全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (1): 63–77, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00063
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收稿日期: 2013-01-07; 接受日期: 2013-05-21
基金项目: 国家重点基础研究发展规划(No.2010CB126602)、海南省重大科技专项(No.ZDEX2013023-1-10)和海南省自然基金(No.312049)
* 通讯作者。E-mail: mmpeng_2000@yahoo.com
木薯SYP基因的序列特征及表达分析
李文绮1, 2, 阮孟斌2, 王斌2, 赵平娟2, 彭明1, 2*
1石河子大学生命科学学院农业生物技术重点实验室, 石河子 832003; 2中国热带农业科学院热带生物技术研究所/
农业部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室, 海口 571101
摘要 植物突触融合蛋白(SYP)是一类与植物细胞内囊泡介导转运有关的蛋白。部分SYP基因与植物对生物和非生物胁迫
的响应有关。该文利用生物信息学工具分析了木薯(Manihot esculenta)SYP基因及其蛋白结构、核苷酸多态性和系统进化
关系, 并利用RT-PCR技术检测了木薯不同组织中SYP基因的表达。结果表明, 木薯SYP基因及其蛋白结构均具有明显的规
律性和家族成员间的保守性; SYP基因的cDNA在基因间以及不同品种间具高度一致性, 核苷酸变异以同义替换为主。进化
分析表明, 植物SYP基因可分为2个亚家族, 木薯SYP基因倾向于与蓖麻(Ricinus communis)SYP基因聚在进化树同一分支
的末端。半定量RT-PCR分析表明, 5个木薯SYP家族成员具有组织特异性。上述研究结果为木薯SYP基因功能研究和功能
单核苷酸标记的开发奠定了重要基础。
关键词 木薯, SYP基因, 进化树, 基因表达
李文绮, 阮孟斌, 王斌, 赵平娟, 彭明 (2014). 木薯SYP基因的序列特征及表达分析. 植物学报 49, 63–77.
植物突触融合蛋白(syntaxin protein, SYP)是植
物SNARE (soluble N-ethyl-maleimide-sensitive fus-
ion protein attachment protein receptor)蛋白家族中
的一员, 具有抗生物和非生物胁迫的功能(Pratelli et
al., 2004)。植物体内有许多种SNARE蛋白, 多数植
物的膜融合过程均需要SNARE蛋白的参与。这些蛋
白通过囊泡被有组织地运送到质膜上, 以实现植物细
胞内“运输系统”的正常运转(Bassham et al., 2000)。
植物SNARE蛋白的研究进展大多与囊泡运输有
关。此外, 发现这类蛋白还可以促进植物细胞板的形
成, 例如拟南芥(Arabidopsis thaliana)的AtSNAP33
(synaptosomal-associated protein 33 kDa)(Heese
et al., 2001)和AtCDC48蛋白(Rancour et al., 2002)
及植物特有的SNARE蛋白NPSN11(Zheng et al.,
2002)等。另有研究发现, SNARE能够与离子通道蛋
白互作。如Leyman等(1999)在烟草(Nicotiana tabac-
um)中发现NtSyp121(Nt-Syr1)基因编码的Qa-SNA-
RE蛋白可以被Clostridium neurotoxin(BotN/C)裂解;
在保卫细胞中, BotN/C和SP2片段通过抑制K+和CI–
通道来响应ABA的应答。同时, NtSYP121和SP2片段
的共表达选择性地抑制了KATI向质膜的运输, 并改
变了其在质膜上的分布(Sutter et al., 2006)。在模式
植物烟草和拟南芥中 , SYP121在保卫细胞中调控
Ca2+、K+和CI–通道(Leyman et al., 1999; Sokolovski
et al., 2008)及K+通道的亚基KCI, 并与其第2亚基形
成三元复合物SYP121-KCl-AKTI(Honsbein et al.,
2009)。Grefen等(2010)的研究发现, 当离子通道介导
的K+摄取受到限制时, SYP121-KCl-AKTI三元复合物
便成为根表皮细胞质膜内向的K+流活性所必需, 可
以促进K+的吸收和植物的生长。另外, 也有研究表明,
SNARE可以提高植物的抗病性。例如 , Nühse等
(2003)的研究发现, AtSyp121的同源基因AtSyp122
发生钙离子依赖的磷酸化可能与细菌诱导的Ca2+信
号通路相关 , 进而参与拟南芥的抗病过程。同时 ,
Collins等(2003)在拟南芥和大麦(Hordeum vulgare)
中分别发现了NtSyp121的同源基因AtSyp121(PEN1)
和HvSyp121(ROR2), 它们在植物叶片抵抗大麦白
粉病菌丝侵染的过程中发挥重要作用。Kwon等
(2008)的研究表明 , PEN1能与SNAP33和VAMP-
721/722形成复合体, 共同调控病原体侵染时的细胞
分泌。Wick等(2003)的研究也发现, AtSNAP33的表
达受到多种病害的诱导。而Kalde等(2007)在研究
·研究报告·
64 植物学报 49(1) 2014
SYP132的RNAi植株时, 发现与抗病菌相关的分泌蛋
白在细胞壁的蓄积量明显减少。上述研究都说明SYP
基因在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。
本研究利用SYP蛋白保守结构域序列对木薯基
因组数据库进行tBLASTx, 获得15个具有完整开放
阅读框的木薯栽培种AM560的SYP基因的cDNA序
列。在此基础上分析木薯SYP基因家族的序列特征、
基因结构、进化关系和蛋白结构等分子特征, 并利用
克隆测序法获得木薯栽培种华南124的cDNA序列。通
过序列比对获得木薯全基因组测序品种野生种W14
的SYP基因的cDNA序列。对AM560、华南124和野
生种W14的SYP基因的cDNA序列进行多态性分析并
对15个SYP基因在木薯不同组织(叶片、叶柄和根)中
的表达情况进行探讨, 希望能为进一步研究SYP基因
在木薯响应干旱胁迫中的功能奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
木薯(Manihot esculenta Crantz)品种华南124号(SC-
124)由中国热带农业科学院生物技术研究所提供。选取
SC124大小相似的茎秆, 分成约30 cm的茎段, 扦插于
花盆中。45天后选取长势一致的植株作为实验材料。
1.2 方法
1.2.1 主要试剂及仪器
克隆载体pMD18-T购自TaKaRa公司。凝胶回收试剂
盒购自Omega公司。反转录试剂盒以及PCR反应体
系Taq Mix购自Tiangen公司。所有引物均由北京华大
基因有限公司合成。转化所用大肠杆菌(Escherichia
coli)为DH5α。

