全 文 ：科技导报 2014，32（31） www.kjdb.org
收稿日期：2014- 09- 16；修回日期：2014- 10- 08
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目（20123250110001）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2011CB100100）；国家自然科学基
金项目（31371632，31200943，31171187）；江苏省自然科学基金项目（BK2012261）；江苏省高校自然科学研究重大项目（14KJA210005）；江苏
省“青蓝工程”科技创新团队项目
作者简介：杨泽峰，副教授，研究方向为植物功能基因组学与生物信息学，电子信箱：zfyang@yzu.edu.cn；徐辰武（通信作者），教授，研究方向为数量遗传
学与生物信息学，电子信箱：qtls@yzu.edu.cn
引用格式：杨泽峰,徐暑晖,王一凡,等.禾本科植物β-淀粉酶基因家族分子进化及响应非生物胁迫的表达模式分析[J].科技导报, 2014, 32(31): 29- 36.
禾本科植物β- 淀粉酶基因家族分子进
化及响应非生物胁迫的表达模式分析
杨泽峰，徐暑晖，王一凡，张恩盈，徐辰武
扬州大学农学院；教育部植物功能基因组学重点实验室；江苏省作物遗传生理重点实验室，扬州 225009
摘要 β-淀粉酶（beta- amylase，BAM）是一类关键的淀粉水解酶，在禾谷类作物生长发育过程中起着重要作用，与植物多种非
生物胁迫响应相关。本研究通过系统发育分析，将水稻、玉米、高粱、谷子、二穗短柄草5种禾本科植物中共54个BAM基因分为
10个同源基因簇，每个同源基因簇都涵盖了这5个物种，因此推测在禾本科祖先物种中至少含有10个BAM基因，并且在禾本科
植物分化后没有发生明显的基因丢失事件。基于对编码蛋白质序列的功能分化分析，表明同源基因簇间存在明显的进化速率的
差异。对10个同源基因簇进行了适应性进化检测，发现有3个同源簇在禾本科植物的进化过程中经历了适应性进化。此外，对
水稻β-淀粉酶的表达分析发现，一些β-淀粉酶具有组织特异性表达特征，并且至少有5个水稻的β-淀粉酶基因具有受到非生物
逆境的胁迫而表现出不同的表达模式。本研究结果为进一步探讨禾本科BAM基因的生物学功能提供了一定的理论基础。
关键词 β-淀粉酶；同源基因簇；功能分化；正选择作用
中图分类号 Q943.2 文献标志码 A doi 10.3981/j.issn.1000- 7857.2014.31.002
Molecluar Evolution and Expression Patterns Under Abiotic
Stresses of Beta- amylaseGeneFamily in Grasses
Abstract Beta- amylase (BAM) plays a central role in the complete degradation of starch tometabolisable or fermentable sugars
during the germination or maltingof cereal grains. It was found to be involved in the abiotic stress responsesof crops. A genome- wide
survey of BAM genes in 5 grass species was performed, including rice, maize, sorghum, Setaria, and Brachypodium, by describing
their phylogenetic relationships, functional divergence, and adaptive evolution. The phylogeny classified the gramineous BAM genes
into 10 clusters of orthologous genes (COGs), and the genes in the same COG shared the syntenic region. Functional divergence
analysis provided statistical evidence that both the shift in the evolutionary rate pattern and cluster- specific alterations of amino acid
physiochemical properties contributed to COG- specific functional evolution of BAM genes in grasses. In addition, 3 COGs were found
to be influenced by positive selection through maximum likelihood analysis. The expression patterns of rice BAM genes were
investigated, and the resultsrevealed that they were differentially expressed under the treatments of abiotic stresses. These
observations may provide useful references for further functional detection of BAM genes in grasses.
