全 文 ：书中国油料作物学报
Chinese Journal of Oil Crop Sciences
2014，36( 5) : 551 － 561
doi: 10． 7505 / j． issn． 1007 － 9084． 2014． 05． 001
芸薹属 AC基因组中 VIT基因家族的鉴定与进化
周荣芳，袁午舟，童超波，黄军艳，程晓晖，于景印* ，董彩华* ，刘越英，刘胜毅
(中国农业科学院油料作物研究所，农业部油料作物生物学与遗传育种重点实验室，湖北 武汉，430062)
摘要:为了解液泡铁离子转运蛋白(vacuolar iron transporter，VIT)编码基因在芸薹属作物中的进化关系，在已
完成的拟南芥、白菜、甘蓝以及甘蓝型油菜全基因组测序基础上，利用 HMMEＲ软件根据 VIT保守的结构域对拟南
芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜全基因组的蛋白质序列进行同源检索，在四个物种中分别鉴定得到了 9 个、13 个、12
个和 14 个 VIT候选基因;并且系统发育分析显示，VIT基因家族在四个物种可分为 3 类。VIT基因的启动子区域富
含 LTＲE、ABＲE、MYC、MYB和 W － box等逆境应答相关顺式作用元件。蛋白质特性分析结果表明 VIT结构域中具
有多个保守的疏水氨基酸位点。表达谱分析显示所有 VIT基因在所选取的组织中都有不同程度的表达。同时，线
性对应的同源基因表达模式既有相似之处，又存在分化，而串联重复基因簇表达模式基本一致。
关键词:白菜;甘蓝;甘蓝型油菜;全基因组;液泡铁离子转运蛋白;进化分析
中图分类号:S565． 403 文献标识码:A 文章编号:1007 － 9084(2014)05 － 0551 － 011
Identification and evolution of VIT gene family between A and C genomes in Brassica
ZHOU Ｒong － fang，YUAN Wu － zhou，TONG Chao － bo，HUANG Jun － yan，
CHENG Xiao － hui，YU Jing － yin* ，DONG Cai － hua* ，LIU Yue － ying，LIU Sheng － yi
(Oil Crops Ｒesearch Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of
Biology and Genetic Improvement of Oil Crops，Ministry of Agriculture，Wuhan 430062，China)
Abstract:To understand the evolution of vacuole iron transporter (VIT)genes in Brassica，9，13，12 and 14
VIT candidate genes were identified in Arabidopsis thaliana，Brassica rapa，B． oleracea and B． napus respectively，
based on genome － wide sequences of the 4 species，as well as the VIT conserved domain and HMMEＲ software．
Phylogenetic analysis showed that the VIT gene family was divided into 3 classes． In the promoter region，LTＲE，
ABＲE，MYC，MYB and W － box cis elements were plentiful． Protein feature analysis indicated that the VIT do-
main contained more conservative hydrophobic amino acid residues． Gene expression profile showed that most of the
