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Identification and Characterization of GATA Gene Family in Castor Bean (Ricinus communis)

蓖麻GATA基因家族的鉴定和特征分析



全 文 :蓖麻 GATA基因家族的鉴定和特征分析∗
敖  涛1ꎬ3ꎬ 廖晓佳2ꎬ3ꎬ 徐  伟2ꎬ3ꎬ 刘爱忠1∗∗
(1 中国科学院西双版纳热带植物园热带植物资源开放实验室ꎬ 云南 勐腊  666303ꎻ 2 中国科学院
昆明植物研究所ꎬ 昆明  650201ꎻ 3 中国科学院大学ꎬ 北京  100049)
摘要: GATA因子在植物中广泛参与了光响应调控、 叶绿素合成以及碳、 氮代谢等与作物产量息息相关的
生物学过程ꎮ 本研究基于蓖麻基因组信息ꎬ 鉴定了 19 个蓖麻 GATA 家族成员ꎬ 根据基因结构、 蛋白结构
和系统进化分析将其分为 4个亚家族ꎮ 理化性质分析发现 GATA蛋白具有亲水性ꎮ 基因和蛋白结构分析发
现ꎬ 蓖麻与拟南芥的 GATA成员在结构上非常保守ꎮ 利用高通量 RNA ̄seq测序数据分析蓖麻 GATA基因在
各个组织中的表达情况ꎬ 发现 GATA 基因主要在根和叶中表达ꎬ 在种子中表达较低ꎮ 进一步通过半定量
RT ̄PCR技术检测 GATA基因在黑暗下的表达情况ꎬ 结果显示有三个 GATA基因在黑暗处理后表达下调ꎬ 预
示着蓖麻 GATA基因参与了光响应调控过程ꎮ 这些信息为蓖麻 GATA基因家族的功能分析和提高蓖麻产量
提供了理论基础ꎮ
关键词: 蓖麻ꎻ GATA基因家族ꎻ 基因表达ꎻ 黑暗处理
中图分类号: Q 75              文献标志码: A              文章编号: 2095-0845(2015)04-453-10
Identification and Characterization of GATA Gene Family
in Castor Bean (Ricinus communis)
AO Tao1ꎬ3ꎬ LIAO Xiao ̄jia2ꎬ3ꎬ XU Wei2ꎬ3ꎬ LIU Ai ̄zhong1∗∗
(1 Key Laboratory of Tropical Plant Resource and Sustainable Useꎬ Xishuangbanna Tropical Botanical Gardenꎬ Chinese Academy of Scienceꎬ
Menglaꎬ Yunnan 666303ꎬ Chinaꎻ 2 Kunming Institute of Botanyꎬ Chinese Academy of Scienceꎬ Kunming 650201 Chinaꎻ
3 Graduate University of Chinese Academy of Scienceꎬ Beijing 100049ꎬ China)
Abstract: GATA proteins are considered to be broadly involved in yield ̄associated biological processꎬ such as pho ̄
toresponseꎬ chlorophyll biosynthesisꎬ and carbon and nitrogen metabolism. Based on castor bean genome databaseꎬ a
total of 19 GATA genes were identified and classified into 4 subfamilies according to gene structureꎬ protein structure
and their phylogenetic relationships. Results exhibited that GATA factors were hydrophilic proteins. Analysis of gene
structure and protein structure revealed the conserved structural features of GATA factors between castor bean and
Arabidopsis thaliana. The high ̄throughput RNA ̄seq data were used to define the expressional profiles of GATA genes
among tissues. The results showed that most of the castor GATA genes preferentially expressed in leaf and root in con ̄
trast to their expression in developing seeds. In particularꎬ the expression of GATA genes responding to darkness
treatment in leaves was detected using semi ̄quantitative RT ̄PCR. It was shown that expression of three genes was
down ̄regulated under darkness treatmentꎬ which suggests a role for GATA genes of castor bean in light ̄mediated reg ̄
ulation. These results provide important theoretical basis to the functions identification of castor GATA genes and in ̄
crease castor yields.