Keywords beta- amylase; cluster of orthologous genes; functional divergence; positive selection
YANG Zefeng, XU Shuhui, WANG Yifan, ZHANG Enying, XU Chenwu
Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology; Key Laboratory of the Ministry of Education for Plant Functional
Genomics; Agricultural College, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
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淀粉是一种葡萄糖的高聚体，是植物体内储存的主要养
分。细胞中淀粉代谢过程参与了很多植物本身的重要的生
长发育过程，包括禾谷类种子萌发、叶片的光合作用、块根中
养分储存以及肉质果的生长发育过程等[1]。植物种子萌发过
程中需要消耗大量淀粉，淀粉降解需要4种有活性的水解酶
（GH）：α-淀粉酶、β-淀粉酶、极限糊精酶以及α-葡萄糖水解
酶。在这些酶的协同作用下，淀粉可以水解成为葡萄糖，从
而为种子萌发初期提供养分[2]。β-淀粉酶是一种外切酶，当
作用于淀粉时，将从非还原性末端逐次以麦芽糖为单位切断
α- 1,4-葡聚糖链，从而产生麦芽糖和有限糊精 [3]。很多研究
表明，β-淀粉酶在植物萌发以及生长发育过程中起到重要作
用。例如，在谷类种子萌发中，β-淀粉酶在淀粉水解成可发
酵性糖的过程中发挥了关键性作用[3]。
糖苷酶亦称糖苷水解酶，是作用于各种糖苷或寡糖使糖
苷键水解的酶的总称。β-淀粉酶属于糖苷水解酶家族14，含
有一个保守结构域Glyco_hydro_14结构域（PF01373）。这个
保守结构域含有2个高度保守的区域，分别位于N端以及另
外一个相对中心的位置[4]。研究证明，β-淀粉酶在许多植物
中表现为多基因家族。例如，拟南芥基因组中可能含有9个
β-淀粉酶基因（BAM1~BAM9）[5]。其中，AtBAM1~AtBAM4为叶
绿体质类型并且在淀粉降解中发挥不同的作用；AtBAM3是
夜间叶片淀粉降解主要的催化基因；而AtBAM4对AtBAM1和
AtBAM3基因编码的酶活性有调控作用。拟南芥中2个在根
系生长发育过程中起关键作用的转录因子 AtBAM7和
AtBAM8分别结合了一个顺式作用元件，其中都包含一个G
box和一个类似BR-反应元件[6]。通过分子克隆等生物学方
法已分别从水稻、大麦、黑麦、小麦、玉米中克隆出多个β- 淀
粉酶编码基因[7]。根据形式不同可将禾本科β-淀粉酶分为2
类：一类主要在胚乳中，一类普遍存在于植物的各个器官中。
禾本科植物是世界上分布最广泛、最丰富的开花植物，
有着重要的经济价值。禾本科植物不仅仅是人类和牲畜粮
食主要来源，其各部分器官还能加工成为各种副产品，例如，
食糖、酒精等人类生活的必需品以及工业生产的原材料。β-
淀粉酶是禾本科植物淀粉分解过程中的一种关键酶。然而，
关于β-淀粉酶编码基因的适应性进化模式研究却较为鲜
见。本研究利用生物信息学手段，对5种已完成测序工作的
禾本科植物的β-淀粉酶基因（BAM）的系统发育、适应性进化
及不同非生物胁迫下的表达模式进行探讨。
1 材料与方法
1.1 禾本科植物BAM基因信息来源
从Phytozome V9.1数据库 [8]中下载获得 5种禾本科植物
（水稻、玉米、高粱、谷子、二穗短柄草）β-淀粉酶基因的相关
序列信息，利用Pfam[9]工具鉴定获得的候选BAM基因编码蛋
白中是否含有保守结构域Glyco_hydro_14 domain (PF01373)，
若存在，则确定为BAM基因并留做下一步研究。
1.2 序列分析软件
对蛋白质的多序列比对采用Clustal X软件[10]进行，参数
为默认。系统发育树分别用MEGA 5.1[11]软件中的Neighbor-
joining（邻接法，NJ）法、PhyML 3.0[12]软件的 Maximum
likelihood（极大似然法，ML）法构建。ML树构建参数设置
为：JTT模型，非可变位点估计比率，4种等级类型，gamma分
布参数估计以及最佳起始BIONJ树。JTT模型还可以用于构
建NJ树。bootstrap重抽样进行了100次。进化树分枝长度和
系统进化树构建采用PhyML软件完成。系统进化树的显示
利用MEGA软件。
1.3 功能分化分析