1.2.2 总RNA提取及cDNA第1链的合成
木薯各组织的总RNA提取参照改良的LiCl沉淀法(Ru-
an et al., 2009)。根据Tiangen公司的FastQuant RT
Kit (with gDNase)试剂盒使用说明书反转录合成
cDNA第1链, 反转录产物于–20°C冰箱中保存备用。

1.2.3 木薯SYP基因的克隆
根据拟南芥SYP蛋白保守序列, 使用tBLASTx法在木
薯基因组数据库(http://www.phytozome.net/)中搜索
相关序列, 获得SYP1-13、SYP121和SYP122等15
个基因序列(全部来自AM560)。然后, 根据JGI的SYP
基因序列设计引物(表1)。以反转录合成的cDNA为模
板, 应用表1中的引物进行PCR扩增。PCR扩增产物
经 2%琼脂糖凝胶检测回收后连接到质粒载体
pMD18-T Vector上, 转化大肠杆菌DH5α, 通过蓝白
斑筛选, 挑选白斑过夜摇菌, 取菌液进行PCR鉴定后
测序。

1.2.4 基因结构分析
使用JGI的木薯基因组数据库 (http://www.phytozo-
me.net/)公布的CDS序列(coding sequence)和DNA
序列(genomic sequence)分析SYP的基因结构。其中,
CDS序列为木薯栽培种AM560的全长cDNA。用NCBI
的Spidey(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/spidey/)和Net-
Gene2 V2.4(http://www.cbs.dtu.dk/services/NetGene-
2/)(Brunak et al., 1991; Hebsgaard et al., 1996)分析
基因结构。用GSDS(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/index.
php?input=seq)(Guo et al., 2007)分析内含子相位。
使用DNAMAN V6.0软件绘制基因结构图。

