列(HTGS)在美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Informa-
tion，NCBI)的 GenBank核酸序列数据库(http:/ /www． ncbi． nlm． nih． gov)中下载。总共获得 15 560 条
EST序列，31 458 条 GSS序列，33 条 HTGS序列。
1． 3 小果野蕉 miRNAs 的生物信息学预测 小果野蕉 miRNAs 的预测流程如图 1 所示。首先，将 miR-
Base中非重复的植物 miRNAs序列与小果野蕉的 EST，GSS 和 HTGS 序列进行 blastn 比对，允许小于等于
2 个的碱基错配，初步筛选获得候选 miRNAs 序列。将候选 miRNAs 序列相互间进行比对，去除重复的
miRNAs序列。然后，在 NCBI 蛋白质数据库中将筛选后获得的候选 miRNAs 序列进行 blastx (http:∥
blast． ncbi． nlm． nih． gov /Blast． cgi)比对，去除编码蛋白质的序列。最后，使用 Mfold(http:∥mfold． bioinfo．
rpi． edu /cgi-bin / rna-form1． cgi)软件对剩余的候选 miRNAs 前体序列的二级结构进行折叠，分析筛选二级
结构获得小果野蕉 miRNAs［8］。
miRBase 中已知的植物 miRNAs
BLAST
去除重复序列
小果野蕉 EST，GSS 和 HTGS 序列miRNAs 参照序列
不超过 2 个碱基错配的 miRNAs
去除重复序列
无重复且不超过 2 个碱基错配的 miRNAs
BLASTX
NCBI 蛋白质数据库
去除蛋白质编码序列
不超过 2 个碱基错配且非编码 miRNAs
候选 miRNAs 前体的二级结构
Mfold 软件进行二级结构折叠
二级结构分析及筛选
新发现的小果野蕉 miRNAs
图 1 小果野蕉 miRNAs的生物信息学预测流程
小果野蕉 miRNAs的筛选标准:1)小果野蕉新预测的 miRNAs与参考 miRNAs序列碱基错配数小于等
于 2;2)miRNAs前体具有二级发夹结构，并且成熟 miRNAs 序列与 miRBase 中同一家族的成熟 miRNAs
位于相同的臂上;3)miRNAs前体序列的最小折叠自由能(Minimal folding free energy，MFE)绝对值要较
高，并且最小折叠自由能系数(Minimal folding free energy index，MFEI)要大于 0． 85;4)成熟的 miRNAs与
卫星 miRNA* 互补序列的错配碱基数不超过 5 个，并且不允许有较大的环或缺口;5)blastx分析，E 值要
大于 1e-5［9］。
322第 3 期 叶可勇等:小果野蕉 microRNAs及其靶基因的生物信息学预测
1． 4 小果野蕉 miRNA靶基因的预测 预测植物 miRNAs 靶基因的软件有多种，如 psRNATarget，miR-
NAassist，PatScan和 miRU等。本研究利用 psRNATarget 在线软件(http:∥plantgrn． noble． org /psRNATar-
get /) ，根据植物 miRNAs与其靶基因具有高度的序列互补性，在小果野蕉 EST 数据库中预测其 miRNAs
的靶基因［10］。最大期望值设置为 3，其他参数设置为默认。psRNATarget 对靶基因的预测是根据罚分机
制来筛选，每 20 nt长的 miRNAs序列得分要小于等于 3，G∶ U摆动配对的罚分值为 0． 5，插入或缺失罚分
值为 2，其他非沃森 －克里克碱基配对罚分值为 1，总得分小于等于 3，且靶基因易亲近指数小于 25． 0
kcal /mol的序列为 miRNAs的潜在靶基因［10 － 11］。将筛选得到的 miRNAs 靶基因与 NCBI 蛋白质数据库进
行 blastx比对，将这些靶基因进行功能注释。
2 结果与分析
2． 1 预测的小果野蕉 miRNAs 根据 miRNAs在物种间具有高度的保守性及其前体的二级发夹结构特
征，通过同源预测的方法，以一系列的标准进行筛选，最终在小果野蕉 EST(3 条)、GSS(6 条)和 HTGS(1
条)数据库中预测到 10 条保守的 miRNAs(表 1) ，它们属于 8 个 miRNAs家族。其中 miR156 和 miR160 家
族均预测到 2 个 miRNAs成员，其他 6 个 miRNAs家族只有 1 个成员。
表 1 小果野蕉中发现的 miRNAs及其特征
miRNA miRNA成熟序列 ML 基因 ID 起始位置 终止位置 PL Arm miRBase best hit ID E-value
mac-miR156a TGACAGAAGAGAGTGAGCAC 20 ES434836． 1(EST) 114 211 98 6 zma-MIR156d 2． 00E － 13
mac-miR156b TTGACAGAAGATAGAGAGCAC 21 HN242063． 1(GSS) 131 216 86 5 ptc-MIR156j 4． 00E － 22