为了估算基因家族内不同同源基因簇之间的功能分化，
本研究采用DIVERGE[13]软件。两个同源簇在某些位点的进化
速率不同从而导致功能约束的改变，这样的功能分化称为 I型
功能分化；II型功能分化是指两个同源簇之间进化速率和早期
不同，主要是理化性质的改变。同源簇之间功能分化系数θ是
对这种进化速率的一种定量性描述。本研究利用DIVERGE软
件通过计算不同同源簇之间 I型和 II型功能分化系数 、 ，
并通过似然比测验（LRT）对鉴定结果进行验证。
1.4 正选择作用检测
采用PAL2NAL软件[14]将蛋白质序列的比对转换成相应的
核苷酸序列，将结果输出到PAML软件[15]作下一步处理。利用
PAML软件中的codeml程序，采用极大似然检验法（M0/M3，M7 /
M8）检测不同位点的 值（非同于替换率和同义替换率的比值，
）。M3/M0模型之间似然比检验了位点间是否存在选择压
力的差异，M7/M8模型比较用于检测正选择作用，对这2对模型
用统计量2ΔlnL依 分布进行似然比值检验（likelihood ratio
test），自由度（DF）为两个模型参数数目的差值。本研究中M0/
M3模型的自由度为3，M7/M8的自由度为2[16]。
1.5 微阵列数据分析方法
微阵列数据从GEO开放数据库中下载得到，所用数据库
的登录号分别为：GSE7951（水稻基因在9种组织中的表达数
据）、GSE6901（水稻基因干旱、低温和盐胁迫处理下的表达数
据）以及GSE14275（水稻基因在热激条件下的表达数据）。
将所得微阵列数据用 dChip v2010（http://www.hsph.harvard.
edu/cli/complab/dchip/）进行聚类分析并展示水稻BAM基因表
达模式。采用集成在Microsoft Excel中的SAM[17]软件比较所
得基因表达量，标准采用2倍以上表达差异。
2 结果与分析
2.1 BAM基因系统进化分析
大量研究表明，植物BAM是个多基因家族，本研究通过
对5种禾本科植物（水稻、玉米、高粱、谷子以及二穗短柄草）
全基因组研究证实了这一观点。首先，在Phytozome数据库
中搜索了5种禾本科植物的BAM基因，并根据是否含有保守
结构域（Glyco_hydro_14domain）对其进行鉴定，含有该保守结
构域的基因被保留下来用做进一步分析。共鉴定出 54个
BAM基因（表1），其中水稻有10个，玉米13个，二穗短柄草11
个，高粱和谷子各10个。这54个BAM基因分别根据它们在
每个物种中的染色体位置命名。
30
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物种
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Oryza sativa
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Zea mays
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Brachypodium distachyon
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Sorghum bicolor
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
Setaria italica
基因
OsBAM1
OsBAM2
OsBAM3
OsBAM4
OsBAM5
OsBAM6
OsBAM7
OsBAM8
OsBAM9
OsBAM10
ZmBAM1
ZmBAM2
ZmBAM3
ZmBAM4
ZmBAM5
ZmBAM6
ZmBAM7
ZmBAM8
ZmBAM9
ZmBAM10
ZmBAM11
ZmBAM12
ZmBAM13
BdBAM1
BdBAM2
BdBAM3
BdBAM4
BdBAM5
BdBAM6
BdBAM7
BdBAM8
BdBAM9
BdBAM10
BdBAM11
SbBAM1
SbBAM2
SbBAM3
SbBAM4
SbBAM5
SbBAM6
SbBAM7
SbBAM8
SbBAM9
SbBAM10
SiBAM1
SiBAM2
SiBAM3
SiBAM4
SiBAM5
SiBAM6
SiBAM7
SiBAM8
SiBAM9
SiBAM10
编号
LOC_Os01g13550
LOC_Os02g03690
LOC_Os03g04770
LOC_Os03g22790
LOC_Os07g35880
LOC_Os07g35940
LOC_Os07g47120
LOC_Os09g39570
