全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (11): 1057~1062 1057
收稿 2012-08-10　　修定 2012-10-23
资助 江苏省自然科学基金青年基金项目(BK2012073)、国家高
技术研究发展“863”计划(2012AA021701)、江苏省生态学
重点学科建设项目(2012)和山东省黄河三角洲生态环境重
点实验室开放基金(2011KFJJ02)。
* 通讯作者(E-mail: zfibcas@163.com; Tel: 025-86178262)。
植物KCO基因密码子使用特性
杨平1, 周峰1,2,*, 张边江1, 华春1
1南京晓庄学院生物化工与环境工程学院, 南京211171; 2山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 山东滨州256603
摘要: 以植物钾离子外排通道(K+ channel outward-rectifier, KCO)基因为研究对象, 运用CodonW软件分析了75个植物KCO
基因密码子的使用模式, 探讨密码子的使用模式和影响密码子使用的各种可能因素。结果表明: 碱基组成差异(r=0.961,
P<0.01)和自然选择(r=0.568, P<0.01)是影响密码子使用的主要因素, 并且高表达的基因强烈偏爱使用以G或C结尾的密码
子。确定了UUC、CUC等26个均以G/C结尾的密码子为植物KCO基因的高表达优越密码子。
关键词: KCO基因; 密码子偏好性; 自然选择
Characterization of Codon Usage of Plant KCO Genes
YANG Ping1, ZHOU Feng1,2,*, ZHANG Bian-Jiang1, HUA Chun1
1School of Biochemical and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China; 2Shandong Pro-
vincial Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta, Binzhou, Shandong 256603, China
Abstract: Codons of 75 K+ channel outward-rectifier (KCO) genes from plant were studied. CodonW software
was used to calculate different parameters for the codon usage. The codon usage bias in plant KCO genes was ana-
lyzed to find the factors affecting the formation of codon bias. The result indicated that nucleotide composition
(r=0.961, P<0.01) and natural selection (r=0.568, P<0.01) were the main factors on the codon usage of plant KCO
genes. Moreover, the highly expressed genes had a stronger codon bias of the G or C at the third position of
codons. We defined 26 codons end with G/C such as UUC and CUC as the optimal codons in plant KCO genes.
Key words: KCO genes; codon usage bias; natural selection
KCO (K+ channel outward-rectifier)基因是钾
离子外排通道基因, 钾离子通道广泛存在于原核
和真核生物的体内。Czempinski等(1997)第一次在
高等植物拟南芥中克隆了KCO1基因, 功能分析发
现KCO1基因属于两孔钾离子通道基因家族。这
是研究植物离子通道的一个重要发现, 在此之前,
两孔钾离子通道基因只有在人类和酵母中发现
(Ketchum等1995; Lesage等1996a, b)。拟南芥
KCO1基因也是第一个克隆的液泡型钾离子通道
(Czempinski等2002)。KCO基因与植物耐盐有着
密切的关系(周峰等2003), Wang等(2012)研究发现
在烟草细胞中过量表达白杨两孔钾离子通道基因
能增强细胞的耐盐性。
同义密码子使用偏好性与遗传进化、蛋白质
功能等有着密切联系, 因此研究同义密码子使用
偏好性具有重要的生物学意义(刘汉梅等2010)。
目前, 全基因组序列的密码子使用偏好性的研究
比较多, 对单一基因家族的密码子使用研究比较
少。本研究旨在通过分析植物KCO基因全长编码
框密码子的使用特性, 为深入研究其遗传进化和
表达调控机制等提供重要理论依据。
材料与方法
1 植物KCO基因序列的获得
植物KCO基因序列来源于NCBI (http://www.
