全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2016, 52 (5): 685–692　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0649 685
收稿 2015-12-07　　修定 2016-04-17
资助 中央高校基本科研业务费专项资金(2572014DA04)、国
家自然科学基金(31200463)和黑龙江省博士后启动基金
(LBH-Q12166)。
* 通讯作者(E-mail: zengfansuo@126.com)。
白桦BpUVR8基因的序列与表达模式分析
李晓一, 詹亚光, 娄晓瑞, 曾凡锁*
东北林业大学生命科学学院, 哈尔滨150040
摘要: 本研究克隆了白桦(Betula platyphylla) UVR8基因, 命名为BpUVR8 (GenBank: AHY02156)。生物信息学分析表明该基
因全长1 326 bp, 编码441个氨基酸, 为稳定性蛋白, 不存在信号肽, 具有2个跨膜区。二级结构分析表明该蛋白属于混合
型。三级结构预测结果显示, BpUVR8与AtUVR8蛋白结构具有较高相似性, 均由7个β螺旋组成片层结构。BpUVR8表达模
式分析表明, 其主要在白桦叶片中表达, 且8月份表达量最高; 紫外诱导6 h, 其转录表达水平上调约2倍; 同时, 非生物胁迫以
及信号诱导在一定时间内也能影响该基因的转录表达。本文为研究白桦对UV-B信号的响应以及对UVR8功能的深入研究
提供参考。
关键词: 白桦; UV-B; UVR8; 生物信息学分析
太阳光作为自然界中重要的环境因子, 不仅
为植物的光合作用提供能量, 而且影响植物的整
个生长发育过程。UV-B是太阳光谱中的固有成
分, 植物在接受太阳光能的同时, 不可避免地受到
了UV-B的照射, 在长期的进化中, 植物体内形成了
一套独特的响应和防御UV-B信号的机制。但是,
近年来大量研究表明, 由于大气臭氧层变薄, UV-B
辐射增强, 这一机制遭到破坏, 植物的生长和发育
受到了影响(Caldwell等1998; Brosché和Strid 2003;
Jenkins和Brown 2007)。
植物通过光受体感知光信号, 通过各种信号转
导途径调控和维持植物的生长发育, 而光受体又是
由光吸收色素即发色团以及载体蛋白组成, 发色团
决定了光受体的光谱敏感性。目前, 在植物中发现
了4种主要的光受体: 光敏色素(phytochrome, phy)、
隐花色素(cryptochrome, cry)、向光素(phototropin,
phot)和UV RESISTANCE LOCUS 8 (UVR8)。
UVR8是最新从拟南芥(Arabidopsis thaliana)中分
离并鉴定出的UV-B特异光受体(Rizzini等2011)。
不同于其他3种光受体, UVR8没有任何外部的辅
助因子作为发色团 , 而是利用其固有的色氨酸
Trp285和Trp233来充当发色团吸收UV-B (Wu等
2012)。模式植物拟南芥中AtUVR8编码440个氨基
酸残基, 与人类鸟嘌呤核苷酸因子regulator of chro-
matin condensation 1 (RCC1)蛋白有50%的序列相
似, 但是这种相似仅仅是结构上的相似, 目前还没
有研究发现二者在功能上的相似之处(Kliebenstein
等2002)。UVR8作为UV-B特异光受体, 在高等植
物中普遍存在且蛋白结构保守, 其对植物的光形
态建成乃至整个生长发育历程具有重要的作用。
但是目前关于UVR8的研究主要集中于拟南芥等
模式生物中, 木本植物中甚少。
本研究对前期获得的白桦(Betula platyphylla)
BpUVR8基因进行了详细的生物信息学分析, 并通
过与模式生物拟南芥AtUVR8的同源性比较, 对
BpUVR8基因的功能进行了预测。同时, 对野生型
白桦进行了不同时间和不同部位取材, 揭示了该
基因的组织表达模式。本文亦研究了非生物胁
迫、UV-B辐射等对该基因表达模式的影响, 旨在
为进一步研究白桦BpUVR8基因的功能以及白桦
自身对于UV-B信号的响应机制奠定基础。
材料与方法
1 材料
白桦(Betula platyphylla Suk.)植株取材于东北
林业大学实验林场, 白桦茎段悬浮细胞由本实验
诱导培养。
2 方法
5~9月的每月月初, 分别取白桦木质部、韧皮
部、花序和叶片用液氮速冻后保存于−80°C冰箱
备用。将白桦茎段细胞在含有0.01 mg·L-1噻苯隆
(thidiazuron, TDZ)和0.1 mg·L-1 6-苄氨基嘌呤
(6-benzylaminopurine, 6-BA)的NT液体培养基中进
行悬浮培养(温度25°C, 湿度60%)。对白桦悬浮细
胞进行低温(4°C)、高温(37°C)、50 mmol·L-1水杨
