全 文 ：收稿日期:2014-07-20
作者简介:李 骞(1988 －) ，男，湖南长沙人，硕士研究生，Email:biningli@ 126. com。* 通信作者:陈金军，副教授，Email:chhncjj@
163. com。
基金项目:国家自然科学基金项目(30900242;31071943;31272339);湖南省自然科学基金项目(14JJ3093) ;湖南省教育厅项目(10B049) ;
湖南省科技厅项目(2012NK4048;2013NK4003;2014NK3048) ;长沙市科技计划项目(K1307106 － 31)。
罂粟科植物防御素的预测及生物信息学分析
李 骞，许琪瑶，宋 南，龙可人，张学文，陈金军*
(湖南农业大学生物科学技术学院，长沙 410128)
摘 要:在对博落回防御素研究的基础上，于 NCBI数据库中系统搜索罂粟科所有已登录的 EST序列文库，推测出
31 条新颖的罂粟科植物防御素。分析了这些防御素的相对分子质量、pI 值、净电荷、疏水性平均值、蛋白结合能
力、信号肽、亚细胞定位及其三级结构。
关键词:罂粟科;防御素;生物信息学分析
中图分类号:Q811. 4 文献标识码:A
文章编号:1001-5280(2014)06-0653-08 DOI:10. 3969 / j. issn. 1001-5280. 2014. 06. 19
Prediction and Bioinformatic Analysis of Plant Defensins in Papaveraceae
LI Qian，XU Qi-yao，SONG Nan，LONG Ke-ren，ZHANG Xue-wen，CHEN Jin-jun*
(College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)
Abstract:Many researches focus on the medicinal value of alkaloids of Papaveraceae plants. However，the host non － spe-
cific defense system，defensin，which contributes the broad － spectrum antimicrobial activity to the plants，are the same pre-
cious for study. Based on the analysis of the cDNA clones of defensins we identified from Macleaya cordata，a species of
Papaveraceae，31 novel defensins in Papaveraceae are identified by searching on the all registered Expressed Sequence
Tags (ESTs)from the whole family Papaveraceae in the NCBI database. The molecular weight，pI value，net charge，the av-
erage hydrophobicity，protein － binding Potential (Boman index)，signal peptide，subcellular localization and tertiary struc-
ture of the novel identified defensins are predicted and analyzed. The properties of the defensins from Papaveraceae are
summarized，and the genetic evolution are analyzed. This study provides a new perspective to study the antibacterial sub-
stances in Papaveraceae.
Key words:Papaveraceae;Defensins;Bioinformatics analysis
罂粟科包含 38 属约 700 种植物［1］。罂粟科植物
含有丰富的生物碱［2 ～6］，对罂粟科植物的生物碱的研
究取得了一系列成果［7 ～9］，已有大量转录组数据登录
到数据库，但防御素相关的序列尚未进行分析和注释。
笔者根据博落回 cDNA 文库的生物信息分析，
推测出博落回防御素 cDNA，分析其序列特征，结合
其他植物防御素的信息，对 NCBI 数据库中登录的
罂粟科 EST数据库进行了全面分析，推测获得罂粟
科植物防御素 31 条。通过生物信息学方法推测这
些防御素的结构特点、性质和同源进化关系。
1 材料与方法
1. 1 数据库搜索
搜索防御素的策略参考朱顺义研究真菌防御素
3562014 年 第 28 卷 第 6 期 作 物 研 究
的方法［10］，将本团队已经预测的博落回防御素 Mc-
Def － 1 ～ McDef － 5，5 个防御素氨基酸序列运行
TBLASTN搜索，运行程序限定的文库为罂粟科
Papaveraceae(taxid:3465)的 Expressed sequence tags
(EST)文库，从而获得 EST序列。再运行 BLASTX搜
索，判断和筛选能翻译为防御素氨基酸序列的 EST。
通过(http:/ /web. expasy. org / translate /)将 EST 翻译
为氨基酸序列，获得可能的防御素氨基酸序列，通过
PSI － and PHI － BLAST程序验证是否为植物防御素。
将新的防御素进行新一轮的 TBLASTN搜索。重复上
述过程，发现新的 defensin － like peptide序列。
1. 2 罂粟科植物防御素的性质研究
利用 translate程序翻译罂粟科 EST 序列，获得
防御素氨基酸序列。获得的新颖防御素在程序 Sig-
nalP 4. 0［11］中预测信号肽，并推测防御素的成熟肽
部分。进 而 通 过 Compute pI /Mw tool (http:/ /
web. expasy. org /compute_pi /)程序预测防御素成熟
肽的质量和等电点，通过 ProtParam tool(http:/ /
web. expasy. org /protparam /)预测防御素的疏水性平
均值(GＲAVY)。防御素的净电荷和蛋白质结合能
力(Boman index)则在网站 The Antimicrobial Peptide
Database (APD)(http:/ / aps. unmc. edu /AP /main.
