全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(12): 20592069 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由山西省国际科技合作计划项目(2013081007), 山西省青年科学基金项目(2011021031-3), 山西省农业科学院科技攻关项目
(2013gg30), 山西省农业科学院博士研究基金(YBSJJ1407)项目和山西省农业科学院重点项目(YZD1401)资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 常建忠, E-mail: cjzyfx@163.com; 郑军, E-mail: zjsaas@126.com
第一作者联系方式: E-mail: qiaoly1988@126.com (乔麟轶) **同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2014-05-23; Accepted (接受日期): 2014-09-16; Published online(网络出版日期): 2014-10-20.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20141020.1016.005.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.02059
粗山羊草全基因组 Aux/IAA基因家族的分离、染色体定位及序列分析
乔麟轶 1,4,** 李 欣 1,** 畅志坚 1 张晓军 1 詹海仙 1 郭慧娟 1
李建波 4 常建忠 3,* 郑 军 2,*
1山西省农业科学院作物科学研究所 / 农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室, 山西太原 030031; 2山西省农业科学院
小麦研究所, 山西临汾 041000; 3山西省农业科学院旱地农业研究中心, 山西太原 030006; 4山西大学研究生院, 山西太原 030006
摘 要: 生长素是植物生长发育过程中的关键激素之一, Aux/IAA家族基因是重要的生长素原初响应基因。通过生物
信息学方法从粗山羊草(Aegilops tauschii)全基因组中分离出 28个 Aux/IAA基因, 其中 20个粗山羊草 Aux/IAA蛋白具
有 4个保守结构域; 28个 Aux/IAA基因分布于全部 7对染色体上, 5个基因分别具有位于同一位点的已知标记。粗山
羊草 IAA3、IAA11和 IAA26的表达具有组织特异性, 分别在雌蕊、种子和根中特异表达。系统发育显示, 11对粗山羊
草-乌拉尔图小麦 Aux/IAA 蛋白、5 对粗山羊草-大麦 Aux/IAA 蛋白直系同源。共线性分析表明, 粗山羊草 Aux/IAA
基因与短柄草、水稻中同源基因具有很好的共线性。本研究分离的相关基因不仅可用于小麦的遗传改良, 也为深入
研究小麦 Aux/IAA基因提供了信息。
关键词: 粗山羊草; 生长素; Aux/IAA基因家族; 染色体定位; 生物信息学
Whole-Genome Sequence Isolation, Chromosome Location, and Characteriza-
tion of Primary Auxin-Responsive Aux/IAA Gene Family in Aegilops tauschii
QIAO Lin-Yi1,4,**, LI Xin1,**, CHANG Zhi-Jian1, ZHANG Xiao-Jun1, ZHAN Hai-Xian1, GUO Hui-Juan1, LI
Jian-Bo4, CHANG Jian-Zhong3,*, and ZHENG Jun2,*
1Institute of Crop Science, Shanxi Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement on
Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Taiyuan 030031, China; 2 Wheat Research Institute, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Linfen 041000,
China; 3 Research Center of Dryland Farming, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030006, China; 4Graduate School of Shanxi Uni-
versity, Taiyuan 030006, China
Abstract: Auxin, as one of the most important hormones, plays a key role in many processes of plant development. The Aux/IAA
family contains important early auxin response genes. A genome-wide research of Aux/IAA genes in Aegilops tauschii was carried
out using bioinformatic method. In this study, 28 Aux/IAA genes were identified in Ae. tauschii, which were distributed on seven
chromosomes of Ae. tauschii genome. Twenty Aux/IAA genes share four conserved amino acid sequence motifs and five were
mapped on the same locus with known markers. AetIAA3, AetIAA11, and AetIAA26 were specifically expressed in pistil, seed and
root of Ae. tauschii, respectively. Eleven pairs of Ae. tauschii–Triticum urartu and five pairs of Ae. tauschii–Hordeum vulgare
Aux/IAA proteins were orthologous in the phylogenetic tree. Collinearity analysis indicated Aux/IAA genes showed a higher
synteny between Ae. tauschii and two other species (Brachypodium distachyon and Oryza stativa). The Aux/IAA genes isolated
can not only be applied in genetic improvement of common wheat but also provide basic information in further research of
Aux/IAA genes in wheat.
Keywords: Aegilops tauschii; Auxin; Aux/IAA gene family; Chromosome location; Bioinformatics
生长素(auxin)是人类最早发现的一类植物激素,
在植物向性、细胞分裂、维管组织形成和根毛发育
等生长发育过程中发挥重要作用[1-3]。生长素早期诱
导表达的原初响应基因主要有 Aux/IAA、SAUR (small
2060 作 物 学 报 第 40卷