植物生理学报686
酸(salicylic acid, SA)、10 μmol·L-1脱落酸(abscisic
acid, ABA)以及4 mmol·L-1 NaCl诱导处理, 每个处
理均3次重复, 分别于处理后6、12和24 h取样, 每
个时间点均设置未处理作为对照。UV-B照射处理
白桦实生苗, 分别于处理后1、3和6 h取样, 3次重
复并以未处理为对照。
采用荧光定量PCR技术对白桦UVR8基因在
不同处理下的表达模式进行检测。应用十六烷基
三甲基溴化铵(cetyltrimethylammonium bromide,
CTAB)法提取不同样品的RNA, 反转录成cDNA进
行RT-PCR, 扩增产物150~250 bp。模板为稀释10
倍的cDNA, 所用引物详见表1, 实时荧光定量反应
体系参照SYBR® Premix Ex Taq™ II (TaKaRa)说明
书进行, 每个样品重复3次。
3 白桦BpUVR8蛋白的一级结构预测
3.1 亲水/疏水区域预测
疏水作用是维持蛋白质三级结构最重要的作
用力, 其对蛋白质的稳定性、构象和功能具有重
要意义。本文利用在线软件ProScale (http://web.
expasy.org/protscale/)对BpUVR8蛋白进行了疏水
性预测(>0.5区域为疏水区, <−0.5区域为亲水区,
介于−0.5~+0.5之间主要为两性区域) (Walker
2005), 结果如图1所示, 数据统计发现该蛋白有194
个亲水区域, 67个疏水区域, 总的平均疏水性为
−0.337, 为亲水性蛋白。
3.2 信号肽及跨膜结构域的预测与分析
信号肽是指合成多肽链中用于指导蛋白质跨
膜转移的氨基酸序列, 一般由15~30个氨基酸组
成。利用在线软件SignalP (http://www.cbs.dtu.dk/
services/SignalP/)对BpUVR8蛋白进行了信号肽的
预测(Petersen等2011), 结果显示该蛋白的Y和C值
不高, 且分值曲线不典型, 所以判定该蛋白不存在
信号肽。
α螺旋跨膜区主要由20~30个疏水性氨基酸组
成。利用在线软件TMpred (http://www.ch.embnet.
org/software/TMPRED_form.html)对BpUVR8蛋白
进行跨膜结构域的预测(Hofmann和Stoffel 1993),
结果如图2所示: 该蛋白跨膜预测曲线中有4个明
显的跨膜特征, 从里到外有2个跨膜区域, 分别在
16~38与229~250 aa之间; 从外到里有2个跨膜区域,
分别在16~35与225~250 aa之间。
4 蛋白质二级结构分析
蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘绕
折叠而形成的构象, 借氢键维系。蛋白质二级结
构可分为H、E、T和C四型, 分别代表螺旋、折
叠、卷曲和线圈。当H>45%、E<5%时, 为全α型;
当H<5%、E>45%时, 为全β型; 当H>30%、E>20%
时, 为α-β型; 其他情况为混合型。应用SOPMA在
线软件(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_au-
tomat.pl?page=/NPSA/npsa_sopma.html)对BpUVR8
蛋白的二级结构进行预测和分析(Sen等2005), 结
果(图3)显示: α螺旋占11.34%, 延伸链(extended
strand)占26.53%, 因此, 该蛋白属于混合型。
5 蛋白质的三级结构分析
将BpUVR8蛋白序列提交到在线软件SWISS-
MODEL (http://swissmodel.expasy.org/), 得到蛋白
表1 引物序列信息
Table 1 Information of primer sequences
名称 序列(5′→3′) 用途
UVR8-F TTGGGGACGAGGAGAGGATG 定量引物
UVR8-R AATGCTTTGATTGGCTGAGGAGT 定量引物
TU-F TCAACCGCCTTGTCTCTCAGG 内参引物
TU-R TGGCTCGAATGCACTGTTGG 内参引物

实验结果
前期研究克隆到了白桦BpUVR8全长基因
(1 326 bp), 编码441个氨基酸, 提交GenBank登记号
为AHY02156。
1 白桦BpUVR8基因核酸序列分析
利用BioXM软件对BpUVR8基因的cDNA序列
进行分析, 结果显示该基因序列长度为1 326 bp;
A、C、G、T碱基数目(比例)分别为337 (25.4%)、
245 (18.5%)、378 (28.5%)和366 (27.6%); 分子量
为817.44 kDa。
2 氨基酸的理化性质分析
利用在线软件ProtParam (http://web.expasy.
