全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 3期·研究报告·
收稿日期：2008-11-14
基金项目：辽宁省科技厅攻关项目（2008208001），辽宁省教育厅项目（2008S211），沈阳市科技局项目（1081191-3-00），沈阳农业大学青年基
金（2007）
作者简介：李振华（1984-），男，研究生，研究方向：细胞发育与基因工程；E-mail：0417lizhenhua@163.com
通讯作者：张立军，教授，博士生导师，Tel：024-88487163，E-mail：lijunzhang8@yahoo.com.cn
随着世界人口的增加和生活水平的提高，人类
对粮食的需求不断增大。由于全球的可耕地资源有
限，增加粮食产量的主要途径是增加单位面积的产
量。然而，除了增加作物的产量潜力外，还需要提高
作物对环境变化的适应能力。目前作物生产遇到的
主要环境问题包括气温升高， 农业可利用水减少，
干旱频繁发生等。如何使作物在环境胁迫下获得高
额的产量是人类面临的一个巨大挑战。高等植物按
照光合碳同化途径可分为 3 种类型， 分别为 C3 植
物、C4 植物和景天酸代谢植物（CAM）。与 C3 植物相
比，C4 植物具有在高光强、 高温及低 CO2 浓度下保
持高光效的能力 [1]。 例如，C4 植物光合速率可高达
40~80 mg CO2/（dm2h），C3 植物仅为 15~35 mg CO2/
（dm2h）。 玉米是典型的 C4 植物，水稻和小麦是典型
的 C3 植物，在高温和干旱环境下，玉米表现出更高
的产量和产量稳定性。 所以，人们希望将 C4 植物的
光合途径关键酶基因转入到 C3 植物中， 在 C3 植物
中建立 C4 循环途径以提高其光合效率进而提高产
量和适应环境变化的能力。
近年来，尽管人们已经成功地将磷酸烯醇式丙
酮酸羧化酶 （PEPC）、 丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）、
NADP-苹果酸酶（NADP-ME）等 C4 植物光合途径的
关键酶转入到 C3 植物中去， 但是很多转化并没有
使 C3 植物的光合作用增强。 例如，迟伟等 [2]将高粱
玉米 C4型 NADP-ME的生物信息学分析
李振华 张立军 崔震海 朱延姝 樊金娟 阮燕晔 汪澈
（沈阳农业大学生物科学技术学院，沈阳 110161）
摘 要： 利用生物信息学软件对 GeneBank上注册的玉米 C4型 NADP-ME进行氨基酸组成、功能域、二级结构、疏
水性、导肽、亚细胞定位、蛋白质功能及系统进化分析和预测。结果表明，NADP-ME蛋白是等电点为 6.09的亲水性不稳
定蛋白，包含一个结合 NAD（P）的结构域和一个 N-末端区域，属于裂解酶类，具有能量代谢的功能，定位于叶绿体中；α
螺旋和不规则卷曲是其蛋白质二级结构的主要结构元件，β折叠和伸展链散布其中；玉米 C4型 NADP-ME与高粱、水稻
等植物的 NADP-ME基因有较高的同源性。
关键词： 玉米 NADP-ME 结构与功能预测 进化树
Bioinformatical Analysis on C4 NADP-ME from Maize
Li Zhenhua Zhang Lijun Cui Zhenhai Zhu Yanshu Fan Jinjuan Ruan Yanye Wang Che
（School of Biotechnology，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161）
Abstract： The sequence of C4 NADP-ME from maize that has been registered in GeneBank，was analyzed by
bioinformatical tools to predict the following aspects，induding composition of amino acids，domains，secondary structure，
hydrophobicity，subcellular location，leader peptide，functions of protein and phylogenetic analysis. The results showed
NADP-ME that featured strong hydrophilicity including one NAD（P）-binding region and one N-terminal domain，was
unstable with PI=6 .09. NADP-ME has the function of energy metabolism and was classified into lyase. Its main
