全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (12): 1407~1412 1407
收稿 2013-08-30　　修定 2013-10-24
资助 辽宁省教育厅重点实验室项目(2009S061)。
* 通讯作者(e-mail: tongsm@163.com; Tel: 0411-85827080)。
植物八氢番茄红素脱氢酶(PDS)基因保守结构域模式与系统进化分析
席海秀, 李洪艳, 佟少明*
辽宁师范大学生命科学学院, 辽宁省植物生物工程重点实验室, 辽宁大连116081
摘要: 八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase, PDS)是类胡萝卜素生物合成过程中催化无色的八氢番茄红素形成有色的ζ-
类胡萝卜素的关键酶。本文选取公开发表的PDS及通过在NCBI数据库中搜索得到的43条来自于不同物种的PDS的氨基酸
序列进行分析。通过CDD在线软件预测每条氨基酸序列保守结构域, 结果表明, 所选取序列均包含一个NAD(P)-binding
domain保守结构域, 其长度为51个氨基酸, 不同物种保守结构域中氨基酸的突变集中在8个不同的位置上; 利用MegA等软
件进行多序列比对后构建系统进化树, 可以看到不同物种的PDS蛋白清晰地分类到各自的类群内, 和传统的分类学结果一
致, 表明所有不同分支的PDS蛋白都是单系同源, 并不存在物种间的水平基因转移。
关键词: 八氢番茄红素脱氢酶; 保守结构域; 系统进化分析
Conserved Motif and Phylogenetic Analysis of Phytoene Desaturase (PDS)
Proteins in Plants
XI Hai-Xu, LI Hong-Yan, TONg Shao-Ming*
School of Life Sciences, Liaoning Normal University, Key Laboratory of Plant Biological of Liaoning Province, Dalian, Liaoning
116081, China
Abstracts: Phytoenedesaturase (PDS) is a key enzyme in carotenoids biosynthesis andcan convert the phytoene
into thecarotene. 43 PDS sequences from various species retrieved from published studies and NCBI database
were selected for further analysis. Our results showed that a conserved 51 aa motif of NAD(P)-binding domain
was identified in all PDS proteins by CDD onlineanalysis. The amino acidsmutations of this motif in different
species were found to focus on 8 sites. The phylogenetic analysis by MgeA showed that PSDs from different
species could be grouped into individual branches and keep coincidences with the results in tradition taxonomy.
every branch represents a monophyletic origin and showed that there is no horizontal gene transfer among
different species.
Key words: phytoene desaturase; conserve motif; phylogenetic analysis
类胡萝卜素是一种广泛存在于动、植物及微
生物中的天然有机色素之一, 是含有多个共轭双
键的萜烯类化合物。在高等植物叶肉细胞的叶绿
体中, 类胡萝卜素作为天线色素主要分布在类囊
体膜上; 在成熟果实和花瓣的有色体中主要集中
在膜、油体和间质内的其他结构上。类胡萝卜素
在光合作用中主要起到电子传递及光氧化保护剂
的作用, 也是许多花和果实呈现黄色、红色和橘
红色的原因之一(Sandmann 1994; Niyogi等1999),
同时, 类胡萝卜素也是植物激素脱落酸(absciaicacid,
ABA)和独角金内酯(strigolactone, SL)合成的前体
