全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (6): 672–681, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00672
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收稿日期: 2014-04-24; 接受日期: 2014-08-04
基金项目: 国家自然科学基金(No.30971838)、山西省科技攻关项目(No.201303110015-1)和山西省回国留学人员基金(No.2013-146)
* 通讯作者。E-mail: byfok@126.com
籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性
聂江婷1, 白云凤2, 3*, 贺飞燕1, 闫建俊2, 张维锋2
1山西大学生物工程学院, 太原 030006; 2山西省农业科学院作物科学研究所, 太原 030031
3山西省农业科学院农作物品种资源研究所, 农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室, 太原 030031
摘要 运用CHIPS、CUSP和CodonW等程序分析了双子叶C4植物籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus)丙酮酸磷酸二激
酶(PPDK)基因的密码子偏好性, 并与马铃薯(Solanum tuberosum)和苜蓿(Medicago truncatula)等双子叶植物及水稻
(Oryza sativa)和玉米(Zea mays)等单子叶植物进行了比较, 建立了聚类树状图, 以期在作物高光效基因工程中为籽粒苋
PPDK基因选择合适的受体植物提供依据。研究结果表明, 籽粒苋PPDK基因偏好于以A或T结尾的密码子, 与其它几种被比
较的双子叶作物的PPDK基因密码子偏好性趋势一致, 而玉米和水稻等单子叶植物更偏好使用以G或C结尾的密码子。
PPDK基因密码子使用偏好性的系统聚类分析表明, 籽粒苋与马铃薯和苜蓿等双子叶植物聚为一类, 而稗草(Echinochloa
crusgalli)、玉米和高粱(Sorghum bicolor)等单子叶植物聚为一类, 与系统进化地位一致。但单子叶植物水稻的密码子偏好
性与籽粒苋较为接近, 与玉米和高粱相差较远。为了选择合适的蛋白质表达系统, 比较并分析了籽粒苋PPDK基因的密码子
偏好性与大肠杆菌(Escherichia coli)及酵母菌的异同, 发现其与酵母菌的差异小于大肠杆菌, 表明选择酵母菌表达系统更
为合适。
关键词 籽粒苋, 密码子偏好性, PPDK基因
聂江婷, 白云凤, 贺飞燕, 闫建俊, 张维锋 (2014). 籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性. 植物学报 49,
672–681.
丙酮酸磷酸二激酶(pyruvate orthophosphate di-
kinase, PPDK)存在于各类生物体(动物除外)中。细菌
和原生动物中的PPDK起丙酮酸激酶的作用, 催化磷
酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate, PEP)生成
ATP和丙酮酸(Pocalyko et al., 1990)。植物体中的
PPDK有两种类型, 即细胞质型和C4叶绿体型, 二者
有很高的同源性 , 但细胞质型PPDK与叶绿体型
PPDK相比在N端缺少一段叶绿体转运肽(Matsuoka,
1995)。细胞质型PPDK活性较低, 不参与光合作用,
但可能与维持细胞的pH值及应对生物 (如病毒感
染)(Ryšlavá et al., 2003)或非生物胁迫(如干旱、低
温、高盐和UV-B)有关(Moons et al., 1998; Yama-
kawa et al., 2007)。叶绿体型PPDK主要存在于C4植
物叶肉细胞的叶绿体中 , 催化ATP和丙酮酸(pyru-
vate)生成PEP(李卫华等, 1999)。PEP作为CO2的初
级受体, 在位于叶肉细胞质中的磷酸烯醇式丙酮酸羧
化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC)的
催化下, 生成四碳酸草酰乙酸(OAA)。OAA被NADP-
苹果酸脱氢酶(NADP-MDH)还原为苹果酸或通过天
冬氨酸转氨酶的转氨作用转变成天冬氨酸。苹果酸或
天冬氨酸被转运到维管束鞘细胞 (Bsc), 在核酮糖
-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶附近脱羧释放出CO2, 同
时产生还原力和丙酮酸。丙酮酸转回到叶肉细胞的叶
绿体中, 在PPDK的催化下生成PEP, 完成1个C4循
环。释放的CO2提高了Rubisco周围的CO2浓度, 抑制
了Rubisco的加氧活性, 增强了羧化性能, 使C4植物
比C3植物具更高的光合效率。迄今已有诸多将C4光合
型PPDK基因转入C3植物的报道(魏松涛等, 2008; 杜
西河等, 2013), 但所转基因大多来自单子叶植物玉
米(Zea mays)或高粱(Sorghum bicolor), 其它来源的
很少。籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus)是双子
叶C4植物, 生长快且光合效率高。本实验室前期克隆
了籽粒苋C4光合型PPDK基因(GenBank登录号为 :
JF907701)。进一步探明该基因的特征特性将为其用
·研究报告·
聂江婷等: 籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性 673