secondary structures were alpha helix and random coil，and beta sheets and extended strands were sporadic among alpha
helix and random coil. It locates in chloroplast. C4 NADP-ME from maize was highly homologous with those from
sorghum and rice.
Key words： Maize NADP-ME Prediction of structure and function Phylogentic tree
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
的 NADP-ME 转入到水稻中， 但在转 NADP-ME 基
因水稻中没有发现明显的 C4 循环运转， 净光合速
率也没有明显增加；Fukayama 等 [3]对 C4 循环途径的
另一关键酶 PPDK 的研究发现，虽然转入的玉米 C4
型 PPDK 基因在水稻中能够被高水平表达，但是大
多数 PPDK 酶蛋白都是以不活化的酶原形式存在
的，对整个光合碳同化途径影响不大。
在改造 C3 植物光合效率的同时， 人们还发现
在大豆等 C3 植物中也存在 C4 植物的 C4 途径关键
酶 [4]，却不能形成 C4 循环。 早期的研究认为 C4 循环
与 C4 植物叶片中存在花环结构有关 [5]，但是近年来
发现不具备花环结构的水生植物 Hydrilla verticilla-
te [6]和 Egeria densa [7]在同一叶肉细胞内也能进行完
整的 C4 碳同化，这说明 C4 循环与花环结构没有必
然联系。 因此， 造成 C3 植物中原有的或转入的 C4
途径关键酶无法提高 C3 植物光合效率的原因 ，可
能与 C4 途径关键酶基因的表达调节、 酶活性调节
或定位有关。
现阶段，人们虽已成功克隆了玉米、高粱等 C4
植物的 PEPC、PPDK、NADP-ME 等 C4 途径关键酶
基因并进行了测序，但是对这些基因的序列结构所
包含的信息了解得还不够深入和全面，利用生物信
息学的分析方法对 C4 植物的 C4 途径关键酶的氨
基酸序列进行分析， 可能有助于揭示 C4 途径关键
酶在不同种类植物、植物的不同发育阶段或不同环
境下活性的调控机制。 NADP-ME 是 C4 途径的关键
酶，催化苹果酸脱羧放出 CO2，并产生丙酮酸，丙酮
酸再生为 PEP，使 C4 途径得以循环进行。 植物中的
NADP-ME 基因属于一个小的基因家族。玉米 NAD-
P-ME 有 3 种类型，包括光合型（C4）、非光合型（C3）
和根型 [8]。 其中光合型 NADP-ME 在 C4 途径中催化
苹果酸脱羧， 参与 C4 光合循环； 非光合型 NADP-
ME 定位在玉米黄化叶片中，具体作用尚不清楚；根
型 NADP-ME 定位在根细胞中，主要参与植物的防
御 [9]。 本研究利用 Protparam、Pfam 等软件对玉米 C4
型 NADP-ME 蛋白的结构与功能进行分析和预测，为
该酶与其它 C4 植物和 C3 植物中存在的 NADP-ME
进行序列结构比对和功能对比的基础。
1 材料和方法
1.1 材料
数据资料来源于 NCBI 中已注册的玉米 C4 型
NADP-ME 氨基酸序列。 该氨基酸序列的登录号是
AAA33487。
1.2 方法
利用来自互联网上的分析软件 （表 1）及相关
生物信息学数据库对玉米 C4 型 NADP-ME 蛋白进
行分析。 用 Protparam 分析蛋白的氨基酸序列组成
和分子量， 预测其等电点和亲水性等理化性质；用
Pfam 对其结构域进行分析 ； 用 Predictprotein 和
SOPMA 预测其二级结构和疏水性；用 Psort 进行亚
细胞定位和 TargetP 进行导肽分析；用 Protfun 分析
蛋白质功能。
2 结果
2.1 玉米 C4型 NADP-ME 基因编码蛋白的理化性
质分析
玉米 C4 型 NADP-ME 基因编码蛋白的分子式
为 C3127H4924N840O929S21，分子量是 69.8kD。 Protparam 预
测表明，该蛋白的等电点（PI）6.09；半衰期 30 h，不
稳定参数 47.96，属于不稳定蛋白。该基因所含氨基
酸的种类和数量如表 2 所示，其中含 Leu（L）最多，
占 10.4%，不含 Asx（B）、Glx（Z）、Xaa（X）。总的亲水
性平均系数为-0.161， 预测该蛋白属于亲水性蛋
白。
表 1 生物信息学工具网站
表 2 玉米 C4 型 NADP-ME 的氨基酸组成