Key words: Castor beanꎻ GATA gene familyꎻ Gene expressionꎻ Dark treatment
植 物 分 类 与 资 源 学 报  2015ꎬ 37 (4): 453~462
Plant Diversity and Resources                                    DOI: 10.7677 / ynzwyj201514151

∗∗
基金项目: 国家自然科学基金 (31401421)
通讯作者: Author for correspondenceꎻ E ̄mail: Liuaizhong@mail􀆰 kib􀆰 ac􀆰 cn
收稿日期: 2014-11-11ꎬ 2015-03-27接受发表
作者简介: 敖涛 (1989-) 男ꎬ 硕士研究生ꎬ 主要从事植物分子遗传育种研究ꎮ E ̄mail: 515979319@qq􀆰 com
  GATA因子是一类广泛存在于真核生物中的
转录因子ꎬ 在植物光响应调控、 叶绿素合成、 细
胞分裂素响应以及碳、 氮代谢等生物学过程中发
挥重要作用ꎬ 这些生物学过程与作物产量息息相
关ꎬ 对 GATA家族的研究可以为作物增产提供一
定的理论基础ꎮ GATA 因子因特异结合 WGATAR
基因序列 (W 为 T 或 Aꎻ R 为 G 或 Aꎻ Lowry 和
Atchleyꎬ 2000) 而得名ꎬ 其 DNA结合域由一个 IV
类锌指结构 (C ̄X2 ̄C ̄X17 ̄20 ̄C ̄X2 ̄C) 和其后的基本
区域组成 (Lowry 和 Atchleyꎬ 2000)ꎮ 在动物中ꎬ
GATA因子含有两个典型的 C ̄X2 ̄C ̄X17 ̄C ̄X2 ̄C 锌
指结构域ꎬ 其中只有 C端的锌指结构与 DNA结合
有关ꎻ 动物的 GATA转录因子在发育、 分化和细
胞增殖过程中发挥重要作用 (Patient 和 McGheeꎬ
2002)ꎮ 大部分酵母的 GATA蛋白只含有一个单独
的 C ̄X2 ̄C ̄X17 ̄C ̄X2 ̄C 或 C ̄X2 ̄C ̄X18 ̄C ̄X2 ̄C 结构
域 (Teakle 和 Gilmartinꎬ 1998)ꎻ 酵母的 GATA 转
录因子广泛参与了多种生物学过程ꎬ 如氮代谢、
光形态建成、 昼夜节律和结合型转换等 (Scazzoc ̄
chioꎬ 2000)ꎮ 通过核磁共振的方法ꎬ 解析了两个
GATA结合域的结构: 鸡 GATA1蛋白的 C端锌指
结构 (Omichinski等ꎬ 1993) 和构巢曲霉 AreA 蛋
白的锌指结构 (Staric等ꎬ 1998)ꎮ 结果显示ꎬ GA ̄
TA结合域由两对反向平行的 β 折叠、 一个 α 螺
旋和一个非结构化的尾巴组成ꎮ
在植物中ꎬ 第一个 GATA转录因子是从烟草
中鉴定到的ꎬ 被命名为 NTL1ꎬ 是粗糙脉胞菌
GATA 成员 NIT2 的同源物 ( Daniel ̄Vedele 和
Cabocheꎬ 1993)ꎮ 之后ꎬ Reyes等 (2004) 从拟南
芥和水稻基因组中分别鉴定到了 29 个和 28 个
GATA转录因子ꎬ 并发现大部分 GATA 蛋白只含
有一个 C ̄X2 ̄C ̄X18 ̄C ̄X2 ̄C 锌指结构域ꎬ 同时也
有少数蛋白含有两个锌指结构域或 C ̄X2 ̄C ̄X20 ̄
C ̄X2 ̄C结构ꎮ 根据系统进化关系、 结构域组成
和内含子-外显子构成ꎬ 将拟南芥 GATA 家族成
员分成了四个亚家族ꎬ 并将水稻 GATA家族成员
分成了六个亚家族ꎮ 在拟南芥中ꎬ 亚家族 I 含有
两个外显子ꎬ 编码 GATA结构域的基因序列位于
第二个外显子上ꎻ 亚家族 II 的基因由两到三个
外显子组成ꎬ 编码 GATA 结构域的 DNA 序列被
内含子隔开ꎬ 位于后两个外显子上ꎻ 亚家族 III
的基因由七个外显子构成ꎬ 编码锌指结构域的基
因序列位于第五个外显子ꎻ 亚家族 IV 没有保守
的基因结构ꎬ 其锌指结构域位于氨基端 (Reyes
等ꎬ 2004)ꎮ 除 GATA 结构域之外ꎬ 亚家族 I 的
成员还含有一个氨基端的酸性结构域ꎬ 亚家族 III
的蛋白还含有一个 CCT 结构域ꎬ 水稻的亚家族
V还含有一个 ZnF PMZ 结构域 ( Plant mutator
transposase zinc finger domain) 和一个 FAR1 结构
域 (Reyes 等ꎬ 2004)ꎬ 这些结构域可能赋予了
GATA家族成员更多的生物学功能ꎮ 例如ꎬ CCT