auxin up RNA)和 GH3 (Gretchen Hangen 3)等 3类[4]。
其中, Aux/IAA家族基因是生长素原初响应基因的典
型代表, 通过调控生长素信号通路的下游基因来达
到调控植物生长发育的目的[5]。此外, Aux/IAA 还可
介导生长素信号通路与油菜素内酯[6]、茉莉酸[7]、乙
烯 [8]等激素信号通路及光信号通路 [9]之间的相互作
用, 是植物生长发育调控网络中的重要调节因子。
Aux/IAA 蛋白属于核蛋白, 半衰期较短, 容易
降解[10]。典型的 Aux/IAA蛋白具有 4个保守结构域,
其中结构域 I 和 II位于 N 端, 结构域 III和 IV位于
C 端。结构域 III 和 IV 与调控生长素响应基因表达
的重要转录因子 ARF (auxin response factor)的 III、
IV 结构域具有很高同源性, 且能相互作用[11-12]。在
弱生长素信号条件下, Aux/IAA 与 ARF 结合, 抑制
下游基因转录 , 关闭生长素信号通路 ; 反之 , Aux/
IAA 在泛素介导下降解, 释放 ARF, 开启通路[13]。
在上述过程中, 结构域 I起转录抑制作用, 其对ARF
的转录激活具有显著的上位作用[14]; 结构域 II 影响
Aux/IAA 蛋白的稳定性, Aux/IAA 的降解依赖于结
构域 II与 SCFTIR1泛素连接酶复合体的结合[15], 结
构域 II的突变可导致 Aux/IAA蛋白降解受阻。
1982年首次在大豆中获得 Aux/IAA基因[16]。随
着许多重要物种基因组测序工作的完成, 使全基因
组范围内研究 Aux/IAA 基因成为可能。在拟南芥[17]、
水稻[18]、杨树[19]、玉米[20]、棉花[21]、番茄[22]、黄瓜[23]
等植物中, 基于全基因组的分析结果表明 Aux/IAA
基因家族成员具有不同的生物学功能 , 如棉花
GhAux8 和 GhIAA16 可能在棉花纤维早期伸长期发
挥重要作用, 小麦 TaIAA1调控根、分蘖、花期和叶
型等重要器官的发育[24], 许多重要基因可用于作物
改良。Aux/IAA全基因组分析不仅有助于阐述生长素
代谢和信号传导的分子机制, 而且其中重要的功能
基因可用于作物的遗传改良。
小麦是世界上主要的粮食作物之一, 属于异源
六倍体, 基因组庞大而复杂, 与水稻等模式作物相
比, 对小麦株型、产量和非生物逆境等功能基因的
研究和利用较落后。小麦 A基因组供体乌拉尔图小
麦 (Triticum urartu)和 D 基因组供体粗山羊草
(Aegilops tauschii)及中国春测序草图的公布极大促
进了小麦基因组学研究[25-27]。粗山羊草具有抗病、
抗旱、抗逆等优良特性, 其测序工作的完成使基于
全基因组的基因功能分析成为可能, 更为小麦基因
组学研究提供了重要参考信息。虽然全基因组测序
结果显示粗山羊草转录因子可分为 58类[26], 但对具
有重要功能的 Aux/IAA家族还未分类。
本研究采用生物信息学方法分离了粗山羊草
Aux/IAA 家族基因, 分析了该家族成员的染色体位
置、序列特征、基因结构、表达模式和进化等, 相
关基因可作为小麦遗传改良的候选基因, 同时本研
究也为小麦中 Aux/IAA 基因的深入研究与利用提供
了有价值的信息。
1 材料与方法
1.1 信息来源
粗山羊草的全基因组、CDS、表达信息及乌拉
尔图小麦的 CDS 数据均来自 AGDB 数据库(http://
dd.agrinome.org/); 粗山羊草定位序列片段、小麦
EST标记信息来自GrainGene2.0数据库(http://wheat.
pw.usda.gov/); 拟南芥、水稻、短柄草的 Aux/IAA蛋
白序列信息来自 NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.
gov/)数据库 ; 大麦 Aux/IAA 蛋白序列信息来自
PlantTFDB数据库(http://planttfdb_v1.cbi.pku.edu.cn:
9010/)。
1.2 粗山羊草 Aux/IAA 家族基因序列的分离和
保守结构域检测
从 AGDB数据库中下载粗山羊草全基因组数据
建立本地 BLAST 数据库。从 Pfam 数据库(http://
pfam.sanger.ac.uk/)中下载 Aux/IAA 家族(登录号为
PF02309)的隐马尔可夫模型文件, 再用 HMMEMIT
软件[28]获得长度为 215个氨基酸残基的 Aux/IAA蛋
白保守基序, 用该保守基序检索本地粗山羊草基因
组序列数据库, 检索程序为 HMMPfam, E值设为 0。
检索结果剔除冗余序列, 利用 SMART 工具[29]
(http://smart.embl-hei-delberg.de/)和 Pfam 中的 Sanger
工具[30]对非冗余序列进行 Aux/IAA蛋白保守结构域
的检查, E值设为 1.0, 其他参数为默认值。
1.3 粗山羊草 Aux/IAA的染色体定位和结构分析
粗山羊草 Aux/IAA基因的相关信息从 AGDB数
据库获得, 包括 CDS序列、基因组序列、基因组位
置。将粗山羊草 Aux/IAA基因组序列提交 GrainGene
2.0数据库, 检索相似性>95%、E值为 0的粗山羊草
序列片段; 然后查找所得序列片段和附近的 EST 标
记。利用这些序列片段的定位和 EST 标记信息, 将
粗山羊草 Aux/IAA 基因整合到粗山羊草分子图谱[31]
上。根据染色体位置对粗山羊草 Aux/IAA 家族基因
命名。采用 GSDS 软件[32] (http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)
第 12期 乔麟轶等: 粗山羊草全基因组 Aux/IAA基因家族的分离、染色体定位及序列分析 2061