ncbi.nih.gov/), 通过BLAST比对, 共下载到75条
KCO基因的CDS (coding DNA sequence)。植物
KCO基因的进化树是用Mega 5.0软件计算生成, 进
化树的名称是物种名缩写加NCBI登录号(图1)。
2 密码子使用特性分析
利用CodonW软件(Peden 2005)分析植物KCO
家族基因密码子, 密码子参数包括: 氨基酸长度
(L_aa)、同义密码子数(L_sym)、疏水性平均值
(Gravy)、芳香性值(aromaticity, Aroma)、同义密
码子在第3位上腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞
嘧啶的出现频率(A3s、T3s、G3s和C3s)、GC含量
(GC)、编码同一氨基酸的同义密码子的第3位的
植物生理学报1058
图1 KCO基因进化树
Fig.1 Phylogenetic tree of KCO gene
杨平等: 植物KCO基因密码子使用特性 1059
GC含量(GC3s)、有效密码子数(ENC)、最优密码
子使用频率(FOP)、密码子偏爱指数(CBI)、密码
子使用的相对概率 (RSCU)、密码子适应指数
(CAI)等。运用SPSS 17.0统计软件进行密码子组
成和使用偏好性各参数间相关性的分析。
3 最优密码子的确定
本文计算所有基因的ENC值和RSCU值, 并对
ENC值进行排序, 取该有序数据的上下限区域各
5%的序列数据, 确定高表达和低表达样本组。比
较高/低表达样本组相应密码子的RSCU值, 如果差
异大于0.3, 且该密码子的RSCU值在高表达基因样
本中大于1, 在低表达基因样本中小于1, 确定为最
优密码子(Duret和Mouchiroud 1999)。
实验结果
1 KCO基因密码子的对应性分析
对应性分析结果显示: 第一条轴(Axis1)和第
二条轴(Axis2)能解释基因间RSCU变异分别为
40.24%和7.54%。各基因密码子在这两轴的分布见
图2, 从图2可以看出KCO基因以A和T结尾的密码
子除了CGA全部位于第一轴的左侧, 以G和C结尾
的密码子除了TTG和AGG全部位于第一轴的右
侧。从图3看出, 藻类和单子叶植物的基因主要位
于第一条向量轴右侧, 而双子叶植物的基因大部分
位于左侧。从基因表达量上分析表明, 第一条向量轴
右侧是高表达量的基因, 而左侧是低表达量的基因。
第一条向量轴上基因的位置与C3s、G3s、
CBI、FOP、CAI、GC、GC3s呈极显著正相关, 而
与T3s、A3s、ENC高度负相关(表1), 表明碱基组
成差异和自然选择是影响密码子使用的主要因
素。并且高表达的基因强烈偏爱使用以G或C结尾
的密码子。
2 KCO基因Enc-plot分析
以ENC为纵坐标, GC3s为横坐标, 探讨各基因
密码子使用偏性情况, 并检测碱基组成对密码子
偏性的影响。密码子偏性仅受到突变影响的基因
沿标准曲线分布(在无选择压力的情况下)或落在
标准曲线附近, 密码子偏性受到选择影响的基因
应该落在标准曲线下方较远的位置(Wright 1990)。
从图4可以看出, 大多数基因落在标准曲线下方,
且分布偏离期望曲线。藻类和部分单子叶植物的
基因分布在标准曲线下方较远的位置, 具有较高
的GC3s含量, ENC值偏小, 具有较强的密码子使用
偏好性。此外, ENC与CAI、GC、GC3s呈极显著
负相关(表1), 表明除碱基组成偏性外, 自然选择等
其他因素对密码子的使用也有重要影响。
3 植物KCO基因最优密码子的确定
本研究对植物75个KCO基因进行了初步分
析 , 表2给出了高 /低表达样本组相应密码子的
图2 KCO基因所使用的59种同义密码子在对应分析中的分布
Fig.2 Projection of 59 synonymy codons of KCO genes on
the first two principle axes of correspondence analysis
图3 75个KCO基因在前两个向量轴对应分析中的分布
Fig.3 Projection of 75 KCO genes on the first two principle
axes of correspondence analysis
植物生理学报1060
表1 KCO基因密码子各参数之间的相关系数
Table 1 Correlation coefficients among the parameters of codon usage in KCO genes