1.2.5 木薯SYP蛋白分析
木薯SYP蛋白和进化分析所使用的蛋白序列均为JGI
公布的木薯栽培种AM560蛋白序列 , 该序列来自
木薯蛋白组学的测序结果。使用Pfam Version 26.0
(http://pfam.sanger.ac.uk/search/batch)分析工具预
测蛋白的结构域, E值设为1.0E-5。利用MEME (http://
meme.ebi.edu.au/meme/cgi-bin/meme.cgi)(Bailey
and Elkan, 1994; Bailey et al., 2009)分析木薯SYP
蛋白的基序, 基序数目设为2–10, 基序最小长度为6
bp, 最大长度为50 bp。当基序数目设为3时, 刚好可
将15个SYP基因划分为2类, 且与聚类分析结果一
致。使用PSORT工具(http://psort.hgc.jp/)(Horton et
al., 2007)进行蛋白亚细胞定位预测, KNN设为14。用
ClustalX1.83软件(Thompson et al., 1997)进行多序
列比对。利用Swiss-model workspace(Arnold et al.,
2006)蛋白二级结构分析工具PsiPred(Jones, 1999)
和MEMSAT2.0工具(http://www.sacs.ucsf.edu/cgibin/
memsat.py)(Jones et al., 1994; Jones, 2007; Nu-
gent and Jones, 2009)分别进行蛋白二级结构预测
及蛋白跨膜结构分析。
李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 65
表1 本研究所用引物
Table 1 PCR primers used in this study
Primer name Sequence (5′–3′) Primer name Sequence (5′–3′)
MeSYP1-F ATGAATGATCTGATGACCAAATC MeSYP9-F ATGAGTTTCCAAGATCTGCAAA
MeSYP1-R GAGGACAGTGACAATGTCTGTG MeSYP9-R CTTACTCGGGTTAACTTTAGCA
MeSYP2-F TCAAGCTGTTGCCGCTGGGAT MeSYP10-F ATGAATGACCTAATGACAAAATC
MeSYP2-R GAACGTAAGGAGCATACATAGT MeSYP10-R GAACTGAAACTCGTTCATCATC
MeSYP3-F ATGAATGATTTAATGACGAAATCC MeSYP11-F ATGGCGACGAGAAACCGGACCAT
MeSYP3-R TTGAGCACGGTGACAATGTCTA MeSYP11-R GTTGCAAGAGAATGCTGTACAT
MeSYP4-F ATGAACGACCTTCTATCGGAGT MeSYP12-F ATGGCGTCCACGTTCAGAGAT
MeSYP4-R ACTGCACTAGACACCTGAGATT MeSYP12-R TGAGCCTTCATATTTTCTGTTC
MeSYP5-F ATGAATGATTTAATGACTAGATCA MeSYP13-F ATGGCAACGAGGAATAGGACCA
MeSYP5-R CTGTCCCTAATTCCTTTCAGCA MeSYP13-R AGTGCACCTTTACTAGAGTTAC
MeSYP6-F ATGAGCTTTCAAGATCTCGAG MeSYP121-F CACAGGTGAGAGCGAGACTT
MeSYP6-R CTGTCTTCTTGATTCCACAAGAA MeSYP121-R TTTCCCATGGTCTCACAGTG
MeSYP7-F ATGAACGATCTTCTATCGGAAT MeSYP122-F CAAGTGGAGAGAGTGGAAAGT
MeSYP7-R TTCTTGATCGGTCTACACCTGTT MeSYP122-R ATTCTCTGGCTTCCACAAGC
MeSYP8-F ATGAACGACTTGCTTACGGATT Actin-F CTGGATTCTGGTGATGGTGTGAGT
MeSYP8-R CCATATCAAGATAAATCTGGTGC Actin-R CCGTTCAGCAGTGGTGGTGA


