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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 7 期
收稿日期:2010-12-18
作者简介:朱红霞，女，硕士研究生，助教，研究方向:植物生物技术;E-mail:hulizong2008@ 163. com
通讯作者:邓小莉，女，硕士，副教授，研究方向:植物遗传学;E-mail:xldeng207@ 126. com
大白菜乙烯受体基因家族分子特征、
微同线性与进化分析
朱红霞1 胡利宗2 邓小莉1
(1新乡学院，新乡 453003;2中科院遗传发育所，北京 100101)
摘 要: 采用 HMMER与 BLAST相结合的方法，在大白菜基因组中挖掘了 10 个大白菜 ERT基因，被命名为 BraERT1 －
10。基因结构分析显示，乙烯受体基因的外显子数目变异大，其范围为 1 － 15。微同线性结果表明，白菜与拟南芥间以及白菜
基因组内共有 5 对基因区段具有较高同线性，每对基因区段间至少共享了 8 个保守序列模块。蛋白保守结构域和亚细胞定位
分析表明，BraERT1、BraERT2 和 BraERT8 都具有 N端疏水区域、GAF区、HisKA区、反应调节区，分别被定位于质膜、叶绿体和
线粒体;BraERT3、BraERT4 和 BraERT7 虽然有 N端疏水区域、GAF区和 HisKA区，但没有完整的反应调节区，分别被定位于质
膜、质膜和胞质外;其余 4 个蛋白不具有典型区域，主要定位于核和叶绿体内。进化树结果显示，大白菜 ERT基因具有 3 种类
型，分别归属于不同 3 个类群。本研究为大白菜 ERT基因功能研究提供线索，为进一步解析大白菜乙烯信号途径奠定基础。
关键词: 大白菜 乙烯受体 基因家族 进化
Molecular Characterization，Microsynteny and Evolutionary Analysis of
Ethylene Receptor Gene Family in Brassica rapa
Zhu Hongxia1 Hu Lizong2 Deng Xiaoli1
(1Xinxiang College，Xinxiang 453003;2The Institute of Genetics and Developmental Biology in CAS，Beijing 100101)
Abstract: Ten ethylene receptor genes，designed as BraERT1 － 10，were isolated from the genome of Brassica rapa using a combi-
nation of HMMER and BLAST homology search． The BraERT gene structure displayed a large of variation in exon number，and the exon
number ranged from 1 to 15． Results of microsynteny between Arabidopsis thaliana and Brassica rapa showed that two species share high
homology and there were at least eight conserved sequence regions between five homologous gene pairs． The conserved domain and sub-
cellular localization of the BraERT protein were described in detail as follows:BraERT1，BraERT2，and BraERT8，respectively located
on the plasma membrane，chloroplast and mitochodria，have typical regions such as N-terminal transmembrane，GAF，HisKA and reac-
tive regulation regions including HATPase-c and REC region;the HATPase-c and REC region of BraERT3，BraERT4，and BraERT7，lo-
cated on plasma membrane，plasma membrane，and extracell，were deleted during evolutionary process，and thus they had incomplete