于植物高光效基因工程提供依据。
生物体中, 蛋白质的氨基酸组成和排列顺序取决
于编码基因的核苷酸序列, 即每3个连续的核苷酸序
列(三联体密码子)对应1个特定的氨基酸。三联体密码
子有64个, 而氨基酸仅有20种, 使得每种氨基酸可由
1–6个密码子编码。编码同一氨基酸的密码子称为同
义密码子(synonymous codon)。在长期的进化过程
中, 不同物种的基因在密码子使用上存在着明显的偏
好性。在转基因研究中, 如果外源基因存在较多的宿
主表达系统的稀有密码子, 其高效表达将会受到影响
(Li and Xue, 2005)。分析密码子偏好性, 并与不同受
体表达系统进行比较, 可明确合适的表达系统, 或明
确需要改造的密码子 (吴宪明等 , 2007; 李平等 ,
2011; 郭秀丽等, 2012)。本研究采用几种较为常用的
密码子分析方法, 对籽粒苋PPDK基因的密码子偏好
性进行了分析, 并与马铃薯(Solanum tuberosum)、
苜蓿(Medicago truncatula)和蓖麻(Ricinus commu-
nis)等双子叶植物及水稻(Oryza sativa)、玉米和高粱
等单子叶植物进行比较, 同时基于PPDK基因的密码
子偏好性进行了聚类分析, 以期为籽粒苋PPDK基因
在作物高光效基因工程中选择合适的受体植物提供
依据。此外, 比较并分析了籽粒苋PPDK基因的密码
子偏好性与大肠杆菌及酵母菌的异同, 以期为选择合
适的蛋白质表达系统奠定基础。
1 材料与方法
1.1 序列来源和分析软件
籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus L.)PPDK基因
由本实验室自主克隆(GenBank登录号: JF907701),
ORF长度为2 871 bp, 编码957个氨基酸。蓖麻(Ri-
cinus communis L.)、马铃薯(Solanum tuberosum
L.)、水稻(Oryza sativa L.)和玉米(Zea mays L.)等植
物的PPDK基因序列来源于GenBank, 序列登录号见
表1。利用在线数据库Codon Usage Database(http://
www.kazusa.or.jp/codon/)查询大肠杆菌(Esche-
richia coli)和酵母菌基因组的密码子偏好性。用
Mobyle@Pasteur(http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/
portal.py?#forms)在线程序中的EMBOSS6.3.1:
chips(http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#for-
ms::chips)、 EMBOSS6.3.1:cusp(http://mobyle.past-
eur.fr/cgi-bin/portal.py?#forms::cusp)以及codon
W1.4.4(http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#
forms::CodonW)分析PPDK基因的密码子偏好性。


表1 PPDK基因的完整编码区序列来源
Table 1 Sources of coding sequence of PPDK genes
Accession
number
Species
JF907701 Amaranthus hypochondriacus
NM_001125515 Arabidopsis thaliana
XM_003609490 Medicago truncatula
X78347 Mesembryanthemum crystallinum
XM_002516781 Ricinus communis
XR_415309 Solanum lycopersicum
XM_006365216 S. tuberosum
DQ083757 Echinochloa crusgalli
AY268138 Sorghum bicolor
AJ004965 Oryza sativa
FJ517555 Zea mays

