全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(9): 15851594 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家转基因生物新品种培育重大专项(2014ZX08002-03B, 2011ZX08002002)资助。
通讯作者(Corresponding authors): 张小红, E-mail: zhxh2493@126.com; 闵东红, E-mail: mdh2493@126.com
第一作者联系方式: E-mail: huodongyingyr@126.com
Received(收稿日期): 2013-12-01; Accepted(接受日期): 2014-06-16; Published online(网络出版日期): 2014-07-09.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20140709.1530.003.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01585
谷子 F-box家族基因的鉴定、分类及干旱响应
霍冬英 1,2 郑炜君 1 李盼松 1,2 徐兆师 2 周永斌 1,2 陈 明 2
马有志 2 闵东红 1,2,* 张小红 1,2,*
1旱区作物逆境生物学国家重点实验室 / 西北农林科技大学, 陕西杨凌 712100; 2中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源
与基因改良国家重大科学工程 / 农业部麦类生物学与遗传育种重点实验室, 北京 100081
摘 要: F-box蛋白参与细胞周期调控、细胞凋亡及信号转导等多种生命活动, 对维持植物正常生长发育 a和介导非
生物胁迫响应等过程发挥重要作用。谷子具有显著的耐旱耐瘠薄等特性, 本研究根据谷子转录组分析结果, 从 525
个 F-box 家族成员中鉴定出 19 个在干旱胁迫下表达量上调的 F-box 基因, 根据序列相似性将其分为 6 类, 同一类基
因具有相似的内含子-外显子结构。染色体定位分析发现, 这些基因分别分布在谷子的 8 条染色体上, 其中, 第 2 条
染色体上含 F-box基因最多, 有 6个。结构域分析结果表明, 19个 F-box蛋白均含保守的 F-box结构域, 而C端含 FBD、
WD40、FBA、ZnF、Kelch和 LRR等结构域。启动子元件分析表明, 谷子 19个 F-box基因均含逆境应答元件, 其中,
MYB 和 MYC 元件的数量最多(9~78 个), 说明这些基因对干旱应答反应可能主要受 MYB、MYC 转录因子调控。转
录组分析结果表明, SiF-box18基因对干旱胁迫的响应远远高于其他 F-box成员, 对干旱、高盐、ABA、SA和 JA都
有响应; 亚细胞定位结果显示, SiF-box18蛋白定位在细胞核中。本研究为进一步深入了解 SiF-box18基因的功能提供
了依据。
关键词: 谷子; F-box蛋白; 亚细胞定位; 干旱响应; 诱导机制
Identification, Classification, and Drought Response of F-box Gene Family in
Foxtail Millet
HUO Dong-Ying1,2, ZHENG Wei-Jun1, LI Pan-Song1,2, XU Zhao-Shi2, ZHOU Yong-Bin1,2, CHEN Ming2,
MA You-Zhi2, MIN Dong-Hong1,2,*, and ZHANG Xiao-Hong1,2,*
1 State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas / Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2 Institute of Crop Science, Chi-
nese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement / Key Laboratory of Crop Genet-
ics and Breeding, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
Abstract: F-box proteins play critical roles in plant growth and development and respond to abiotic stresses, involving in
cell-cycle regulation, cell apoptosis and signal transduction. Foxtail millet has a character with drought-tolerance. We identified 19
up-regulated F-box genes from 525 F-box families under stress in foxtail millet based on the transcriptome sequencing and di-
vided them into six subgroups, and the genes in the same subgroup had the same intron-exon structure. These genes were un-
evenly distributed on eight foxtail millet chromosomes, and there were six genes on chromosome 2, that gene number was more
than that contained on other chromosomes. The analysis of conserved domain of 19 genes showed that all the protein sequences
had a conserved F-box motif, and several other domain also existed in C-terminal including FBD, WD40, FBA, ZnF, and Kelch
LRR. Putative cis-acting elements showed that the number of MYB and MYC was the most, which ranged from 9 to 78. Tran-
scriptome sequencing showed that SiF-box18 was more hypersensitive to the drought stress than other F-box members and re-
sponse to drought, salt, ABA, GA, SA, and JA based on the real time PCR. The transient expression in Arabidopsis protoplasts
displayed that SiF-box18 protein was localized in nuclear section. This study provided experimental data for further studying the
functions of the SiF-box18 gene.