conserved regions within ethylene receptors． The remaining proteins had no conserved regions，and they mainly were located on nucleus
and chloroplast． The phylogenic tree shown that BraERT1 － 10 were classified into three groups． The result could provide the clue for
functional study about ERT gene family and pave the basis of interpreting ethylene signal transduction pathway in Brassica rapa．
Key words: Brassica rapa Ethylene receptor Gene family Evolution
乙烯是植物激素家族中最为简单的唯一的气态
物质，广泛参与从种子萌发到成熟衰老的一系列生
命过程的调节［1］。乙烯受体基因 ETR 作为乙烯信
号转导过程中的一个关键信号传递因子，与位于其
下游具有蛋白激酶活性的 CTR1(丝氨酸 /苏氨酸蛋
白激酶)共同实现对乙烯合成的负调控作用［2］。随
着乙烯信号转导途径研究的深入，乙烯信号的感受、
传递和作用机理受到广泛关注［3］，尤其是乙烯与受
2011 年第 7 期 朱红霞等:大白菜乙烯受体基因家族分子特征、微同线性与进化分析
体的结合机制已成为乙烯信号转导研究的热点［4］。
目前，模式植物和一些重要农作物的乙烯受体基因
已有较多研究。在拟南芥中，已分离出 ETR1、
ERS1、ETR2、EIN4 和 ERS2 等 5 种乙烯受体基
因［5］;在番茄中也发现至少有 LeETR1、LeETR2、
NR、LeETR4、LeETR5 和 LeETR6 等 6 种乙烯受体基
因，它们在果实成熟时的基因表达和病原体反应中
响应［6］。此外，其它物种的乙烯受体基因也陆续被
鉴定，例如冬枣和龙眼等［7，8］。
尽管模式植物和一些重要农作物的乙烯受体基
因已有较多研究，但迄今为止尚未有大白菜乙烯受
体基因家族的详细报道。同时，我国大白菜自交系
Chiifu-401 全基因组测序的完成以及大白菜 EST 和
cDNA 序列的积累，为系统剖析大白菜乙烯受体基
因家族提供了可能。本研究挖掘了大白菜乙烯受体
基因家族的全部成员，并分析各成员的序列特征、蛋
白特性、基因表达及系统进化等特点，为大白菜乙烯
受体基因的结构和功能分析提供参考信息，及进一
步阐明大白菜乙烯信号转导途径奠定理论基础。
1 材料与方法
1. 1 数据来源
本研究涉及的乙烯受体基因相关序列主要来自
数据库 NCBI(http:/ /www. ncbi. nlm. nih. gov /) ，拟
南芥基因组序列数据库 TAIR(http:/ /www. arabido-
psis. org /) ，水稻基因组序列数据库 TIGR(http:/ /
rice. plantbiology. msu. edu /) ，大白菜基因组序列数
据库 BRAD(http:/ /brassicadb. org /brad / index. php)。
1. 2 基因分离、结构及其共线性分析
利用乙烯受体蛋白的保守基序对大白菜基因组
序列数据库 BRAD进行检索，同时以关键词“Ethyl-
ene receptor”检索 NCBI 数据库，最终获得大白菜全
基因组的乙烯受体基因。采用 GSDS 软(http:/ / gs-
ds. cbi. pku. edu. cn /)绘制大白菜乙烯受体基因的
结构［9］。基于拟南芥和大白菜乙烯受体基因所在
的 BAC序列，通过比较它们 BAC 之间的微同线性，
分析拟南芥与大白菜乙烯受体基因所在位置之间的
保守性。
1. 3 蛋白特性与保守基序分析
利用MEME 工具(http:/ /meme. nbcr. net /meme4
_1 /cgibin /meme. cgi)对大白菜乙烯受体蛋白的保守基
序进行分析［10］。参数设置如下:同一基序在一条序列
中出现的次数为 0或者 1，基序长度范围 10 －300个氨
基酸残基，基序最大发现数目 5 个，其他参数为默认
值。通过 SOSUI(http:/ /bp. nuap. nagoya-u. ac. jp / so-
sui / sosui_submit. html)在线软件对大白菜的 10个 ERT
基因编码蛋白进行跨膜结构分析［11］。此外，利用
Plant-Ploc(http:/ /www. csbio. sjtu. edu. cn /bioinf /plant)
在线工具对大白菜 ETR 蛋白的细胞内定位进行
预测［12］。
1. 4 系统进化分析
由于拟南芥、水稻和大白菜等物种乙烯受体蛋