LOC_Os10g32810
LOC_Os10g41550
GRMZM2G450125
GRMZM2G347708
GRMZM2G082034
GRMZM2G007939
GRMZM5G803981
GRMZM2G175218
GRMZM2G069486
GRMZM2G025833
GRMZM2G058310
GRMZM2G181284
GRMZM2G446515
GRMZM2G077202
GRMZM2G035749
Bradi1g18390
Bradi1g25440
Bradi1g25447
Bradi1g62400
Bradi1g75610
Bradi2g00824
Bradi2g08187
Bradi3g02800
Bradi3g28210
Bradi3g33730
Bradi4g38630
Sb01g019850
Sb01g028700
Sb01g035370
Sb01g047500
Sb02g012320
Sb02g035590
Sb02g035600
Sb02g042220
Sb03g000480
Sb04g002450
Si016592m
Si028957m
Si029378m
Si033152m
Si032033m
Si000924m
Si035044m
Si034983m
Si034947m
Si034946m
蛋白序列
566
680
557
524
600
488
523
533
535
544
573
509
537
551
595
539
651
544
488
531
679
537
553
537
488
580
518
573
499
556
659
534
548
677
547
557
529
564
469
604
488
531
442
566
655
810
563
531
524
544
543
557
563
563
内含子数目
3
10
3
1
5
6
3
8
3
3
2
2
1
3
6
3
9
2
6
2
9
3
3
2
6
4
1
1
10
3
9
3
1
8
0
3
1
2
8
6
6
1
3
7
9
9
3
7
1
3
2
3
1
2
染色体位置
1
2
3
3
7
7
7
9
10
10
1
1
1
1
2
3
4
5
7
7
7
8
9
1
1
1
1
1
2
2
3
3
3
4
1
1
1
1
2
2
2
2
3
4
1
2
2
2
2
4
9
9
9
9
位置
7578091~7582923
1539488~1548149
2272965~2276401
13161913~13164014
21471055~21473327
21503815~21506356
28178236~28181579
22713280 - 22717110
17180757~17183465
22324198~22327665
9057041~9060022
60022740~60024593
60087923~60089930
95188932~95192571
204170827~204173732
1536020~1540295
239081202~239093194
30775043~30777461
155357370~155360570
171860442~171862785
62300598~62305837
29211106~29216116
114176716~114179596
14765285~14767168
20669626~20672534
20674474~20676627
61645584~61647544
72493249~72496562
508715~513118
6579347~6586085
1756675~1762544
29556156~29558022
36109354~36111917
43459903~43464924
21751511~21753698
50104773~50107537
58904172~58906158
70592880~70595781
20582813~20592033
69981839~69984625
69991535~69994435
75926839~75928531
332927~336164
2235466~2239975
8672419~8678661
15516601~15521488
42485434~ 42487777
42511222~42514352
47690524~47692184
302114~306028
17299082~17301322
36577745~36580943
46359875~6362007
56513552~56516833
表1 5种禾本科植物BAM基因基本信息