VIT genes basically expressed in selected tissue in different levels． Syntenic related homologous genes presented
both similar and diverse expression patterns，while the expression pattern of tandem duplicated genes were identi-
cal．
Key words:Brassica rapa;Brassica oleracea;Brassica napus;Genome － wide;Vacuolar iron transporter;Ev-
olutionary analysis
收稿日期:2014-02-07
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973 计划) (2011CB109300) ;国家 863 计划(2013AA102602) ;湖北农业科技创新中心项目;国家自然科
学基金(31301039)
作者简介:周荣芳(1983 －) ，女，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事植物病理学研究
* 通讯作者:于景印，助理研究员，主要从事油料作物比较基因组学研究，E － mail:yujyinfor@ gmail． com;
董彩华，副研究员，主要从事油菜功能基因组研究，E － mail:dongch@ oilcrops． cn
铁元素是维持生物正常生长的必需营养元素。
铁离子常常作为酶的辅因子，在许多重要的生理生
化反应中起关键性作用［1］。生物体缺铁会引起严
重的机能紊乱，常见的有动物贫血症和植物缺绿病
等［2］。过量铁离子能够催化形成活性氧(reactive
oxygen species，ＲOS)［3］，导致生物体处于过氧化状
态，影响细胞正常功能［1］。所以，保持体内铁含量
平衡，对生物体至关重要［4］。动物体内铁元素主要
以铁蛋白的形式存在，而植物还可以通过将铁离子
从胞质转运到液泡内的方式存储铁元素。自然界中
铁元素主要以三价微溶物形式存在于土壤中，使得
生物体利用铁元素受到很大限制。植物进化出两种
机理来解决这一问题［5，6］。双子叶植物和非禾本科
植物采用第一种机理，通过分泌质子溶解土壤中三
价铁，并由质膜上铁(III)螯合物还原酶还原成可溶
性二价铁，随后铁(II)转运蛋白将产生的二价铁转
运进入植物根细胞。拟南芥和芸薹属植物主要采用
这种机理。第二种机理为禾本科植物所特有，它们
释放麦根酸类植物铁载体(PS，phytosiderophore)进
入土壤，利用螯合作用结合铁，随后通过特异的转运
系统吸收 PS复合物［7，8］。
VIT基因家族在单子叶植物、双子叶植物、细菌
和真菌中普遍存在，其序列保守，相似性较高［9，10］。
酵母(Saccharomyces cerevisiae)CCC1(钙离子敏感交
叉补体 1)是第一个被报道的 VIT基因，它编码了一
个转运蛋白，能够介导二价铁离子和锰离子运输进
入液泡［11，12］。酵母中过量表达 CCC1，提高了液泡
铁离子浓度;相反地，酵母 Δccc1 突变体中，液泡铁
离子浓度下降，并且对铁离子毒性敏感。Kim 等在
拟南芥中鉴定出 CCC1 的直系同源基因 AtVIT1［9］，
该基因编码的蛋白质与 CCC1 有 58%相似性，定位
在液泡膜上，负责将铁离子运输进入液泡。在 Δccc1
突变体中过表达 AtVIT1 能够恢复该酵母突变体在
高浓度铁离子条件下的存活力。AtVIT1 主要在维管
束组织中表达，并且在胚胎和种子发育过程中具有
较高表达。采用同步加速器 X 光荧光显微层析技
术观察发现，铁离子定位于野生型种子的原维管束
带中。而 vit1 突变体中，这种铁离子分布方式完全
消失，表明通过 AtVIT1 介导的液泡铁离子转运对于
种子中铁离子的定位和分布方式起到了决定性作
用。此外，vit1 突变体在缺铁土壤中不能正常萌发，
进一步说明了幼苗萌发过程中液泡铁储存量的关键
作用［9］。同时，拟南芥中还鉴定得到另外两个 VIT
家族成员 AtMEB1 和 AtMEB2 /AtＲDＲ。它们属于内
质网膜内蛋白，同样具有恢复酵母 Δccc1 突变体在
高浓度铁离子条件下存活力的能力，并且可能参与