白的氨基酸序列具有高度保守的功能结构域，因此
可以进行多序列的比对和构建进化树，以用于研究
它们的差异以及系统进化关系。乙烯受体蛋白序列
多重比对由 Clustal X 软件完成，参数为默认值［13］。
采用邻接法(Neighbor-Joining Method)构建系统发
生树［14］，其输出借助于 MEGA软件完成［15］。
2 结果与分析
2. 1 大白菜乙烯受体基因鉴定与结构分析
通过各种 Blast搜索和比对，在大白菜的基因组
中鉴定出 10 个 ERT 基因，分别命名为 BraERT1 －
BraERT10(表 1)。结果说明大白菜基因组中有更多
的 ERT基因，可能由于大白菜基因组的复杂程度高
于拟南芥。基于基因组序列的聚类分析显示，鉴定
出大白菜的 10 个 ERT 基因被划分为两个类群:第
一类群包括 BraERT2、BraERT4、BraERT6、BraERT7、
BraERT9 和 BraERT10，该类群基因结构变化复杂;
第二类群包括 BraERT1、BraERT3、BraERT5 和
BraERT8，该类群成员少，而且基因结构相对简单。
根据这些基因的结构特点，可以将它们分为两类:一
类为有内含子，例如 BraERT1、BraERT2 和 BraERT3
等，另外一类为没有内含子，例如 BraERT9、
BraERT4 和 BraERT5。就有内含子的基因而言，它
们的外显子数目具有较大的变化，即由 2 － 15 个外
显子组成，外显子最少的基因为 BraERT2、BraERT3
和 BraERT8，只有两个外显子，最多的是 BraERT10，
为 15 个(表 1，图 1)。
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书生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 7 期
表 1 大白菜乙烯受体基因家族信息
基因名称 登录号 BAC克隆(E值) 基因组位置 读码框(bp)外显子(内含子) 亚细胞定位 跨膜结构域
BraERT1 BRA004160 AC232484(9e-72) 5 687 772 － 5 690 669 2 211 6(5) Plasma membrane 3
BraERT2 BRA023756 No 387 560 － 389 979 2 343 2(1) Chloroplast 4
BraERT3 BRA015303 AC172869(0) 1 186 345 － 1 188 282 1 851 2(1) Plasma membrane 4
BraERT4 BRA004449 No 169 475 － 171 634 1 836 1(0) Plasma membrane 3
BraERT5 BRA040730 AC189513(5e-43) 2 730 － 2 945 216 1(0) Chloroplast 0
BraERT6 BRA013358 AC232464(0) 620 755 － 623 070 1 554 3(2) Nucleus 0
BraERT7 BRA030564 AC172869(0) 293 158 － 301 485 5 052 14(13) Extracellular 4
BraERT8 BRA040134 FP340382(0) 86 530 － 89 403 2 301 2(1) Mitochondrion 3
BraERT9 BRA006950 No 535 598 － 535 804 207 1(0) Chloroplast 0
BraERT10 BRA024722 AC189513(0) 1 367 231 － 1 373 491 3 837 15(14) Nucleus 0
图 1 大白菜乙烯受体家族成员基因结构及进化树(基于基因组序列)
2. 2 大白菜与拟南芥乙烯受体基因的微共线性
为剖析拟南芥和大白菜的 ERT 基因所在的同
源区段(200 kb左右)之间的微共线性，详细比较并
分析了两物种间保守序列所处的位置、大小以及顺
序，进一步将两物种之间序列相似性≥70%且长度
≥1 500 bp的高分片段配对(HSP)以 Block 形式绘
制在 200 kb区段内，结果如图 2 所示。从图 2 可以
看出，拟南芥与大白菜 AtERT1-BraERT1、AtERT2-
BraERT2、AtERS2-BraERT7、AtEIN4-BraERT8 以及
BraERT3-BraERT7 所在区段的序列比较保守，微共
图 2 拟南芥与大白菜乙烯基因家族部分成员的微同线性
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2011 年第 7 期 朱红霞等:大白菜乙烯受体基因家族分子特征、微同线性与进化分析
线性关系良好。两个物种 ERT 基因区段微共线性