php)中进行预测。防御素的亚细胞定位预测通过
在线程序 WoLF PSOＲT［12］(http:/ /wolfpsort. org /)
预测。罂粟科防御素的三级结构模型通过 SWISS-
MODEL［13］进行预测，根据 QMEAN4 值来匹配最佳
的模板。
1. 3 罂粟科植物防御素的进化分析
利用 CLUSTAL W2 对罂粟科防御素的进化进
行分析［14］;进化树构建采用 MEGA 程序［15］的邻近
连接法(neighbor － joining)。
2 结果与分析
2. 1 罂粟科植物新颖防御素搜索结果
目前在GenBank登录的罂粟科库中共有82 661条
表达序列标签(EST)(http:/ /www. ncbi. nlm. nih. gov /
nucest / term =Papaveraceae)，计 12个物种，分别是罂粟
Papaver somniferum(20 978 条)，花菱草 Eschscholzia
californica(16 537 条)，血根草Sanguinaria canadensis
(5 558条)，大红罂粟 Papaver bracteatum(5 545 条)，蓟
罂粟 Argemone mexicana(5 488条)，白屈菜 Chelidonium
Majus(5 299 条)，Capnoides sempervirens(5 059 条)，荷
包牡丹 Lamprocapnos spectabilis(4 675条)，黄海罂粟
Glaucium flavum(4 589条)，Sarcocapnos crassifolia(4 393
条)，球果紫菫 Fumaria officinalis(4 145 条)，博落回
Macleaya cordata(395条)。笔者已对博落回叶转录组
进行研究，并已预测出 5个博落回防御素，分别命名为
McDef1 ～McDef5。通 过 BLAST 程 序，重 复 搜 索
GenBank中罂粟科 EST库，最终获得 84条 EST序列为
防御素基因。逐条翻译 EST核酸序列，可知这些核酸
序列翻译结果为完整防御素前体，或者是部分前体。
剔除重复的防御素序列，整合本团队已获得的防御素
序列，获得了 31 条防御素。防御素的规则为“EST 在
GenBank的序列号 －物种名缩写”，见表 1 。搜索到防
御素分别来自 9 个物种，分别是:花菱草 6 条，罂粟 3
条，蓟罂粟 6条，白屈菜 6 条，黄海罂粟 2 条，血根草 1
条，S. crassifolia1条，球果紫菫 1条，博落回 5条。
表 1 罂粟科植物防御素的氨基酸序列
Table 1 The amino acid sequences of the defensins in Papaveraceae
防御素名称 防御素氨基酸序列
JG571970. 1 －
A. mexicana
MAMKCASFFAFIVIFVFLVISTTPGSVVEGQＲLCEＲASQTWSGSCＲNTGGCNNQCKNWENAKNGACHTＲNGK
KMCFCYFNSCSAPＲLCEKASQTWSGSCＲNTGGCDNQCKNWENALHGACHTＲGGKKMCFCYFＲＲC
JG571781. 1 －
A. mexicana
MKCASFFAFIVIFVFLVISTTPGSVVEGQＲLCEＲASQTWSGSCＲNTGGCNNQCKNWENAKNGACHTKNGKKM
CFCYFNSCSAPＲLC
JG572459. 1 －
A. mexicana
VISTTPGSVVEGQＲLSEＲASQTWSGSCＲNTGGCNNQCKNWENAKNGACHTＲNGKKMCFCYFNSCSAPＲLCEK
ASQTWSGSCＲNTGGCDNQCKNWENALHGACHTＲGGKKMCFCYFＲＲC
JG573301. 1 －
A. mexicana
VDAITSAＲIGKMQＲMELVTLEMEKKMCFCYFNSCSAPＲLCEKASQTWSGSCＲNTGGCDNQCKNWENALHGA
CHTＲGGKKMCFCYFＲＲC
JG569349. 1 －
A. mexicana