1.2 方法
用Mobyle@Pasteur(http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/
portal.py?#forms)网站的CHIPS在线程序分析PPDK
基因的有效密码子数(effective number of codons,
ENc)。用CUSP在线程序分析密码子的使用频率。用
CodonW在线程序分析基因编码区的GC含量、三联
体密码子中第3位碱基的GC含量(GC3s)以及相对同
义密码子的使用度 (relatively synonymous codon
usage, RSCU)。用SPSS 19.0软件对不同植物基于
PPDK基因的密码子使用的偏好性进行聚类。用
DNAMAN软件进行多序列比对并建立各个物种
PPDK基因的核苷酸序列同源树。最佳比对采用完全
比对方式, 按照输入顺序输出。两序列比对采用快速
比对进行运算, 参数为空位罚分(7)、顶部对角线数
(4)、K-tuple (2)和窗口大小(4), 空位罚分是在序列对
齐时插入空位并进行罚分以控制空位插入的合理性,
设置较小的K-tuple值可以提高精确度, 当序列较长
时, 一般设置较大的K-tuple值(DNA 序列: K-tuple值
可选范围为2–6)。多重比对参数包括空位开放罚分
(10)、空位延伸罚分(5)、延迟趋异序列%(40)和蛋白
质加权矩阵(BLOSUM)。蛋白质空位参数使用亲水性
罚分和残基特异罚分, 其参数为亲水性残基(GPSN-
674 植物学报 49(6) 2014

DQEKR)和空位分隔距离(8)。
2 结果与讨论
2.1 有效密码子数和GC含量分析
基因有效密码子数(ENc)是某一个密码子使用频率与
同义密码子平均使用频率偏差的量化值。如果某一特
定基因中, 各个同义密码子出现的频率相同, 即对密
码子没有偏好性, 则ENc值为61; 如果只使用同义密
码子中的1个, 即20种氨基酸只使用20种密码子, 表
明密码子偏好性最强 , ENc值为20。用CHIPS和
CUSP在线程序计算结果表明, 籽粒苋PPDK基因的
ENc值为53.518, 表明该基因各密码子出现的频率有
一定的差异, 即具有密码子偏好性。PPDK基因的GC
含量为0.435, 表明该基因的GC含量低于AT; 其
GC3s(密码子第3位碱基中G+C的含量在第3位碱基
总量中所占的比率)为0.387, 比GC含量更低, 说明
该基因偏好使用以A和T结尾的密码子。
2.2 密码子偏好性分析
某一密码子出现的频率与编码该氨基酸的所有同义
密码子出现频率的比值(Fraction)(所有同义密码子
的比值总和为1)和该密码子在基因的总密码子中出
现的频率(Frequency, 即在1 000个密码子中出现的
次数)可从不同角度反映密码子的偏好性。相对同义
密码子使用度是衡量密码子偏好性的另一重要指标,
该指标指某一特定密码子在编码对应氨基酸的同义
密码子中的相对概率, 鉴于去除了氨基酸组成对密
码子使用的影响, 其结果更加直观可靠(Wang and
Roossinck, 2006)。如果密码子的使用没有偏好性,
则该密码子的RSCU=1; 如果某一密码子使用频率
高, 则RSCU >1; 如使用频率低, 则小于1。CUSP和
CodonW在线分析表明 , 在籽粒苋PPDK基因中 ,
RSCU值大于1.2的密码子有16个 , 最高的为2.36
(CCT), 是该基因偏好的密码子。在这些偏好的密码
子中, 除了AGG外, 其余15个均以A或T碱基结尾,
并且这些密码子的Fraction和Frequency值也较高 ,
验证了籽粒苋PPDK基因偏好以A或T结尾的密码子
(表2)。
比较籽粒苋PPDK基因各个密码子在编码基因总
密码子中出现的频率与Codon Usage Database籽粒
苋21个CDS(包含8 280个codon)中相同密码子出现
的频率, 发现二者之间有较高的一致性, 相关系数高
达0.900 4, 二者的比值介于0.47–1.74之间, 小于0.5
的只有2个(CCC和TGG), 大于1.5的有3个(GCA、
CTA和CTC), 表明籽粒苋PPDK基因的偏好性与其
基因组总的偏好性较为一致。
2.3 不同植物PPDK基因的密码子偏好性比较
2.3.1 有效密码子数和GC含量的比较
籽粒苋和其它10种植物PPDK基因的ENc值及GC和
GC3s含量计算结果见表3。Sharp和Li(1986)的研究
表明, ENc值越小该基因的表达水平越高。 本研究中,
拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻的ENc值大于
55, 玉米和苜蓿的ENc值小于50, 籽粒苋及其它6种
植物的ENc值介于50–55之间。GC和GC3s含量在单
子叶和双子叶植物之间差异显著, 籽粒苋、马铃薯和
苜蓿等7种双子叶植物的CG和GC3s均低于0.5, 而水
稻、稗草(Echinochloa crusgalli)、玉米和高粱4种单
子叶植物均高于0.5。将双子叶植物组和单子叶植物
组进行t检验: 双样本等方差假设得出, tENc=0.046,
小于t0.05=2.262, 表明双子叶与单子叶植物的ENc值
无显著差异。tGC=–6.733, tGC3s=–6.957, 两者的绝对
值均大于 t0.01=3.250, 差异达极显著水平 , 表明双
子叶植物密码子比单子叶植物对A或T的偏好性更
强。