分析 AetIAA的结构。
1.4 粗山羊草 Aux/IAA 蛋白理化性质分析和序
列特征分析
用 DNAstar 软件中的 Editseq 工具将 AetIAA
CDS 翻译为氨基酸。用 NPS 在线工具(http://npsa-
pbil.ibcp.fr/cgi-bin/secpred_sopma.pl)对 AetIAA蛋白
进行二级结构预测。用 Clustal X软件进行蛋白序列
多重比对, 参数为默认值, 用 Jalview 输出比对结
果。采用MEME工具[33] (http://meme.nbcr.net/meme4_
1/cgi-bin/meme.cgi)分析 AetIAA 蛋白的基序, 除基
序长度范围设为 10~300个氨基酸残基, 基序最大发
现数目为 4个外, 其他均为默认值。
1.5 粗山羊草 AetIAA 家族的启动子序列和基因
表达分析
截取 AetIAA家族起始密码子上游 2000 bp的基
因组序列作为启动子区 , 利用 PLACE26.0 (http://
www.dna.affrc.go.jp/PLACE/signalscan.html)和 Plant
CARE (http://bioinformatics.pAet.ugent.be/webtools/
plantcare/html)数据库分析基因的顺式作用元件。
从AGDB数据库中检索 AetIAA基因在 8个组织
器官中的 EST 数据。对数据进行 log2转换处理, 利
用 Mev 软件对基因表达数据进行聚类分析, 并显示
分析结果。
1.6 粗山羊草 Aux/IAA 蛋白的系统发生分析和
共线性分析
采用邻接法(Neighbor-Joining)[34]构建 Aux/IAA
蛋白的系统发生树, 用 MEGA 软件[35]输出图形, 设
Bootstrap值为 1000。
利用AGDB数据库公布的粗山羊草CDS序列对
应其他物种的同源基因信息, 根据水稻、短柄草和
粗山羊草 Aux/IAA 家族基因的染色体位置构建共线
性图谱。
2 结果与分析
2.1 粗山羊草 Aux/IAA 家族基因的分离和染色
体定位
利用含 215个氨基酸残基的 Aux/IAA蛋白保守
基序在本地数据库进行 tBLASTN检索, 对获得的序
列进行Aux/IAA保守结构域检测, 获得 28个粗山羊
草 Aux/IAA的基因组和CDS序列。根据GrainGene2.0
数据库中的定位结果 , 将这 28 条序列 (AetIAA1~
AetIAA28)定位于粗山羊草的 7 条染色体上, 但每条
染色体(臂)上 AetIAA 基因分布不均, 其中 7D 和 5D
上较多, 分别为 8个和 6个, 4D上最少, 仅 1个(表 1
和图 1)。
将 28 个 AetIAA 基因整合到粗山羊草分子图谱
上, 发现每个AetIAA都有遗传距离较近的EST标记,
其中 5个基因(AetIAA2、AetIAA3、AetIAA5、AetIAA8
和 AetIAA25)分别获得了位于同一位点的标记(图 1)。
标记 BE497375位于 AetIAA25的 CDS区。
2.2 AetIAA的基因结构分析
28个 AetIAA的序列长度和内含子(外显子)数目