了抗病过程和重金属胁迫应答反应［10］。
其他物种中 VIT同源基因也有报道。紫郁金香
(Tulipa gesneriana)中 TgVIT1 和矢车菊(Centaurea
cyanus)中 CcVIT 与 AtVIT1 的氨基酸序列均高度相
似［13 ～ 15］。已知花瓣的颜色由铁离子与花色素苷螯
合程度决定，TgVIT1 和 CcVIT 通过调节液泡铁离子
浓度，决定紫郁金香和矢车菊的花瓣呈现蓝色或紫
色。水稻(Oryza sativa)中 OsVIT1 和 OsVIT2 可能参
与铁 /锌在库器官(种子)和相应的源器官(旗叶)之
间的运输调节［16］。另外，大麦(Hordeum vulgare)种
子中也发现 VIT1_1 和 VIT1_2 在糊粉层和胚中高效
表达，表明这些组织的液泡可能具有暂时储存铁离
子的功能［17］。上述研究表明，VIT 同源基因普遍存
在于不同物种中，都具有液泡铁离子转运的功能，但
是随起源的物种不同，VIT 基因可能参与不同信号
途径，调节多种不同的生理过程。
二倍体白菜(Brassica rapa，AA，n = 10) ，甘蓝
(Brassica oleracea，CC，n = 9)和由白菜、甘蓝杂交形
成的四倍体油菜(Brassica napus，AACC，n = 19)属于
十字花科芸薹属，与十字花科模式植物拟南芥亲缘
关系较近。已有研究表明，大约在 1 800 万年前，拟
南芥和芸薹属祖先发生分化［18］，形成现有的拟南芥
和芸薹属的祖先物种;然后于 1 400 万年前，芸薹属
祖先基因组发生了一次全基因组的三倍化［19 ～ 21］，并
于 400 万年前进一步分化成白菜和甘蓝，形成了现
有的白菜和甘蓝物种;大约不到 1 万年前，由二倍体
白菜和甘蓝杂交加倍形成四倍体的甘蓝型油菜。芸
薹属的这种亲缘进化关系为研究 VIT基因家族的进
化提供了很好的研究基础。
本研究基于已经完成基因组测序的白菜、甘蓝、
甘蓝型油菜，以拟南芥作为参照对象，对 VIT基因家
族进行全面鉴定和比较分析，进一步探讨了拟南芥
和芸薹属祖先经历分化、基因组三倍化以及白菜和
甘蓝杂交形成甘蓝型油菜后，VIT 基因家族的扩张
和丢失情况，并在此基础上分析其基因结构特征、生
物化学特性、进化关系、基因表达情况和产生机制问
题，对白菜、油菜和甘蓝型油菜中 VIT基因功能进行
预测，为下一步的功能研究及应用提供参考信息。
1 材料与方法
1． 1 材料
白菜全基因组序列下载自 Brassica Database
(http:/ /brassicadb． org /brad)［22］;甘蓝全基因组数
据下载自 Bolbase (http:/ / ocri － genomics． org /
bolbase)［23］;甘蓝型油菜全基因组数据由本所测序
获得;拟南芥 VIT 基因序列和蛋白质序列下载自
TAIＲ (http:/ /www． arabidopsis． org)。拟南芥表达
芯片数据下载自 Weigel World AtGenExpress (ht-
tp:/ /www． weigelworld． org / resources /microarray /
AtGenExpress /)［24］;白菜和甘蓝转录组数据下载自
NCBI 中 GEO 数据库 (http:/ /www． ncbi． nlm． nih．
gov /geo /) ，登录号分别为 GSE43245 和 GSE42891。
甘蓝型油菜转录组数据由本课题组测序获得。
255 中国油料作物学报 2014，36(5)
1． 2 VIT家族基因序列获取
从 Pfam 数据库(http:/ /www． sanger． ac． uk /
Software /Pfam /)获得 VIT 结构域 (PF01988)的
HMM profile文件，利用 HMMEＲ3． 0 检索拟南芥、白
菜、甘蓝和甘蓝型油菜的全基因组的蛋白质序列，搜
索 E值设为 10 －5，得到四个物种的 VIT 基因家族成
员的候选基因，将候选基因的蛋白质序列进行 Inter-
ProScan (http:/ /www． ebi． ac． uk /Tools /pfa / ipr-
scan /)分析，以确认候选 VIT 基因家族成员编码蛋
白中是否存在 VIT相关结构域。
1． 3 VIT家族基因的系统发育分析