2.3.2 基于密码子使用偏性的系统聚类
为进一步比较籽粒苋与其它植物PPDK基因密码子的
使用特性, 以每个基因作为1个对象, 以59个密码子
(剔除色氨酸(Trp)和甲硫氨酸(Met)以及3个终止密码
子)的相对使用度为变量, 计算不同植物PPDK基因
之间的欧氏平方距离(Sharp et al., 1988; Sau et al.,
2005)。对于基因a与基因b, 其密码子使用偏性的欧
式距离系数Dab的计算公式为:

不同植物PPDK基因的欧式平方距离计算结果见表4。
对于PPDK基因类与类之间的距离, 依据离差平
方和(Ward)法计算, 以使归为同类的PPDK基因之间
的离差平方和最小, 而不同类的PPDK基因之间的离
聂江婷等: 籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性 675

表2 籽粒苋PPDK基因的密码子偏好性
Table 2 Condon bias of PPDK gene
Codon Amino acid Fraction Frequency (f‰) Number RSCU
GCA A (Ala) 0.318 29.258 28 1.27
GCC A 0.159 14.629 14 0.64
GCG A 0.091 8.359 8 0.36
GCT A 0.432 39.707 38 1.73
TGC C (Cys) 0.571 8.359 8 1.14
TGT C 0.429 6.270 6 0.86
GAC D (Asp) 0.375 18.809 18 0.75
GAT D 0.625 31.348 30 1.25
GAA E (Glu) 0.605 48.067 46 1.21
GAG E 0.395 31.348 30 0.79
TTC F (Phe) 0.500 17.764 17 1.00
TTT F 0.500 17.764 17 1.00
GGA G (Gly) 0.393 34.483 33 1.57
GGC G 0.143 12.539 12 0.57
GGG G 0.179 15.674 15 0.71
GGT G 0.286 25.078 24 1.14
CAC H (His) 0.429 6.270 6 0.86
CAT H 0.571 8.359 8 1.14
ATA I (Ile) 0.204 10.449 10 0.61
ATC I 0.224 11.494 11 0.67
ATT I 0.571 29.258 28 1.71
AAA K (Lys) 0.482 28.213 27 0.96
AAG K 0.518 30.303 29 1.04
CTA L (Leu) 0.133 12.539 12 0.80
CTC L 0.089 8.359 8 0.53
CTG L 0.133 12.539 12 0.80
CTT L 0.322 30.303 29 1.93
TTA L 0.133 12.539 12 0.80
TTG L 0.189 17.764 17 1.13
ATG M (Met) 1.000 35.528 34 1.00
AAC N (Asn) 0.500 17.764 17 1.00
AAT N 0.500 17.764 17 1.00
CCA P (Pro) 0.250 11.494 11 1.00
CCC P 0.091 4.180 4 0.36
CCG P 0.068 3.135 3 0.27
CCT P 0.591 27.168 26 2.36
CAA Q (Gln) 0.514 19.854 19 1.03
CAG Q 0.486 18.809 18 0.97
AGA R (Arg) 0.277 13.584 13 1.66
AGG R 0.298 14.629 14 1.79
CGA R 0.149 7.315 7 0.89
CGC R 0.064 3.135 3 0.38
CGG R 0.085 4.180 4 0.51
CGT R 0.128 6.270 6 0.77
AGC S (Ser) 0.145 9.404 9 0.87
AGT S 0.145 9.404 9 0.87
TCA S 0.258 16.719 16 1.55