AITSAＲIＲENAKNGACHTＲNGKKMCFCYFNSCSAPＲLCEKASQTWSGSCＲNTGGCDNQCKNWENALHGACH
TＲGGKKMCFCYFＲＲC
JG570919. 1 －
A. mexicana
MEＲSSＲVFSTTTVVVLMLLLLITTEMGPKMVDAＲLCESASHＲFKGICVＲKSNCAAVCQTEGFSGGKCＲGVＲＲＲ
CMCTKHCHQLEEEQEQN
456 CＲOP ＲESEAＲCH 2014，28(6)
(续表 1)
防御素名称 防御素氨基酸序列
JG590786. 1 －
C. majus
MTSKVVMSSSFFAIVFIFLLISTSGNAKKVETGNAEKVETGNAYLADLCEKASQTWSGNCGNTQNCDＲQCINW
EKALHGACHVＲGGKHMCFCYFDＲC
JG592529. 1 －
C. majus
MEＲSTＲVFSASVLVLMLLLLTTTEEMGPKMAEAＲTCETQSHＲFKGＲCLSKSNCGSVCQTEGFHGGKCＲGFＲG
ＲCFCTKNC
JG592240. 1 －
C. majus
EＲSTＲVFSASVLVLMLLLLTTTEMGPKMAEAＲTCETQSHＲFKGＲCLSKSNCGSVCQTEGFHGGKCＲGFＲGＲC
FCTKNC
JG592662. 1 －
C. majus
MEＲＲTＲIFPAAVLVLMFLLLTTTEMGSKMAEAＲTCESKSHＲFKGPCISKTNCAHVCQTEGFHGGKCＲGFＲＲＲC
FCTKSCHHHEEEAVAEVQN
JG593588. 1 －
C. majus
MGＲTTVSAIILVLMLLLLTTTEMGPKVVEAＲLCESASＲＲFKGICVＲKSNCGAVCQTEGFSGGKCSGLＲＲＲCMCT
KHCＲEGEENVEMHA
JG591061. 1 －
C. majus
MＲTSLIGSGFLFMLLLLSFHIEDHNMVAEADGKLPNKDKGPＲLCDAQSHＲFKGYCMSDTNCASVCＲTEGFIGG
HCVGFＲHＲCFCＲＲPCTN
CV187323. 1 －
E. californica
MASTNVMKWVSFFVLIVIIFFLTPTPGNTVEGALCEＲASQTWTGTCＲNTGGCNNQCKTWEGAＲNGACHTＲNN
KKMCFCYFNSCSAPＲLCEKASQTWSGGCHNTGGCDNQCKKWENAYHGACHVＲHGKHMCFCYFKＲC
CK751235. 1 －
E. californica
MAＲＲNISGFSGYTLLVLTLLLLTTNEEMGAEAＲTCETPSNＲFKGICVSNKNCAAICNTEGFPEGDCKGFＲＲＲCF
CTＲPCLEGEGKN
CK750792. 1 －
E. californica
MAＲＲNISGFSVYTLLVLTLLLLTTNEEMGAEAＲTCETPSNＲFKGICVSNKNCAAICNTEGFPEGDCKGFＲＲＲCF
CTＲPCLEGEVKN
CK753647. 1 －
E. californica
MGＲＲNISGFSVYTLLVLTLLLLTTTEMGAEAＲTCETASNＲFKGICVSSＲNCAAVCNTEGFPEGDCKGFＲＲＲCF
CTＲPCLEAEVKN
CK753610. 1 －
E. californica
MGＲＲNISGFSVYTLLVLTLLLLTTNEMGAEAＲTCETASNＲFKGICVSSＲNCAAVCNTEGFPEGDCKGFＲＲＲCF
CTＲPCLEＲEVKN
CD477491. 2 －
E. californica
FSVYTLLVLTLLLLTTTEEMGAEAＲTCETASNＲFKGICVSSＲNCAAGCNTEGFPEGDCKGFＲＲＲCFCTＲPCLEG
EVKN
JG658377. 1 －
F. officinalis
SSISCFIAVLFIIVFFSNSVESSSＲSPSWKETQEGTLTAKSTGETVMQPENLCEKASLTFSGTCＲKTQSCDKQCITW
ESAEHGACHTＲGGKKMCFCYFNC
JG617521. 1 －
G. flavum
