全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2016, 42(2): 201211 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA10A307)和四川省科技厅青年基金项目(2015JQO021)资助。
This study was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2012AA10A307) and the
grants for Young Scientists from Science and Technology Department of Sichuan Province (2015JQO021).
* 通讯作者(Corresponding authors): 潘光堂, 张志明, E-mail: panlab605@gmail.com, Tel: 028-86290917
第一作者联系方式: E-mail: 16828333@qq.com **同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2015-05-12; Accepted(接受日期): 2015-11-20; Published online(网络出版日期): 2015-12-07.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20151207.1041.004.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2016.00201
玉米 SBP转录因子全基因组鉴定与功能分析
彭 华 1,** 何秀静 2,** 高 健 4 罗 茂 3 潘光堂 2,* 张志明 2,*
1 四川旅游学院, 四川成都 610100; 2 四川农业大学玉米研究所, 四川温江 611130; 3四川医科大学药物与功能性食品研究中心, 四川
泸州 646000; 4第三军医大学西南医院病理学研究所西南癌症中心, 重庆 400038
摘 要: SBP基因家族是一类植物基因组特有的转录因子, 参与植物生长发育及多种生理生化过程。近来, 大量研究
已在多种植物中鉴定出 SBP转录因子, 但关于玉米(Zea mays L.) SBP转录因子家族的系统分析报道尚少。本研究通
过对拟南芥、水稻等植物已知的转录因子与玉米基因组数据比对, 并设置一系列严格的筛选标准从玉米基因组中挖
掘 SBP 转录因子, 系统发育分析显示单子叶植物玉米和水稻的 SBP 基因保守性更强、亲缘关系更近; 共鉴定 37 个
SBP基因, 分布在 9条染色体上; 通过基因分析注释以及启动子功能预测, 进一步发现 SBP家族基因参与植物生长发
育、形态建成、逆境胁迫响应、花器官发育以及植物光反应等过程。并且, 玉米 SBP 转录因子可通过参与赤霉素、
生长素、脱落酸、水杨酸等多条激素信号调控途径来调节植物的生长发育。
关键词: 玉米; SBP转录因子家族; 生物信息学
Genome-wide Identification and Function Analysis of SBP Gene Family in
Maize
PENG Hua1,**, HE Xiu-Jing2,**, GAO Jian4, LUO Mao3, PAN Guang-Tang2,*, and ZHANG Zhi-Ming2,*
1 Sichuan Tourism University, Chengdu 610100, China; 2 Maize Research Institute of Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, China;
3 Research Center for Drug Discovery of Luzhou Medical College, Luzhou 646000, China; 4 Institute of Pathology and Southwest Cancer Center, South-
west Hospital, Third Military Medical University, and Key Laboratory of Tumor Immunopathology, Ministry of Education, Chongqing 400038, China
Abstract: SBP gene family, as a plant special transcription factor, is involved in plant growth and development, as well as many
physiological and biochemical processes. Recently, SBP transcription factor family has been identified in model plants, such as
Arabidopsis and Oryza sativa; however, systematic analysis of SBP transcription factor family in maize (Zea mays L.) is scarcely.
In this study, based on homology alignment technology, we aligned all known SBP TFs from Arabidopsis and Oryza sativa with
those from maize genome sequence to mine novel SBP TFs in maize. A total of 37 SBP TFs distributed in eight chromosomes
were identified. Phylogenetic analysis indicated that SBP transcription factor genes have stronger homology, especially between
Zea mays and Oryza sativa. Moreover, promoters-cis elements analysis of those SBP TFs demonstrated that they might be in-
volved in plant growth and development, morphogenesis, adversity response, the development of flower organs and photosynthe-
sis. It is probable that SBP TFs regulate plant growth and development through the multiple hormone of signaling transduction
pathway, such as gibberellin, auxin, abscisic acid, and salicylic acid.