org/protparam/)对BpUVR8蛋白的理化性质进行预
测分析(Walker 2005), 结果表明, 该蛋白由441个氨
基酸残基组成, 其中带负电荷的氨基酸残基有49
个, 带正电荷的氨基酸残基有36个, 相对分子质量
为47 369.7, 理论等电点为5.70, 不稳定系数为36.92
(该值小于40时, 预测蛋白质稳定, 反之则不稳定),
为稳定蛋白。
李晓一等: 白桦BpUVR8基因的序列与表达模式分析 687
质的三级结构(图4)。对比拟南芥AtUVR8蛋白的
三维结构, 我们发现BpUVR8与AtUVR8三维结构
相似, 均为由7个β螺旋构成的片层结构。
6 基因同源进化分析
利用NCBI数据库对BpUVR8基因编码的氨基
酸序列进行同源序列比对。白桦中的BpUVR8蛋
图1 白桦BpUVR8蛋白的亲/疏水性分析
Fig.1 Hydrophilic/hydrophobic analysis of BpUVR8 protein in birch
白与芜菁(Brassica rapa)、拟南芥和棉花(Gossypi-
um raimondii)等多种蛋白同源性极高, 一致性均在
80%以上。
系统发育树可以用来研究物种的进化史。选
取同源性较高的15个物种的UVR8蛋白 , 利用
MEGA 5.0软件, 采用邻位相连(neighbor-joining)法
图2 白桦BpUVR8蛋白跨膜域预测与分析
Fig.2 Prediction and analysis of BpUVR8 protein transmembrane domain in birch
植物生理学报688
图3 白桦BpUVR8蛋白二级结构预测与分析
Fig.3 Prediction and analysis of secondary structure of BpUVR8 protein in birch
蓝色代表α螺旋, 红色代表延伸链, 绿色代表β转角, 紫色代表无规则卷曲。
图4 白桦BpUVR8蛋白三级结构预测
Fig.4 Prediction of tertiary structure of BpUVR8 protein
in birch
构建系统发育树(Tamura等2007)。如图5所示, 15
个物种的UVR8蛋白大致可分为2大类, 蓖麻(Ricinus
communis)、烟草(Nicotiana sylvestris)、拟南芥、谷
子(Setaria italica)和梅花(Prunus mume)为一类, 白
桦、芜菁、棉花、胡杨(Populus euphratica)、葡萄
(Vitis vinifera)、苹果(Malus × domestica)、黄瓜
(Cucumis sativus)、芝麻(Sesamum indicum)、玉米
(Zea mays)和甜瓜(Cucumis melo)为另一类; 其中,
BpUVR8与芜菁、胡杨UVR8蛋白的遗传距离较
近, 说明他们进化的亲缘关系比较密切, 而与模式
生物拟南芥UVR8蛋白的遗传距离较远, 说明他们
进化的亲缘关系较远。
7 BpUVR8蛋白功能预测
为了进一步预测BpUVR8蛋白的功能, 将白桦
图5 白桦BpUVR8蛋白系统发育树
Fig.5 Phylogenetic tree of BpUVR8 protein in birch
李晓一等: 白桦BpUVR8基因的序列与表达模式分析 689
BpUVR8蛋白与拟南芥AtUVR8蛋白的保守功能域
进行了对比。从图6中可以看出BpUVR8与AtU-
VR8均具有7个RCC1的蛋白保守结构域, RCC1是
人类鸟嘌呤核苷酸因子, 说明这2个基因行使的功
能和途径是相似的。将BpUVR8与AtUVR8基因编
码的氨基酸进行对比, 发现这2种UVR8蛋白均含
有14个高度保守的色氨酸残基, 拟南芥中Trp285和
Trp233具有UV-B发色团的作用, 此外对RCC1的7
个片层结构形成非常重要的4个甘氨酸残基在
AtUVR8中是高度保守的(Wu等2011)。BpUVR8的
氨基酸序列亦是如此。Christie等(2012)对UVR8重