1.2.6 木薯野生种与栽培种SYP家族成员的比较分析
木薯野生种W14的SYP基因的cDNA序列来自中国热
带农业科学院生物技术研究所王文泉实验室全基因
组测序结果, 目前全基因组数据尚未对外公开发布。
使用MEGA4.0软件将野生种W14的SYP基因的
cDNA序列转换为氨基酸序列, 密码子偏好使用默认
通用密码子 , 之后使用上述蛋白分析法对栽培种
AM560和野生种W14的SYP蛋白的氨基酸序列、二级
结构和跨膜结构等进行比较分析。利用DNAMAN软
件计算序列间的一致性 , 用DnaSP5软件 (Librado
and Rozas, 2009)分析AM560和W14全长cDNA序列
的多态性位点、核苷酸同义替换和非同义替换。使用
NCBI VecScreen工具(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Vec-
Screen/VecScreen.html)去除cDNA序列中的载体序
列。用BioEdit软件(Hall, 1999)截取SC124、 AM560
和W14对应的cDNA区段, 序列一致性和多态性分析
的方法同上。

1.2.7 序列比对及进化树分析
从 InterPro数据库中获取拟南芥、杨树 (Populus
alba)、蓖麻(Ricinus communis)、水稻(Oryza sativa)
和玉米(Zea mays)的SYP蛋白序列, 之后与木薯栽培
种AM560的15个SYP蛋白序列一起导入MEGA4.0
软件(Tamura et al., 2007)进行多序列比对, 比对结
果用于构建邻接(neighbor-joining, N-J)聚类进化树,
生成无根树。采用bootstrap方法对进化树进行验证,
重复次数为1 000, 最后得到Consensus tree。

1.2.8 基因表达分析
采用半定量RT-PCR进行基因表达分析。以反转录后
的cDNA(1 µL)为模板进行RT-PCR扩增, 引物序列见
表1(针对15个SYP基因CDS序列比对的差异较大而
单个基因在品种间又相对比较保守的区段设计引物,
之后利用设计好的引物对SC124的cDNA进行PCR扩
增, 将获得的片段连接载体测序)。基因扩增的反应程
序为: 94°C变性5分钟; 94°C30秒, 55°C30秒, 72°C
30秒, 分别进行28、30、32、33和35个循环(在33个
循环时达到平台期, 30个循环的PCR结果重复验证1
次, 最终结果通过琼脂糖凝胶电泳检测); 72°C延伸
10分钟。用木薯Actin基因的引物进行内参扩增, 28个
循环。PCR扩增产物用2%琼脂糖凝胶电泳检测。
2 结果与讨论
2.1 基因结构分析
15个木薯SYP基因的基本信息如图1所示。从JGI获取
的木薯SYP家族成员的DNA序列长度为894–6 701
bp, 基因编码区CDS长度介于810–1 014 bp之间,
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蛋白质长度介于269–337个氨基酸残基之间。对15个
MeSYP基因的DNA和cDNA序列进行基因结构分析,
结果见图1。从图1可以看出, 15个基因根据基因结
构可以分为2类 , 一类无内含子 , 包括MeSYP1、
MeSYP3、MeSYP5、MeSYP10和MeSYP122; 另一
类是含内含子基因, 包含MeSYP2、MeSYP4、MeSY-
P6、MeSYP7、MeSYP8、MeSYP9、MeSYP11、
Me- SYP12、MeSYP13和MeSYP121。上述10个含
内含子基因的外显子数目为2–13, 根据聚类分析结
果, 除MeSYP121和MeSYP122外, 外显子数目相同
的基因均位于同一分支的末端, 且其内含子5′端相位
相同。可见, 木薯SYP基因的遗传关系越近, 其基因
结构越相似。
2.2 木薯SYP蛋白分析
15个SYP蛋白均含有Syntaxin和SNARE结构域(图2
A)。SNARE结构域比较保守; Syntaxin结构域均为
N-terminal syntaxin(IPR006011)。除syntaxin和tar-
get coiled-coil region SNARE结构域(IPR000727)外,
检测到syntaxin结构域的全部序列和SNARE结构域
的N端50个氨基酸序列及其之间序列被注释为t-SN-
ARE domain (IPR010989)。在SNARE结构域(IPR-
000727)的中间有1个与Gln(Q)一致性的氨基 酸残
基, 该残基具典型的Q-SNARE特征(图2B)。用MEME





图1 15个木薯MeSYP基因的结构
图中标注的数字0、1和2表示内含子相位

Figure 1 Schematic representation of the 15 MeSYP genes
These numbers, such as 0, 1 and 2, stand for the intron phases
李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 67