Keywords: Maize; SBP TFs gene family; Bioinformatics
SBP基因家族属于植物特有的转录因子, 是一类在
转录水平促使目的基因特定时间与空间被激活或抑制
的 DNA 结合蛋白。SBP 转录因子通常含有长约 80 个
氨基酸残基的高度保守 DNA 结构域, 能特异识别
SQUAMOSA (SQ-UA)启动子[1]。研究显示, SBP转录因
子保守区域基本具有相同的结构特点, 即 C3H (C-C-C-
H)和 C2HC (C-C-H-C)。SBP保守区域的 C端是核定位
信号区域[2], 可引导 SBP蛋白进入细胞核行使功能[3]。
202 作 物 学 报 第 42卷
目前, SBP 转录因子已在大量植物中被鉴定, 具
有多种功能, 在植物的生长发育过程中发挥重要调
控作用。例如, 拟南芥 SBP8和 SBP14基因分别与调
控花粉发育和真菌毒素 FB1 诱导的程序性死亡的抗
性相关[4], 拟南芥 SPL3 基因的转录受发育调控, 主
要集中在花序顶端分生组织、花分生组织和花器官原
基等, 可能与控制开花时间有关[5]。水稻基因组 SBP
转录因子主要在花和愈伤组织表达[6]。番茄 SBP 基因
(LeSPL-CNR)是控制果实发育的关键基因[7]。玉米 SBP
转录因子 lg1 与玉米舌叶和叶耳的发育密切相关, 若
该基因发生突变, 植株将不能形成正常形态的舌叶和
叶耳组织[8-9]。Andrea等[10]发现玉米 SBP转录因子 tsh4
与玉米雄花分枝形态构成有密切关系。Eveland等研究
表明玉米SBP转录因子 tga1调控玉米果穗的颖片发育,
是玉米进化过程中的一个关键基因, 同时 Eveland 等
和Lännenpää等[11-12]研究揭示玉米 SBP转录因子家族
成员果实构造基因 tga1 控制有麸玉米的种皮形态特
征。Chuck等[13]研究显示, 玉米 SBP转录因子 ub2和
ub3基因可以通过控制玉米雌雄花序的分支和分化影
响玉米的产量。研究进一步提示, ub2 和 ub3 双突变
玉米植株的雄花分支数减少, 花药数量减少, 散粉量
严重减少, 同时玉米雌穗穗长变短、穗行数增加, 产
量下降[13]。另外, 当 tsh4基因也缺失时, 玉米产量下降
更严重。Chuck 等 [14]研究显示 , 玉米 Cg1 基因受
Zma-miR156b/c的调控, 与玉米开花期 SBP-box基因表
达密切相关, 提示Cg1基因能够通过抑制玉米 SBP-box
基因表达, 进而调控玉米幼嫩叶片发育和雄花分枝。
目前 , 大量研究陆续从在拟南芥 (Arabidopsis
thaliana)、水稻(Oryza sativa)、葡萄(Vitis amurensis)、苹
果(Malus pumila Mill)、大豆[Glycine max (Linn.) Merr]、
草莓(Fragaria ananassa)、番茄(Lycopersicon esculen-
tum Miller)等植物基因组中鉴定出 SBP 基因[3,6,15-19]。
随着玉米基因组测序的完成为加快玉米的遗传育种
和分子生物学研究提供了机遇 , 然而 , 关于玉米
SBP 基因的信息仍然较少。本研究利用生物信息学
方法, 在玉米全基因水平鉴定 SBP 转录因子, 同时
结合拟南芥、水稻 SBP 家族基因成员, 分析植物中
SBP 基因的进化关系及其表达模式, 研究结果不仅
有助于鉴定玉米 SBP 基因家族的功能, 还可为以后
玉米育种过程提供重要的理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
水稻和拟南芥 SBP蛋白序列来源于植物转录因
子数据 PlnTFDB 网站(http://plntfdb.bio.uni-potsdam.
de/v3.0/)。
1.2 玉米 SBP转录因子的鉴定
从蛋白质家族数据库 Pfam 网站 (http://pfam.