分析显示，AtERT1-BraERT1 区段由 13 个保守序列
构成，这些保守序列在两个物种基因组中方向相同，
序列顺序几乎完全一致，不同的是保守序列 i 的位
置发生移动，同时 BraERT1 区段进行压缩;AtERT2-
BraERT2 区段由 7 个保守序列构成，这些保守序列
在两个物种基因组中方向相反，序列顺序几乎完全
相反，只有保守序列 i例外，同时 BraERT1 区段 Gap
较多，显然该区段有序列插入现象;AtERS2-BraERT7
由 13个保守序列构成，这些保守序列在两个物种基
因组中方向相同，序列顺序几乎完全一致，不同的是
保守序列 c和 d的位置发生移动，尽管有 Gap存在，
但是 BraERT7 区段进行高度包装与压缩;AtEIN4-
BraERT8 由 12 个保守序列构成，这些保守序列在两
个物种基因组中方向和顺序完全相反，该区段尺寸
被压缩。大白菜物种内 ERT 基因之间也存在共线
性，例如，BraERT3-BraERT7 共享了 15 个保守序列，
它们的顺序和方向完全一致，但是有片段融合和共
用现象发生。
2. 3 蛋白保守基序与功能结构域的比较分析
保守基序分析显示，大白菜 BraERT1－4 和
BraERT7 －8共 6 个蛋白都具有 5 个保守基序，而
BraERT5 －6和BraERT9 －10共 4 个蛋白并不具备这 5
个保守基序(图 3)。利用 SMART 软件对大白菜的
BraERT1 －10进行结构域分析［16］，结果(图 3)表明
BraERT1、BraERT2和 BraERT8 共 3 个蛋白完整包含
了4个区域，即N端疏水区域、GAF区(与 cGMP结合
和光调节有关)、HisKA 区、反应调节区(由一个接
受结构域 HATPase-c 和一个输出结构域 REC 构
成)。BraERT3、BraERT4 和 BraERT7 虽然具有主
要 N端疏水区域、GAF区(与 cGMP 结合和光调节
有关)和 HisKA区，但是它们并没有完整的反应调
节区。其余 4 个蛋白没有乙烯受体蛋白典型的 4
个区域。
图 3 大白菜乙烯受体蛋白保守基序与功能结构域的组织结构
蛋白保守基序与功能结构域的比较分析显示，
BraERT5 － 6 和 BraERT9 － 10 既不具有保守基序，也
不具有功能结构域。该结果表明，它们很可能在进
化过程中已经丢失了保守基序，丧失功能结构域，最
终导致功能发生变化。
2. 4 蛋白跨膜结构与亚细胞定位预测
通过 SOSUI (http:/ /bp. nuap. nagoya-u. ac. jp /
sosui / sosui_submit. html)在线软件［11］对大白菜的 10
个 ERT基因编码蛋白进行跨膜结构分析，结果如图
4 所示，其跨膜结构域的序列区间如表 2 所示。根
据蛋白跨膜结构域特点，大白菜乙烯受体基因家族被
分为 3 类群。第 1 类群蛋白包括 BraERT1、BraERT4
和 BraERT7，具有 3 个跨膜结构域，蛋白的 N 端和 C
端分别位于膜的内外两侧。第 2 类群蛋白具有 4 个
跨膜结构域，并且 N端和 C端都位于膜内侧，主要由
BraERT2、BraERT3和 BraERT8 组成。第 3 类群蛋白
包括 BraERT5、BraERT6、BraERT9 和 BraERT10，尽管
它们与乙烯受体基因序列具有一定程度的相似性，但
并不具有跨膜结构，推测它们很可能以游离态形式存
在于细胞内，也不具有乙烯受体功能。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 7 期
图 4 大白菜乙烯受体基因蛋白跨膜结构域预测
表 2 大白菜乙烯受体蛋白的保守基序与功能结构域
功能结构域 /
保守基序
大白菜(Bra)乙烯受体基因
ERT1 ERT2 ERT3 ERT4 ERT5 ERT6 ERT7 ERT8 ERT9 ERT10
TM1 27 － 44 7 － 26 5 － 27 21 － 43 － － 5 － 24 2 － 17 － －
TM2 54 － 76 55 － 72 47 － 69 53 － 75 － － 83 － 105 52 － 74 － －
TM3 83 － 105 79 － 101 76 － 98 82 － 104 － － 126 － 145 78 － 100 － －
TM4 － 121 － 143 118 － 140 － － － － 113 － 135 － －
GAF 159 － 318 186 － 346 183 － 345 158 － 317 － － 191 － 356 184 － 341 － －
HisKA 344 － 409 372 － 437 371 － 437 343 － 408 － － 382 － 449 367 － 432 － －
HATPase-c 456 － 585 481 － 623 － 455 － 585 － － － 479 － 614 － －