Keywords: Foxtail millet; F-box protein; Subcellular localization; Drought response; Induction mechanism
1586 作 物 学 报 第 40卷
在适应干旱等非生物逆境胁迫中, 植物不断进
化自身防御系统以减少水分损失或增加水分吸收
等 [1]。蛋白质的降解在植物逆境信号的响应、细胞
信号转导等过程中发挥重要作用, 对于维持植物正
常生长发育具有重要意义[2]。大多数蛋白通过泛素
/26S蛋白酶体途径降解。泛素介导的蛋白质降解过
程主要有3种酶参与, 包括泛素活化酶(E1), 泛素结
合酶(E2)及泛素连接酶(E3)。在ATP供能的情况下,
E1的半胱氨酸残基与泛素C末端的甘氨酸形成高能
硫酯键, 使泛素激活, 被转移到E2的丝氨酸残基上,
随后E2和E3共同识别底物蛋白, 对其进行泛素化修
饰。E3在泛素化-酶体途径的底物特异识别过程中起
着关键作用。目前已经发现不同类型的E3[3], 主要的
一种是Skp1-Cullin1-F-box (SCF)复合体, 由4个亚基
组成, 分别为Cullin、SKP1、RBX1和F-box蛋白[4-5]。
每个F-box蛋白家族成员的N端都至少含1个大约
40~50个保守氨基酸的F-box基序, 并与Skp1结合; C
端是结构不同的蛋白-蛋白相互作用结构域, 包括亮
氨酸拉链(LRR)、Kelch和WD40等。
F-box蛋白最早在 cyclin F的N端被发现而命名[6],
广泛存在于真核生物中, 参与多种植物激素信号的
传导、逆境胁迫应答等, 在调节光形态建成、光周
期节律、花器官发育及自交不亲和中发挥着重要功
能。植物中发现的第一个 F-box 蛋白是 Unusual
Floral Organs (UFO), 参与了植物花分生组织与花器
官的建成[7-10]。LKP1/ZTL、LKP2/FKL 和 FKF1 可
以调控光形态建成、调节生物钟的昼夜周期节律及
开花时间[11-14]。F-box蛋白还与植物的自交不亲和性
相关, 许多植物的自交不亲和性由 S位点控制, 研究
表明, 与 S位点相关的 S-locus-F-box genes (SLF)能
在花粉中特异表达[15-18]。
许多 F-box 蛋白还参与激素的信号传导, TIR1
是生长素受体蛋白, 与 AUX/IAA发生相互作用, 导
致 AUX/IAA 降解[19-22]; EBF1 过量表达引起植物对
乙烯不敏感, ebf1 和 ebf2 突变株则表现出组成型乙
烯反应, EBF1/EBF2 两者之一发生突变都导致植株
对乙烯反应增强, 而双突变体则表现出三重反应[23-24]。
赤霉素 (GA)的信号通路也可以通过 F-box 蛋白
(SLY1)调节[25-26]。COI1 编码 F-box 蛋白, 在茉莉酸
(JA)信号通路中起关键作用[27-29]。
F-box蛋白参与非生物胁迫应答的调控 , 如
DOR1 (drought tolerance repressor 1)是S位点类F-box
蛋白家族的基因, 在保卫细胞中表达, dor使ABA表
达量上调 , 气孔关闭 , 从而增加抗旱性 [30]。MAX2
(more axillary growth 2)对干旱响应明显, 与野生型
相比, max2的保卫细胞对ABA敏感程度降低, 角质
层变薄, 在MAX2突变的情况下, 与ABA合成、运输
及代谢有关的基因表达量都降低[31]。
随着全球水资源短缺和气候变暖形势的日益严
峻, 对作物的抗旱节水性进行遗传改良, 提高作物
水分利用率, 已成为目前研究的一个热点。谷子具
有耐旱、耐贫瘠等特点, 是一种抗逆性很强的作物。
然而, 目前, 植物中关于 F-box蛋白的研究主要集中
在拟南芥、水稻、玉米中。植物已知功能的 F-box
蛋白只有30个, 其中22个来源于拟南芥(见附表), 谷
子中尚未见报道。本研究对谷子进行了转录组测序
分析 , 筛选出 19个在干旱胁迫下表达量上调的
F-box基因, 对其基因结构、系统发育关系及染色体
定位等进行分析 , 并选择对干旱应答最强的基因
SiF-box18作了具体分析, 为进一步研究 F-box 家族
的功能及 SiF-box18基因的功能提供了依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
谷子Tie-8396种子由中国农业科学院作物科学
研究所刁现民研究员课题组提供。谷子幼苗在温度
22℃、相对湿度65%、光照周期16 h/8 h的条件下培
养。生长3周的幼苗经干旱处理1周, 送华大基因进
行转录组测序。
1.2 保守域预测
谷子(Setaria italica)基因组数据和cDNA数据均
下载于谷子最新数据库版本Phytozome (http://www.