(Seo和Koshiba 2002; Ruyter-Spira等2013)。
类胡萝卜素在植物中的生物合成途径非常复
杂, 其合成的前体物质为异戊烯焦磷酸(isopentenyl
pyrophosphate, IPP)。首先, 5碳的IPP在IPP异构酶
的作用下生成二甲基丙烯基二磷酸(dimethylallyl
diphosphate, DMAPP), IPP与DMAPP互为异构体,
两者可以结合起来形成更大的分子; 然后, DMAPP
在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶(geranylgeranyl
pyrophosphate synthase, ggPS)的作用下与IPP
缩合, 依次生成10碳的牻牛儿基焦磷酸(geranyl
pyrophosphate, gPP)、15碳的法尼基焦磷酸
(farnesyl pyrophosphate, FPP)及20碳的牻牛儿基牻
牛儿基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate, ggPP);
2个ggPP经八氢番茄红素合成酶(phytoene synthase,
PSY)合成一个40碳的八氢番茄红素(phytone), 八
植物生理学报1408
氢番茄红素为植物体内合成的第一个类胡萝卜素
分子; 八氢番茄红素再经连续的脱氢作用及共轭
双键的延长, 在八氢番茄红素脱氢酶(phytoene-
desaturase)催化下形成ζ-类胡萝卜素, 最后在ζ-类
胡萝卜素脱氢酶(ζ-carotene desaturase, ZDS)的作用
下生成番茄红素(lycopene); 至此, 到了类胡萝卜素
合成代谢的一个分支点, 番茄红素可分别被环化为
α-胡萝卜素和β-胡萝卜素; α-胡萝卜素是在β-环化酶
和ε-环化酶的共同作用下生成, β-胡萝卜素是在β-环
化酶的单独作用下产生。α-胡萝卜素和β-胡萝卜素
再分别被羟基、甲氧基和酯键等基团修饰后形成
叶黄素。一般情况下, α-胡萝卜素主要转化形成叶
黄素, β-胡萝卜素则转化为虾青素、玉米黄素等
(Sandmann 1994; Hirschberg 2001; Van-Dien等
2003; Botella-Pavia等2004)。
八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase,
PDS)是类胡萝卜素生物合成途径中的一个重要的
分支点, 是催化无色的八氢番茄红素到有色的类
胡萝卜素的关键酶。目前, PDS基因已经从多种藻
类和高等植物中被相继克隆和鉴别出来, 如奇异
球菌(Xu等2007)、柿子(Zhao等2011)、柑桔(Kita
等2001)、番木瓜(Yan等2011)、西红柿(Mann等
1994)、小麦(Cong等2010)、杜氏盐藻(朱跃辉等
2005)、雨生红球藻(梁成伟等2009)、白菜型油菜
(薛蕾等2011)、草莓(朱海生等2011)、棉花(徐大
伟等2011)和中国水仙(陈段芬等2008)等。
研究发现, PDS基因在植物基因组中是以单拷
贝形式存在, 其编码蛋白位于植物叶绿体的类囊
体上, 与类囊体膜相连(grunewald等2000)。PDS基
因转录水平的表达在果实成熟过程中和光响应过
程中会增加(Pecker等1992; Simkin等2003), 在其他
情况下细胞中的PDS含量保持恒定(Li等1996;
Wetzel和Rodermel 1998; Li等2013)。植物PDS的
氨基酸序列通常是十分保守的, 目前所有发现的
所有PDS蛋白的C末端均含有一个保守结合域来
结合NAD/NADP或是FAD。在植物中, PDS蛋白以
两种形式存在: 一种是可溶的但无酶活性的形式,
另一种是与膜结合有酶活性的形式(grunewald等
2000), PDS的活性高低取决于其与质膜的结合度
(Camara等1982; grunewald等2000)。因为类胡萝
卜素的合成是在细胞质中完成的, 因此其合成过
程中的所需PDS首先要进入到细胞器, 然后再经过
转移后进入细胞质中才能发挥酶活性(Bartley等
1991; Arias等2006)。
综上所述, 在类胡萝卜素的生物合成过程中,
作为限速酶的八氢番茄红素脱氢酶直接影响着类
胡萝卜素的产率、光合作用及光保护等生理过程,
故本文对研究植物PDS蛋白的保守结构模式及进
化关系进行分析, 为深入了解类胡萝卜素的生物
合成的分子进化机制奠定基础, 从而有助于我们
进一步了解植物之间的进化关系。
材料与方法
1 数据库查询
PDS氨基酸序列的收集来自于已发表的文献
以及在NCBI数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)