图 1 粗山羊草 Aux/IAA家族基因的染色体定位
Fig. 1 Chromosomal distribution of Aux/IAA genes in Ae. tauschii genome
基因左边的竖线表示这些基因位于同一位点。
The vertical line, which is at the left side of some genes or markers, indicated that these genes or marks are located at the same locus.
2062 作 物 学 报 第 40卷

表 1 粗山羊草 Aux/IAA家族基因
Table 1 Aux/IAA gene family in Ae. tauschii
基因
Gene
长度
Length (bp)
位点
Locus
基因组位置
Location
编码区序列
CDS
已定位序列
Mapped sequence
染色体
Chr.
AetIAA1 1012 scaffold63866 30422:31433 AEGTA00185 AT1D0116 1DS
AetIAA2 1886 scaffold7139 27496:29381 AEGTA27665 AT1D0209 1DS
AetIAA3 1367 scaffold41019 55515:56881 AEGTA14269 AT1D0278 1DS
AetIAA4 724 scaffold15242 4665:6198 AEGTA33259 AT1D0854 1DL
AetIAA5 421 scaffold47998 22106:22526 AEGTA14896 AT2D1713 2DL
AetIAA6 448 scaffold4386 204272:205064 AEGTA36582 AT2D2144 2DL
AetIAA7 1202 scaffold48637 5557:6758 AEGTA14144 AT3D2459 3DS
AetIAA8 4642 scaffold61519 16120:21472 AEGTA27928 AT3D2590 3DS
AetIAA9 4634 scaffold57491 7405:12539 AEGTA02358 AT3D3024 3DS
AetIAA10 1202 scaffold45297 19501:20702 AEGTA15903 AT3D3200 3DL
AetIAA11 1987 scaffold7072 197990:200210 AEGTA05621 AT4D3616 4DS
AetIAA12 4166 scaffold28516 31079:35244 AEGTA26128 AT5D4311 5DS
AetIAA13 831 scaffold36001 16911:17741 AEGTA22565 AT5D4872 5DL
AetIAA14 845 scaffold32507 25859:26703 AEGTA30995 AT5D4974 5DL
AetIAA15 2013 scaffold78860 21659:23671 AEGTA29089 AT5D4980 5DL
AetIAA16 774 scaffold11983 25370:26143 AEGTA30959 AT5D5091 5DL
AetIAA17 646 scaffold51919 31174:32211 AEGTA35747 AT5D5201 5DL
AetIAA18 1597 scaffold4121 160188:162577 AEGTA13779 AT6D5982 6DL
AetIAA19 986 scaffold96502 16230:17826 AEGTA32434 AT6D6008 6DS
AetIAA20 2193 scaffold96502 34944:35929 AEGTA09874 AT6D6008 6DS
AetIAA21 310 scaffold64080 56830:57139 AEGTA22007 AT7D6094 7DS
AetIAA22 2012 scaffold4040 9196:11207 AEGTA32199 AT7D6353 7DS
AetIAA23 551 scaffold58234 8830:9380 AEGTA29038 AT7D6529 7DS
AetIAA24 1442 scaffold55734 23879:25320 AEGTA02351 AT7D6725 7DL
AetIAA25 2249 scaffold129264 18851:21099 AEGTA05214 AT7D6800 7DL
AetIAA26 1526 scaffold21289 35533:37116 AEGTA04309 AT7D6841 7DL
AetIAA27 1015 scaffold354 44184:45385 AEGTA36436 AT7D7103 7DL
AetIAA28 2287 scaffold354 44222:46508 AEGTA22431 AT7D7103 7DL