结构域最先是在开花时间控制蛋白 CONSTANS
(CO) 中鉴定到的ꎬ 被认为与蛋白和蛋白的结合
有关 (Robson等ꎬ 2001ꎻ Griffiths等ꎬ 2003)ꎻ ZnF
PMZ结构域和 FAR1结构域都在MULE转座子家
族的转座酶中和光敏色素 A信号转导蛋白 (FAR1
和 FHY3) 中被发现 (Lisch等ꎬ 2001ꎻ Hudson等ꎬ
2003)ꎬ 暗示着亚家族 V成员在转座过程和光敏
色素 A信号转导中的潜在功能ꎮ
GATA元件存在于很多光调节基因和昼夜节
律响应基因的调控区域ꎬ 通过凝胶迁移实验和
DNase I足迹实验发现 GATA因子可以结合到这些
GATA元件上ꎬ 预示着 GATA转录因子可能参与了
光和昼夜节律相关的调控 (Jeong 和 Shihꎬ 2003ꎻ
Teakle 等ꎬ 2002ꎻ Schindler 和 Cash moreꎬ 1990ꎻ
Borello 等ꎬ 1993ꎻ Terzaghi 和 Cashmoreꎬ 1995)ꎮ
之后ꎬ 在拟南芥的研究中发现ꎬ 很多 GATA 转录
因子基因的表达可以响应光培养、 暗培养以及昼
夜节律的变化 (Manfield等ꎬ 2007)ꎮ Luo 等 (2010)
发现ꎬ GATA2 可以直接调节许多光响应基因和
油菜素类固醇响应基因的表达ꎬ 并且在光形态发
生中发挥重要作用ꎮ 此外ꎬ 大量报道显示ꎬ GA ̄
TA转录因子还参与了叶绿素水平、 叶绿体大小和
光合效率的调节 (Bi 等ꎬ 2005ꎻ Chiang 等ꎬ 2012ꎻ
Hudson等ꎬ 2011ꎬ 2013ꎻ An 等ꎬ 2014)ꎮ 这些研
究表明 GATA转录因子在光相关的调控中发挥重
要作用ꎮ 除此之外ꎬ GATA转录因子还参与了种
子萌发 (Liu 等ꎬ 2005)ꎬ 细胞分裂素应激 (Kiba
等ꎬ 2005ꎻ Naito等ꎬ 2007)ꎬ 花发育 (Marah 和 I ̄
rishꎬ 2008)ꎬ 分蘖 (Hudson等ꎬ 2013) 以及碳、 氮
代谢 (Hudson等ꎬ 2013ꎻ Wang等ꎬ 2003ꎻ Scheible
等ꎬ 2004ꎻ Bi 等ꎬ 2005ꎻ Hudson 等ꎬ 2011) 等生
物学过程ꎮ
目前ꎬ 关于 GATA家族的研究主要局限在拟
454                                  植 物 分 类 与 资 源 学 报                            第 37卷
南芥和水稻等少数模式植物中ꎬ 其它作物中 GA ̄
TA转录因子的研究较少ꎮ 蓖麻是世界十大油料
作物之一ꎬ 蓖麻油是非常良好的生物柴油原料ꎬ
广泛应用于工业生产的各个领域ꎬ 然而蓖麻产量
较低的现状严重制约了生物柴油产业的发展 (朱
保葛等ꎬ 2007ꎻ 黄文霞等ꎬ 2006ꎻ 吕凤霞等ꎬ
1994)ꎬ 因此提高蓖麻产量方面的研究具有重要
的现实意义ꎮ 目前关于提高蓖麻产量的分子机制
研究较少ꎬ 对 GATA家族的分析和研究尚未见报
道ꎮ 本研究基于蓖麻的基因组信息ꎬ 在蓖麻的基
因组中鉴定了 19 个 GATA 家族成员ꎬ 并对其系
统进化、 理化性质、 基因结构、 结构域组成和时
空表达进行了分析ꎮ 此外ꎬ 我们还分析了蓖麻
GATA基因在正常生长条件下和黑暗条件下的表
达情况ꎮ 本研究结果对深入研究 GATA 基因家族
的生物学功能和探索蓖麻光相关调控的分子机制
提供了一定的研究基础ꎬ 并为提高蓖麻产量提供
了非常重要的理论依据和指导意义ꎮ
1  材料和方法
1􀆰 1  蓖麻 GATA因子的鉴定ꎬ 分类和基因结构分析
以已报道的模式植物拟南芥 GATA 蛋白序列 ( ht ̄
tp: / / www.arabidopsis.org / ) 为基序ꎬ 在蓖麻基因组数据
库 (http: / / castorbean. jcvi.org / index.php) 中进行 BLASTP
比对ꎬ 设定阈值为 p<e ̄10ꎬ 序列一致度大于 60%ꎮ 对于
得到的候选蛋白ꎬ 用 Pfam 数据库 ( http: / / pfam. sanger.
ac.uk / ) 和 SMART 程序 ( http: / / smart. embl ̄heidelberg.
de / ) 检测是否具有典型的 GATA 结构域ꎮ 利用 GSDS
(Gene Structure Display Serverꎬ http: / / gsds. cbi. pku. edu.