Table 1 Summary of 54 BAM genes identified in 5 gramineous genomes
31
科技导报 2014，32（31）www.kjdb.org
从蛋白质长度来看，这54个基因编码的蛋白长度跨度从
442~841aa不等，除了高粱SbBAM1基因，其余53个基因编码
区中均含有内含子，且数目差异较大。
为了研明禾本科植物BAM基因系统进化关系，本研究对
供试的5种禾本科植物共54个BAM基因编码的蛋白质序列
进行了多重序列比对。然后，分别利用ML法和NJ法构建系
统发育树。这2个进化树拓扑结构相似，且NJ法具有较高的
bootstrap支持，因此本文主要以NJ法构建的系统发育树进行
分析（图1）。根据系统发育树，可以将54个禾本科植物BAM
基因分成10个同源基因簇（COG1- 10），每一同源基因簇均具
有较高的bootstrap支持率。由于每个同源基因簇都涵盖了这
5种禾本科植物，因此推测在禾本科祖先物种中至少含有10
个BAM基因，并且在禾本科植物分化之后没有发生明显的基
因丢失事件。但是有4个基因簇中分别都包含了6个BAM基
因，说明在禾本科植物从祖先物种分化之后发生了基因重复
事件。例如，COG8中包含2个短柄草BAM基因，说明在短柄
草基因组中发生了一次基因重复事件，且发生在从其他禾本
科植物中分化后。玉米基因组中的BAM基因数目比其余 4
个物种的都多，证明玉米基因组进化过程中也发生了基因重
复事件，并且不止一次。
在基因家族的系统进化研究中，外显子/内含子结构分析
具有重要意义[18]。本研究系统分析了5种禾本科植物基因组
中共 54个 BAM基因的外显子/内含子结构，结果发现，除
SbBAM1外，其他BAM基因编码区中至少含有 1个内含子。
并且每一同源簇中基因的外显子/内含子结构高度保守，表明
这些BAM基因的外显子/内含子基本特征在禾本科植物分化
之前就已经形成。例如，COG4中的6个BAM基因均含有3个
内含子，并且这些内含子的位置高度保守（图1）。另外，在结
构分析的过程中还发现存在内含子获得/丢失现象。例如，
COG10中绝大多数基因只含有 1个内含子，只有玉米
ZmBAM2基因含有 2个。通过比较发现，ZmBAM2基因中第
一个内含子是通过复制产生的。此外，COG2中大部分基因
均含有2个内含子，而SbBAM1没有内含子，应该是内含子丢
失事件所致。
图1 5种禾本科植物BAM基因系统发育树及外显子/内含子结构
Fig. 1 Phylogenetic tree of gramineous BAM genes and their exon/intron structures
32
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2.2 BAM同源簇之间的功能分化分析
本研究利用DIVERGE 2.0软件 [13]，对经过比对的氨基酸
序列进行功能分化分析。根据构建的系统发育树，将禾本科植
物54个BAM基因划分为10个同源基因簇。利用DIVERGE 2.0
软件，对这10个同源簇的功能分化参数（I型和 II型）进行极
大似然法估计。ML法可以分别估算不同同源簇之间进化速
率以及氨基酸位点的显著差异[19]，这种方法的一个优点是可
以利用氨基酸序列估算进化速率，从而降低对同义替换位点
的饱和性的敏感性[18]。本研究分别对10个同源簇两两之间
进行功能分化比较，因此共进行了45次估算比较。对 I型功
能分化系数（ ）估算发现，除了COG1/COG2，COG2/COG3和
COG3/COG4，其余 42对同源簇之间 都达到显著水平（P<
0.05）。同时，有 43对同源簇之间的 也达到了显著水平。
其中有41对的 和 都达到显著水平，说明同源簇间进化
速率和氨基酸特性的特异性差异都对它们的功能性分化起
到重要作用。值得一提的是，COG1/COG2之间 和 估算
结果都不显著，很可能这2个同源簇中的基因在某些方面发
挥了相似的功能。
利用功能分化的后验概率（ ）来鉴定不同同源簇之间
的功能分化位点。 值越大，表明两个同源簇之间相同位点
存在进化速率和氨基酸特性差异的可能性越大[19,20]。本研究
利用 和 分别作为检测同源簇之间 I型、II型
功能分化的后验概率阈值[21]。在本研究中检测到的42对存
在 I型功能分化的同源簇中，有 39对能鉴定到 的位
点；在43对存在 II型功能分化的同源簇中，有39对能鉴定到
的位点。例如，COG1/COG7这2个同源簇间有明显的
I型功能分化，并且检测到42个有较高概率的氨基酸位点（图
2）。其中有 38个位点在COG1中保守而在COG7中变化较