sanger.ac.uk/)下载 SBP 基因家族的隐马氏模型序列
谱(PF03110)文件 , 应用 HMMER 3.0 程序包中的
hmmbuild 命令将其转化成隐马氏模型序列模式。首
先应用 GENSCAN 将在 NCBI 下载的玉米基因组
B73 V5b+参考序列基因组(http://www.maizesequence.
org/v5b+)数据预测得到蛋白序列, 并利用 HMMER
3.0软件中的 hmmsearch对这些蛋白进行转录因子预
测 (参数为默认设置 )[20]。然后 , 利用在线数据库
SMART (http://smart.embl-heidelberg.de/)对候选 SBP
转录因子结构域进行鉴定, 确定真实的玉米 SBP 转
录因子基因。利用玉米基因组 mRNA 数据库(http://
www.maizesequence.org/index.html)进行玉米 SBP 转
录因子对应 mRNA 序列的比对分析(参数设置为
BLASTp, 数据库基因集 B73_RefGen_v3, E=1e−10,
其他参数默认); 收集所有阈值小于 1.0 的非冗余的
数据集, 与 PlnTFDB (http://plntfdb.bio.uni-potsdam.
de/v3.0/)和 PlantTFDB (http://planttfdb.cbi.pku.edu.cn)
中的 SBP 家族成员比对; 重新注释的序列通过其
SMART (http://smart.embl-heidelberg.de/), CDD (http://
www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)和 Inter-
ProScan (http://www.ebi.ac.uk/Tools/InterProScan/)来
确认 SBP家族结构域的存在, 进而查明玉米 SBP转
录因子 mRNA序列。
1.3 玉米 SBP转录因子的分类
利用 ClustalX 2.1 软件[21]对玉米 SBP转录因子
的 SBP 保守域蛋白序列进行多序列比对, 结合比对
结果与水稻、拟南芥 SBP 转录因子的分类依据, 进
行玉米 SBP转录因子的分类。
1.4 玉米 SBP转录因子的系统发育关系
首先, 从玉米、拟南芥和水稻的 SBP 转录因子
中提取完整 SBP 结构域(包括 I 组成员 N 端和 C 端
的 SBP结构域, 发生缺失的 SBP结构域被舍弃)的蛋
白序列以及完整的 SBP结构域。然后, 利用 ClustalX
2.1 软件进行蛋白质多序列比对。利用 Mega 5.0 软
件 Neighbor-Joining算法构建系统进化树[22-23], 设置
JTT模型, 位点替换速率 Gamma分布, Bootstrap值
为 1000。
1.5 玉米 SBP 转录因子蛋白序列的氨基酸保守
域分析
利用在线软件 MEME 4.8.1 (http://meme.sdsc.
第 2期 彭 华等: 玉米 SBP转录因子全基因组鉴定与功能分析 203
edu/meme/cgi-bin/meme.cgi)对玉米 SBP 转录因子蛋
白序列进行氨基酸保守域的预测分析。搜索得到的
保守域数目上限为 30; 保守域氨基酸残基的数量为
10~300; 保守域可重复出现。
1.6 玉米 SBP转录因子的表达模式分析
利用玉米转录组数据库 qTeller (http://qteller.
com/)中公布的 RNAseq在各种组织中的表达结果分
析玉米 SBP 转录因子(ZmSBP)表达模式, 并用 MEV
软件对所检测到的 ZmSBP家族成员进行聚类分析。
进一步利用 PlantCARE (htp://bioinformatics.psb.ugent.