ALIFIFVLLSVTPGSVEGQＲLCEＲASQTWSGSCTNTGGCNNQCKSWESAＲNGACHTＲNGKKMCFCYFGSCSAP
ＲLCEKASQTWSGSCＲNTAGCDNQCKKWENASHGACHTＲSGKKMCFCYFKKC
JG619489. 1 －
G. flavum
MEＲSTＲVFSASVLVLMLLLLTTSEEMGPKVVEAＲYCESASHＲFKGLCVＲKSNCAAVCQTEGFSGGKCＲGVＲＲ
ＲCMCTKHCＲEDEKN
McDef － 1 －
M. cordata
MEＲSTＲVFSATVLVLMLLLLTTTEEMGPKMVEAＲICESASHＲFKGLCVＲKSNCAAVCQTEGFPDGKCQGVＲＲ
ＲCMCTＲPCＲEGEEN
McDef － 2 －
M. cordata
MASKVMMMKSASTSFFALIFIFFLLTTPGNAATKAGGDFMLDDLCEKASQTWSGNCGNTQHCDＲQCINWEKA
LHGACHVＲGGKHMCFCYFSQC
McDef － 3 －
M. cordata
MASKVMMMKSASTSFFALIFIFFLLTTSGNAATKAGGDFMLDDLCEKASQTWSGNCGNTQHCDＲQCINWEKA
LHGACHVＲGGKHMCFCYFSQC
McDef － 4 －
M. cordata
MATKVMMMKSASTSFFALIFIFFLLTTSGNAAIKAGGDFMLDDLCEKASQTWSGNCGNTQHCDＲQCINWEEA
LHGACHVＲGGKHMCFCYFSQC
McDef － 5 －
M. cordata
MATKVMMMKSASTSFFALIFIFFLLTTSGNAAIKAGGDFMLDDLCEKASQTWSGNCGNTQHCDＲQCINWEKA
LHGACHVＲGGKHMCFCYFSQC
FG613810. 1 －
P. somniferum
MEＲLLVYCSTTVVFLMLLLLATEMGＲNVAEAＲLCESASHＲFKGICVＲKSNCGAVCQTEGFSGGKCＲGLＲAＲC
MCTKHCHQEEEAEVKN
FG610681. 1 －
P. somniferum
MEＲSTＲVFSTTVVVLMLHHLATEMGPNVAEAＲLCESASHＲFKGICVＲKSNCGAVCQTEGFSGGKCＲGLＲAＲC
MCTKHCHQEEEAEVKN
FE968399. 1 －
P. somniferum
MEＲSTＲVFSTTVVVLMLLLLATEMGPNVAEAＲLCESASHＲFKGICVＲKSNCGAVCQTEGFSGGKCＲGLＲAＲC
MCTKHCHQEEEAEVKN
JG638621. 1 －
S. canadensis
MKCASFFAVVFIFVLLGTTPGSVEGQLCEＲASQTWSGSCＲNTGGCNNQCKNWESAＲNGACHTＲNGKKMCFC
YFGTCSAPＲLCEKASQTWSGSCQNTGGCDNQCKKWENAFHGACHTＲNGKKMCFCYFKＲC
JG645270. 1 －
S. crassifolia
FLAFILIFVLFSNSASTVESIGＲPLTEKPTHVTEAQQAKSKEDQTVLQPEKLCEKASLTFSGTCＲKTQSCDKQCI
TWESAAHGACHTＲGGKKMCFCYFNC
注:氨基酸序列中下划线标注部分为信号肽序列。
5562014 年 第 28 卷 第 6 期 作 物 研 究
2. 2 罂粟科植物防御素的基础性质
根据罂粟科植物防御素的一级结构，预测和分析
罂粟科防御素的性质，包括相对分子质量、pI、净电
荷、疏水平均值、蛋白质结合潜力、信号肽、亚细胞定
位(表 2)。罂粟科防御素的前体蛋白中包含 2 个部
分，即信号肽部分和成熟肽部分。在防御素成熟肽
中，防御素的氨基酸长度最小为54 aa，最长为118 aa。
罂粟科防御素氨基酸长度可分为两类:一类长度为
50到 70 aa，另一类则是 110 到 120 aa。罂粟科防御
素的相对分子质量最小为 5 947. 83，最大则为
13 050. 66。罂粟科防御素的等电点为 6. 02 ～ 9. 45，