大，其余4个位点反之。但是在77个与 II型功能分化显著相
关的位点则有不同的表现，在成对比较的两个同源簇中，这
些位点在其中一个同源簇中高度保守，在另一个同源簇中则
高度分化。
2.3 BAM同源簇之间的适应性进化分析
由于位点特异性模型能有效地估算同源基因的正选择
作用，所以本研究选择该模型鉴定经历正选择作用的BAM基
因以及相应的正选择位点。在位点特异性模型下，每个位点
上的 （ ）值不同，当 >1，即 >1时，则认为经历
了正选择作用[22]。为了深入研究禾本科植物BAM基因经历
的正选择作用，分别对每个COG都进行了适应性进化分析。
首先通过比较M0和M3模型估算每个氨基酸位点的 值，从
而判断每个同源簇在进化过程中是否存在不同的选择压力
（表2）。结果表明，M0模型下获得的 平均值为0.1339，表
明纯化选择是禾本科植物BAM基因在进化过程中受到的主
要选择压力。然而所有同源簇的M3/M0似然比检验结果都
显著，说明这些同源簇在进化过程中经历的选择压力可能差
异性较大。
图2 COG1和COG7氨基酸位点比对
Fig. 2 Alignment of BAM proteins in COG1 and COG7
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通过M8/M7、M8/M8a模型的似然比检验来确定禾本科植
物每个BAM同源簇中是否有正选择位点。检测结果发现，在
10个同源簇中有6个在M8/M8a的似然比检验下检测出受到
正选择作用影响；M8/M7下只检测到 3个（COG6，COG7和
COG9）。另外，将所有在M8/M7下的检测结果均在M8/M8a
模型下检出。这些结果说明正选择作用对禾本科植物BAM
基因中至少3个同源簇的进化起到重要作用。为了鉴定出这
些同源簇中经历正选择作用的位点，在M8模型下做了贝叶
斯[23]后验概率估计。通过估算发现，这3个同源簇中分别有
7，20和10个后验概率大于50%的氨基酸位点，这一结果表明
正选择作用对这3个同源簇（COG6，COG7和COG9）的功能性
分化具有重要作用。
2.4 非生物胁迫下水稻BAM基因的表达谱分析
非生物胁迫对于植物正常生长、发育以及结实过程具
有极大影响作用 [24]。为阐明BAM基因在植物逆境过程中的
作用，进一步分析了水稻BAM基因在不同非生物胁迫下的
表达特征。结果表明，水稻BAM基因的表达模式受多种非
生物胁迫的调控，如干旱、高温、低温以及盐胁迫等（图 3）。
微阵列数据显示，在不同胁迫处理下，水稻BAM基因表达模
式差异较大。例如，在4种胁迫处理下，OsBAM4和OsBAM10
基因表达都明显上调；OsBAM3基因在低温处理下无表达上
调趋势；而OsBAM9基因仅在干旱和盐处理下表达量明显增
加。同时，本研究设定 2倍差异作为基因表达的标准，发现
没有基因的在逆境条件下表达下调。本研究都表明禾本科
植物 BAM基因家族可能参与了多种非生物胁迫的响应
过程。
已有研究证明，很多BAM基因之间的表达模式差异较
大。如大麦Bmy1基因只在胚乳中表达，而其同源基因Bmy2
的表达并不表现组织特异性[25]。为了更好地了解禾本科植物
BAM基因的功能，本研究组调查了水稻9种组织中BAM基因
的表达模式，发现部分水稻BAM基因呈现明显的组织特异
性。OsBAM3、OsBAM6、OsBAM7、OsBAM8和OsBAM9基因主
要在花药中表达（图3），这些基因可能在水稻生殖生长过程
中发挥了重要作用。
同源簇
COG1
COG2
COG3
COG4
COG5
COG6
COG7
COG8
COG9
COG10
M0模型
值
0.0747
0.0930
0.0966
0.1480
0.1905
0.1257
0.2014
0.1271
0.0871
0.1951
（M3/M0）
146.0849**
171.2139**
154.7483**
25.1146**
110.1256**
101.8675**
129.7076**
134.3305**
217.9859**
172.5371**
（M8/M7）
1.8371
0.7677
4.4181
1.1673
3.5924
7.9661*
6.1525*
5.0598
23.6633**
0.7926
（M8/M8a）
0.1605
0.0016
4.1010*
0.0019
2.6080
7.3297**
3.6122*
4.1233*
16.8038**
5.0585*
M8模型下参数估计值
，
正选择位点
NAN
NAN
21K, 46A, 49S, 53A, 54T, 60E, 69Q,
70Q, 174P, 327H ,388D
NAN
NAN