T3s C3s A3s G3s CAI CBI FOP ENC GC3s GC L_sym L_aa Gravy Aroma
C3s –0.960**
A3s 0.758** –0.815**
G3s –0.861** 0.787** –0.848**
CAI –0.549** 0.606** –0.460** 0.391**
CBI –0.766** 0.819** –0.728** 0.618** 0.762**
FOP –0.807** 0.842** –0.711** 0.656** 0.800** 0.989**
ENC 0.516** –0.546** 0.617** –0.541** –0.458** –0.549** –0.562**
GC3s –0.967** 0.963** –0.894** 0.917** 0.553** 0.788** 0.814** –0.593**
GC –0.932** 0.923** –0.891** 0.894** 0.554** 0.750** 0.780** –0.626** 0.975**
L_sym –0.145 0.112 –0.036 0.215 –0.049 0.068 0.096 –0.082 0.131 0.118
L_aa –0.152 0.117 –0.045 0.228* –0.046 0.070 0.100 –0.086 0.139 0.125 0.999**
Gravy 0.288* –0.183 0.070 –0.409** –0.018 –0.004 –0.092 0.137 –0.257* –0.285* –0.591** –0.593**
Aroma 0.043 0.044 –0.030 –0.083 0.053 0.059 0.025 0.142 –0.016 –0.092 –0.099 –0.097 0.409**
Axis1 –0.961** 0.944** –0.875** 0.915** 0.568** 0.796** 0.826** –0.568** 0.987** 0.961** 0.114 0.123 –0.248* 0.022
　　*和**分别表示各参数间相关性达0.05和0.01概率的显著。
RSCU值和ΔRSCU值。比较高/低表达样本组相应
密码子的RSCU值, 如果差异大于0.3, 且该密码子
的RSCU值在高表达基因样本中大于1, 在低表达
基因样本中小于1, 确定为最优密码子。根据这一
方法, 并经卡方测验, 最终确定了UUC、CUC等26
个密码子为植物KCO基因的高表达优越密码子(表
2中带*的密码子), 均以G/C结尾的密码子。
讨　　论
本研究通过对75种植物KCO基因同义密码子
使用的系统比较发现, 碱基组成差异和自然选择
是影响植物KCO基因密码子使用的主要因素。并
且高表达的基因强烈偏爱使用以G或C结尾的密码
子, 最终确定了UUC、CUC等26个密码子为植物
KCO基因的高表达优越密码子, 也是均以G或C结
尾的密码子。
ENC取值范围为20到61, 内源基因表达量的
相对高低与ENC值成正比。其值越低, 表明该基
因的密码子使用偏好性越强, 对应的内源基因往
往表达量也越高。ENC值会受到基因氨基酸组成
和基因长短的影响(Fuglsang 2004; Peixoto等
2003)。本研究中发现第1条向量轴上基因的位置
与碱基组成(C3s、G3s、T3s、A3s、GC、GC3s)
和CAI均呈极显著正相关(表1), 而与基因长度(L_
aa)相关性未达到显著水平(r=0.123)。基因长度
(L_aa)与ENC和CAI的相关系数分别为–0.086
和–0.046, 均未达到显著水平。这表明植物KCO基
因碱基组成差异和自然选择是影响密码子使用的
主要因素, 而基因长度与基因的表达水平以及密
码子偏性无明显相关。
CAI取值范围在0~1之间, 基因表达水平的实
际观测值与CAI值非常接近, 较高的CAI值的基因
具有较高的表达量, 反之, 表达量较低的基因具有
较低的CAI值。CAI的值越高意味着具有较高的密
码子偏好性(Peixoto等2003; Romero等2000; 吕林
峰等2012)。本研究中CAI与第1条向量轴上基因
图4 KCO基因的ENC-plot曲线
Fig.4 ENC-plot of KCO genes
杨平等: 植物KCO基因密码子使用特性 1061
的位置和碱基组成(C3s、G3s、T3s、A3s、GC、
GC3s)均呈极显著正相关(表1), 而与L_aa、L_
sym、Gravy、Aroma相关性未达到显著水平(表
1)。这说明碱基组成差异和密码子偏性是影响植