phytozome.net/search.php)。利用SMART (http://smart.
embl-heidelberg.de/)在线工具分析F-box蛋白结构域,
利用DOG 2.0[32]绘制19个F-box家族蛋白的功能结构
域示意图。
1.3 进化树与基因结构分析
使用MEGA5对19个谷子F-box基因进行多序列
比对分析 , 将分析结果用邻接法生成系统进化树 ,
Bootstrap值设置为1000。利用GSDS在线工具(http://
gsds.cbi.pku.edu.cn/)制作谷子F-box家族基因外显子-
内含子结构示意图。
1.4 染色体定位与启动子顺式作用元件分析
通过MapDraw程序显示每个基因在染色体上的
位置 , 得到各个基因在染色体上分布状况。采用
Yang等[33]的方法, 判别同源基因, 即2个基因联配部
第 9期 霍冬英等: 谷子 F-box家族基因的鉴定、分类及干旱响应 1587
分序列的长度要覆盖2个基因中较长序列的80%和
联配部分序列的相似性大于70%。利用DNAMAN分
析谷子中F-box家族基因中的重复片段, 并将分析结
果标注在染色体上。从谷子基因组数据库 Phyto-
zome (http://www.phytozome.net/search.php)中选取
谷子F-box基因起始密码子上游2000 bp序列作为启
动子区, 利用植物顺式作用元件数据库PLACE26.0
(http://www.dna.affrc.go.jp/PLACE/)分析基因的顺式
作用元件。
1.5 基因的扩增
根据预测的谷子 SiF-box18 基因的 CDS 序列,
用 Primer Premier 5.0设计引物 F: 5′-ATG GCG GAG
CGG AAG-3′和 R: 5′-TCA CCA TAC TGG GAA CAA
AGG-3′。用 TRIzol试剂盒(TIANGEN, 北京)提取叶
片总 RNA, 用 Primer Script (TaKaRa)反转录试剂盒
获得 cDNA 为模板扩增 SiF-box18, 并将其连接到
pEASY-Blunt载体上。
1.6 RNA提取和 Real-time PCR分析
对生长 3 周的谷子幼苗分别进行干旱 (6%
PEG)、NaCl (100 mmol L–1)、茉莉酸(JA, 100 μmol
L–1)、脱落酸(ABA, 100 μmol L–1)、赤霉素(GA, 100
μmol L–1)和水杨酸(SA, 100 μmol L–1)处理, 并于 0、
和 24 h分别取样。利用 TRIzol试剂盒(TIANGEN, 北
京)提取总 RNA, 分别利用 6 种胁迫下的谷子总
RNA 作为模板, 以 SYBR Green 染料法进行荧光定
量 Real-time PCR。用实时荧光定量 PCR 仪(ABI
Prism 7300)进行 PCR 扩增。反应体系包括 2×Taq
PCR Master Mix (含荧光染料) 9 μL、10 μmol L−1引
物各 0.5 μL、ddH2O 9 μL和 cDNA模板 1 μL。反应
条件为 95 5 min; 95 15 s, 56 20 s, 72 30 s, ℃ ℃ ℃ ℃
60 30 s, 35℃ 个循环。PCR引物序列为 F: 5′-GGA
TGG AAA ACG GAG TCG-3′和R: 5′-TCA GGG TGA
AAG TAG CGC-3′。以谷子 Actin基因(Si001873)为
内标, 引物序列为 Actin-F: 5′-GGC AAA CAG GGA
GAA GAT GA-3′和 Actin-R: 5′-GAG GTT GTC GGT
AAG GTC ACG-3′。用 2–∆∆Ct法计算各基因表达量。
1.7 亚细胞定位
采用 In-Fusion (TaKaRa)单酶切技术(BamH I)
构建 SiF-box18::hGFP融合表达蛋白(F: 5′-TAT CTC
TAG AGG ATC CAT GGC GGA GCG GAA G -3′, R:
5′-TGC TCA CCA TGG ATC CCC ATA CTG GGA
ACA AAG G-3′)。取 4周左右的拟南芥叶片切成细
条, 放入 15 mL新鲜酶解液中, 避光, 23℃抽真空酶
解 3 h, 制备原生质体。取融合表达的重组质粒转化
原生质体[34]。12~16 h后于激光共焦显微镜下观察。
2 结果与分析
2.1 F-box家族成员识别及命名
通过 NCBI搜索, 谷子 F-box基因家族有 525个
成员。通过谷子干旱转录组测序, 发现有 19个 F-box