差异较大, 序列最长的为 AetIAA8 (4642 bp), 最短
的为 AetIAA21 (310 bp), 每个基因含 1~5 个内含子
(图 2)。根据基因结构, 将这 28 个 AetIAA 基因划分
为 5组, I组序列普遍较短, III和 IV组普遍较长, 内
含子长度是组内成员序列长度变异的主要来源(图
2)。由于具有相似的基因结构, 同组不同成员可能具
有相似功能。
2.3 AetIAA蛋白的序列特征分析
基序分析和序列多重比对结果表明, 20个AetIAA
蛋白(71.4%, 20/28)具有保守结构域 I、II、III和 IV (图
3), 这 4 个保守结构域包含在 4 个基序中(图 4); 8 个
AetIAA蛋白(28.6%, 8/28)不具有Motif 1 (Domain I), 4
个 AetIAA蛋白(14.3%, 4/28)不具有Motif 2 (Domain
II); 1个 AetIAA蛋白(3.6%, 1/28)不具有Motif 4 (Do-
main IV); 所有蛋白均含有Motif 3 (Domain III)。
与水稻 [19]和玉米 [21]等的 Aux/IAA 蛋白类似,
AetIAA存在一些特征序列。Domain I具有 1个两亲
性基序LxLxLx, 是Aux/IAA蛋白转录抑制功能所必
需的区域[12]。Domain II 含有 Aux/IAA 蛋白泛素化
降解的靶位点, 其核心序列为 VGWPP, 该区域的显
性突变会使 Aux/IAA蛋白不能够进入泛素化途径而
导致稳定性增强[36]。Domain III含有 1个 β折叠与 2
个 α螺旋(α1和 α2)构成的 βαα基序, 在 Aux/IAA蛋
白二聚化过程中发挥重要作用[12]。大部分粗山羊草
Aux/IAA蛋白中还存在 2个假定的核定位信号(NLS,
nuclear localization signal) [37], 一个是由 Domain I和
第 12期 乔麟轶等: 粗山羊草全基因组 Aux/IAA基因家族的分离、染色体定位及序列分析 2063



图 2 粗山羊草 Aux/IAA家族的基因结构
Fig. 2 Intron-exon structures of Aux/IAA genes in Ae. tauschii