组蛋白的晶体结构进行分析, 证实AtUVR8是由7
个片状的β螺旋纵向排列组成的环形结构, 中间形
成充水通道, 这与我们预测的BpUVR8蛋白的结构
相似。
8 白桦UV-B受体基因BpUVR8的表达模式分析
8.1 BpUVR8基因的组织表达模式分析
对白桦不同组织部位取样, 分析BpUVR8基因
在白桦不同组织部位的表达情况。如图7所示 ,
BpUVR8基因主要在白桦的叶片中高表达, 表达量
约为花序中的6.5倍, 其他部位表达量较少, 由此推
测, 白桦对于UV-B信号的响应可能主要发生在叶
片中。
8.2 不同月份白桦叶片中BpUVR8的表达分析
BpUVR8基因在叶片中高表达, 所以我们选取
了不同月份的白桦叶片分析其表达模式。如图8所
示, 从6月开始, 白桦BpUVR8基因的表达量呈上升趋
势, 8月BpUVR8的表达量最高, 约为6月的2倍。
8.3 UV-B诱导白桦BpUVR8基因的表达分析
对白桦实生苗进行UV-B胁迫处理, 在不同时
图6 BpUVR8 (A)和AtUVR8 (B)蛋白保守功能域示意图
Fig.6 The conserved functional domains of BpUVR8 (A) and AtUVR8 (B)
图8 不同月份白桦叶片中BpUVR8基因的表达分析
Fig.8 Expression of BpUVR8 in birch leaves in different months
图7 白桦BpUVR8基因在不同器官中的表达
Fig.7 Expression pattern of BpUVR8 in various tissues in birch
植物生理学报690
间点取样, 分析BpUVR8基因表达量的变化(图9)。
在UV-B诱导1和3 h后BpUVR8基因的表达量略有
上升, 但幅度不大, 在诱导6 h后, BpUVR8基因的表
达量约为对照的2倍。总体来说, BpUVR8基因的
表达量上升得并不明显。
SA是植物中一种内生信号, 用其处理悬浮细
胞后, 6、12和24 h时BpUVR8基因均表现为上调表
达, 说明在处理6 h之后, 该基因对SA信号产生了
响应。ABA处理后, BpUVR8基因为上调表达, 且6
h时表达量最高, 说明该基因在处理6 h后对ABA信
号产生了响应, ABA在一定程度上能够影响该基
因的表达。盐胁迫处理后, BpUVR8基因的表达模
式为上调表达, 且对比其他胁迫处理, 该基因对盐
胁迫处理的响应最明显。综上, BpUVR8基因对于
非生物胁迫以及信号诱导具有响应。
讨　　论
UVR8作为UV-B的特异光受体, 通常以二聚
体的形式存在于植物体中。当受到UV-B照射后,
UVR8二聚体解聚为单体, 在细胞核积累, 与E3泛
素连接酶CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHO-
GENIC 1 (COP1)相互作用, 释放HY5及HYH转录
因子, 打开了UV-B的信号通路, 诱导了一系列防御
基因的表达(Brown等2009)。拟南芥中AtUVR8基
因编码440个氨基酸, 其蛋白单体是由7个片状的β
螺旋组成的球型蛋白, β螺旋的顶端为色氨酸, AtU-
VR8蛋白中的14个氨基酸在不同物种中是相对保
守的, 其中Trp285和Trp233为UVR8蛋白的发色
团。本研究中, 我们将BpUVR8蛋白序列提交到
SWISS-MODEL, 得到蛋白质的三级结构, 发现白
桦BpUVR8蛋白与拟南芥AtUVR8蛋白三维结构相
似, 并且它们均含有相同的蛋白保守功能域, 由此
推测白桦BpUVR8与拟南芥AtUVR8基因行使的功
能和作用是类似的。
光作为一种信号因子, 不仅参与了植物的整
个生长发育历程, 而且还是植物逆境胁迫响应的
重要信号来源。在进化过程中, 植物体内形成了
多种光受体, 用来感知光信号, 通过各种信号转导
途径调控和维持植物的生长发育。光敏色素是植
物感受外界光环境变化最重要的光受体之一, 不
仅参与调控了植物的生长发育, 还参与介导了植
物对各种生物和非生物胁迫的响应(Franklin等