基因上调表达。用 Pfam 进行结构域分析发现这 19
个基因都具有完整的 F-box结构域(图 1), 并将这 19
个基因命名为 SiF-box1~SiF-box19。这些 F-box家族
成员中蛋白最长有 767 个氨基酸, 最短的有 155 个
氨基酸, 其等电点范围在 4.90~11.48之间(表 1)。
图 1 谷子 19个 F-box家族蛋白保守域
Fig. 1 Conserved domains of F-box in 19 proteins of foxtail
millet
2.2 谷子F-box家族的基因结构及蛋白结构域分析
通过 Pfam结构域分析显示, 19个谷子 F-box蛋
白家族均含有 F-box保守域(图 1)。每个 F-box蛋白
的 N 端均有一段保守的 F-box 基序, 而 C 端包含不
同的蛋白-蛋白相互作用结构域(图 2)。根据图中显
示, 19 个 F-box 蛋白中, 26.3%的蛋白只含有 F-box
结构域, 其他蛋白含有多个功能域, 包括 Fibrinogen-
like domain (FBD)、WD40 repeats (WD40)、F-box
associated (FBA)、Zinc finger domain (ZnF)、Kelch
repeats (Kelch)和 Leucine-rich repeat (LRR)。例如,
SiF-box1 除了含有 F-box 基序外, 还包括 FBA 结构
域; SiF-box16含有 F-box、LRR和 ZnF 3个结构域。
有些蛋白不只包含 1个 F-box基序, SiF-box9与 SiF-
box13分别包含 2个 F-box基序, 而 SiF-box15中有
3个 F-box基序。
2.3 进化树与基因结构分析
对谷子 19个 F-box基因进行多重序列比对和系
统进化分析后, 19个 F-box基因划分为 6类(图 3)。
内含子-外显子结构分析显示, 同一亚族的基因具有
1588 作 物 学 报 第 40卷
表 1 谷子 F-box家族基因的基本信息
Table 1 Basic information of F-box family genes in foxtail millet
基因
Gene
基因序列号
Gene ID
氨基酸
Amino acids
等电点
pI
分子量
Molecular weight (kD)
染色体
Chromosome
保守域位置
Domain location
SiF-box1 Si035801m 430 5.18 48.84 9 24–54
SiF-box2 Si004319m 397 7.96 44.56 5 11–46
SiF-box3 Si011691m 155 11.48 16.50 7 24–57
SiF-box4 Si032882m 401 5.50 45.22 2 5–33
SiF-box5 Si019469m 368 6.92 38.64 1 5–36
SiF-box6 Si025329m 368 6.57 42.27 3 17–48
SiF-box7 Si032341m 385 4.90 44.06 2 15–49
SiF-box8 Si033267m 462 10.39 52.05 2 37–81
SiF-box9 Si011716m 513 7.72 57.51 7 70–104
SiF-box10 Si019458m 278 8.66 31.83 1 21–62
SiF-box11 Si008575m 253 11.00 29.52 4 101–182
SiF-box12 Si019974m 371 5.55 38.69 1 42–76
SiF-box13 Si038975m 767 6.77 86.49 9 29–56
SiF-box14 Si033290m 489 9.33 56.53 2 12–58
SiF-box15 Si032921m 389 7.18 44.42 2 26–63
SiF-box16 Si013597m 504 9.08 54.69 6 58–93
SiF-box17 Si030013m 408 9.06 44.82 2 14–54
SiF-box18 Si037143m 253 9.92 29.42 9 51–91
SiF-box19 Si014026m 340 7.53 36.67 6 10–49
图 2 谷子 F-box家族蛋白的保守结构域
Fig. 2 Conserved domain organization of F-box proteins