图2 木薯SYP家族蛋白保守结构域、基序和跨膜结构的预测分析
(A) 木薯SYP蛋白保守结构域、基序和跨膜结构; (B) 15个木薯SYP蛋白syntaxin结构域和SNARE结构域的多序列比对; (C) 用
MEME分析3个蛋白基序的logo; (D) 举例说明MEMSAT2.0预测木薯SYP蛋白的跨膜类型。

Figure 2 Bioinformatics analysis of conserved domains, motifs and transmembrane structural of MeSYP proteins
(A) The conserved domains, motifs and transmembrane of proteins; (B) The multiple sequence alignment of SYP protein syn-
taxin domains and SNARE domains; (C) MEME analysis of three protein motif logo; (D) Examples of the type of cassava SYP
protein transmembrane forecasted by MEMSAT2.0.
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分析SYP蛋白, 发现基序设置最小长度为6, 最大长度
为50。基序数目为3时, 检测到的3个基序(图2C)刚好
可将15个基因划分为两大类(图2A)。可见, SYP蛋白
一级结构的氨基酸序列是高度保守的。分析Syntaxin
保守结构域的二级结构(数据未显示), 发现MeSYP5
和MeSYP10的Syntaxin结构域的Ha与Hb是连续的
螺旋, 其余13个木薯SYP蛋白的二级结构均是被2个
卷曲间隔开的Ha、Hb和Hc 3个α螺旋结构。
鉴于SYP蛋白的功能多与膜结构相关, 我们使用
MEMSAT2.0软件对15个木薯SYP蛋白进行跨膜结构
分析, 结果见图2。从图2A可以看出, 在C端SNARE
结构域后均有跨膜结构, 长度为17–22个氨基酸。根
据蛋白N端在膜上的位置(膜内还是膜外), 将15个蛋
白分为跨膜类型 I膜内(in)和类型 II膜外(out)2种(图
2D)。这种跨膜模式可能与蛋白质的功能密切相关。
亚细胞定位分析表明(数据未显示), 有5个蛋白
定位于细胞质; 6个蛋白定位于高尔基体; 3个蛋白定
位于叶绿体; MeSYP5同时存在于核质和胞质中。亚
细胞定位的结果对今后蛋白功能的研究有一定的参
考意义, 但仅是初步推测, 还需要后续的实验验证。
2.3 木薯野生种与栽培种SYP家族成员的比较分析
对木薯野生种W14与栽培种AM560的SYP基因的
cDNA进行多态性比较, 结果见表2。 从表2可以看出,
2个基因型材料的cDNA序列一致性介于86.56%–
99.51%之间。序列比对显示, 2个材料中的7个基因,
即MeSYP2、MeSYP6、MeSYP7、MeSYP9、Me-
SYP11、MeSYP13和MeSYP122均存在Gap/Miss-
ing位点。其中, MeSYP9的最后3个碱基不是终止密
码子, 推测W14的MeSYP9的cDNA不是全长cDNA。
鉴于2个材料的15个SYP基因的cDNA长度均为3的
倍数, 故在翻译过程中不存在插入/缺失导致的阅读
框的移码突变。核苷酸差异分析显示, 同义替换总计
230个, 错义替换总计134个, 分别占总核苷酸差异
的63.2%和36.8%。从比对结果可以看出, 基因发生
错义突变编码新氨基酸的概率远低于同义突变。对2
个基因型材料的蛋白差异进行分析, 发现2个木薯基
因型材料的15个SYP蛋白的一致性介于79.51%–
99.41%之间, 15个SYP蛋白在两者间总计存在261个
氨基酸差异, 分布在2–74之间; 两者Syntaxin和SNA-
RE结构域的氨基酸差异分别为63和91, 这些氨基酸
差异可能会导致蛋白二级结构甚至三级结构及功能
位点活性的变化, 进而造成蛋白功能不同。
本研究克隆得到了木薯栽培种SC124的15个SYP
基因的部分cDNA序列(表3)。由表3可知, 获得的15
个木薯SYP基因cDNA的序列长度介于211–987 bp之
间, 覆盖全长cDNA的百分比为21.57%–99.60%。其
中 , 克隆到了SC124的MeSYP121和MeSYP122基
因的全长cDNA序列(终止密码子除外)。对2个栽培种
及栽培种与野生种间的序列一致性和多态性进行分
析(表4), 发现7个SYP家族成员克隆得到的cDNA序
列在2个栽培种中一致性为100%, 克隆区段序列在
SC124与野生种W14之间也具高度的同源性, 一致
性为85.71%–99.38%; 克隆区段在3个不同基因型材
料间的一致性则为95.24%–99.79%, 说明栽培种间
的相应cDNA区段具很高的一致性, 且栽培种间具多
态性位点的基因型与野生种的基因型相同。对克隆区
段的多态性分析也得出了相同的结论。栽培种间的多
态性远低于栽培种与野生种间的多态性(表3), 除
MeSYP7基因发现1个多态性位点是3种基因型外 ,
其余的多态性位点均为2种基因型(资料未显示)。序列
多态性分析表明, 在栽培种中MeSYP6存在野生种不
具备的插入片段, 这种插入缺失可能是从野生种向栽
培种驯化过程中人为因素造成的。多态性分析总计得
到192个多态性位点, 其中97个为同义替换, 95个为
非同义替换。这些多态性位点需要重测序进行验证,
以便为今后开发基因功能标记、研究性状与基因间的
关系以及基因功能提供基础信息。
2.4 SYP基因的进化分析
利用EMBL-EBI网站的InterPro数据库搜索目前公布
的所有物种的N-terminal syntaxin(IPR006011)蛋白
(http://www.ebi.ac.uk/interpro/IEntry?ac=IPR00601
1), 共计发现1 998种。具有Syntaxin结构域的蛋白共
有19类, 其中同时具有1个Syntaxin结构域和1个tar-
get SNARE coiled-coil结构域的蛋白数目为1 773,
植物界具有N-terminal Syntaxin结构域蛋白的数目为
343。