be/webtols/plantcare/html/)网站预测候选 ZmSBP 可
能包含的转录因子顺式作用元件, 预测 ZmSBP 功
能。
2 结果与分析
2.1 玉米 SBP转录因子的鉴定与染色体定位
利用 Pfam 工具搜索和在线数据库 SMART、
CDD和 Inter-ProScan比对鉴定, 共获得 37个典型结
构域的玉米 SBP 基因 , 分别命名为 ZmSBP1~
ZmSBP37 (表 1)。如图 1所示, 除第 9染色体外, 玉
米 SBP 基因被锚定于所有染色体, 几乎呈均匀分布
状态; 第 4和第 5染色体上 SBP基因数目分布最多,
分别有 8个和 7个家族成员; 第 3、第 6、第 7染色
体上 SBP 基因数目最少, 为 2 个成员; 其余染色体
上包含 SBP基因 3~5个。
2.2 玉米 SBP转录因子的结构域比对及分类
利用 Clustal X程序对玉米 SBP蛋白家族氨基酸
序列进行多序列比对表明 (图 2), 除 ZmSBP16、
ZmSBP31、ZmSBP1外, 各玉米 SBP蛋白的 SBP结
构域包含约 79 个氨基酸残基并具备 2 个锌指结构,
分别为 C3 (C-C-C-H)和 C2HC (C-C-H-C)类型, 命名
为 Zn1 和 Zn2; 其中 , ZmSBP16、ZmSBP31 和
ZmSBP1中只含有 Zn1结构而 Zn2缺失结构; 另外,
除 ZmSBP35、ZmSBP3、ZmSBP4外, 所有转录因子
在 SBP 保守结构域的 C 端都有一个 NLS (nuclear
localization signal)核定信号位点, 其他 ZmSBP均具
有完全保守的 SBP结构域。
进一步依据 SBP 转录因子氨基酸序列的
ClustalW多序列比对结果, 结合 Meighbor-joining (J)
和Bootstrap方法, 分析玉米 ZmSBP转录因子蛋白的
同源性和系统进化关系。结果显示(图 3), 玉米 SBP
基因家族成员可以分为 5 种类型(I~V), 其中 I 类只
有 1 个家族成员 ZmSBP15, II 和 III 类包含 10 个
ZmSBP 家族成员, IV 和 V 类包含 8 个 ZmSBP 家族
成员。
2.3 玉米 SBP转录因子的蛋白保守序列分析
利用MEME软件分析结果, 构建 ZmSBP转录因
子蛋白保守序列的结构特征图, 即 motif分布图。结
果表明(图 4), ZmSBP转录因子蛋白保守序列主要包
括 4个 motif结构, 分别为 motif 1~4, 其中所有氨基
酸位点都包括 C2HC结构域(motif 1)和 C3H结构域
(motif 2)。进一步分析显示, ZmSBP1和 ZmSBP31在
进化过程中缺失 motif 1结构, ZmSBP19缺失 motif 2
结构, ZmSBP17 及 ZmSBP22 在进化过程中 motif 3
结构发生了 2~3次复制; ZmSBP12和 ZmSBP30在进
化过程中 motif 4 结构发生了 2 次复制, 推测这些
ZmSBP 蛋白在进化过程中, 通过对功能区序列的复
制产生了新的功能。
2.4 玉米 SBP转录因子的表达模式及功能分析
利用玉米转录组数据库 qTeller 中公布的
RNA-seq 数据, 对玉米不同组织 SBP 转录因子的表
达模式及功能分析。图 5表明, ZmSBP10、ZmSBP15、
ZmSBP22、ZmSBP28、ZmSBP23、ZmSBP26、ZmSBP12
和 ZmSBP30在成熟玉米根茎、叶、果穗、胚及胚乳
中大量表达。大部分 ZmSBP基因在胚珠、幼穗和未
受精果穗中大量表达, 但在花粉、维管束鞘组织和
叶肉细胞中表达量很低。其中, ZmSBP10 是唯一一
个在维管束鞘和叶肉细胞中大量表达的转录因子 ,
推测 ZmSBP10 在进化过程中具有不同于其他玉米
SBP家族成员的功能。
利用在线软件 PlantCARE (http://bioinformatics.
psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/)预测 ZmSBP转
录因子启动子包含的顺式作用元件 , 进而预测
ZmSBP转录因子成员的功能显示(表 2), 37个转录因
子在启动子区的各种功能元件有所不同, 除了最基
本的 TATA-box、CAAT-box 外, 个别转录因子还包
括如 W-box、MBS、AuxRR-core等其他转录因子的
结合位点。其中, W-box是 AP2/EREBP类转录因子
结合位点, 涉及植物生长发育, 如糖酵解和脂肪酸
循环途径中关键酶的合成。同时 W-box也是真菌诱
导反应元件 , 能够参与植物生物胁迫响应过程 ;
MBS 是 MYB 转录因子家族特有的结合位点, 推测
其可能参与诱导抗性基因表达, 进而参与调控植物
逆境胁迫响应; AuxRR-core一类是生长素响应因子,
在植物形态建成, 如胚乳、子叶和侧根发育中起着
重要作用。另外, 还发现大量光刺激应答元件, 推测
204 作 物 学 报 第 42卷
其可能与植物光合作用相关, 参与调控植物开花等
光反应。
2.5 植物 SBP基因的进化发育关系
玉米、水稻和拟南芥的 SBP 基因系统发育树,
表明(图 6) 3个物种的基因家族成员可分为 5个类群
(I~V), 其中第 II类群仅包括水稻和玉米 SBP基因家
族成员, 其余 4 个类群均包括来自 3 个物种的 SBP
家族成员。另外, 进化发育树末端同一分支的两个
图 1 玉米 SBP 基因的染色体定位
Fig. 1 Chromosome mapping of SBP genes in maize
第 2期 彭 华等: 玉米 SBP转录因子全基因组鉴定与功能分析 205
表 1 玉米 SBP基因家族信息
Table 1 Information of SBP-domain gene family in maize
蛋白
Protein
编码序列
Coding sequence
名称
Name
重命名
Rename
染色体
Chromosome
AC225342.3_FGP001 AC225342.3_FGT001 AC225342.3_FG001 ZmSBP1 5
AC233751.1_FGP002 AC233751.1_FGT002 AC233751.1_FG002 ZmSBP2 4
GRMZM2G017091_P02 GRMZM2G017091_T02 GRMZM2G017091 ZmSBP3 10
GRMZM2G020906_P02 GRMZM2G020906_T02 GRMZM2G020906 ZmSBP4 6
GRMZM2G036297_P01 GRMZM2G036297_T01 GRMZM2G036297 ZmSBP5 2
GRMZM2G058588_P01 GRMZM2G058588_T01 GRMZM2G058588 ZmSBP6 10
GRMZM2G061734_P01 GRMZM2G061734_T01 GRMZM2G061734 ZmSBP7 2
GRMZM2G065451_P02 GRMZM2G065451_T02 GRMZM2G065451 ZmSBP8 4
GRMZM2G067624_P02 GRMZM2G067624_T02 GRMZM2G067624 ZmSBP9 7
GRMZM2G081127_P02 GRMZM2G081127_T02 GRMZM2G081127 ZmSBP10 8
GRMZM2G097275_P04 GRMZM2G097275_T04 GRMZM2G097275 ZmSBP11 5
GRMZM2G098557_P01 GRMZM2G098557_T01 GRMZM2G098557 ZmSBP12 4
GRMZM2G101499_P01 GRMZM2G101499_T01 GRMZM2G101499 ZmSBP13 6
GRMZM2G101511_P01 GRMZM2G101511_T01 GRMZM2G101511 ZmSBP14 4
GRMZM2G106798_P03 GRMZM2G106798_T03 GRMZM2G106798 ZmSBP15 4
GRMZM2G108522_P01 GRMZM2G108522_T01 GRMZM2G108522 ZmSBP16 1
GRMZM2G109354_P01 GRMZM2G109354_T01 GRMZM2G109354 ZmSBP17 8
GRMZM2G111136_P02 GRMZM2G111136_T02 GRMZM2G111136 ZmSBP18 5
GRMZM2G113779_P01 GRMZM2G113779_T01 GRMZM2G113779 ZmSBP19 2
GRMZM2G126018_P02 GRMZM2G126018_T02 GRMZM2G126018 ZmSBP20 2
GRMZM2G126827_P01 GRMZM2G126827_T01 GRMZM2G126827 ZmSBP21 5