中, 以phytoene desaturase作为关键词, 采取phy-
toene desaturase [Protein Name] OR phytoene[All
Fields] AND desaturase [All Fields]的策略表达式进
行搜索, 对搜索结果进行进一步筛选, 去除编码序
列不完整的条目, 最后将搜集得到的所有PDS蛋白
序列以fasta格式存盘。
2 保守结构域预测
将收集到的PDS蛋白序列分别输入到NCBI数
据库中的CDD在线预测保守结构域软件(http://
www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd)中, 分别预测保守结
构域, 将预测到的每个保守结构域序列以fasta形式
保存。
3 PDS蛋白的多序列比对及进化树构建
将所有PDS蛋白序列导入到ClustalX软件中
进行多序列比对, 然后使用MegA 5.1 (Tamura等
2011)进化分析软件构建系统发生树, 系统发生树
的生成采用最大似然法(maximum likelihood, ML),
模型设定为JTT matrix-based model。
结果与讨论
1 各物种PDS基因的收集
通过公开发表的文献以及在NCBI数据库中
的搜索, 从原核生物细菌、蓝藻到真核生物的真
菌、藻类、苔藓、蕨类以及高等植物中都发现有
PDS蛋白的存在, 也表明PDS蛋白在很早以前就已
经出现 , 是从水生生物逐渐过渡到陆地植物中
席海秀等: 植物八氢番茄红素脱氢酶(PDS)基因保守结构域模式及系统进化分析 1409
来。从PDS基因编码氨基酸的个数来看, 细菌为
492~508 aa; 蓝藻为457~480 aa; 植物PDS基因编码
氨基酸个数551~586 aa。原核生物PDS蛋白的氨
基酸相对于真核生物而言较少, 也说明随着生物
体不断进化, PDS的结构变得更加复杂化, 从而衍
生出PDS蛋白更多的生物学功能。
本文中选取了涉及到藻类、藓类、蕨类及高
等植物等物种的43条编码PDS的氨基酸序列作为
分析的对象, 序列所代表的物种及在NCBI数据库
中的登录号见表1。
2 PDS蛋白保守结构域的预测
利用CDD在线分析预测软件预测出了表1中
每条PDS序列的保守结构域, 结果表明, 在蛋白序
列的C末端均含有一个保守结构域 : NAD(P)-
binding rossmann-like domain, 此结构域为氨基酸
脱氢酶的辅酶结合域, 具有一个α-β-α螺旋结构, 隶
属于Rossmann折叠大家族中的成员, 作用原理是
以辅酶NAD(P)作为辅助因子催化氨基酸脱氨基形
成酮酸, 作用期间会涉及到众多的氢键作用力与
范德华力。目前, 在谷氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸脱
氢酶、莽草酸脱氢酶、苹果酸氧化还原酶和谷氨
酰tRNA还原酶等蛋白中都发现有此类成员存在。
在分析中发现, PDS保守结构域的长度为51
aa, 保守结构域长度的不同会引起高级结构的不
同, 从而影响与辅酶的结合, 导致其功能的变化,
这是在进化过程中一个正向选择的结果。根据植
物NAD(P)-binding rossmann-like domain保守结构
域氨基酸变化的程度, 利用ClustalX软件进行保守
结构域的比对分析后, 发现构成藻类、苔藓及高
等植物的保守结构域的氨基酸序列存在着差异
(表2)。
结果(表2)显示, PDS的保守结构域中氨基酸
的突变主要集中在8个位置的氨基酸上, 分别是第
5、7、8、11、23、25、44和49号氨基酸, 突变的
氨基酸基本都会与其较高等或较低等植物保守结
构域序列中的等位置氨基酸相一致。
在提取物种的PDS蛋白序列时, 除了直接以
“phytoene desaturase”为关键词在NCBI数据库中
表1 各物种的PDS蛋白及其登录号
Table 1 PDS sequence and accession number of various speceis
种类 物种名 登录号 种类 物种名 登录号
绿藻与褐藻 Bathycoccus prasinos CCO18703 双子叶植物 Chrysanthemum morifolium BAe79552
Chlamydomonas reinhardtii XP_001690859 Citrus sinensis AeQ29525
Dunaliella salina ADD52599 Cucumis melo AgK85258
Haematococcus pluvialis CAA60479 Daucus carota ABB52082
Micromonas sp. ACO65059 Diospyros kaki ACY78343
Ectocarpus siliculosus CBN77338 Elaeagnus umbellata ACT34016