李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 69

70 植物学报 49(1) 2014

李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 71

AM560的15个SYP蛋白和5个核心模式植物的
SYP蛋白的系统进化树见图3。从图3A可以看出, 138
个SYP蛋白可以分为2类。根据MEME基序分析, 当
基序数目为3, 最短基序为6 bp, 最长基序为50 bp,
基序p值的阈值设为1.0E-6时, 也可将138个蛋白分
为2类, 且与聚类分析结果相吻合。第1类同时具有3
个基序, 对应分支B、C和D, 包括74个SYP蛋白; 具有
基序3的为第2类, 对应分支E、F和G, 包括64个SYP
蛋白。其中有5个蛋白不能依据基序的判定标准划分到
这两类中, 这些蛋白均分布在进化树分支E上, 故也可
根据进化树划入第2类蛋白。不同物种的系统进化树分
支情况与木薯SYP蛋白的NJ聚类极为相似(图4)。
木薯SYP蛋白与大戟科植物蓖麻SYP蛋白聚在
进化树同一分支的末端(占10/15)。这10个木薯SYP
蛋白先与大戟科蓖麻SYP蛋白聚为一类, 再与木本模
式植物杨树SYP蛋白聚为一类, 然后与双子叶核心模
式植物拟南芥SYP蛋白聚为一类, 最后与单子叶植物
水稻和玉米的SYP蛋白聚在一起, 如MeSYP1、Me-
SYP2、MeSYP3、MeSYP8、MeSYP9、MeSYP10、
MeSYP11、MeSYP13、MeSYP121和MeSYP122都
属于这一分支(图3, 分支B–G)。这10个蛋白的进化充
分体现了植物系统分类的规律, SYP蛋白在进化上有
单子叶和双子叶植物的区别。MeSYP12则首先与杨
树SYP蛋白聚为一类, 再与拟南芥SYP蛋白聚为一
类, 最后与蓖麻SYP蛋白聚为一类, 因此MeSYP12
的直系同源基因为杨树B9HSQ9蛋白。而MeSYP5和
MeSYP6在进化树上均位于蓖麻SYP蛋白与杨树
SYP蛋白聚类的上一级分支上。
将预测的直系和旁系同源基因对的序列分别用
DNAMAN进行蛋白序列比对, 蛋白序列的一致性如
表4所示。SYP蛋白序列的一致性非常高 , 除Me-
SYP10蛋白与其直系同源蛋白B9S6E5_RICCO的一
致性为47.06%外, 其余10个木薯SYP蛋白与其直系
同源基因序列的一致性介于71.35%–91.69%之间 ,
可见SYP蛋白序列是高度保守的。两对木薯旁系同源
基因蛋白序列的一致性分别为90.42%和91.78%。直
系和旁系同源基因对在序列上的高度一致性表明, 其
功能可能具有一定的保守性。在蛋白功能研究中, 可
以利用其直系和旁系同源基因的功能推测蛋白的功
能。木薯SYP基因与其直系和旁系同源基因CDS序列
的一致性为49.10%–91.69%(表4)。
72 植物学报 49(1) 2014
2.5 基因表达分析
我们通过RT-PCR(引物见表1)检测SYP基因在木薯
植株不同组织中的表达特性 , 发现MeSYP2、Me-
SYP4、MeSYP7、MeSYP9、MeSYP11和MeSYP12
在不同组织中的表达无明显差异 ; MeSYP1、Me-
SYP3、MeSYP6和MeSYP8主要在根中表达, 叶中
次之, 叶柄中表达相对较低; MeSYP5和MeSYP10在
各组织中的表达均非常弱; 而MeSYP122仅在叶中
表达(图5)。
2.6 讨论
木薯SYP是一个多基因家族, 本研究共获得15个基
因。根据基因结构可分为两大类, 一类是无内含子基
因, 包括MeSYP1、MeSYP3、MeSYP5、MeSYP10
和MeSYP122; 另一类是断裂基因(图1)。木薯SYP基
因的遗传关系越近, 其基因结构越相似。蛋白保守结
构域和基序的分析表明, SYP蛋白一级结构的氨基酸
序列是高度保守的(图2B); 二级结构除MeSYP5和
MeSYP10蛋白Syntaxin结构域的Ha和Hb是连续螺