676 植物学报 49(6) 2014

表2 (续) Table 2 (continued)
Codon Amino acid Fraction Frequency (f‰) Number RSCU
TCC S 0.145 9.404 9 0.87
TCG S 0.032 2.090 2 0.19
TCT S 0.274 17.764 17 1.65
ACA T (Thr) 0.333 16.719 16 1.33
ACC T 0.125 6.270 6 0.50
ACG T 0.042 2.090 2 0.17
ACT T 0.500 25.078 24 2.00
GTA V (Val) 0.125 9.404 9 0.50
GTC V 0.236 17.764 17 0.94
GTG V 0.264 19.854 19 1.06
GTT V 0.375 28.213 27 1.50
TGG W (Trp) 1.000 7.315 7 1.00
TAC Y (Tyr) 0.444 8.359 8 0.89
TAT Y 0.556 10.449 10 1.11
TAA * 0.000 0.000 0 *
TAG * 0.000 0.000 0 *
TGA * 1.000 1.045 1 *
*终止密码子; RSCU: 相对同义密码子使用度。大于1.2的RSCU值用下划线表示。
*Termination codon; RSCU: Relative synonymous codon usage. The data with underline mean that the value of RSCU>1.2.


表3 不同物种PPDK的有效密码子数及GC和GC3s含量
Table 3 The ENc values and contents of GC and GC3s for PPDK in different species
Species ENc GC GC3s
Amaranthus hypochondriacus 53.518 0.435 0.387
Arabidopsis thaliana 56.611 0.479 0.451
Mesembryanthemum crystallinum 51.534 0.453 0.395
Medicago truncatula 47.517 0.417 0.326
Solanum lycopersicum 52.694 0.456 0.411
Solanum tuberosum 52.932 0.455 0.404
Ricinus communis 52.327 0.440 0.371
Echinochloa crusgalli 53.706 0.546 0.584
Oryza sativa 56.626 0.510 0.520
Zea mays 48.425 0.584 0.700
Sorghum bicolor 50.687 0.555 0.611
ENc: 有效密码子数; GC: 密码子的GC含量; GC3s: 密码子第3位的GC含量
ENc: Effective number of codons; GC: GC content of codons; GC3s: The third GC content of codon


差平方和最大(顾万君等, 2002)。分析结果表明, 籽粒
苋与马铃薯等6种双子叶植物聚为一类, 玉米、高粱
和稗草3种单子叶植物聚为一类, 而水稻所处的地位
较为复杂(图1)。通过分析表4数据, 可知水稻与稗草
的欧氏平方距离系数最小, 与籽粒苋次之, 与玉米则
较远。一般认为, 基于密码子使用频率的聚类树在某
种程度上优于基于基因组的系统进化树(Zhou et al.,
2005)。为此, 利用DNAMAN软件建立了PPDK基因
的核苷酸序列同源树(图2)。水稻与稗草、高粱和玉米
3种单子叶植物聚为一类 , 同源性分别为79.2%、
79.1%和77.7%, 与籽粒苋的同源性为69.4%(数据未
显示), 这与系统分类结果相一致。该结果也表明了水
稻PPDK基因的密码子偏好性较为特殊。
2.4 籽粒苋PPDK基因与大肠杆菌和酵母菌基因
组的密码子偏好性比较
密码子偏好性会影响基因在宿主中的高效表达。某一
基因与宿主基因组的密码子使用频率的比值可作为
聂江婷等: 籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性 677