净电荷为 － 2 ～ + 12。大多数罂粟科防御素为阳离
子防御素，pI多集中在 8 ～ 9;同样大多数植物防御
素为阳离子防御素，罂粟科防御素也符合这一规律。
值得指出的是，博落回防御素 McDef － 4 －M. cordata
的 pI 为 6. 02，净电荷为 － 2，这说明McDef － 4 －
M. cordata为中性偏酸性氨基酸。罂粟科防御素疏
水性平均值最小值为 － 0. 907，最大值为 － 0. 426，均
在 － 1 ～ 0，这说明罂粟科防御素都有良好的溶水性。
蛋白质结合潜力预测最小为 1. 69 kcal /mol，最大为
3. 19 kcal /mol。所有预测的罂粟科防御素中，有 8
个防御素没有获得完整的防御素前体，它们的 N 端
是不完整的，所以无法准确进行信号肽预测和亚细
胞定位。其余的防御素进行信号肽预测和亚细胞定
位预测，可知罂粟科防御素绝大多数含有信号肽，信
号肽长度 23 到 31 aa 不等。大多数防御素的亚细
胞定位防御素最终分泌到胞外，其中个别是进入细
胞液泡或者叶绿体中。
表 2 罂粟科植物防御素的性质
Table 2 The character of the defensins in Papaveraceae
罂粟科
防御素
GenBank
登陆号
物种
成熟肽长
度(aa)
相对分子
质量
pI 净电荷
疏水性
平均值
蛋白结合能
力(kcal /mol)
亚细胞
定位
3D结构
模板
McDef － 1 －
M. cordata
M. cordata 63 7067. 15 8. 52 3 － 0. 757 2. 96 extr 2lr3. 1. A
McDef － 2 －
M. cordata
M. cordata 62 6900. 78 7. 05 0 － 0. 516 1. 79 extr 1ayj. 1. A
McDef － 3 －
M. cordata
M. cordata 62 6900. 78 7. 05 0 － 0. 516 1. 79 extr 1ayj. 1. A
McDef － 4 －
M. cordata
M. cordata 62 6913. 77 6. 02 － 2 － 0. 426 1. 69 extr 1ayj. 1. A
McDef － 5 －
M. cordata
M. cordata 62 6912. 83 7. 05 0 － 0. 432 1. 67 extr 2kpy. 1. A
JG571970. 1 －
A. mexicana
JG571970. 1 A. mexicana 115 12767. 35 9. 1 11 － 0. 885 2. 60 extr 1bk8. 1. A
JG571781. 1 －
A. mexicana
JG571781. 1 A. mexicana 67 7325. 23 8. 99 6 － 0. 804 2. 37 extr 1bk8. 1. A
JG572459. 1 －
A. mexicana
JG572459. 1 A. mexicana 118 13050. 66 9. 15 11 － 0. 824 2. 53
nucl /
chlo
1bk8. 1. A
JG617521. 1 －
G. flavum
JG617521. 1 G. flavum 106 11777. 30 9. 16 12 － 0. 872 2. 54 extr 1bk8. 1. A
JG638621. 1 －
S. canadensis
JG638621. 1 S. canadensis 105 11790. 30 9. 09 11 － 0. 907 2. 54 extr 1bk8. 1. A
JG573301. 1 －
A. mexicana
JG573301. 1 A. mexicana 88 10019. 64 8. 96 7 － 0. 491 2. 15l mito 1bk8. 1. A
JG569349. 1 －
A. mexicana
JG569349. 1 A. mexicana 86 9638. 01 9. 36 11 － 0. 737 2. 56 nucl 1bk8. 1. A