Auxenochlorella protothecoides ADR82199 Fragaria ananassa ACR61393
藓类与蕨类 Physcomitrella patens XP_001783558 Gentiana lutea BAB82462
Selaginella moellendorffii XP_002988989 Glycine max AAA34001
单子叶植物 Crocus sativus AAO24235 Gossypium hirsutum ADV90865
Musa acuminata AFK76452 Ipomoea sp. BAI47573
Narcissus tazetta AFH53816 Momordica charantia AAR86105
Oncidium hybrid ACP27624 Nicotiana benthamiana ABY25272
Oryza sativa AAD02489 Populus trichocarpa XP_002321104
Paphiopedilum armeniacum ADK54935 Prunus armeniaca AAX33347
Triticum aestivum ACL36586 Scutellaria baicalensis AgN03855
Zea mays AAC12846 Solanum lycopersicum AAA68865
Strelitzia reginae AgC74040 Solanum tuberosum AAS17750
双子叶植物 Arabidopsis thaliana AAA20109 Tagetes erecta AAg10426
Brassica oleracea ABV46593 Theobroma cacao eOY05074
Capsicum annuum CAA48195 Vitis vinifera AFP28796
Carica papaya ABg72807
植物生理学报1410
搜索外, 还可以通过表2列出的PDS蛋白的保守结
构域 , 利用BlastP程序或者 tBlastx的程序在数
据库中进行搜索, 以期获得更多物种的PDS蛋白
序列。
3 PDS蛋白的系统发育分析
采用最大似然法(ML)、最大简约法(MP)以及
邻接法(NJ)对所选取的序列进行进化树的构建, 结
果(图1)发现, 每种算法得到了相同的进化树拓扑
表2 PDS蛋白的保守结构域模式
Table 2 Pattern of conserved motif in PDS sequence
种类 结构模式
褐藻 X4-K-X1-VV-X2-A-X11-Q-X1-K-X18-VQN-X2-T-X2
绿藻 X4-H-X1-IV-X2-g-X11-K-X1-e-X18-MQN-X2-K-X2
藓类植物 X4-I-X1-IL-X2-A-X11-K-X1-K-X18-MQN-X2-g-X2
蕨类植物 X4-I-X1-IV-X2-A-X11-K-X1-K-X18-VQN-X2-g-X2
单子叶植物 X4-K-X1-IL-X2-A-X11-K-X1-e-X18-VQN-X2-g-X2
双子叶植物 X4-K-X1-IL-X2-A-X11-K-X1-D-X18-IQN-X2-g-X2
　　X表示相同氨基酸的个数。
图1 植物PDS蛋白的系统进化树分析
Fig.1 Phylogenetic analysis of PDS proteins in plants
席海秀等: 植物八氢番茄红素脱氢酶(PDS)基因保守结构域模式及系统进化分析 1411
结构, 所选取的43条PDS蛋白经多序列比对并构建
进化树分析以后可以看到其清晰的分为四大枝。
藻类单独分为一枝, 并处在PDS蛋白分枝的底部;
藓类和蕨类植物临近藻类形成另外一个分枝; 单
子叶植物和双子叶植物分别各形成一个大的分
枝。此进化树能够将不同的物种清晰地聚类到各
自的类别中, 与传统的分类学结果一致, 证明了
PDS蛋白作为系统进化分析的可行性。由于PDS
蛋白序列之间的相似程度很高, 所有不同分支的
PDS蛋白可能都是单系同源的, 不存在物种间的水
平基因转移。
目前, 对于PDS基因的功能研究已取得了较
大进展, 并在藻类、高等植物的许多物种中都克
隆得到了PDS基因, 但系统进化方面的研究相对较
少。在长期的进化中, 由于氨基酸密码子简并性
的存在, 编码蛋白的基因核苷酸序列会发生替换,
这种变化可能是同义替换也可能是非同义替换,
而非同义替换大多数会被达尔文正选择加速, 朝
着好的方向进化, 研究各物种的PDS蛋白序列将有
助于我们更进一步了解植物之间的进化关系。
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