表4 各物种PPDK基因间密码子使用偏性的欧氏平方距离系数
Table 4 Coefficient of absolute squared euclidean distance of codon usage bias among the sample of PPDK
Species 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 7.460
2 7.345 9.114
3 4.206 10.247 7.259
4 7.232 13.053 6.166 7.718
5 5.111 7.667 6.138 4.977 4.810
6 5.154 8.208 5.720 5.851 4.502 0.552
7 8.596 9.009 13.272 10.120 16.698 8.845 8.993
8 32.075 29.650 43.040 36.779 53.140 34.663 34.975 17.228
9 20.050 19.848 29.505 23.505 37.012 22.755 22.483 9.129 5.921
10 16.328 17.792 22.771 19.734 31.012 18.607 18.269 7.065 6.668 2.868
1: Arabidopsis thaliana; 2: Ricinus communis; 3: Mesembryanthemum crystallinum; 4: Medicago truncatula; 5: Solanum ly-
copersicum; 6: Solanum tuberosum; 7: Oryza sativa; 8: Zea mays; 9: Sorghum bicolor; 10: Echinochloa crusgalli; 11: Amaran-
thus hypochondriacus



图1 基于PPDK基因相对同义密码子使用度的聚类树状图

Figure 1 Cluster analysis dendrogram of RSCU values of
PPDK gene

衡量密码子使用偏好性差异的指标之一。本研究结果
表明, 籽粒苋PPDK基因与大肠杆菌和酵母菌基因组
密码子使用频率比值大于2或小于0.5的分别有22个
和7个(表5), 说明籽粒苋PPDK基因在酵母菌中更易
表达。若选择大肠杆菌表达系统, 需对籽粒苋PPDK
基因的部分密码子进行优化。
2.5 讨论
不同物种或同一物种的不同基因对密码子的偏好性


图2 基于PPDK核苷酸序列建立的植物PPDK基因同源树

Figure 2 Homology trees of plants based on the complete
nucleotide sequence of PPDK gene