GRMZM2G133646_P01 GRMZM2G133646_T01 GRMZM2G133646 ZmSBP22 3
GRMZM2G138421_P01 GRMZM2G138421_T01 GRMZM2G138421 ZmSBP23 5
GRMZM2G148467_P01 GRMZM2G148467_T01 GRMZM2G148467 ZmSBP24 10
GRMZM2G156621_P01 GRMZM2G156621_T01 GRMZM2G156621 ZmSBP25 5
GRMZM2G156756_P01 GRMZM2G156756_T01 GRMZM2G156756 ZmSBP26 1
GRMZM2G160917_P01 GRMZM2G160917_T01 GRMZM2G160917 ZmSBP27 1
GRMZM2G163813_P03 GRMZM2G163813_T03 GRMZM2G163813 ZmSBP28 4
GRMZM2G168229_P01 GRMZM2G168229_T01 GRMZM2G168229 ZmSBP29 4
GRMZM2G169270_P02 GRMZM2G169270_T02 GRMZM2G169270 ZmSBP30 1
GRMZM2G179666_P01 GRMZM2G179666_T01 GRMZM2G179666 ZmSBP31 1
GRMZM2G307588_P01 GRMZM2G307588_T01 GRMZM2G307588 ZmSBP32 7
GRMZM2G371033_P01 GRMZM2G371033_T01 GRMZM2G371033 ZmSBP33 8
GRMZM2G414805_P04 GRMZM2G414805_T04 GRMZM2G414805 ZmSBP34 5
GRMZM2G418011_P01 GRMZM2G418011_T01 GRMZM2G418011 ZmSBP35 10
GRMZM2G460544_P01 GRMZM2G460544_T01 GRMZM2G460544 ZmSBP36 4
GRMZM5G878561_P01 GRMZM5G878561_T01 GRMZM5G878561 ZmSBP37 3
206 作 物 学 报 第 42卷
图 2 玉米 SBP蛋白在不同亚家族中的比对分析
Fig. 2 Alignment of multiple ZmSBP protein in different groups
利用 Clustal软件对玉米 SBP蛋白家族氨基酸序列进行序列比对。各玉米 SBP蛋白的 SBP结构域包含 2个锌指结构, 分别为 Zn1和
Zn2。蛋白序列中不同背景色代表各个位点的保守程度, 不同字母代表相应的氨基酸。
Multiple alignment of the SBP domains of the maize SBP-box proteins was obtained with Clustal software. The two conserved zinc finger
structures (Zn1, Zn2) are indicated. In addition, sequence logo of the SBP domain of ZmSBPs was showed. The overall height of each stack
represents the degree of conservation at this position, while the height of the letters within each stack indicates the relative frequency of the
corresponding amino acids.
图 3 SBP转录因子家族基因的进化关系
Fig. 3 Phylogenetic relationships of maize SBP family genes
第 2期 彭 华等: 玉米 SBP转录因子全基因组鉴定与功能分析 207
图 4 玉米 SBP转录因子家族基因的基因结构及基序元件组成
Fig. 4 Gene structure and motif compositons of ZmSBP genes
基序结构图是利用MEME软件分析玉米 SBP蛋白的保守位点获得, 图中黑线部分代表非保守序列, 各种颜色的盒子代表不同的基序元件。
Schematic representation of the conserved motifs in the SBP proteins from maize elucidated by MEME. A number in the colored box
represents each motif. The black lines represent the non-conserved sequences.