cn / ) 在线程序分析蓖麻 GATA 家族各成员的基因结构ꎮ
根据系统进化关系、 结构域组成和内含子-外显子构成ꎬ
将 GATA家族成员分成了四个亚家族ꎮ
1􀆰 2  GATA蛋白家族的系统进化树和蛋白理化性质分析
为了了解蓖麻和拟南芥 GATA 蛋白之间的亲缘关
系ꎬ 利用 Clustal W软件对蓖麻和拟南芥的 GATA蛋白序
列进行了比对ꎬ 利用 MEGA5􀆰 0 软件中的邻接算法
(Neighbor ̄Joining) 构建系统进化树ꎬ Bootstrap 值设为
1 000 重复ꎮ 用 ExPaSy 提供的在线 Protparam 软件 (ht ̄
tp: / / web.expasy.org / protparam / ) 进行氨基酸数目、 不稳
定系数、 理论等电点、 脂肪族氨基酸指数和蛋白质疏水
性的分析ꎮ
1􀆰 3  蓖麻 GATA基因的表达分析
实验蓖麻品种为淄博 306 (由淄博农业科学研究院
提供)ꎮ 为了探索蓖麻 GATA基因与光相关调控之间的关
系ꎬ 挑选在自然条件下生长了两个月的蓖麻ꎬ 将其顶端
第三片叶片用锡箔纸包裹 72 h 后ꎬ 取叶片进行后续实
验ꎬ 对照组正常生长ꎬ 至少重复 3 次实验ꎮ 用 Transgene
公司的 TRIzol plant RNA 抽提试剂盒提取叶片总 RNAꎬ
利用 Nanodrop测定 RNA 浓度和质量并用琼脂糖凝胶电
泳检测 RNA质量ꎮ 随后取 3 μg总 RNA用 Takara公司的
PrimescriptTM II 1st strand cDNA Synthesis Kit 试剂盒进行
反转录ꎮ RT ̄PCR引物序列见表 1ꎮ 用合成的 cDNA 为模
板进行 PCR扩增ꎬ 程序为 94 ℃预变性 4 minꎬ 94 ℃变性
30 sꎬ 55 ℃退火 30 sꎬ 72 ℃延伸 35 sꎬ 25个循环ꎬ 72 ℃
延伸 7 minꎮ 另外ꎬ 利用已公布的蓖麻表达谱数据 (Xu
等ꎬ 2013)ꎬ 调查了 GATA 基因在不同组织包括叶、 根、
授粉后 20天的种子 (种子 1)、 授粉后 35 天种子 (种子
2) 和授粉后 40天的胚乳中的表达情况ꎮ
2  结果与分析
2􀆰 1  蓖麻 GATA蛋白的鉴定及理化性质分析
通过 BLASTP 比对以及 Pfam和 SMART结构
分析ꎬ 本研究获得了 19 个蓖麻 GATA 同源蛋白
(表 2)ꎮ 对蓖麻 GATA蛋白进行理化性质分析发
现ꎬ 19个成员包含 122到 542个氨基酸数目不等ꎬ
表 1  RT ̄PCR引物序列
Table 1  Primer for RT ̄PCR
基因名称   
Gene name   
正向引物序列
Forward primer sequences
反向引物序列
Reverse primer sequences
扩增长度
PCR product length / bp
30131􀆰 m007120    TTTCTCACCAGCGAACTTGC CCGCTGGTTTTCTCTTTGCT 430
29904􀆰 m003012    GCGGAGGAAGAGCTTGAATG AACGTGGGACTACTAGCAGG 485
29794􀆰 m003323    GCCAGTGAAATTTACAGTCAAGT TGCTGCTTCTTCAACATCCTC 454
29912􀆰 m005322    CCCACCTCAAGAAGAAGTTGG GTCTTCATGGCTGCTGTGTC 564
29838􀆰 m001723    CTGTTGGGTCTGACAAGTGC GGTTCAGATTGAGGAGTCGTATTG 391
29838􀆰 m001724    TGGAGGTGGTGAGGAGTCTA CTTGTCCAGAACCCTGTGGTC 530
29596􀆰 m000720    CTGGTCCACATGGTCTAGAAGTTG TGCACATTCTTCCACACCAG 440
27940􀆰 m000323    AGGGGTTGTCCATGACTACAATC TGAATAAGCCTCATTTGTTGAGC 453
Actin    GAGCTTCGTGTTGCTCCTGAG TGGCCATCAGGAAGCTCATAG 461
5544期                        敖涛等: 蓖麻 GATA基因家族的鉴定和特征分析                             
表 2  蓖麻 GATA蛋白的理化性质分析
Table 2  Physical and chemical properties of castor bean GATA proteins
亚家族
Subfamily
基因座位
Gene loci