2014)。研究表明, 光敏色素参与调控了植物干旱
胁迫的响应, 并且这种响应主要是通过ABA途径
来进行的(Carvalho等2010)。干旱胁迫环境中, 光
敏色素PHYB过表达的棉花植株的单株结铃数、
图9 紫外诱导不同时间下BpUVR8基因的表达分析
Fig.9 Expression of BpUVR8 gene under UV induction after
different time periods
图10 非生物胁迫下BpUVR8基因的表达分析
Fig.10 Expression of BpUVR8 under abiotic stress in birch
8.4 白桦BpUVR8基因的非生物胁迫及信号诱导
表达分析
对白桦悬浮细胞进行低温、高温、SA、
ABA以及盐处理, 并在处理后不同时间点取样。
以未处理作为对照, 用处理后测得的表达量减掉
对照的表达量, 表达水平上调为正, 表达水平下调
为负, 结果如图10所示, 低温处理6、12和24 h后,
BpUVR8基因均表现为上调表达, 其中6 h表达量最
高; 高温37°C处理6、12和24 h后, BpUVR8基因的
表达模式也均为上调表达, 24 h时表达量最高。
李晓一等: 白桦BpUVR8基因的序列与表达模式分析 691
单铃质量和籽棉产量均比对照植株高(Shamim等
2013)。UVR8是目前唯一确定的UV-B的光受体,
本研究中我们发现, 对白桦悬浮细胞进行非生物
胁迫处理以及信号诱导后, 内源的BpUVR8基因均
表现为明显的上调表达, 其中, BpUVR8基因对盐
胁迫处理的响应最为明显, 其表达量与对照相比
上调最高。我们推测, 与光敏色素类似, UVR8作
为光受体的一种可能也参与调控了植物的非生物
胁迫的响应, 但其机制有待进一步研究。
目前, 对于UVR8介导的UV-B信号转导途径
的研究取得了明显进展, 但是在UV-B信号转导途
径中仍有很多机制尚不清楚。UVR8如何诱导基
因的表达, 是否还有新的转录因子存在, 这些都有
待进一步研究。
参考文献
Brosché M, Strid Å (2003). Molecular events following perception
of ultraviolet-B radiation by plants. Physiol Plantarum, 117 (1):
1–10
Brown BA, Headland LR, Jenkins GI (2009). UV-B action spectrum
for UVR8-mediated HY5 transcript accumulation in Arabidopsis.
Photochem Photobiol, 85 (5): 1147–1155
Caldwell MM, Björn LO, Bornman JF, Flint SD, Kulandaivelu G,
Teramura AH, Tevini M (1998). Effects of increased solar ultra-
violet radiation on terrestrial ecosystems. J Photochem Photobiol
B-Biol, 46 (1): 40–52
Carvalho RF, Quecini V, Peres LEP (2010). Hormonal modulation of
photomorphogenesis-controlled anthocyanin accumulation in
tomato (Solanum lycopersicum L. cv Micro-Tom) hypocotyls:
physiological and genetic studies. Plant Sci, 178 (3): 258–264
Christie JM, Arvai AS, Baxter KJ, Heilmann M, Pratt AJ, O’Hara
A, Kelly SM, Hothorn M, Smith BO, Hitomi K, et al (2012).