物KCO基因的表达水平的主要因素 , 而基因长
度、同义氨基酸数、氨基酸组份指数对植物KCO
基因的表达水平影响不明显。
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表2 KCO基因相对同义密码子使用度
Table 2 RSCU analysis of protein coding region in KCO genes
氨基酸 密码子
高表达序列 低表达序列
ΔRSCU 氨基酸 密码子
高表达序列 低表达序列
ΔRSCU
数目 RSCU 数目 RSCU 数目 RSCU 数目 RSCU
Phe UUU 4 0.12 35 1.15 –1.03 Ser UCU 2 0.14 17 1.46 –1.32
UUC* 61 1.88 26 0.85 1.03 UCC* 25 1.74 4 0.34 1.4
Leu UUA 2 0.08 25 1.06 –0.98 UCA 1 0.07 22 1.89 –1.82
UUG 3 0.12 25 1.06 –0.94 UCG* 22 1.53 3 0.26 1.27
CUU 4 0.17 55 2.34 –2.17 Pro CCU 8 0.49 15 1.94 –1.45
CUC* 64 2.65 9 0.38 2.27 CCC* 26 1.6 3 0.39 1.21
CUA 2 0.08 18 0.77 –0.69 CCA 7 0.43 13 1.68 –1.25
CUG* 70 2.9 9 0.38 2.52 CCG* 24 1.48 0 0 1.48
Ile AUU 5 0.42 44 1.67 –1.25 Thr ACU 2 0.11 33 1.65 –1.54
AUC* 27 2.25 16 0.61 1.64 ACC* 35 2 13 0.65 1.35
AUA 4 0.33 19 0.72 –0.39 ACA 3 0.17 31 1.55 –1.38
Met AUG 35 1 28 1 0 ACG* 30 1.71 3 0.15 1.56
Val GUU 2 0.08 41 1.86 –1.78 Ala GCU 7 0.18 34 1.74 –1.56
GUC* 41 1.66 17 0.77 0.89 GCC* 50 1.32 9 0.46 0.86
GUA 1 0.04 12 0.55 –0.51 GCA 5 0.13 30 1.54 –1.41
GUG* 55 2.22 18 0.82 1.4 GCG* 90 2.37 5 0.26 2.11
Tyr UAU 2 0.08 25 1.28 –1.2 Ter UAA 0 0 1 1 –1
UAC* 47 1.92 14 0.72 1.2 UAG 1 1 2 2 –1
Cys UGU 3 0.25 14 1.65 –1.4 UGA 2 2 0 0 2
UGC* 21 1.75 3 0.35 1.4 Trp UGG 20 1 9 1 0
His CAU 3 0.26 12 1.41 –1.15 Arg CGU 1 0.07 5 0.7 –0.63
CAC* 20 1.74 5 0.59 1.15 CGC* 29 1.89 2 0.28 1.61
Gln CAA 6 0.32 18 0.88 –0.56 CGA 4 0.26 4 0.56 –0.3
CAG* 32 1.68 23 1.12 0.56 CGG* 35 2.28 2 0.28 2
Asn AAU 5 0.25 19 1.41 –1.16 Ser AGU 4 0.28 12 1.03 –0.75
AAC* 35 1.75 8 0.59 1.16 AGC* 32 2.23 12 1.03 1.2
Lys AAA 2 0.1 40 1.23 –1.13 Arg AGA 1 0.07 19 2.65 –2.58
AAG* 39 1.9 25 0.77 1.13 AGG 22 1.43 11 1.53 –0.1
Asp GAU 16 0.42 50 1.67 –1.25 Gly GGU 6 0.28 21 1.22 –0.94
GAC* 60 1.58 10 0.33 1.25 GGC* 43 2.02 8 0.46 1.56
Glu GAA 9 0.26 26 0.87 –0.61 GGA 11 0.52 24 1.39 –0.87
GAG* 60 1.74 34 1.13 0.61 GGG 25 1.18 16 0.93 0.25
　　*为最优密码子。
植物生理学报1062
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