有所不同(赵耀等, 2008; 晁岳恩等, 2011)。本研究结
果表明, 籽粒苋PPDK基因偏好使用以A或T结尾的密
码子, 符合双子叶植物密码子的使用特性。ENc值可
反映密码子的偏好程度, 与基因的表达水平相关。 一
般情况下ENc值越大, 基因的表达水平越低。本研究
中, 籽粒苋、玉米、高粱和稗草的PPDK基因均为C4
叶绿体型, 是C4光合途径的关键酶基因, 应为高表达
基因, 但籽粒苋PPDK基因的ENc值略低于稗草, 高
于玉米和高粱, 甚至高于苜蓿和马铃薯等C3植物, 其
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表5 籽粒苋PPDK基因与大肠杆菌和酵母菌基因组的密码子出现频率(f/‰)
Table 5 Codon frequency of Amaranthus hypochondriacus PPDK gene (AhPPDK), Escherichia coli genome and yeast genome
(f/‰)
Codon Amino acid AhPPDK Escherichia
coli genome
Yeast
genome
AhPPDK/E. coli
genome
AhPPDK/Yeast
genome
GCA A (Ala) 9.258 20.6 16.2 0.90 1.15
GCC A 14.629 25.1 12.6 0.53 1.05
GCG A 8.359 31.7 6.2 0.17 0.87
GCT A 39.707 15.6 21.2 2.58 1.9
TGC C (Cys) 8.359 6.9 4.8 1.09 1.56
TGT C 6.270 5.5 8.1 1.18 0.8
GAC D (Asp) 18.809 18.6 20.2 0.81 0.75
GAT D 31.348 32.1 37.6 1.18 1.01
GAA E (Glu) 48.067 38.2 45.6 1.06 0.89
GAG E 31.348 17.7 19.2 1.58 1.46
TTC F (Phe) 17.764 16.9 18.4 1.03 0.95
TTT F 17.764 23.2 26.1 1.13 1.00
GGA G (Gly) 34.483 9 10.9 2.83 2.34
GGC G 12.539 27.9 9.8 0.32 0.90
GGG G 15.674 11.3 6 1.19 2.23
GGT G 25.078 24.4 23.9 0.90 0.92
CAC H (His) 6.270 9.8 7.8 0.66 0.83
CAT H 8.359 13.6 13.6 0.94 0.94
ATA I (Ile) 10.449 5.4 17.8 2.04 0.62
ATC I 11.494 24.2 17.2 0.63 0.89
ATT I 29.258 29.8 30.1 1.02 1.01
AAA K (Lys) 28.213 33.2 41.9 0.90 0.72
AAG K 30.303 10.7 30.8 3.17 1.10
CTA L (Leu) 12.539 4.0 13.4 1.80 0.54
CTC L 8.359 11.0 5.4 0.45 0.93
CTG L 12.539 50.9 10.5 0.19 0.93
CTT L 30.303 11.7 12.3 2.62 2.49
TTA L 12.539 13.9 26.2 0.93 0.49
TTG L 17.764 14.0 27.2 1.71 0.88
ATG M (Met) 35.528 27.0 20.9 0.99 1.28
AAC N (Asn) 17.764 21.4 24.8 0.69 0.59
AAT N 17.764 18.8 35.7 1.48 0.78
CCA P (Pro) 11.494 8.5 18.3 2.20 1.02
CCC P 4.180 5.8 6.8 1.47 1.25
CCG P 3.135 21.8 5.3 0.17 0.70
CCT P 27.168 7.3 13.5 2.84 1.53
CAA Q (Gln) 19.854 15.0 27.3 1.95 1.07
CAG Q 18.809 29.5 12.1 0.38 0.92
AGA R (Arg) 13.584 2.9 21.3 5.03 0.69
AGG R 14.629 1.9 9.2 6.21 1.28
CGA R 7.315 3.9 3.0 1.08 1.40
CGC R 3.135 21.0 2.6 0.22 1.81
CGG R 4.180 6.3 1.7 0.40 1.47
CGT R 6.270 20.3 6.4 0.54 1.72
AGC S (Ser) 9.404 16.0 9.8 0.50 0.82

聂江婷等: 籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性 679

表5 (续) Table 5 (continued)
Codon Amino acid AhPPDK Escherichia
coli genome
Yeast
genome
AhPPDK/E. coli
genome
AhPPDK/Yeast
genome
AGT S 9.404 9.5 14.2 1.21 0.81
TCA S 16.719 7.8 18.7 1.79 0.75
TCC S 9.404 8.9 14.2 1.30 0.82
TCG S 2.090 8.7 8.6 0.48 0.49
TCT S 17.764 8.7 23.5 2.25 0.83
ACA T (Thr) 16.719 8.2 17.8 1.68 0.78
ACC T 6.270 22.8 12.7 0.53 0.94
ACG T 2.090 14.8 8.0 0.24 0.45
ACT T 25.078 9.1 20.3 2.31 1.03
GTA V (Val) 9.404 11.1 11.8 0.89 0.84
GTC V 17.764 15.1 11.8 0.73 0.93
GTG V 19.854 25.5 10.8 0.66 1.56
GTT V 28.213 18.5 22.1 1.49 1.24
TGG W (Trp) 7.315 15.2 10.4 1.02 1.49
TAC Y (Tyr) 8.359 12.1 14.8 1.36 1.11
TAT Y 10.449 16.5 18.8 0.95 0.83
TAA * 0.000 2.00 1.1 0.80 1.45
TAG * 0.000 0.30 0.5 0.67 0.40
TGA * 1.045 1.10 0.7 0.64 1.00
具下划线的数据表示密码子偏好性具明显偏差(≤0.5, ≥2)的分值。*终止密码子
The underlined data refer obvious differences of values (≤0.5, ≥2) about the codons bias. *The termination codon