相似内含子-外显子结构。第 I 类包含 SiF-box6、
SiF-box7、SiF-box2、SiF-box3 和 SiF-box4, 这 5 个
基因中 , 没有或只包含 1 个内含子 ; 第 II 类中 ,
SiF-box13 和 SiF-box14 含有 3 个内含子, 都有 FBA
结构; 第 III类包含 SiF-box5、SiF-box12、SiF-box17
和 SiF-box19, 其中, SiF-box5 和 SiF-box12 都含有
kelch repeats; 第 IV类只包含 SiF-box1一个基因, 没
有内含子, 包含 FBA 结构; 第 V 类中, SiF-box8、
SiF-box9、SiF-box15和 SiF-box16都包含 F-box、LRR
和 ZnF 结构域, 除 SiF-box8 外, 其他 3 个基因都含
有 2 个或 2 个以上内含子; 第 VI 类包含 SiF-box11
与 SiF-box18, 只含有 F-box基序, 没有其他结构域。
2.4 染色体分布
根据基因位置信息绘制了 19个 F-box家族基因
在谷子染色体上的定位图(图 4)。19个基因分布在 8
条谷子染色体上, 其中第 8染色体上不含谷子 F-box
家族基因, 第 2染色体上含 F-box家族基因最多, 第
1和第 9染色体上都有 3个 F-box家族基因, 其他各
染色体上含 1~2个 F-box家族基因。
为了确定可能的进化机制, 研究了基因的复制
现象, 依据系统发育树及序列相似性, 发现了 4 对
旁系同源基因 , 分别为 SiF-box10 与 SiF-box14,
SiF-box15与 SiF-box16, SiF-box17与 SiF-box19, 以
及 SiF-box11与 Si-Fbox18基因。
2.5 启动子顺式作用元件分析
目前发现的与干旱胁迫相关的元件主要有
ABRE (ABA-responsive element)、DRE (dehydration-
responsive element)、LTRE (low temperature respon-
sive element)、MYB和 MYC元件。本研究选择起始
密码子上游 2000 bp序列作为启动子区, 研究 19个
F-box 家族基因启动子区元件。结果显示 , 谷子
第 9期 霍冬英等: 谷子 F-box家族基因的鉴定、分类及干旱响应 1589
图 3 谷子 F-box基因家族进化树以及内含子外显子结构
Fig. 3 Phylogenetic tree and intron-exon structures of F-box genes in foxtail millet
图 4 谷子 F-box家族基因的染色体分布
Fig. 4 Chromosome distribution of F-box genes in foxtail millet genome
F-box 家族基因启动子区域均含多个 MYB 和 MYC
元件, 其中, MYB 数量最少为 9 个, 最多为 78 个,
MYC 的数量 12~40 个。MYB 和 MYC 都属于转录
因子, 与干旱、ABA 的诱导表达相关。此外, 在这
19个 F-box家族基因中, 除 SiF-box12外, 在启动子
区均含 ABRE 作用元件; 63.2%含 DRE 作用元件;
84.2%含 LTRE作用元件(表 2), 说明 F-box家族基因
与植物的逆境胁迫应答具有很强的关联。
2.6 谷子 F-box转录组结果分析
19 个上调表达的谷子 F-box 基因中, 表达量差
异明显(图 5), SiF-box1、SiF-box4、SiF-box6、SiF-
box10、SiF-box12、SiF-box17和 SiF-box19的相对表
达量介于 1~5倍; SiF-box2、SiF-box3、SiF-box5、SiF-
box7、SiF-box8、SiF-box9、SiF-box11、SiF-box13、SiF-
box14、SiF-box15、SiF-box16、SiF-box17、SiF-box19
基因的表达量介于 5~10 倍之间; 高于 10 倍的只有
SiF-box18基因。与对照相比 SiF-box18基因的表达倍
数是 16倍, 因此选择 Si-Fbox18基因进一步分析。
图 5 谷子 F-box基因转录组测序结果分析
Fig. 5 Transcriptome analysis of F-box genes in foxtail millet
1–19: SiF-box1, …, SiF-box19.