编码氨基酸
Coded amino acids
不稳定系数
Instability index
脂肪族氨基酸指数
Aliphatic index
等电点
pI
蛋白质疏水性
Hydrophobicity
29634􀆰 m002055 398 67􀆰 90 60􀆰 48 6􀆰 03 -0􀆰 58
30131􀆰 m007120 368 61􀆰 01 51􀆰 14 5􀆰 00 -0􀆰 73
亚家族 I 30146􀆰 m003524 338 52􀆰 36 51􀆰 75 6􀆰 22
-0􀆰 70
Subfamily I 30174􀆰 m008809 235 58􀆰 57 66􀆰 47 7􀆰 00
-0􀆰 62
29904􀆰 m003012 205 61􀆰 45 58􀆰 39 10􀆰 06   -0􀆰 81
27538􀆰 m000326 323 73􀆰 32 54􀆰 06 7􀆰 04 -0􀆰 80
27494􀆰 m000044 359 65􀆰 55 62􀆰 17 6􀆰 60 -0􀆰 58
29634􀆰 m002146 332 54􀆰 39 52􀆰 62 5􀆰 66 -0􀆰 70
28035􀆰 m000366 161 49􀆰 38 48􀆰 51 9􀆰 57 -1􀆰 02
亚家族 II 30128􀆰 m008883 151 67􀆰 83 54􀆰 97 10􀆰 27 
-0􀆰 83
Subfamily II 30076􀆰 m004701 122 40􀆰 33 60􀆰 82 9􀆰 53
-0􀆰 67
29794􀆰 m003323 186 41􀆰 02 53􀆰 60 9􀆰 68 -0􀆰 70
29912􀆰 m005322 312 54􀆰 52 58􀆰 21 9􀆰 16 -0􀆰 89
29889􀆰 m003248 149 55􀆰 24 61􀆰 61 9􀆰 79 -0􀆰 98
29596􀆰 m000719 327 44􀆰 86 70􀆰 64 4􀆰 84 -0􀆰 65
亚家族 III 29838􀆰 m001723 313 36􀆰 95 62􀆰 27 5􀆰 06 -0􀆰 66
Subfamily III 29838􀆰 m001724 311 45􀆰 07 61􀆰 77 5􀆰 07 -0􀆰 70
29596􀆰 m000720 324 38􀆰 55 59􀆰 23 7􀆰 73 -0􀆰 71
亚家族 IV
Subfamily IV 27940􀆰 m000323 542 53􀆰 97 73􀆰 36 6􀆰 53
-0􀆰 62
与已报道的物种拟南芥和水稻一致 (Reyes 等ꎬ
2004)ꎬ 各成员之间的氨基酸数目保守性很低ꎮ 对
蛋白亲 /疏水性进行预测ꎬ 发现 19个蛋白的 GRA ̄
VY值都为负值ꎬ 即蓖麻的 GATA蛋白都是亲水蛋
白ꎬ 只是亲水程度有所差异ꎮ 除 29838􀆰 m001723
和 29596􀆰 m000720属于稳定蛋白之外ꎬ 其余 17
个成员均为不稳定蛋白ꎮ 蓖麻 GATA蛋白理化性
质的分析可以为进一步的蛋白提纯、 活性和功能
研究提供理论基础ꎮ
2􀆰 2  蓖麻 GATA蛋白的分类和特征分析
根据系统进化关系、 结构域组成和内含子-外
显子构成ꎬ 将 GATA家族成员分成了四个亚家族ꎬ
亚家族 I 包含 7个成员ꎬ 亚家族 II 也包含 7 个成
员ꎬ 亚家族 III包含 4个成员ꎬ 亚家族 IV只包含 1
个成员ꎮ 进化树分析发现ꎬ 蓖麻 GATA蛋白主要分
为四个支ꎬ 且拓扑结构明显ꎬ 除 29889􀆰 m003248
之外ꎬ 各个亚家族的蛋白都分别聚在一支 (图
1: A)ꎮ 对各亚家族进行结构域分析发现ꎬ 亚家
族 I和亚家族 II 成员只含有一个 GATA 结构域ꎬ
而除 GATA结构域之外ꎬ 亚家族 III 的 4个成员都
含有一个额外的 CCT结构域ꎬ 其中 3个成员还含有
一个 TIFY结构域ꎬ 亚家族 IV 的 27940􀆰 m000323
还含有一个额外的 ASXH结构域 (图 1: B)ꎮ 在
拟南芥的报道中ꎬ 亚家族 I的成员还含有一个氨
基端的酸性结构域ꎻ 亚家族 III 只含有 GATA 结
构域和 CCT结构域ꎬ 而缺少 TIFY结构域ꎻ 亚家
族 IV 也缺少额外的 ASXH 结构域 ( Reyes 等ꎬ
2004)ꎬ 这些差异可能来源于检测方法和参数设
置的不同ꎮ 本研究重新用 Pfam 和 SMART 检测
了拟南芥 GATA蛋白的结构域组成ꎬ 在亚家族 I
中未检测到酸性结构域存在ꎬ 且在亚家族 III 的
所有成员中都检测到了 CCT结构域和 TIFY结构
域ꎬ 此外ꎬ 也在亚家族 IV 的所有成员中检测到
了 ASXH结构域 (数据未显示)ꎬ 与蓖麻 GATA
蛋白的结构域组成一致ꎮ
对 GATA家族成员的基因结构分析发现ꎬ 亚
家族 I含有两个外显子ꎬ 编码 GATA 结构域的基