 
Protparam http://au.expasy.org/tools/protparam.html
Pfam http://pfam.sanger.ac.uk/
Predictprotein http://cubic.bioc.columbia.edu./predictprotein/submitdef
.html
SOPMA http://npsa-pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/
NPSA/npsa_sopma.html
Psort http://www.psort.org
Protfun http://www.cbs.dtu.dk/servies/ProtFun/
TargetP http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/





(%)




(%)




(%)




(%)




(%)
A 9.7 R 5.0 N 3.5 D 3.8 C 1.4
Q 3.8 E 7.5 G 8.0 H 1.7 I 5.0
L 10.4 K 5.3 M 1.9 F 3.9 P 5.5
S 6.4 T 5.8 W 0.9 Y 3.8 V 6.4

62
2009年第 3期
2.2 玉米 C4型 NADP-ME 蛋白序列功能域的分析
用 Pfam20.0 分析玉米 C4 型 NADP-ME 蛋白序
列功能域的结果表明 （表 3），玉米 C4 型 NADP-ME
具有 2 个功能域： 序列中 161~350 肽段为 N-末端
区域；在 352~605 肽段是一个 NAD（P）结合区域。
2.3 玉米 C4 型 NADP-ME 编码蛋白的二级结构
预测和疏水性分析
用 SOPMA 对玉米 C4 型 NADP-ME 蛋白的二级
结构组成进行预测。 结果表明，α 螺旋和不规则卷
曲是构成 NADP-ME 蛋白质二级结构的主要结构
元件 ，β 折叠和伸展链散布其中 ， 整个蛋白由
46.7%的 α-螺旋 、14.31%的延长链 、6.45%的 β-转
角和 32.55%的无规则卷曲组成（表 4）。用 Predictp-
rotein 对蛋白的二级结构的数量和性质进行预测 ，
结果表明，NADP-ME 中有 22 个 α-螺旋，18 个 β-转
角，此二级结构相当容易接近水分子。 预测该蛋白
的亲水性很高 ，可能是水溶性蛋白，这个结果与用
Protparam 的预测一致。
2.4 玉米 C4 型 NADP-ME 蛋白的亚细胞定位和
导肽的预测及分析
用 Psoft 分析玉米 C4 型 NADP-ME 编码蛋白的
亚细胞定位，结果如表 5。 该蛋白定位于线粒体内
膜的可能性为 65.7%，定位于叶绿体类囊体的可能
性为 61.1%，定位于质膜的可能性为 44%，定位于
线粒体基质的可能性为 37.1%。 据此可以推测该蛋
白质存在于线粒体或叶绿体中。
用 TargetP1.1 Server 对玉米 C4 型 NADP-ME 氨
基酸序列进行导肽分析（表 6），结果表明该序列含
有叶绿体转运肽 （chloroplast transit peptide）的可能
性最大， 为 83.4%， 而线粒体靶向肽（mitochondrial
targeting peptide）及分泌蛋白信号肽（signal peptide）
的可能性分别只有 20.5%、0.9%。因此，该蛋白质可
能含有叶绿体转运肽 ， 推测该蛋白存在于叶绿体
中。
2.5 玉米 C4 型 NADP-ME 的功能分类
ProtFun 预测玉米 C4 型 NADP-ME 蛋白的主要
功能如表 7 所示。预测结果表明该蛋白在酶分类上
属于裂解酶，具有氨基酸生物合成及能量代谢等功
能，同时具有氧化还原酶及转移酶的功能。
2.6 系统进化分析
用 clustalx1.83 和 MEGA 3.1 软件对玉米 C4 型
NADP-ME 进行系统进化分析 （图 1），并用自举法
对所构建的进化树进行可信度评估，当进化树的内
部树枝的自举值高于 95 时， 这个树枝的拓扑结构
就可以认为是正确的。 由图 1 可以看出，玉米 C4 型
NADP-ME 与高粱的 NADP-ME 同源性最高（自举值
为 99），与玉米 C3 型 NADP-ME、根型 NADP-ME 以
及水稻胞质型 NADP-ME 的同源性也很高（自举值
均为 100）。
3 讨论
用 Pfam 对玉米 C4 型 NADP-ME 蛋白的氨基酸