CV187323. 1 －
E. californica
CV187323. 1 E. californica 110 12343. 88 8. 91 9 － 0. 856 2. 41 extr 2kpy. 1. A
JG590786. 1 －
C. majus
JG590786. 1 C. majus 70 7830. 79 7. 72 1 － 0. 726 2. 19 extr 1ayj. 1. A
656 CＲOP ＲESEAＲCH 2014，28(6)
(续表 2)
罂粟科
防御素
GenBank
登陆号
物种
成熟肽长
度(aa)
相对分子
质量
pI 净电荷
疏水性
平均值
蛋白结合能
力(kcal /mol)
亚细胞
定位
3D结构
模板
JG645270. 1 －
S. crassifolia
JG645270. 1 S. crassifolia 83 9227. 52 8. 47 3 － 0. 68 2. 12 extr 2kpy. 1. A
JG658377. 1 －
F. officinalis
JG658377. 1 F. officinalis 78 8649. 72 8. 14 2 － 0. 764 2. 25 extr 2kpy. 1. A
FG613810. 1 －
P. somniferum
FG613810. 1 P. somniferum 57 6331. 28 8. 92 5 － 0. 679 2. 75 extr 2lr3. 1. A
FG610681. 1 －
P. somniferum
FG610681. 1 P. somniferum 57 6331. 28 8. 92 5 － 0. 679 2. 75 chlo 2lr3. 1. A
FE968399. 1 －
P. somniferum
FE968399. 1 P. somniferum 57 6331. 28 8. 92 5 － 0. 679 2. 75 extr 2lr3. 1. A
JG619489. 1 －
G. flavum
JG619489. 1 G. flavum 63 7114. 19 9. 07 6 － 0. 838 3. 12 extr 2lr3. 1. A
JG570919. 1 －
A. mexicana
JG570919. 1 A. mexicana 57 6487. 42 8. 94 5 － 0. 837 3. 15 vacu 2lr3. 1. A
JG592529. 1 －
C. majus
JG592529. 1 C. majus 57 6337. 26 9. 1 6 － 0. 853 2. 84 extr 4cqk. 5. B
JG592240. 1 －
C. majus
JG592240. 1 C. majus 54 5947. 83 9. 45 8 － 0. 806 2. 78 extr 2lr3. 1. A
JG592662. 1 －
C. majus
JG592662. 1 C. majus 69 7785. 82 8. 73 4 － 0. 888 2. 87 extr 1gpt. 1. A
JG593588. 1 －
C. majus
JG593588. 1 C. majus 58 6454. 45 9. 12 6 － 0. 659 2. 98 extr 4cqk. 5. B
CK751235. 1 －
E. californica
CK751235. 1 E. californica 54 6005. 85 8. 74 4 － 0. 757 2. 86 extr 2lr3. 1. A
CK750792. 1 －
E. californica
CK750792. 1 E. californica 57 6319. 20 8. 52 3 － 0. 635 2. 71 extr 2lr3. 1. A
CK753647. 1 －
E. californica
CK753647. 1 E. californica 54 6022. 88 8. 75 4 － 0. 535 2. 88
extr /
chlo
1gps. 1. A
CK753610. 1 －
E. californica