REC 609 － 723 653 － 769 － － － － － 642 － 761 － －
Motif1 12 － 47 40 － 75 35 － 70 11 － 46 － － 43 － 78 37 － 72 － －
Motif2 51 － 77 78 － 104 25 － 101 50 － 76 － － 83 － 109 75 － 101 － －
Motif3 89 － 197 116 － 224 113 － 221 88 － 196 － － 121 － 229 114 － 222 － －
Motif4 287 － 371 315 － 397 314 － 398 286 － 370 － － 325 － 409 310 － 394 － －
Motif5 414 － 479 439 － 504 436 － 501 413 － 478 － － 446 － 511 437 － 502 － －
此外，利用 Plant-Ploc(http:/ /www. csbio. sjtu．
edu. cn /bioinf /plant)在线工具［12］对大白菜 ETR 蛋
白的细胞内定位进行预测，结果见表 1。由表 1 可
知，大白菜 ERT 蛋白可被定位到不同的细胞器或
部位中:BraERT1、BraERT3 和 BraERT4 定位于质
膜上的可能性最大，BraERT2、BraERT5 和 BraERT9
定位于叶绿体的可能性最大，BraERT6 和 BraERT10
都被定位到细胞核内，BraERT8 被定位到线粒体
内，而 BraERT7 被定位到细胞外。乙烯受体蛋白
亚细胞定位的多样化说明它们在功能和作用机
制上可能有所分化，对乙烯信号敏感程度也有所
不同。
2. 5 乙烯受体基因的系统进化
基于水稻、玉米、高粱、杨树、番茄、烟草以及大白
菜 ERT基因的氨基酸序列，不同物种 ERT 基因的进
化树被构建，绘制和编辑由软件 MEGA5 完成［15］，结
果如图5所示。由图5可知，不同物种的 ERT基因大
致分为 3个不同的类群:大白菜 BraERT1 和 BraERT8
与 AtERT1、AtEIN4、NtERS1、PtER7 － 8 等序列有较高
的相似性，共同属于第一类群;大白菜 BraERT4 与
AtERS1、ZmER1、SbER1、NTHK1 等序列相似，被归为
第二类群;大白菜其余的 ERT基因都属于第三类群。
进化树进一步显示，大白菜与拟南芥、杨树、烟草、番
茄进化分析结果一致，这些物种的 ERT 基因都被分
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2011 年第 7 期 朱红霞等:大白菜乙烯受体基因家族分子特征、微同线性与进化分析
为 3个类群，这 3个类群的基因在结构和功能上可能
有所不同。此外，对于水稻、玉米、高粱单子叶植物而
言，第一类群内并没有水稻、高粱与玉米的 ERT 基
因，而水稻 ERT基因仅仅存在于第三类群，这说明在
单子叶植物中第一、二类群内的 ERT 基因趋向于丢
失，而第三类群内的 ERT基因趋向于扩增。
图 5 不同植物乙烯受体基因的进化树
3 讨论
从大白菜基因组中鉴定出 10 个 ERT 基因，编
码区变异大，范围为 207 － 5 052 bp。从蛋白功能结
构域分析来看，大白菜 ERT蛋白多数含有 N端疏水
区域、GAF区(与 cGMP结合和光调节有关)、HisKA
区、反应调节区(由一个接受结构域 HATPase-c 和
一个输出结构域 REC 构成) ，说明它们在功能上也
存在一定的保守性，这些保守结构域为乙烯信号的
识别提供了必要条件。从亚细胞定位预测的结果来
看，大白菜 ERT 蛋白可定位在不同的细胞组分中，
也说明它们存在功能上的分化。从进化角度看，大
白菜与拟南芥同属于十字花科，具有较近的亲缘关
系［17，18］，拟南芥与大白菜高度共线性也支持了这个
结论。与拟南芥相分歧后，大白菜基因组经历了三
倍化进化过程［19］，因此，从全基因组水平看，大白菜
ERT基因应该有较多的拷贝存在，该研究结果也支持
了这一推断。系统进化树揭示了大白菜的 10 个 ERT
基因被分为 3个不同的类群，这些不同类群内的基因
可能在功能上有所不同，但 BraERT5、BraERT6、
BraERT9 和 BraERT10 并不具有乙烯受体典型的结
构，推测它们很可能不编码蛋白以假基因的形式存
在，或编码蛋白，但它们以游离态形式存在于细胞内，
也不具有乙烯受体功能。尽管这些结论有待试验验
证，但它却为大白菜 ERT基因功能研究提供线索，为
进一步解析大白菜乙烯信号途径奠定基础。
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(责任编辑 马鑫)
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