      
N- 161 350 403.1 4.2e~118
NAD(P) 352 605 485.3 7.7e~143

表 3 玉米 C4 型 NADP-ME 功能域的分析

 (%)
a- 46.70
3  0.00
p 0.00
ß 0.00
 14.31
ß 6.45
 0.00
 32.55
 0.00
 0.00

表 4 玉米 C4 型 NADP-ME 的二级结构预测

 (%)
  65.7
   61.1
 44
  37.1

表 5 玉米 C4 型 NADP-ME 的亚细胞定位预测

 (%)
  83.4
  20.5
 0.9
 6.5

表 6 玉米 C4 型 NADP-ME 编码蛋白导肽的预测
李振华等：玉米 C4型 NADP-ME的生物信息学分析 63
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 3期
序列分析表明，肽段 352~605 是一个 NAD（P）结合
区 ，由于此酶的反应底物中有 NADP，所以推测该
区域可能为酶的活性中心； 用 Psoft 进行亚细胞定
位分析，C4 型 NADP-ME 基因编码蛋白定位于线粒
体内膜和叶绿体的可能性分别为 65.7%和 61.1%；
用 TargetP 对玉米 C4 型 NADP-ME 序列进行分析表
明，该序列含有叶绿体转运肽和线粒体目标肽的可
能性分别为 83.4%和 20.5%。 由此可以推测玉米 C4
型 NADP-ME 基因编码蛋白定位在叶绿体中。
蛋白功能分析表明，该蛋白含具有氨基酸合成
和能量代谢等功能， 玉米 C4 型 NADP-ME 是 C4 光
合途径中的关键酶，具有能量代谢的功能，这与预
测的结果一致；但是玉米 C4 型 NADP-ME 具有氨基
酸生物合成的功能尚未有人报道，推测可能是由于
该蛋白的某些氨基酸序列与氨基酸合成酶具有一
定的相似性， 也有可能该蛋白具有氨基酸合成功
能，但尚未见到这方面的实验报道。 在酶分类预测
中，ProtFun 将该蛋白归为裂解酶类，并具有氧化还
原酶与转移酶的功能。由于玉米 C4 型 NADP-ME 在
C4 光合途径中催化苹果酸脱羧生成丙酮酸、CO2 和
NADPH （即苹果酸+NADP→丙酮酸+CO2+NADPH+
H+）， 所以该酶为裂解酶并涉及到能量转换， 这与
ProtFun 的预测结果一致。
从系统进化分析看出，玉米 C4 型 NADP-ME 基
因与同为 C4 植物的高粱的 NADP-ME 基因同源性
最高，处于同一分支上 ；与玉米 C3 型 NADP-ME 和
根型 NADP-ME 的同源性也很高，可能起源于相同
的祖先基因； 但是玉米 C4 型 NADP-ME 与 C3 植物
水稻的质体型 NADP-ME 基因同源性也较高，却与
同为 C4 植物 Flaveria tiinervia 的 NADP-ME 基因的
同源性很低，造成这种现象的原因可能是由于水稻
和玉米同为禾本科植物，亲缘关系较近。
参考文献
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表 7 玉米 C4 型 NADP-ME 的功能预测
图 1 部分 C3 和 C4 植物 NADP-ME 的进化树分析

 (%)   (%) 
  19.8 9.003  15.3 0.737
  25.4 3.526  25.2 0.730
 3.1 0.504   10.9 0.344
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