16A, 17T, 31P, 34F☆☆, 275M, 358G,
546V
2K, 6Q, 7R, 8D☆, 10E, 11P, 12S, 18Q,
24F, 27T, 31S, 105N, 114L, 115H,
117V, 191M, 193S, 293I, 297L, 560E
3P, 4V☆, 5A, 6E, 8A☆, 9A, 13P, 114V,
221N, 224R, 246M, 265L, 394S, 395K
8S, 14Q, 18A, 9P☆, 21G, 22R, 30P,
505N☆☆, 506T, 507R
24R, 37V, 44S, 68T, 223Q, 232Q,
448A, 463P
表2 “位点”特异性模型下5种禾本科植物BAM同源基因簇的正选择检测
Table 2 Detection of positive selection under site- specific models for each BAM COG in grasses
注：∗表示在0.05水平上的差异显著性，∗∗表示在0.01水平上的差异显著性；☆表示后验概率大于95%，☆☆表示后验概率大于99%。
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3 讨论
基因家族（gene family）是由一个祖先基因经过重复和变
异产生的，其基因序列尤其是编码的蛋白质序列具有明显的
相似性。基因家族的成员分布主要有两种形式，一种是形成
同源簇，如玉米中22- kD醇溶蛋白基因家族的大部分成员成
簇分布在同一条染色体的168kb区域内[26]；另一类是基因家
族成员成簇地分布在不同的染色体上，如珠蛋白基因家族。
在不同物种中，BAM基因数目的不同主要是由BAM基因家族
的物种特异性扩张所致，而物种特异性扩张的主要形成方式
是基因重复。为了进一步分析鉴定出的禾本科植物BAM基
因家族成员的基因重复模式，本研究组分别查找了这些旁系
同源基因的物理位置，若位于染色体的同一区段或者相邻区
段则起源于串联重复；接着通过查找一对旁系同源基因的
上、下游是否存在其他旁系同源基因来判断是否起源于片段
复制。据此标准发现，COG10中ZmBAM2/ZmBAM3这对玉米
旁系同源基因起源于一次串联重复事件，因为它们位于同一
染色体区域。而另外两对，玉米ZmBAM4/ZmBAM13基因与
短柄草BdBAM6/BdBAM11基因则起源于片段复制，因为在这
两对同源基因的两侧都发现了其他高度保守的同源基因。
基因重复为新功能的产生提供了丰富的遗传物质基
础 [27]。通过遗传和变异，可以产生具有“新功能化”或者“亚
功能化”的基因，使物种获得新的功能从而更好地适应生存
环境。例如，本研究通过序列比对以及构建系统发育树检
测到禾本科植物基因组中存在多次基因重复事件，功能分
化分析发现不同同源基因簇间存在明显的进化速率的差
异，同时表达分析也证实了水稻BAM基因的表达模式具有
多样性。尤其当对水稻BAM基因在生殖发育各阶段的表达
模式进行研究发现，大部分基因主要在开花到种子阶段表
达，因此水稻BAM基因的表达很可能与生长发育过程有密
切关系。
4 结论
在植物中，β-淀粉酶能将直链淀粉分解成麦芽糖，在植
物萌发以及生长发育过程中起到重要作用。本研究基于生
物信息学方法，对β-淀粉酶在禾本科植物中的进化模式及水
稻BAM基因的非生物胁迫表达模式进行分析。研究结果表
明，在供试5个禾本科植物基因组中分别含有10~13个BAM
基因，并形成了10个同源基因簇，表明禾本科植物祖先物种
含有 10个BAM基因。在供试基因组中，该基因家族没有明
显的基因丢失现象，但在玉米和二穗短柄草基因组中分别有
3次和1次基因重复事件。同源簇之间存在明显的进化速率
的差异，可能有助于产生同源簇特有的功能。适应性进化分
图3 水稻BAM基因表达谱分析
Fig. 3 Gene- expression patterns of rice BAM genes
（a） 在9个组织中 （b） 在干旱、盐及低温胁迫处理下 （c） 在热胁迫处理下
（d） 在生殖发育的各阶段
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析表明，至少有3个BAM基因粗受到正选择作用的影响。基
于微阵列数据的表达分析表明，水稻部分BAM基因表现出组
织特异性表达模式，并受到干旱和盐害等非生物胁迫的
诱导。
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（责任编辑 吴晓丽）
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