采用 Clustal W2［25］进行多序列比对后，应用
MEGA5． 1［26］，对 VIT基因家族序列进行系统发育分
析，采用 Neighbor － Joing 法构建系统发生树，boot-
strap值设为 1 000，替代模型设为 Jones － Taylor －
Thornton 模型，采用成对删除方法(pairwise dele-
tion)。
1． 4 VIT家族基因结构和启动子区域分析
利用获得的 VIT 候选基因，提取对应的基因序
列信息 gff文件，获得基因结构、内含子数目等详细
信息，并用在线工具 Fancygene［27］绘出基因结构图。
同时，利用在线软件 PLACE (http:/ /www． dna． af-
frc． go． jp /PLACE /signalscan． html)［28，29］分析 VIT 基
因起始密码子上游 3 000bp 序列中的 ABＲE (ABA
－ responsive element，ACGTG)［30］、LTＲE(Low tem-
perature responsive element， CCGAC )［31］、MYB
(Binding site for MYB，CTAACCA)［32］、MYC (Bind-
ing site for MYC，CACATG)［32］和 W － box (TT-
GAC)［33］等顺式作用元及各个元件出现的频率。
1． 5 VIT家族基因蛋白质特性和保守结构分析
采用在线软件 ProtParam (http:/ /web． expasy．
org /protparam /)［34］预测 VIT 基因家族蛋白质特性，
包括理论分子量(molecular weight，MW)、等电点
(theoretical pI)和 GＲAVY (grand average of hydropa-
thy)等。同时，采用在线软件 TMHMM (http:/ /
www． cbs． dtu． dk /services /TMHMM/)和 hmmtop
(http:/ /www． enzim． hu /hmmtop /)［35］预测 VIT 候选
基因的跨膜结构域数目。
通过 Pfam分析，将候选基因匹配的 VIT结构域
区段提取出来。利用 Clustal W2 进行序列比对，并
利用在线工具 WebLogo (http:/ /weblogo． berkeley．
edu / logo． cgi)［36，37］绘制出结构域 logo 图，调查结构
域序列特征及其保守氨基酸出现情况。采用在线软
件 MEME (http:/ /meme． nbcr． net /meme /cgi － bin /
meme． cgi)［38］，分析 VIT 家族基因蛋白质序列中特
征性 motif，并利用 Weblogo绘制出 logo图。
1． 6 VIT家族基因的三倍化分析
以参数 10 －5，对白菜、甘蓝、甘蓝型油菜和拟南
芥全基因组的蛋白质序列作双向 BLAST［39］，然后利
用四个物种的基因组序列，使用软件 MCScan［40］来
获取基因组间的共线性区域。根据四个物种共线性
区段上基因分布的密度，确定了三个亚基因组。然
后参考文献，将基因密度最大的区段命名为 LF 亚
基因组区段，基因密度次之的命名为 MF1 亚基因组
区段，基因密度最小的命名为 MF2 亚基因组区
段［22］。
1． 7 VIT家族基因的串联重复分析
根据拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜的全基因
组蛋白质序列，首先进行对应基因组内部的双向
BLAST，E值设置为 10 －20，然后依据基因在染色体
上的位置关系进行聚类。如果两个基因相邻或者两
个基因中间只间隔一个基因，并且二者相似性的 E
值低于 10 －20，这样的一组基因定为串联重复基因
簇。
1． 8 VIT家族基因的组织特异性比较
选取拟南芥根、茎、叶、花、角果等 5 个组织的表
达芯片数据，白菜、甘蓝和甘蓝型油菜根、茎、叶、花、
角果等 5 个组织的转录组测序数据进行表达水平
分析。
对于转录组数据以 ＲPKM (Ｒeads Per Kilobases
per Million reads)值比较基因在不同组织内的表达
水平。ＲPKM计算公式如下:ＲPKM = (109 × C)÷