原因尚待进一步研究。
密码子偏好性是生物进化过程中逐步形成的, 是
对宿主基因组环境的一种适应。籽粒苋PPDK基因的
密码子偏好性与马铃薯和苜蓿等双子叶植物较为相
近, 表明其适宜导入这些植物中。研究中还发现, 水
稻PPDK基因的密码子偏好性与籽粒苋较近, 与玉米
(或高粱)较远, 但基于核苷酸序列的同源性分析, 发
现水稻PPDK基因与玉米和高粱更为接近, 表明水稻
PPDK基因的密码子偏好性较为特殊。近年来, 已有
将玉米PPDK基因导入水稻的研究(张边江等, 2008)。
将籽粒苋PPDK基因导入水稻, 与转玉米PPDK基因
水稻比较, 将有助于进一步理解基因的核苷酸序列及
密码子偏好性对转基因表达的影响。
外源基因在大肠杆菌或酵母菌中的高效表达将
为鉴定基因功能和制备抗体奠定基础。籽粒苋PPDK
基因的密码子偏好性与酵母基因组较为接近, 与大肠
杆菌差异较大。酵母菌表达系统作为后起的外源蛋白
表达系统, 与大肠杆菌表达系统相比, 具有翻译后修
饰功能, 为进一步鉴定籽粒苋PPDK基因功能提供了
较为合适的蛋白质表达系统。
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聂江婷等: 籽粒苋丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)基因的密码子偏好性 681

Codon Bias of Pyruvate Orthophosphate Dikinase Gene in
Amaranthus hypochondriacus
Jiangting Nie1, Yunfeng Bai2, 3*, Feiyan He1, Jianjun Yan2, Weifeng Zhang2
1College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
2Institute of Crop Sciences, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China
3Key Laboratory of Loess Plateau Crop Gene Resources & Germplasm Creation of Agriculture Ministry, Institute of Variety
Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China
Abstract We used CHIPS, CUSP and Codon W online programs to confirm the codon bias of the complete coding
sequence of PPDK in the grain Amaranthus hypochondriacus, then compared the codon bias with PPDK genes from
different plant species. We constructed a phylogenetic tree based on codon bias to provide a basis for selecting appro-
priate PPDK receptors for A. hypochondriacus by high-photosynthesis gene engineering. PPDK in A. hypochondriacus
and several other dicotyledonous crops was biased toward synonymous codons with A and T at the third codon position,
but Zea mays, Oryza sativa and other monocotyledons use the end of the G or C codon. Phylogenetic analysis suggested
that PPDK of A. hypochondriacus was evolutionarily closer to dicotyledons such as Solanum tuberosum and Medicago
truncatula than the monocotyledons Z. mays, Sorghum bicolor and Echinochloa crusgalli. However, O. sativa is an ex-
ception in that the codon bias of PPDK is closer to that of dicotyledons A. hypochondriacus than the monocotyledons Z.
mays or S. bicolor. To select the appropriate protein expression system, we compared the PPDK codon bias expression
in A. hypochondriacus and Escherichia coli or yeast. Differences between A. hypochondriacus and yeast expression were
less than between A. hypochondriacus and E. coli. The yeast system may be more suitable for expressing PPDK of A.
hypochondriacus.
Key words Amaranthus hypochondriacus, codon bias, PPDK gene
Nie JT, Bai YF, He FY, Yan JJ, Zhang WF (2014). Codon bias of pyruvate orthophosphate dikinase gene in Amaranthus
hypochondriacus. Chin Bull Bot 49, 672–681.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: byfok@126.com
(责任编辑: 孙冬花)