Domain II之间的 KR与 Domain II部分保守序列组
成的二分结构 (bipartite structure), 另一个是位于
Domain IV 的 SV40-型 NLS。这些假定 NLS 表明
AetIAA蛋白可能在细胞核中起作用。此外, Domain
II 还具有 1 个光敏色素 A 的磷酸化位点, 因此推测
AetIAA 蛋白可能通过光敏色素 A 的磷酸化作用介
导生长素与光信号通路[37]。
2.4 AetIAA家族基因启动子分析
截取起始密码子上游 2000 bp 的基因组序列,
对 Aux/IAA 启动子区 4 种参与生长素信号转导的顺
式作用元件(PLACE 26.0 数据库编号为 S000024、
S000026、S000270 和 S000273)进行分析。其中
S000026 和 S000270 属于生长素响应元件 (ARE,
auxin response element), 其作用是在生长素应答中
与 ARF 特异绑定[13]。分析结果表明, 28 个 AetIAA
基因的启动子区均含有与生长素信号转导相关的顺
式作用元件, 22个基因有 S000024作用元件, 15个含
有 S000270作用元件, 17个含有 S000273作用元件,
2个含有 S000026作用元件(图 5)。可见, AetIAA家
族各基因受生长素调控表达的模式存在差异。
2.5 AetIAA基因家族表达分析
检索 AGDB 数据库获得 23个 AetIAA 基因的
EST数据。AetIAA8、AetIAA9、AetIAA17和 AetIAA18
等大多数基因(87%, 20/23)在供试组织器官中表达,
这类基因属于组成型表达基因; 少部分基因呈现组
织特性表达的特点 , 如 AetIAA3、 AetIAA11 和
AetIAA26 分别在雌蕊、种子和根中有较高表达。另
外, AetIAA27 和 AetIAA28 的表达谱极为相似, 即在
种子中不表达, 而在其他组织器官中表达(图 6), 推
测这两个基因可能具有相似功能。
总体上, AetIAA 家族基因在叶鞘中表达量最高
(1775.1), 其次是在叶片中(1443.7)和根中(1387.1)。
2.6 AetIAA蛋白的系统进化分析
选取155个 Aux/IAA 蛋白, 来自小麦(1个)、粗
山羊草(28个)、乌拉尔图小麦(17个)、大麦(25个)、
短柄草(27个)、水稻(28个)和拟南芥(29个)。系统进
化分析结果显示, 这些 Aux/IAA 蛋白可分为28组
(图7), 其中 C6、C9、C18和 C23组中同时包含拟南
芥和禾本科植物的 Aux/IAA, 推测其 Aux/IAA 基因
的发生在单双子叶植物分化之前 , 属直系同源基
因 ; 另外 , Aux/IAA 旁系同源基因可能在拟南芥中
有 28个 (97%), 大麦中有12个 (48.0%), 推断其在
单双子叶植物分化之后按物种特有的方式进行了
扩张。
2064 作 物 学 报 第 40卷


图 3 粗山羊草 Aux/IAA 蛋白序列的多重比对
Fig. 3 Multiple alignment of Ae. tauschii Aux/IAA proteins

在 28个 AetIAA蛋白中, 有 11对粗山羊草–乌拉
尔图小麦、5对粗山羊草–大麦、2对粗山羊草–短柄草
和1对粗山羊草–水稻Aux/IAA蛋白直系同源, 未发现
处于同一进化分支粗山羊草和拟南芥 Aux/IAA蛋白。
2.7 粗山羊草 Aux/IAA家族基因共线性分析
基于 AGDB数据库公布的同源基因信息, 对 28
个AetIAA基因及其对应的水稻和短柄草基因进行共
线性分析表明 , 粗山羊草第 3 染色体上的 4 个
AetIAA基因全部与短柄草第 2染色体上的 BdIAA基
因同源, 同时与水稻第 1 染色体上 3 个 OsIAA 基因
同源(图 8)。初步推测, 粗山羊草第 3染色体与短柄
草第 2染色体及水稻第 1染色体具有较好的共线性。
第 12期 乔麟轶等: 粗山羊草全基因组 Aux/IAA基因家族的分离、染色体定位及序列分析 2065


此外, 粗山羊草第 1 染色体与短柄草第 2 染色体和
水稻第 5染色体、粗山羊草第 5染色体与短柄草第 1
染色体和水稻第 3染色体、粗山羊草第 6染色体与短
柄草第 3染色体和水稻第 2染色体、粗山羊草第 7染
色体与短柄草第 3染色体和水稻第 6染色体均具有较
好的共线性(图 8), 这与已报道的研究结果[39]一致。

图 4 粗山羊草 Aux/IAA蛋白基序的分布
Fig. 4 Motif distribution of Ae. tauschii Aux/IAA proteins
方框内为保守结构域。Conserved domains are boxed.