2.7 SiF-box18基因在各种逆境胁迫下的表达模式
为了进一步解析非生物胁迫和外源激素对
SiF-box18 基因表达的影响, 对谷子幼苗分别进行干
旱、NaCl、茉莉酸(JA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)
和水杨酸(SA)胁迫处理, 通过荧光定量 PCR 检测不
同处理条件下 SiF-box18的表达量。如图 6所示, 在
不同处理条件下, SiF-box18基因的表达量在 24 h均
1590 作 物 学 报 第 40卷
表 2 谷子 F-box家族基因启动子逆境相关顺式作用元件的数量分布
Table 2 Distribution of cis-acting elements in foxtail millet F-box gene promoters
基因 Gene ABRE DRE LTRE MYB MYC
SiF-box1 8 0 0 17 26
SiF-box2 2 1 2 23 18
SiF-box3 5 1 2 34 34
SiF-box4 2 1 2 23 38
SiF-box5 10 0 3 19 12
SiF-box6 2 6 5 78 40
SiF-box7 6 3 5 15 22
SiF-box8 5 4 3 10 20
SiF-box9 3 0 1 22 32
SiF-box10 3 2 2 19 22
SiF-box11 4 1 2 27 16
SiF-box12 0 0 0 9 22
SiF-box13 4 0 1 24 20
SiF-box14 0 0 0 11 12
SiF-box15 1 0 1 20 22
SiF-box16 6 6 6 23 14
SiF-box17 3 1 7 31 12
SiF-box18 1 4 3 45 14
SiF-box19 9 3 2 17 30
图 6 SiF-box18表达模式
Fig. 6 Expression patterns of the SiF-box18 gene under various treatments
达到最高。干旱胁迫下的表达倍数最高达到 42倍, GA
处理条件下表达量最低, 其他胁迫条件下的表达倍数,
NaCl为 18倍, ABA为 5倍, JA与 SA均为 10倍。
2.8 亚细胞定位
将 SiF-box18构建到荧光表达蛋白GFP的N端。
利用原生质体转化技术, 将 SiF-box18-hGFP 融合表
达载体和空载体分别转入拟南芥原生质体, 在激光
共聚焦显微镜下观察。绿色荧光蛋白在拟南芥原生
质体中获得高效瞬时表达, 可以观察到对照 GFP 蛋
白在细胞核、细胞膜、细胞质中均有绿色荧光信号;
而 SiF-box18 融合蛋白只在细胞核中有绿色荧光信
号, 表明 SiF-box18蛋白定位在细胞核中(图 7)。
第 9期 霍冬英等: 谷子 F-box家族基因的鉴定、分类及干旱响应 1591
图 7 SiF-box18蛋白的亚细胞定位
Fig. 7 Subcellular localization of SiF-box18 protein
A: 对照 GFP定位在整个细胞; B: GFP-SiF-box18定位在细胞核中。
A: control GFP is distributed in the cell; B: GFP-SiF-box18 is localizated on the nuclear.
3 讨论
F-box蛋白是一个庞大的蛋白家族, 广泛存在于
真核生物中。酵母、果蝇、人类、老鼠中分别有11、
22、68和74个F-box蛋白成员; 而线虫中包含326个
F-box蛋白家族成员[35]。植物中有大量的F-box蛋白
存在 , 拟南芥中大约有600~700个F-box基因 [36-37],
水稻中包含687个F-box基因 [38]; 最近研究表明, 玉
米中有359个F-box蛋白成员[39]。根据C端蛋白-蛋白
相互作用结构域的不同, 可以把拟南芥F-box家族分
为19个亚族 [36-37]; 水稻F-box家族分为10个亚族 [38];
玉米中分为13个亚族[39]。谷子F-box家族通过NCBI
搜索 , 发现有525个F-box基因 , 进一步研究了其中
19个受干旱诱导表达的F-box基因。
除 N端保守的 F-box基序外, 谷子 F-box蛋白 C
端含有不同的蛋白 -蛋白相互作用结构域 , 例如 ,
FBD、FBA、LRR、WD40、PPR和 ZnF。本研究根
据序列相似性, 将响应干旱胁迫的谷子19个 F-box
蛋白分为6类(图3)。第 II类中, SiF-box13和 SiF-box14
包含 FBA 结构, FBA 在泛素化中起重要作用, 可以
识别靶蛋白; 第 III 类中 SiF-box5和 SiF-box12都含
有 Kelch repeats, Kelch是植物 F-box蛋白特有的结
构域[38]; 第 IV只有 SiF-box1一个蛋白, 包含 FBA结
构; 第 V类中, 4个成员都包含 F-box、LRR和 FBD
结构域, LRRs 是 Leu 重复单元, 含有 LRRs 结构的
蛋白一般与信号传导, DNA 修复、重组、转录以及
抗病等功能相关[40]; 第 VI类含有 F-box基序。此外,
SiF-box6和 SiF-box15蛋白还包含 ZnF 结构; 在谷子
19个 F-box家族中, 3个蛋白包含 WD40结构, WD40
结构存在于所有真核生物中, 在信号传导、细胞周期
调控、细胞凋亡方面起着重要作用[41]。说明受干旱诱
导表达的谷子 F-box蛋白可能同样发挥着调控细胞周
期、细胞信号传导等功能。
基因重复是基因组进化及基因家族扩大的重要