图3 Figure 3
李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 73


图3 15个木薯SYP蛋白与其它模式植物SYP蛋白的系统发生进化树
(A) 6个物种SYP蛋白的系统进化树; (B)–(G) 分别对应图A进化树分支B–G

Figure 3 Phylogenic tree based on proteins of cassava SYP and other model plant SYP proteins
(A) The phylogenic tree of SYP proteins in 6 species; (B)–(G) The branches B–G of the phylogenic tree separately in figure (A)


旋外, 其余13个木薯SYP蛋白的二级结构均是被2个
卷曲间隔开的Ha、Hb和Hc3个α螺旋结构(数据未显
示)。Sanderfoot等(2000)的研究表明, 序列同源性高
的Syntaxin功能相似, 亚细胞位置相同, 在基因结构
上表现为内含子的数目和位置相同。SYP基因在基因
家族成员之间及同一基因不同品种之间均具很高的
序列一致性。拟南芥中同一基因家族的蛋白质虽然在
氨基酸序列上有一定的同源性, 但在功能上存在很大
差异, 如SYP41和SYP42及SYP21和SYP22之间就
不能功能互补, 单突变体就可造成胚胎致死(Bass-
ham et al., 2000; Sanderfoot et al., 2001a, 2001b;
Chen et al., 2005)。木薯中可能也存在相同的机制。
本研究通过构建进化树分析SYP蛋白分子之间
的起源进化关系, 进而预测分子的功能。同一亚家族
往往具有相似的功能, 如拟南芥pen1 syp122双突变
体表现为植株矮小, 生长过程中出现组织坏死, 说明
2个基因有相似的功能, 两者同时缺失对细胞乃至植
物整体的影响较大(Assaad et al., 2004)。木薯SYP
蛋白与大戟科植物蓖麻SYP蛋白聚在进化树同一分
支的末端(占10/15), 并在木薯中发现了2对旁系同源
基因(图3B, C)。随着研究的不断深入, 木薯中将会有
更多的SYP同源基因被发现, 这为进一步研究木薯

74 植物学报 49(1) 2014


图4 木薯SYP蛋白家族成员的邻接聚类分析

Figure 4 Neighbor-joining cluster analysis of cassava SYP proteins family members