图 5 粗山羊草 Aux/IAA启动子区序列的顺式作用元件
Fig. 5 cis-elements in the promoters of AetIAA genes
启动子序列用直线表示, 元件位于直线下方表示其调控方向相反。
The sequences of promoters are indicated by line. Element located below the line means the regulation is reverse.
2066 作 物 学 报 第 40卷


图 6 粗山羊草 Aux/IAA家族基因在不同组织中的表达
Fig. 6 Expression profiles of Ae. tauschii Aux/IAA genes in different tissues

图 7 Aux/IAA蛋白的系统发生
Fig. 7 Phylogenesis of Aux/IAA proteins
第 12期 乔麟轶等: 粗山羊草全基因组 Aux/IAA基因家族的分离、染色体定位及序列分析 2067



图 8 粗山羊草、短柄草和水稻 Aux/IAA家族基因的共线性分析
Fig. 8 Aux/IAA synteny among Ae. tauschii, Brachypodium, and rice

3 讨论
粗山羊草是普通六倍体小麦 D 基因组的供体,
已从粗山羊草中鉴定和筛选出大量优良基因用于小
麦育种[40]。粗山羊草及小麦 A基因组供体乌拉尔图
小麦测序草图的公布极大推动了小麦的基因组学的
研究。
生长素是植物生长发育过程中重要的调控因
子。Aux/IAA基因家族在生长素信号转导途径中发挥
重要作用。全基因组测序结果表明, 粗山羊草中包
含 1489 种转录因子, 涉及 56 个基因家族[26]。本文
初步研究了粗山羊草中一个新的 Aux/IAA 家族, 共
分离出 28个 AetIAA基因, 与番茄(26个)、拟南芥(29
个)和水稻(31个)等数目相当, 表明 Aux/IAA 家族基
因在这些植物的进化过程中具有一定保守性。基于
小麦、大麦、水稻和拟南芥等植物 Aux/IAA蛋白的
系统发育分析表明, C6、C9、C18 和 C23 中同时包
含拟南芥和禾本科植物的 Aux/IAA 序列, 表明这些
Aux/IAA 基因的发生在单双子叶植物分化之前; 其
他 24 组仅包含禾本科植物或拟南芥的 Aux/IAA 蛋
白, 推测这些基因发生于单双子叶分化之后或在进
化过程中丢失。另外, 粗山羊草中有 2对 AetIAA基
因位于同一个姐妹群(AetIAA4/AetIAA13 和 AetIAA6/
AetIAA20), 推测其功能可能具有冗余性。
分析基因在特定组织的表达丰度是研究基因功
能的一个重要方面。本研究分析了 23个 AetIAA的表
达数据, 大多数(87%, 20/23) AetIAA 基因属于组成
型表达基因 , 在所有检测组织中都表达 , 推测
AetIAA 基因功能可能存在冗余性; 另外 3 个基因的
表达呈现组织特异性, AetIAA3在雌蕊、AetIAA11在
种子、AetIAA26 在根中有较高表达量, 推测这 3 个
基因可能分别在粗山羊草花器官、种子及根部发育
过程中起作用。其中 AetIAA26 与水稻 OsIAA23
(Os6g39590)基因直系同源 (图 7 的 C13 组 ), 而
OsIAA23 已被证实在水稻根尖静止中心的特征建立
中有重要作用, 并显著影响水稻的育性、结实率和
产量[41-42]; 同时图谱分析发现, AetIAA26 位于一个
产量 QTL (QTwt.crc-7D) [43]区域内, 距其约 7 cM处
还有另一个产量 QTL (QGfrmax.nfcri-7D) [44], 进一
步推断 AetIAA26可能通过调控粗山羊草根的发育来
决定育性和产量。
水稻中 OsIAA13 也与侧根的发育有关, 然而与
其同处一个进化分支的 AetIAA15并未表现根部特异
表达, 可能基因在各自进化过程中功能也出现了分
化。本研究未检索到 AetIAA4、AetIAA45、AetIAA13、
AetIAA21和AetIAA23的表达数据, 在水稻[18]和玉米[20]
中也有类似情况, 其一可能这些基因具有特殊的时
空表达模式, 如水稻Aux/IAA基因在光照和黑暗条件
下的组织特异性表达模式存在差异[18]; 其二粗山羊
草 Aux/IAA 基因中可能存在假基因, 如缺失部分功
能域的 Aux/IAA基因可能为假基因[10]。
Aux/IAA 蛋白功能的发挥很大程度依赖于 4 个
保守结构域。本研究中 8个 AetIAA蛋白(29%, 8/28)
缺失 Domain I, 4 个 AetIAA 蛋白(14%, 4/28)缺失
Domain II, 几乎所有 AetIAA蛋白都具有 Domain III
和 Domain IV。Domain I具有抑制 ARF转录活性的
作用, 含有 LxLxL基序; 番茄 Aux/IAA蛋白的抑制
活性与 LxLxLx 基序的存在高度相关[45], 本研究中
大部分 AetIAA 蛋白含有 LxLxL 基序, 少数蛋白如
AetIAA5、AetIAA11等含有 LxL基序; Domain II可
在较高生长素水平下与 TIR1 互作导致 Aux/IAA 蛋
白降解[16]。研究表明, 缺失 Domain II的 Aux/IAA蛋
白半衰期较正常蛋白更长[37]。理论上, 类似 AetIAA6、
2068 作 物 学 报 第 40卷