(N × L)［41］。C为比对到某个基因的 reads 数;N 为
样本比对到所有基因的总 reads 数;L 为基因长度。
将所有数据进行以 2 为底的对数转换，用软件 Clus-
ter3． 0 进行聚类，并用软件 TreeView1． 60［42］查看聚
类结果。
2 结果与分析
2． 1 VIT家族基因序列获取
通过 HMMEＲ3． 0 检索和 InterProScan 分析，分
别得到了 9 个拟南芥 VIT 候选基因，13 个白菜 VIT
候选基因，12 个甘蓝 VIT 候选基因和 14 个甘蓝型
油菜 VIT候选基因(表 1)。可以看出，白菜和甘蓝
相对于较为古老的物种拟南芥，VIT 基因家族成员
表现出了扩张现象，而甘蓝型油菜相对于其祖先物
种的白菜和甘蓝也表现出了扩张现象。
2． 2 VIT家族基因的系统发育分析
系统发育树显示，VIT 家族基因共形成三个分
支，第 I 类有 20 个基因，第 II 类有 6 个基因，第 III
355周荣芳等: 芸薹属 AC基因组中 VIT基因家族的鉴定与进化
类有 21 个基因(图 1)。通过 InterProScan 分析发
现，甘蓝型油菜基因 Bna0478510 编码蛋白质长度仅
为 170 个氨基酸残基，其中 1 － 164 个氨基酸为 VIT
特征结构域，与上述其他基因蛋白质全长序列具有
较大差异，可能是在进化过程中发生了片段丢失，只
保留了 VIT 结构域。因此该基因未列入系统发育
树，但在后续研究中仍对其特性进行了详细分析。
拟南芥中已经报道的三个 VIT 基因 AtVIT1
(AT2G01170． 1)位 于 第 II 类 中，而 AtMEB1
(AT4G27860． 1)和 AtMEB2 /AtＲDＲ (AT5G24290． 1)
则位于第 III类中。系统发育关系显示，AtVIT1 在白
菜基因组中对应有两个拷贝，分别为 Bra024856、
Bra026634;在甘蓝基因组中有一个拷贝，为
Bol014786;而在甘蓝型油菜中有两个拷贝，分别为
Bna0483930 和 Bna0419320。AtMEB1 在白菜和甘
蓝基因组中分别有一个拷贝，为 Bra026303 和
Bol013119;在甘蓝型油菜中则对应有两个拷贝，为
Bna0644170 和 Bna0111440。AtMEB2 /AtＲDＲ 在白
菜和甘蓝基因组中分别有一个拷贝，为 Bra009746
和 Bol022443(图 1)。通过蛋白质全长序列 BLAST
发现，AtMEB2 /AtＲDＲ 在甘蓝型油菜中还具有两个
高度同源基因，为 Bna0125810 和 Bna0703140。但
InterProScan分析显示二者并不具有 VIT 结构域，可
能随着进化过程中的环境选择压力的影响，导致
VIT基因关键位点发生单碱基的变异，丧失了 VIT
保守结构域。
表 1 VIT家族基因信息和启动子顺式作用元件
Table 1 Gene information and cis elements in promoter of VIT gene family
基因
Gene
CDS
/bp Intron
顺式元件 Cis elements
ABＲE LTＲE MYB MYC W － box
基因
Gene
CDS
/bp Intron
顺式元件 Cis elements
ABＲE LTＲE MYB MYC W － box
Bra025879 606 0 3 1 0 0 7 Bra026634 2 305 3 4 1 0 2 7
Bol020660 606 0 4 3 0 0 9 Bol014786 2 349 3 1 1 0 4 6
Bra016431 333 0 1 1 0 1 8 Bra009746 2 226 4 5 2 1 0 5
Bol007032 603 0 1 4 0 0 6 Bol022443 2 174 5 6 1 1 1 8
Bra012271 603 0 0 1 2 2 4 AT5G24290． 1 2 348 5 6 1 0 3 5
Bol025491 603 0 0 1 1 0 2 Bra026303 2 303 6 3 2 2 2 6
AT1G21140． 1 603 0 3 0 0 0 5 Bna0644170 2 280 6 3 2 2 1 6