CK753610. 1 E. californica 54 6107. 98 8. 95 5 － 0. 652 3. 19
extr /
chlo
1gps. 1. A
CD477491. 2 －
E. californica
CD477491. 2 E. californica 54 5966. 77 8. 75 4 － 0. 661 2. 95 extr 2lr3. 1. A
JG591061. 1 －
C. majus
JG591061. 1 C. majus 67 7491. 55 8. 92 5 － 0. 67 2. 63 extr 2lr3. 1. A
注:extr表示细胞外;chlo表示叶绿体;vacu表示细胞液泡;nucl表示细胞核。
2. 3 罂粟科植物防御素的结构
运用在线程序 SWISS － MODEL，预测罂粟科防
御素的三级结构，根据 QMEAN4 值获得最佳匹配模
板。罂粟科防御素共匹配到 7 个模板，分别是:
1ayj. 1. A、1bk8. 1. A、1gps. 1. A、1gpt. 1. A、2kpy. 1. A、
2lr3. 1. A、4cqk. 5. B。有 11 个防御素是对应的
2lr3. 1. A。通过 MEGA 软件，进行比对分析，可知罂
粟科防御素十分保守，保守的氨基酸数目有 14aa，罂
粟 科 氨 基 酸 模 式 为:CX3SX4GX1CX5CX3CX2 －3
EX4GX1CX1 －4GX3 －4C(F /M)C。植物防御素中的半
胱氨酸十分保守［4］，罂粟科防御素的半胱氨酸也符合
这一特征。结合三级结构预测结果，罂粟科防御素中
也有保守的 8个半胱氨酸，从而形成稳定的 4 个二硫
键链接，这些二硫键连接方式也相同(图 2)，例如在
McDef1 中，Cys13 － Cys57、Cys24 － Cys44、Cys30 －
Cys53、Cys34 － Cys51。根据三级结构预测，罂粟科防
御素除了二硫键保守，还都是由 3个反向平等的 β折
叠和一个 α 螺旋构成。罂粟科防御素具有 γ － core
(GXC(X3 －9)C)和 α － core (GXC(X3 －5)C)motifs，
这说明 3个反向平行的 β折叠和 1 个 α螺旋构成的
common cysteine － stablizedα /β motif (CSα /β)是决定
防御素活性的基础。
7562014 年 第 28 卷 第 6 期 作 物 研 究
图 1 罂粟科防御素的比对分析
Fig. 1 The amino acids sequences alignment of the defensins in Papaveraceae
注:罂粟科防御素共分为Ⅰ、Ⅱ两类，直线链接表示防御素的二硫键链接方式，γ － core(GXC(X3 – 9)C)和 α － core (GXC(X3 – 5)C)
motifs用粗线标明。
2. 4 罂粟科植物防御素的分类
根据罂粟科植物防御素的保守的半胱氨酸和其
他保守氨基酸，可以将罂粟科防御素分为两类(图
2)。不难发现，有些物种的防御素分属两类。
图 2 罂粟科植物防御素的进化分析
Fig. 2 The phylogenetic tree of the defensins in Papaveraceae
3 结论与讨论
植物为了抵御环境病原生物(病毒、细菌、真
菌、卵菌、线虫)的侵害，通常会产生高效的结构和 /
或化学的障碍，如角质层表面的蜡质，细胞壁的木质
素沉积，以及产生组成型抗菌物质［16］，进而启动诱
导防御机制，包括细胞壁交联，超敏反应，次生产物
积累例如植保素，鞣质和酚的化合物，以及一些病程
相关蛋白［17］。病程相关蛋白包括 17 类，即 PＲ1 ～
PＲ17，而植物防御素是其中一类，属于 PＲ12［18］。
罂粟科植物在被子植物进化中较为原始，拥有
较高的药用价值和观赏价值。人类利用罂粟科植物
已经有很悠久的历史，例如蓟罂粟虽含有毒性，但在
美国西部地区和墨西哥地区被作为传统药材使
用［19］;白屈菜也是中国传统的中药材［20，21］。很多
罂粟科植物具有消炎止痛，治疗皮肤疾病、糖尿病等
功效。罂粟科植物具有很高的医药价值在于自身合
成的重要的天然药用化合物，例如生物碱、黄酮类物