AetIAA7、AetIAA20 和 AetIAA21 等缺失 Domain II
的 Aux/IAA 应对 IAA 处理反应较迟钝; 然而, 番茄
SlIAA16在 IAA处理 6 h后的转录水平增加 9倍[22],
在水稻中也发现类似现象[18]。因此, 推测这类蛋白
的降解可能通过其他途径实现。
本研究中, 28个Aux/IAA基因虽然分布在粗山羊
草基因组的所有 7条染色体上, 但明显聚集在 7D和
5D 上, 占整个基因家族的 50%, 且都分布在染色体
中部或着丝粒附近; 有 3对邻近基因分别位于为 5D
(AetIAA14/AetIAA15)、6D (AetIAA19/AetIAA20)和 7D
(AetIAA27/AetIAA28)上, 在拟南芥、水稻和番茄中也
存在类似现象 [17,18,22], 这种情况可能由正向或反向
的串联重复(tandem duplication)所致, 这也是基因扩
增的一种重要方式。将 28个 AetIAA 基因整合到粗
山羊草分子图谱上 , 发现 AetIAA2、 AetIAA3、
AetIAA5、AetIAA8、AetIAA25 分别具有位于同一位
点的 EST 标记, 其中 BE497375 恰好位于 AetIAA25
的 CDS区, 这为今后研究该基因的功能提供了极大
便利。本研究还发现, AetIAA与模式植物水稻 OsIAA
和短柄草 BdIAA 存在很高程度的共线性, 因而可以
利用已知的水稻 Aux/IAA 功能信息对粗山羊草相应
基因进行功能预测, 同时也为 Aux/IAA 基因在不同
物种间的进化提供有价值的线索。
4 结论
从粗山羊草全基因组中分离出 28个 Aux/IAA基
因, 分布于 7条染色体上, 其中 5个基因分别检测到
位于同一位点的 EST 标记。AetIAA3、AetIAA11 和
AetIAA26 分别在雌蕊、种子和根中特异表达, 可能
参与调控相应器官的发育和建成。粗山羊草与乌拉尔
图小麦亲缘关系最近, 其次是大麦。粗山羊草第 3染
色体上的 Aux/IAA基因与短柄草第 2染色体及水稻第
1染色体上的相关基因共线性较好。本研究结果为小
麦中 Aux/IAA基因研究与利用提供了重要信息。
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