因素。基因重复后会产生3种结果: (1)基因功能的缺
失 , 基因的2个拷贝中的一个拷贝由于突变失去功
能; (2)产生新的功能, 基因的2个拷贝中的一个拷贝
获得新的功能并通过自然选择被保留下来; (3)基因
功能互补, 基因的2个拷贝都发生退化突变, 使得2
个拷贝功能产生互补作用。本研究发现19个F-box基
因有4对旁系同源基因, 这4对基因位于不同的染色
体上, 可能是复制后功能产生了分化。
据报道, F-box基因不仅参与信号传导等生命活
动[42], 还介导干旱等非生物胁迫响应。例如, 干旱条
件下, dor转基因拟南芥植株表现出比野生型更强的
抗性, 证明DOR对干旱胁迫起负调控作用 [30]; 在渗
透胁迫和高盐胁迫下, DEL3 (EID1-like protein3)高
效、快速表达[43]。本研究发现19个受干旱诱导表达
的谷子F-box基因, 启动子区都包含多种非生物逆境
相关元件 , 而MYB和MYC的数量远远大于其他元
件的数量, 说明F-box基因对干旱胁迫的响应主要通
过MYB和MYC转录因子调控。
植物对干旱的响应是一个复杂的过程, 受不同
分子和细胞通路的调控。根据干旱胁迫信号转导过
1592 作 物 学 报 第 40卷
程中, 胁迫相关基因的表达是否依赖ABA, 存在两
种途径, 其中, ABA依赖型途径通过ABRE结合bZIP
转录因子或者通过结合MYB/MYC转录因子激活下
游基因的表达; 非ABA依赖型途径则由信号激活传
感蛋白 , 传递给DREB后结合DRE元件启动下游抗
逆基因的表达。研究表明, 与干旱胁迫相关的F-box
基因家族基因 , 对ABA有不同程度的响应 , 例如 ,
ABA处理条件下, DOR表达量降低, 对ABA起负调
作用[30]; 与对照相比, DEL3的表达量上升, edl3-1表
达量下降[43]。在ABA胁迫下, SiF-box18基因表达量
在24 h达到最高, 是对照的5倍(图6)。推测SiF-box18
基因可能通过依赖ABA途径参与谷子的干旱胁迫。
在干旱和高盐胁迫下, SiF-box18基因的表达量
在24 h达到最高, 分别是对照的42倍和18倍(图6)。在
植物外源激素GA、SA、JA、ABA处理下, SiF-box18
基因表达量均有不同程度的增加 (图6), 说明SiF-
box18基因可能参与了GA、SA、JA等植物激素的信
号传导过程。SiF-box18基因的启动子区包含1个
ABRE、4个DRE、3个LTRE、45个MYB和14个MYC
等多种非生物胁迫响应元件。说明Si-Fbox18基因可
能参与干旱、低温等多种非生物胁迫响应。
4 结论
19 个上调表达的谷子 F-box 基因位于 8 条染色
体上, 其中 SiF-box18蛋白被定位在细胞核中, 对干
旱、高盐和 ABA 等都有响应, 推测 SiF-box18 基因
可能在非生物胁迫响应中起重要的作用。
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1594 作 物 学 报 第 40卷
附表 植物中已知功能的 F-box蛋白
Supplemental Table F-box proteins with known function in plants
F-box
protein
Gene
identifier Name Organism Function Reference
COI1 At2g39940 Coronatine Insensitive 1 Arabidopsis Jasmonate-Regulated defense responses,
pollen fertility
[1] [2] [3]
ORE9/
MAX2
At2g42620 Oresara 9/ More Axillary 2 Arabidopsis Regulation of leaf senescence, selective
repression of axillary shoots
[4] [5] [6]
TIR1 At3g62980 Transport Inhibitor Response 1 Arabidopsis Auxin receptor [7] [8] [9] [10]
AFB1/GRH1 At4g03190 Auxin signaling F Box protein 1 Arabidopsis Auxin receptor, plant growth and development [11] [12] [13]
AFB2 At3g26810 Auxin signaling F Box protein 2 Arabidopsis Auxin receptor, plant growth and development,
glucose repression
[11] [12] [13]
AFB3 At1g12820 Auxin signaling F Box protein 3 Arabidopsis Auxin receptor, plant growth and development [11] [12] [13]
AFB4 At4g24390 Auxin-signaling F-box protein 4 Arabidopsis Plant growth, development and innate immunity [14]
SON1 At2g17310 Suppressor Of nim1-1 Arabidopsis Defense responses [15]
UFO At1g30950 Unusual Floral Organs Arabidopsis Determination of floral meristem and