SYP基因的功能提供了便利。
采用RT-PCR检测15个SYP基因在木薯植株不
同组织中的表达特性时, 发现5个木薯SYP基因的表
达具组织特异性, 其余基因在所有组织中均有表达。
Enami等(2009)对拟南芥SYP家族成员的时空表达做
了全面分析, 发现该家族的9个成员都有自身特异的
组织表达特性。SYP111在根尖、芽尖和果荚等分生
组织中高度表达; 而其同源基因SYP112在植物整个
发育过程中的表达量都较低; SYP121和SYP122在
根和莲座叶中都有表达; SYP131主要在花粉中大量
表达 ; SYP132在整个植物发育过程中都有表达 ;
SYP123主要在根中表达; SYP124和SYP125则仅在
花粉中表达。木薯其它器官的表达谱是否具有同样的
特征, 有待进一步研究。
以往的研究表明, 拟南芥中的OSM1/SYP61基
因与渗透胁迫和气孔关闭有关, 推测部分SNARE蛋
白可能参与了植物中依赖于ABA和不依赖于ABA的
非生物胁迫信号转导过程(Zhu et al., 2002)。我们初
步研究了木薯SYP基因的结构、功能、进化及表达特
性, 为进一步阐述该基因家族在木薯应对胁迫方面的
功能奠定了基础。
后续工作可利用RACE技术作进一步研究或筛选
全长cDNA文库, 获得更多的木薯全长SYP家族基因
的cDNA。基于系统进化树分析, 选择2个亚家族中有
代表性的SYP基因, 结合拟南芥、水稻以及其它物种
的研究结果, 利用real-time PCR和RNAi等技术全面
研究SYP基因家族在木薯中的功能。本研究分析了3
个木薯基因型材料的SYP基因cDNA序列的多态性,
李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 75


图5 15个MeSYP基因的表达模式
L: 叶的总RNA; LS: 叶柄的总RNA; R: 根的总RNA

Figure 5 Expression patterns of MeSYP genes
L: Total RNA was isolated from leaf; LS: Total RNA was iso-
lated from stipe; R: Total RNA was isolated from root


尤其是非同义替换的核苷酸, 可用于开发功能标记、
连锁作图或关联分析, 挖掘基因外显子序列变异与农
艺性状或生理性状之间的关系, 为基因功能研究确立
了方向并提供间接证据。
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李文绮等: 木薯 SYP 基因的序列特征及表达分析 77
cDNA Cloning and Expression Patterns of SYP Genes
in Manihot esculenta
Wenqi Li1, 2, Mengbin Ruan2, Bin Wang2, Pingjuan Zhao2, Ming Peng1, 2*
1Key Laboratory of Agrobiotechnology, College of Life Science, Shihezi University, Shihezi 832003, China
2Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences, Haikou 571101, China
Abstract Syntaxin protein (SYP) is a kind of vesicle-mediated transporter-related protein in plant cells. Several SYP
genes were reported to respond to biotic and abiotic stress. To study the genetics, evolution and expression patterns of
SYP genes in the tropical crop cassava (Manihot esculenta), we used bioinformatics to analyze gene structure, protein
structure, nucleotide polymorphism and evolution and detected gene expression patterns by RT-PCR in different cassava
tissues. The MeSYP gene structure and protein structure were conserved; cDNA sequences of SYP genes were highly
consistent in different varieties and genes; rich nucleotide variations were regular between family members but were
mainly synonymous mutations. Phylogenetic analysis revealed that plant SYP genes could be divided into 2 subfamilies.
Cassava SYP genes tended to group with those of castor oil plant (Ricinus communis). SYP genes were together in the
evolutionary tree, in the same branch. The 5 MeSYP members showed tissue-specific expression. Molecular characteris-
tics of SYP protein in cassava, genetic evolutionary relationships and expression pattern analysis are valuable for re-
vealing MeSYP functions and developing functional single nucleotide markers.
Key words cassava, SYP gene, phylogenic tree, gene expression
Li WQ, Ruan MB, Wang B, Zhao PJ, Peng M (2014). cDNA cloning and expression patterns of SYP genes in Manihot
esculenta. Chin Bull Bot 49, 63–77.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: mmpeng_2000@yahoo.com
(责任编辑: 孙冬花)