图 5 玉米 SBP转录因子家族基因表达模式分析
Fig. 5 Expression pattern of ZmSBP transcription factors gene in different organs
图中用数值(0~14.025)代表不同表达水平的基因, 数值越大表示基因表达水平越高。
Different expression levels are identified using number indexes (0–14.025), the larger numbers represent the higher expression levels.
208 作 物 学 报 第 42卷
第 2期 彭 华等: 玉米 SBP转录因子全基因组鉴定与功能分析 209
外部结点很可能就是亲缘关系比较近的同源基因
对。进一步对进化树末端分析显示, 水稻和玉米中
存在大量直系同源基因, 如 LOC_Os05g33810.1 和
ZmSBP17、LOC_Os05g44860.1和 ZmSBP13、LOC_
Os01g69830.1 和 ZmSBP37 等, 但是在玉米和拟南
芥、水稻和拟南芥中未能发现直系同源基因, 提示
单子叶植物的 SBP 转录因子家族进化模式存在相
似性, 推测双子叶植物(如拟南芥) SBP转录因子家
族的基本特征形成时间早于单子叶植物。此外, 在
物种内还发现了大量 SBP基因旁系同源基因, 如玉
米 ZmSBP29 和 ZmSBP18、ZmSBP5 和 ZmSBP6、
ZmSBP36 和 ZmSBP27、ZmSBP32 和 ZmSBP20、
ZmSBP2 和 ZmSBP14 等均为旁系同源基因, 提示
SBP 基因家族在物种内以大量同源基因形式存在,
这些基因家族在物种中按照各自物种特异性方式
扩展。
图 6 玉米、拟南芥和水稻 SBP转录因子基因的系统进化树
Fig. 6 Phylogenetic trees constructed with SBP domain protein sequences from maize (ZmSBP), rice (OsSPL), and Arabidopsis
(AtSPL)
利用所有 SBP基因的核心序列用于构建基因的系统进化树, 在图上标注每个 SBP基因的序号、ID位点和数据来源。
SBP domain sequences of all genes were used for phylogenetic tree construction, the accession numbers or locus IDs and data sources of
SBP-box genes are mached in the figure.
3 讨论
随着植物基因组学研究的深入尤其是测序技术
的迅猛发展, 已陆续完成大量植物全基因组序列鉴
定, 转录因子全基因组的鉴定及表达模型研究逐渐
成为当前植物基因功能研究的热点。近年来, 不同
植物种类的 SBP 基因家族成员及大小已得到分析,
这些研究结果提示植物 SBP转录因子家族成员在调
节植物生长发育及多种生理生化过程中发挥重要作
用。同时, 玉米基因组测序的完成为我们在全基因
组水平分析 SBP转录因子奠定了基础。本研究基于
玉米全基因组测序数据库, 在玉米全基因水平鉴定
SBP 转录因子并分析其表达功能, 共鉴定出 37个
SBP基因, 包括 1个 I型基因, 10个 II型基因, 10个
III型基因, 8个 IV型基因, 8个 V型基因。通过与水
稻、拟南芥转录因子系统发育关系比对分析, 在拟
南芥、水稻中分别发现了 25个和 27个 SBP转录因
子, 并且水稻和玉米中大量 SBP 基因具有直系同源
关系, 而在玉米和拟南芥、水稻和拟南芥中未能检
210 作 物 学 报 第 42卷
出, 提示与双子叶植物如拟南芥比较, 单子叶植物
玉米和水稻中 SBP基因保守性更强、亲缘关系更近。
利用系统发育树将 3类物种 SBP基因分为 5个类群