质和酚酸类物质［22］。鉴于此，人们多集中于罂粟科
植物的次生代谢产物的研究上，而对于罂粟科植物
856 CＲOP ＲESEAＲCH 2014，28(6)
的天然免疫系统研究较少。很多罂粟科植物都能抗
菌杀虫，例如蓟罂粟种子的乙醇提取物在质量浓度
为 230 μg /L 时，能杀死大肠杆菌 E. coli、金黄色葡
萄球菌 S. aureus以及绿脓杆菌 P. aeruginosa［23］。叶
的提取物能杀死致倦库蚊 Culex quinquefasciatus的 3
～ 4 龄幼虫［24］。
本研究利用 NCBI 登录的 EST 序列，系统地预
测了罂粟科植物防御素。根据罂粟科植物防御素的
进化，将罂粟科植物防御素分为两类。许多罂粟科
植物既有Ⅰ类防御素，也有Ⅱ类防御素，例如博落
回、蓟罂粟、白屈菜、黄海罂粟 G. flavum 等。比较罂
粟科防御素的信号肽，有一个由 8 到 9 个脂肪族类
氨基酸组成的保守结构，多为丙氨酸、缬氨酸、亮氨
酸。在这个结构两侧则有保守的羟基类氨基酸(丝
氨酸和苏氨酸)。防御素成熟部分中保守氨基酸数
目多达 12 aa。保守模式为 CX3SX4GX1CX5CX3
CX2 －3EX4GX1CX1 －4GX3 －4C(F /M)C，该模式可能符
合所有其他罂粟科植物防御素。这说明防御素在罂
粟科植物中起源早，并在该植物的进化过程中具有
较高保守性。
防御素能破坏致病菌的细胞膜而致使致病菌细
胞死亡。防御素是阳离子肽，能与细胞膜的阴离子
分子结合，比如阴离子磷脂、革兰氏阴性菌的脂多糖
类、革兰氏阳性菌的磷壁酸。大量防御素分子结合
到膜上，导致膜结构崩塌使细胞死亡［25］。依此假
说，防御素的 pI 越高，抗菌能力越强。防御素
JG592240. 1 － C. Majus 可能有着较强的抗菌能力。
CK753610. 1 － E. californica 的蛋白结合能力强，这
个防御素的亚细胞定位是在细胞外或者液泡中，但
在液泡中如何发挥作用，抑或该防御素还具有其他
功能，尚不能确定。在 3D 结构预测中有很多防御
素相似于模板 2lr3. 1. A。2lr3. 1. A 源自苜蓿 Medi-
cago truncatula防御素 MtDef4［26］。研究发现 MtDef4
中的 γ － core(GXC(X3 －9)C)是防御素 MtDef4 抗菌
能力的关键，此防御素中的 ＲGFＲＲＲ loop 能很好引
导防御素进入真菌的细胞内，结合到磷脂，影响真菌
的膜磷脂的形成以及那些以磷脂为信号的蛋白结合
到膜上［26］。罂粟科防御素的 γ － core(GXC(X3 －9)
C)多为碱性氨基酸类，如精氨酸和赖氨酸，推测罂
粟科防御素对真菌有抑制效果。罂粟中有 3 条防御
素 (FG613810. 1 － P. somniferum，FG610681. 1 －
P. somniferum，FE968399. 1 － P. somniferum) ，这 3 条
防御素的成熟部分是相同的，差异在于信号肽部分，
FG610681. 1 － P. somniferum可能不分泌到细胞外而
是结合到叶绿体上。罂粟防御素可能还有其他的功
能。罂粟防御素 FE968399. 1 － P. somniferum的 EST
序列源自 Katherine的研究，他们用 elicitor刺激罂粟
细胞，从转录组和代谢层面揭示在刺激过程中细胞
的初级和次级代谢调控［27］。细胞在效应因子(elici-
tor)刺激的 1 h内，防御素基因立即表达然后持续降
低，5 h后表达量上升，再趋于一个平稳，最终在 80
h后迅速降到最低值。这说明在罂粟防御素对于入
侵有着快速的响应，对入侵病原进行抑制，然后细胞
降低防御素表达。
对于罂粟科植物防御素的利用，可以分为两个方
向:一是通过转基因技术将防御素基因转入其他植物
中表达，以提高植物的防御能力;二是通过工程菌表达
防御素，以防御素制剂杀死病原。JG592240. 1 －
C. majus和 CK753610. 1 －E. californica是罂粟科中理想
的研究对象，推测这两种防御素具有最强的抗真菌
能力。
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