因序列位于第二个外显子上ꎻ 亚家族 II 的基因
由两到四个外显子组成ꎬ 编码 GATA 结构域的
DNA序列被内含子隔开ꎬ 位于后两个外显子上ꎻ
亚家族 III 的基因由七到十一个外显子构成ꎬ 编
码锌指结构域的基因序列位于第五个外显子ꎻ 亚
654                                  植 物 分 类 与 资 源 学 报                            第 37卷
家族 IV由八个外显子组成ꎬ 编码 GATA 结构域
的 DNA序列也被内含子隔开ꎬ 位于前两个外显
子上 (图 1: C)ꎬ 这些基因结构特征与拟南芥非
常相似 (Reyes等ꎬ 2004)ꎮ 为了调查 GATA蛋白
的锌指结构域特征ꎬ 我们对蓖麻和拟南芥 GATA
蛋白的锌指结构域进行了序列比对ꎬ 并参考
Reyes等 (2004) 的标准ꎬ 标示了锌指结构域的
二级结构—四个 β 折叠和一个 α 螺旋 (图 2)ꎮ
比对结果显示ꎬ 除亚家族 III的锌指结构为 C ̄X2 ̄
C ̄X20 ̄C ̄X2 ̄C之外ꎬ 其余三个家族的锌指结构都
为 C ̄X2 ̄C ̄X18 ̄C ̄X2 ̄Cꎬ 与拟南芥的报道一致
(Reyes等ꎬ 2004)ꎮ 此外ꎬ 如图 2 所示ꎬ 锌指结
构域的很多氨基酸位点在所有蓖麻和拟南芥的
GATA成员中是高度保守的ꎬ 如 Cys ̄3ꎬ Cys ̄6ꎬ
Thr ̄13ꎬ Pro ̄14ꎬ Arg ̄17ꎬ Gly ̄19ꎬ Pro ̄20 以及第
二个半胱氨酸对的侧翼序列 (LCNACG)ꎬ 这些
保守的氨基酸可能与 GATA 转录因子的 DNA 结
合功能以及转录激活功能有关ꎮ 为了进一步探索
蓖麻和拟南芥 GATA 蛋白之间的系统进化关系ꎬ
用 19个蓖麻 GATA蛋白和 29个拟南芥 GATA蛋
白序列进行系统进化树分析ꎮ 如图 3所示ꎬ 蓖麻
和拟南芥的 GATA 蛋白被分为四个大支ꎬ 除
At5g26930之外ꎬ 各个亚家族的成员都单独聚在
一支ꎬ 说明 GATA蛋白在蓖麻和拟南芥中是同源
的ꎮ 综上所述ꎬ 蓖麻与拟南芥的 GATA成员在蛋
白结构、 基因结构和进化关系上都非常同源ꎬ 预
示着蓖麻的 GATA蛋白与拟南芥 GATA蛋白在植
物中发挥着相似的功能ꎮ 而 GATA转录因子各亚
家族基因结构和蛋白结构的差异预示着各亚家族
间基因功能的分化ꎮ
2􀆰 3  蓖麻 GATA基因的表达分析
我们首先利用已报道的蓖麻基因表达谱数据
调查了 GATA基因在根、 叶、 种子 1、 种子 2和胚
乳中的表达情况ꎮ 如图 4所示ꎬ 除 30146􀆰 m003524ꎬ
30076􀆰 m004701和 29889􀆰 m003248 之外ꎬ 其余 16
个基因在测序的五个组织中都检测到表达ꎬ 大部
分基因表现出明显的组织偏爱性表达ꎮ 几乎所有
的基因在种子 2和胚乳中表达量都很低ꎬ 只有 2
个基因 (29904􀆰 m003012 和 27940􀆰 m000323) 在
种子 1 中有较高的表达ꎻ 在根中ꎬ 有 3 个基因
(27940􀆰 m000323ꎬ 27538􀆰 m000326和 29904􀆰 m003012)
表达量较高ꎻ 而在叶中有 8个基因 (30131􀆰 m007120ꎬ
29904􀆰 m003012ꎬ 29794􀆰 m003323ꎬ 29912􀆰 m005322ꎬ
29838􀆰 m001723ꎬ 29838􀆰 m001724ꎬ 29596􀆰 m000720
和 29912􀆰 m005322) 表达量较高ꎬ 且 30131􀆰 m007120ꎬ
29794􀆰 m003323 和 29912􀆰 m005322为叶片偏爱性
表达基因ꎬ 强烈预示着 GATA 基因家族成员ꎬ 特
别是 3个叶偏爱表达基因在叶中发挥着重要功能ꎮ
大量文献报道 GATA家族转录因子参与了光相关
的调节过程ꎬ 而叶片是植物进行光合作用以及光
图 1  蓖麻 GATA成员的基因结构和功能域组成
A. 蓖麻 GATA蛋白的系统进化树分析ꎻ B. 蓖麻 GATA蛋白的功能域组成ꎻ C. 蓖麻 GATA家族成员
的基因结构分析ꎮ I ̄IV代表 GATA的四个亚家族
Fig􀆰 1  The gene structure and domain distribution of GATA members in castor bean
A. Phylogenetic analysis of GATA proteins in castor beanꎻ B. Domain distribution of castor bean GATA membersꎻ