mac-miR160a TGCCTGGCTCCCTGTACGCCA 21 AC186747． 2(HTGS) 77930 77841 90 5 sbi-MIR160a 2． 00E － 17
mac-miR160b TGCCTGGCTCCCTGTATGCCA 21 HN248011． 1(GSS) 536 620 86 5 osa-MIR160b 7． 00E － 23
mac-miR162a TCGATAAACCTCTGCATCCGG 21 HN247504． 1(GSS) 814 682 133 3 zma-MIR162 3． 00E － 14
mac-miR166a TCGGACCAGGCTTCATTCCCC 21 FF558732． 1(EST) 149 231 83 3 bna-MIR166d 1． 00E － 09
mac-miR168a TCGCTTGGTGCAGGTCGGGAA 21 HN253213． 1(GSS) 117 24 94 5 sof-MIR168a 7． 00E － 13
mac-miR172a GAATCTTGATGATGCTGCAC 20 HN239201． 1(GSS) 119 2 118 3 gma-MIR172a 5． 00E － 08
mac-miR396a TTCCACAGCTTTCTTGAACTG 21 DX457510． 1(GSS) 482 585 104 5 1ja-MIR396 7． 00E － 12
mac-miR2118a TTGCCGATCCCTCCCATGCCGA 22 FF557264． 1(EST) 63 221 159 3 osa-MIR2118b 4． 00E － 08
注:ML:成熟 miRNA的长度;PL:miRNA前体序列的长度;Arm:成熟 miRNA在前体中的位置
如表 1 所示，小果野蕉成熟 miRNAs的长度为 20 ～ 22 nt，其中 7 条 miRNAs成熟序列的长度为 21 nt，2
条 miRNAs成熟序列的长度为 20 nt，1 条 miRNA成熟序列的长度为 22 nt。同时，从表 1 中也能看出成熟
miRNA，序列在前体结构上的位置偏向于靠近 5端，其中有 6 个成熟 miRNAs 位于茎环结构的 5端，4 个
位于 3端。miRNAs的前体序列平均长度约为 105 nt，变化范围为 83 ～ 159 nt。将 10 条 miRNAs经 Mflod
进行二级结构折叠，详细的发夹结构见图 2，其中成熟的 miRNAs序列用阴影显示。
2． 2 小果野蕉 miRNAs靶基因的预测 利用发现的 10 条小果野蕉 miRNAs，通过在线软件 psRNATarget
在小果野蕉 EST数据库中进行靶基因预测，在 10 个 miRNAs和 19 个 mRNA之间预测了 24 对 miRNA ︰
mRNA互作对，其中大约 74%的靶基因有功能注释。miR160a 和 miR166a 的靶基因没有被预测到，完整
的靶基因信息见表 2。小果野蕉中的这些靶基因涉及不同的新陈代谢和生理途径，如转移酶，转录调控因
子 SPL，AP2 类调控因子，抗病性蛋白，突触融合蛋白和钙调结合蛋白等。
3 讨 论
miRNAs作为一种新型的非编码单链小分子 RNA，对真核生物的基因表达起快速有效的调控作用，它
的发现使人们对基因表达调控有进一步的认识。目前，对 miRNAs 的研究集中在基因组已被解析的植物
中，如拟南芥、水稻、毛果杨、玉米等［12 － 15］。然而，在热带植物中，对 miRNAs 的研究比较滞后。本研究预
测了小果野蕉 miRNAs序列及其靶基因，为进一步研究小果野蕉 miRNAs的功能和演变奠定了基础。
422 热 带 生 物 学 报 2012 年
图 2 10 个 miRNAs前体二级结构图
阴影部分表示成熟序列，结构图由 Mfold软件产生
522第 3 期 叶可勇等:小果野蕉 microRNAs及其靶基因的生物信息学预测
表 2 小果野蕉中预测到的 miRNA靶基因及其功能
miRNA_ID 靶基因总数 靶基因_ID 最大期望值 易接近值 靶基因功能
mac-miR156a 6 FF558536 1 12． 616 SPL类转录因子
ES434709 1 12． 682 SPL类转录因子
ES431356 1 16． 633 SPL类转录因子
FF560486 1 22． 572 SPL类转录因子
ES432808 2 11． 517 SPL类转录因子
ES435047 2． 5 15． 624 功能未知
mac-miR156b 5 FF560486 1． 5 23． 555 SPL类转录因子
ES432808 2 11． 231 SPL类转录因子
FF558536 2 12． 65 SPL类转录因子
ES434709 2 12． 845 SPL类转录因子
ES431356 2． 5 16． 332 SPL类转录因子
mac-miR160a 0
mac-miR160b 1 ES437336 3 20． 303 功能未知