Plant UVR8 photoreceptor senses UV-B by tryptophan-mediated
disruption of cross-dimer salt bridges. Science, 335 (6075):
1492–1496
Franklin KA, Toledo-Ortiz G, Pyott DE, Halliday KJ (2014). Inter-
action of light and temperature signalling. J Exp Bot, 65 (11):
2859–2871
Hofmann K, Stoffel W (1993). TMbase – A database of membrane
spanning proteins segments. Biol Chem Hoppe-Seyler, 374: 166
Jenkins GI, Brown BA (2007). UV-B perception and signal transduc-
tion. In: Whitelam GC, Halliday KJ (eds). Light and Plant De-
velopment. Oxford: Blackwell Publishing, 155–182
Kliebenstein DJ, Lim JE, Landry LG, Last RL (2002). Arabidopsis
UVR8 regulates ultraviolet-B signal transduction and tolerance
and contains sequence similarity to human regulator of chroma-
tin condensation 1. Plant Physiol, 130 (1): 234–243
Petersen TN, Brunak S, von Heijne G, Nielsen H (2011). SignalP 4.0:
discriminating signal peptides from transmembrane regions. Nat
Methods, 8 (10): 785–786
Rizzini L, Favory JJ, Cloix C, Faggionato D, O’Hara A, Kaiserli E,
Baumeister R, Schäfer E, Nagy F, Jenkins GI, et al (2011). Per-
ception of UV-B by the Arabidopsis UVR8 protein. Science, 332
(6025): 103–106
Sen TZ, Jernigan RL, Garnier J, Kloczkowski A (2005). GOR V serv-
er for protein secondary structure prediction. Bioinformatics, 21
(11): 2787–2788
Shamim Z, Rashid B, ur Rahman S, Husnain T (2013). Expression of
drought tolerance in transgenic cotton. ScienceAsia, 39: 1–11
Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S (2007). MEGA4: molecular
evolutionary genetics analysis (MEGA) software version 4.0.
Mol Boil Evol, 24 (8): 1596–1599
Walker JM (2005). The Proteomics Protocols Handbook. Totowa,
New Jersey: Humana Press, 571–607
Wu D, Hu Q, Yan Z, Chen W, Yan C, Huang X, Zhang J, Yang P,
Deng H, Wang J, et al (2012). Structural basis of ultraviolet-B
perception by UVR8. Nature, 484 (7393): 214–219
Wu M, Grahn E, Eriksson LA, Strid Å (2011). Computational evi-
dence for the role of Arabidopsis thaliana UVR8 as UV-B pho-
toreceptor and identification of its chromophore amino acids. J
Chem Inf Model, 51 (6): 1287–1295
植物生理学报692
The sequence and expression analysis of BpUVR8 gene in birch
LI Xiao-Yi, ZHAN Ya-Guang, LOU Xiao-Rui, ZENG Fan-Suo*
College of Life Science, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: As a photoreceptor specifically for UV-B light, BpUVR8 gene plays an important role in the photo-
morphogenesis and growing development in plants. We cloned the UVR8 gene in birch, and named it as BpU-
VR8 (GeneBank ID: AHY02156). The bioinformatics analysis shows that this sequence consists of 1 326 bp
with a complete open reading frame, and encodes 441 amino acids. Furthermore, it is a stable hydrophobic pro-
tein. This protein may not contain signal peptide but have the transmembrane ability. The protein has two trans-
membrane domains. According to the tertiary structure prediction, the protein is constituted by a seven-bladed
β-propeller, which has a high structural homology with AtUVR8 in Arabidopsis thaliana. The expression analy-
sis of BpUVR8 indicates that this gene expressed in various tissues, and the expression level in leaves is higher
than others. The expression of BpUVR8 in August is highest. Besides, this gene is not sensitive to the induction
of UV-B signal. Abiotic stress can induce the expression of BpUVR8 gene. This paper can provide a reference
for the study of gene function in response to the UV-B signals.
Key words: Betula platyphylla; UV-B; UVR8; bioinformatics analysis
Received 2015-12-07 Accepted 2016-04-17
This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. 2572014DA04), the National Natural
Science Foundation of China (Grant No. 31200463), and the Startup Funds for Postdoctoral Research in Heilongjiang Province (Grant No.
LBH-Q12166).
*Corresponding author (E-mail: zengfansuo@126.com).