C. Gene structure analysis of castor bean GATA genes. I ̄IV represent four subfamilies of GATA family
7544期                        敖涛等: 蓖麻 GATA基因家族的鉴定和特征分析                             
图 2  蓖麻与拟南芥 GATA蛋白锌指结构域的氨基酸序列比对ꎮ 底部的框标示锌指结构域的二级结构
Fig􀆰 2  Amino acid sequence alignment of Arabidopsis and castor bean GATA zinc finger domains. The bottom part
of the figure shows the secondary structure elements of zinc finger domains
应激的主要器官ꎬ 故我们重点挑选了 8 个在叶片
中表达较高的基因 (表 1)ꎬ 探索它们于正常生长
条件下和黑暗条件下在叶片中的表达情况ꎮ 结果
如图 5所示ꎬ 在黑暗处理后ꎬ 亚家族 III的两个基
因 (29838􀆰 m001723 和 29596􀆰 m000720) 表现出明
显下调ꎬ 亚家族 II 的一个基因 (29794􀆰 m003323)
也表现出一定的下调趋势ꎬ 暗示着这三个基因可
能参与了光相关的调节ꎮ
3  讨论
本研究从蓖麻的基因组中鉴定了 19个 GATA
家族成员ꎬ 和拟南芥 (29 个)、 水稻 (28 个) 相
比ꎬ 蓖麻的 GATA蛋白基因明显偏少ꎮ 在已报道
的 bZIP 转录因子家族 (Jin等ꎬ 2013) 和AP2 / ERF
转录因子家族 (Xu 等ꎬ 2013) 中也发现ꎬ 与其它
被子植物相比ꎬ 蓖麻含有较少的家族成员ꎮ 在蓖
麻中ꎬ GATA家族成员被分为 I-IV四个亚家族ꎬ
854                                  植 物 分 类 与 资 源 学 报                            第 37卷
图 3  蓖麻与拟南芥 GATA转录因子的系统进化树ꎮ I-IV分别代表 GATA家族的四个亚家族
Fig􀆰 3  The phylogenetic tree of GATA transcription factors in castor bean and Arabidopsis.
I-IV represents four subfamilies of GATA familyꎬ respectively
和同为双子叶植物的拟南芥一致 (Reyes等ꎬ 2004)ꎬ
且蓖麻与拟南芥 GATA成员在基因和蛋白结构上
非常相似ꎬ 同源性也很高ꎬ 暗示着蓖麻和拟南芥
GATA蛋白具有相似的功能ꎮ 但是ꎬ 已报道的单
子叶植物水稻中的 GATA成员与拟南芥和蓖麻的
GATA成员在基因结构和蛋白结构上具有很大的
差异ꎬ 水稻的 GATA蛋白被分为六个亚家族 (亚
家族 Iꎬ IIꎬ IIIꎬ Vꎬ VIꎬ VII)ꎬ 缺少亚家族 IVꎬ 而
亚家族 V含有 ZnF PMZ结构域和 FAR1 结构域ꎬ
亚家族 VI含有两个 GATA 结构域ꎻ 此外ꎬ 亚家
族 Vꎬ VI和 VII还具有异于拟南芥和蓖麻的基因
结构ꎬ 如亚家族 VII只含有一个外显子 (Reyes等ꎬ
2004)ꎬ 这些差异预示着 GATA 家族在单、 双子
叶植物中可能存在结构和功能的分化ꎬ 有待进一
步研究ꎮ
本研究在 GATA蛋白中鉴定了两个新的结构
域 (TIFY 结构域和 ASXH 结构域)ꎬ TIFY 是一
个植物特异的蛋白结构域ꎬ 被认为与蛋白结合有
关ꎬ 广泛存在于 JAZ (JASMONATE ZIM ̄domain)
蛋白家族和 PEAPOD (PPD) 蛋白中ꎬ 可能广泛
参与了茉莉酸相关的信号途径 (Bai 等ꎬ 2011ꎻ
Vanholme等ꎬ 2007ꎻ Chini 等ꎬ 2009ꎻ Melotto 等ꎬ
2008)ꎮ 目前关于 ASXH 结构域的研究主要集中
在动物中ꎬ 被认为与多梳型复合蛋白的结合有关ꎬ
含有 ASXH结构域的 ASXL 1ꎬ ASXL 2 和 ASXL 3
通过与多梳复合蛋白结合而广泛参与了表观标记
9544期                        敖涛等: 蓖麻 GATA基因家族的鉴定和特征分析                             
(泛素化与甲基化) 和转录水平的调控ꎬ 进而参
与调节骨骼和心脏发育、 恶性骨髓疾病和肝癌、
前列腺癌等疾病的形成 (Aravind和 Iyerꎬ 2012ꎻ
图 4  蓖麻 GATA基因在不同组织中的表达谱热图
将 DGE测序的数据用 log2标准化后作图ꎬ 有颜色的标尺
代表的是 log2标准化后的表达数据