(I~V), 单子叶植物的 SBP转录因子家族进化模式存
在相似起源方式, 推测双子叶植物(如拟南芥) SBP转
录因子家族的基本特征形成时间早于单子叶植物。
SBP 转录因子保守结构域的 C 端是核定位信号
区域, 能够引导蛋白进入细胞核行使功能[3]。本研究
在分析 SBP 基序时发现, 玉米蛋白的结构域包含约
79 个氨基酸残基并具备 2 个锌指结构, 分别为 C3
(C-C-C-H)和 C2HC (C-C-H-C)类型, 推测其可能特
异识别 SQUAMOSA (SQ-UA)启动子。另外, ZmSBP
转录因子蛋白保守序列分析结果显示, ZmSBP 蛋白
在进化过程中可能经历片段重复事件, 通过功能区
序列复制而产生新的功能。
本研究进一步利用玉米转录组数据库所公布
RNA-seq 数据, 分析玉米 SBP 转录因子表达模式及
功能, 结果显示, 大部分 ZmSBP 基因在玉米胚珠、
幼穗和未受精果穗中大量表达, 但在玉米花粉、维
管束鞘组织和叶肉细胞中表达量很低 , 其中
ZmSBP10是唯一一个在维管束鞘和叶肉细胞中大量
表达的转录因子。研究表明, 植物花序发育与其产
量密切相关, 如拟南芥同源基因 SPL3、SPL4和 SPL5
能够调控拟南芥花发育, 拟南芥 SBP8和 SBP14基因
能够调控其花粉发育[4-5], 进而影响拟南芥产量。随
着玉米 SBP 基因的揭示及功能研究迅猛发展, 大量
研究显示玉米控制花序发育的部分 SBP基因与玉米
产量密切相关。例如, 玉米 Cg1 基因能够通过抑制
玉米 SBP 基因表达, 调控玉米幼嫩叶片发育和雄花
分枝[14]; 玉米 ub2 和 ub3 基因能够通过控制玉米雌
雄花序的分支和分化 [13], 调控玉米产量, 提示增强
ub2和 ub3基因表达可以增加玉米雄花分支和花药数,
进而增长玉米雌穗穗长, 提高玉米产量。部分研究揭
示, 玉米 tsh4能够调控玉米雄花分枝形态构成[10], 提
示增强 tsh4基因表达, 能够有效增加玉米产量。
Chen 等[24]研究显示 AtSPL8 (SPB 转录因子)功
能缺失会导致拟南芥花丝变短、萼片和表皮毛数量减
少等半不育表型, 而外施赤霉素(GA)药剂, 其育性得
到恢复, 这表明 AtSPL8 参与了 GA 信号转导途径,
推测 SPB基因能通过参与调控赤霉素(GA)信号转导
途径来影响植物的生长发育; Martin 等[25]研究表明
SBP 转录因子可以通过参与信号传导途径调控种子
萌发、根系生长、下胚轴及茎的伸长、植物发育阶
段转变、成花诱导以及花器官发育过程。本研究进
一步预测 ZmSBP转录因子启动子顺式作用元件并分
析 ZmSBP转录因子成员的功能结果显示, SBP家族
基因与花发育等植物生长发育、形态建成、逆境胁
迫以及植物光反应等相关。并且, 玉米 SBP 转录因
子可通过参与赤霉素、生长素、脱落酸、水杨酸等
多条激素信号调控途径来调节植物的生长发育。
近几年研究表明, SBP 转录因子不仅参与玉米
根、茎、叶、果穗、胚、胚乳、胚珠等器官的生长
发育, 而且涉及多条激素信号调控途径, 提示 SBP
转录因子在植物生长发育各进程具有重要的作用 ,
然而 SBP转录因子上游调控机制尚不清楚。本文基
于玉米全基因组测序的完成, 鉴定分析玉米 SBP的
基因结构、进化关系以及表达模型与功能, 为未来
深入解析玉米 SBP 转录因子在玉米生长发育和调
节激素信号传递途径中作用提供基因资源和理论
依据。
4 结论
共鉴定分布在 9 条染色体上的 37 个 SBP 基因,
单子叶植物玉米和水稻的 SBP基因保守性更强、亲
缘关系更近; 玉米 SBP 家族基因参与植物生长发
育、形态建成、逆境胁迫响应、花器官发育以及植
物光反应等过程, 可通过参与多条激素信号调控途
径来调节植物的生长发育。
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