mac-miR162a 1 ES431955 3 15． 047 二肽基肽酶
mac-miR166a 0
mac-miR168a 1 FF560697 3 16． 931 功能未知
mac-miR172a 4 ES436968 1． 5 15． 863 APETALA2 －类蛋白
FF559887 1． 5 16． 782 APETALA2 －类蛋白
FF562345 3 20． 517 1，3 －半乳糖基转移酶
FF560010 3 23． 201 1，3 －半乳糖基转移酶
mac-miR396a 4 FF559506 3 18． 501 功能未知
FF560944 3 21． 018 突触融合蛋白
FF561310 3 23． 73 转录调控蛋白 SNF2
ES434228 3 24． 765 功能未知
mac-miR2118a 2 ES436760 2 21． 136 NBS-LRR抗病性蛋白
ES435616 2． 5 14． 812 钙调结合蛋白
利用生物信息学对 miRNAs进行同源性预测是一种快速、有效和经济的方法。目前，miRBase 数据库
储存了 291 条拟南芥 miRNAs 序列、581 条水稻 miRNAs 序列、234 条毛果杨 miRNAs 序列、362 条大豆
miRNAs序列、163 条葡萄 miRNAs序列、172 条玉米 miRNAs 序列和 63 条蓖麻 miRNAs 序列等，然而还没
有储存小果野蕉 miRNAs 的相关信息。本研究在小果野蕉中发现了 8 个 miRNA 家族的 10 条序列，并且
利用在线软件 psRNATarget对 10 条 miRNAs序列进行靶基因预测，获得 24 对 miRNA︰ mRNA互作对，小
果野蕉中的这些靶基因涉及不同的新陈代谢和生理途径。由于目前小果野蕉的基因组还未被解析，本研
究不能够全面地预测到小果野蕉的 miRNAs及其靶基因。随着小果野蕉基因组测序的进行，将有更多的
小果野蕉 miRNAs及其靶基因被发现，通过研究其对靶基因的调控功能，将进一步揭示小果野蕉的生长发
育等机理。
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Bioinformatic Prediction of Conserved microRNAs
and Their Target Genes in Musa acuminata
YE Ke-yong1，CHEN Yao2，LI Rui-mei1，FU Shao-ping1，GUO Jian-chun1
(1． Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Haikou 571101，China;
2． Scientific and Technological Information Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Haikou 571101，China)
Abstract:MicroRNAs (miRNAs)are small RNAs (sRNA)that regulate post-transcriptional gene expression by
cleaving or inhibiting the translation of target gene transcripts． Based on the conservation of miRNAs in many
plant species and the currently available genome sequence，10 individual conserved miRNAs have been predic-
ted in Musa acuminata，and these miRNAs were found to belong to 8 families． Online psRNATagret software was
run and 24 pairs of miRNAs were predicted to interact with their targets in Musa acuminata，and these target
genes are involved in metabolism，development，response to biotic and abiotic stresses，and other cellular
processes． This study has provided information on Musa acuminata miRNAs and their targets for future studies．
Key words:Musa acuminate;microRNAs (miRNAs) ;target gene;bioinformatics
722第 3 期 叶可勇等:小果野蕉 microRNAs及其靶基因的生物信息学预测