floral organ identity
[16] [17] [18]
[19]
EID1 At4g02440 Empfindlicher Im Dunkelroten
Licht 1
Arabidopsis Negative regulator in phytochrome
A-specific light signaling
[20] [21]
AFR At2g24540 Attenuated Far-Red Response Arabidopsis Positive regulator of phytochrome
A-mediated light signaling
[22]
EBF1 At2g25490 EIN3-Binding F box protein 1 Arabidopsis Negative regulator of ethylene-signaling,
plant growth
[23] [24]
EBF2 At5g25350 EIN3-Binding F box protein 2 Arabidopsis Negative regulator of ethylene-signaling,
plant growth
[23] [24]
ZTL/LKP1 At5g57360 Zeitlupe Arabidopsis Circadian rhythm, photomorphogenesis
and flowering time
[25] [26]
LKP2/FKL/
FKF1
At2g18915 Lov Kelch Protein 2 Arabidopsis Circadian clock regulation and flowering
time control
[27] [28] [29]
[30] [31]
SLY1 At4g24210 Sleepy 1 Arabidopsis Positive regulator of Gibberellic acid signaling [32] [33]
SNE At5g48170 Sneezy Arabidopsis Positive regulator of Gibberellic acid signaling [34] [35]
CEG
(AtSFL61)
At3g22650 Cegenduo Arabidopsis Negative regulator of auxin-mediated lateral
root formation
[36]
DOR At2g31470 Drought Tolerance Repressor 1 Arabidopsis Negative regulate drought stress [37]
CFK1 At5g42350 COP9 INTERACTING F-BOX KELCH 1 Arabidopsis Controlling hypocotyl elongation [38]
FOA1 AT3G17320 F-box overexpressed/
oppressed ABA signaling
Arabidopsis Play a negative role in ABA signaling. [39]
EDL3 At3g63070 EID1-like protein 3 Arabidopsis Negative acting factors in ABA nsignalling
to degradation via the proteasome.
[40]
GID2 AB100246 Gibberellin Insensitive Dwarf 2 Oryza sativa Positive regulator of Gibberellic acid signaling [41] [42]
D3 AK065478 Dwarf 3 O. sativa Control of tiller bud activity [43] [44]
FBK12 OS03g03570 F-box protein containing a
kelch repeat motif
O. sativa Delay in leaf senescence and germination,
and increased seed size
[45]
DDF1 Dwarf and deformed flower 1 O. sativa Regulate vegetative growth and floral
organ specification
[46]
MAIF1 Os02g44990 miRNAs regulated and abiotic
stress induced F-box gene
O. sativa Plays the negative role in response to
abiotic stress
[47]
FIM S71192 Fimbriata Antirrhinum
majus
Floral differentiation [48] [49]
AhSLF-S2 AJ297974 Self-incompatibility Locus-encoded
F-box protein
A. hispanicum Controls pollen function of
S-RNase-based self-incompatibility
[50] [51] [52]
SFB3 AY571665 S haplotype-specific F-box protein Prunus
avium
Male determinant of gametophytic self
incompatibility
[53] [54] [55]