Fig􀆰 4  Heatmap represents the expression profiles of castor
bean GATA genes in different tissues
This heatmap was generated based on the DGE expression data
(normalized log2) . The color scale (representing log2
signal values) is shown at the top
图 5  半定量 RT ̄PCR检测蓖麻叶片中 GATA基因在黑暗
处理下的表达情况 (1ꎬ 2ꎬ 3代表实验的三个重复)
Fig􀆰 5  Semi ̄quantitative RT ̄PCR analysis of GATA genes
expression level in castor leaf under dark treatment
(1ꎬ 2ꎬ 3 represent three repeat experiments)
Gelsi ̄Boyer等ꎬ 2012ꎻ Katohꎬ 2013)ꎬ ASXH结构
域在植物中的功能需要进一步研究ꎮ
表达分析发现ꎬ GATA 基因的表达具有明显
的组织偏爱性ꎬ 有 8个成员在叶中高表达ꎬ 3 个
成员在根中高表达ꎬ 而大部分成员在种子中的表
达很低ꎻ 在拟南芥中ꎬ GATA 基因在根和叶中表
达量也很高 (Manfield等ꎬ 2007)ꎬ 这些结果预示
着 GATA转录因子可能广泛参与了根和叶相关的
生物学过程ꎮ 研究报道ꎬ 拟南芥的 GATA 成员
GNC和 CGA 1 广泛参与了叶绿素水平、 叶绿体
大小、 光合效率和碳、 氮代谢的调节 ( Bi 等ꎬ
2005ꎻ Hudson等ꎬ 2011ꎻ Chiang等ꎬ 2012)ꎮ 这两
个成员的水稻同源基因 Os02g12790 和杨树同源
基因 PdGNC也在调节叶绿素水平和碳、 氮代谢
中发挥重要作用 (Hudson 等ꎬ 2013ꎻ An 等ꎬ 2014)ꎮ
在蓖麻中ꎬ 其同源基因 27940􀆰 m000323 在根和
叶中表达量都很高ꎬ 预示着 27940􀆰 m000323 在
调节叶绿素水平和碳、 氮代谢中的潜在功能ꎮ 为
了进一步探索在叶片中高表达的 GATA 基因与光
相关调控的联系ꎬ 我们调查了这些基因在黑暗条
件和正常生长条件中的表达情况ꎬ 找到了三个在
黑暗处理时表达下调的基因 (29794􀆰 m003323ꎬ
29838􀆰 m001723 和 29596􀆰 m000720)ꎬ 这三个基
因的拟南芥同源基因在黑暗处理后都表现出明
显的表达下调 (Manfield等ꎬ 2007)ꎮ 其中亚家族
II的 29794􀆰 m003323 是拟南芥 GNC 和 CGA 1 基
因的同源基因ꎬ 进一步预示着 27940􀆰 m000323
在调节叶绿素水平和光合效率中的潜在功能ꎮ
29838􀆰 m001723 和 29596􀆰 m000720 属于亚家族
IIIꎬ 目前关于植物中亚家族 III 的 GATA 成员的
功能研究较少ꎬ 其在光相关调控中的功能需进一
步探索ꎮ 在所检测的三个蓖麻亚家族 III 成员中
有两个在黑暗处理下表达下调ꎬ 且拟南芥中所有
的亚家族 III 成员都表现出黑暗处理下调ꎬ 暗示
着亚家族 III 的 GATA 成员可能在光相关调控中
发挥重要作用ꎮ 从结构上看ꎬ 蓖麻和拟南芥的亚
家族 III成员都含有 CCT结构域ꎬ 且大部分还含
有 TIFY结构域ꎬ 这两个结构域都与蛋白之间的
结合有关 (Chini等ꎬ 2009ꎻ Melotto等ꎬ 2008ꎻ Bai
等ꎬ 2011ꎻ Robson 等ꎬ 2001ꎻ Griffiths 等ꎬ 2003)ꎬ
可能通过结合光相关通路蛋白而参与相关过程的
调节ꎮ
064                                  植 物 分 类 与 资 源 学 报                            第 37卷
蓖麻是一种非常重要的非食用油料作物ꎬ 蓖
麻油是非常良好的生物柴油原料ꎬ 提高蓖麻的生
产量是生物柴油产业快速发展的必经之路ꎬ 所以
提高蓖麻产量方面的研究具有重要的现实意义ꎮ
本研究鉴定了与蓖麻产量息息相关的 GATA 家
族ꎬ 并对其系统进化、 理化性质、 基因结构、 结
构域组成、 时空表达和黑暗处理后的表达情况进
行了详尽分析ꎬ 为深入研究 GATA 基因家族的生
物学功能ꎬ 探索蓖麻光相关调控的分子机制以及
提高蓖麻产量提供了非常重要的理论基础和指导
意义ꎮ
〔参  考  文  献〕
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