AT3G43630． 1 603 0 0 0 0 0 4 Bol013119 2 264 6 1 0 2 2 6
AT3G43660． 1 597 0 1 1 0 3 6 Bna0111440 2 287 6 1 1 2 3 7
AT1G76800． 1 591 0 2 1 0 1 4 AT4G27860． 1 2 433 7 1 3 0 1 2
Bra015718 585 0 0 0 0 0 4 Bra026302 4 038 9 7 2 1 1 11
Bol027602 585 0 0 0 1 2 4 Bna0716460 3 732 9 3 0 0 0 6
Bra008277 585 0 3 0 0 0 4 Bol013120 3 630 9 2 3 0 1 4
Bol039220 585 0 2 0 0 2 4 Bna0070120 4 906 13 6 0 1 1 10
Bna0426940 585 0 1 0 0 1 2 AT4G27870． 1 3 697 7 11 2 0 3 8
AT3G25190． 1 1 110 1 2 0 0 1 3 Bra019020 1 198 2 8 1 0 1 4
Bra013226 1 166 1 3 1 0 3 7 Bna0727560 1 276 2 8 1 0 0 6
Bna0790450 1 166 1 2 1 0 2 4 Bol042360 1 196 2 6 1 1 2 5
Bol042483 1 167 1 3 0 0 2 8 Bna0121430 1 196 2 8 2 1 1 9
Bna0065400 1 167 1 3 0 0 2 8 Bra019021 3 078 6 3 0 1 1 3
Bra024856 2 920 3 1 2 1 3 2 Bna0131420 2 772 7 6 1 0 2 7
Bna0483930 2 920 3 1 2 1 3 2 Bol042359 3 238 6 1 0 1 2 4
AT2G01770． 1 1 651 3 3 2 0 1 4 Bna0788650 2 793 5 4 0 0 1 11
Bna0419320 2 355 3 1 1 0 5 6 Bna0478510 513 0 1 0 0 0 0
2． 3 VIT家族基因结构和启动子区域分析
基因结构图和基因信息表明，VIT 基因家族的
内含子数目变化较大，在 0 到 13 个不等，其中无内
含子的基因最多，有 16 个，占 33． 33%。第 I类基因
包含 0 ～ 1 个内含子，编码序列长度较短，在 333 ～
1 167bp之间;第 II类基因包含 3 个内含子，编码序
列长度在 1 651 ～ 2 920bp之间;第 III类基因大部分
具有 4 个以上内含子，编码序列长度较长，在 1 196
～ 4 906bp之间(图 1，表 1)。
利用 PLACE软件［28，29］对上述基因的启动子区
域序列进行的顺式作用元件［30 ～ 33］预测发现，除
Bna0478510 外，VIT基因启动子区域都含有多个 W
－ box元件，最多的含有 11 个;89． 58%的成员启动
子含有 ABＲE元件，最多含有 11 个;64． 58%的成员
启动子含有 LTＲE元件，最多含有 4 个;35． 4%的成
员启动子含有 MYB 元件，最多含有 2 个;75%的成
员启动子含有 MYC元件，最多含有 5 个(表 1)。这
些顺式作用元件都与激素调控、抗逆抗病应答反应
相关［29 ～ 33］，因而 VIT 基因也可能参与植物抗胁迫
过程。
455 中国油料作物学报 2014，36(5)
注:分支上数字为 bootstrap值;右侧黑色矩形框为外显子，细线为内含子
Note:Numbers next to branches indicate percentage of 100 bootstrap analysis;black box stands for exon and line stands for intron
图 1 VIT基因家族系统发育树及基因结构图
Fig． 1 Phylogenetic tree and gene structure of VIT gene family
2． 4 VIT家族基因蛋白质特性和保守结构分析
通过蛋白质特性分析，发现第 I 类基因编码蛋
白质长度在 110 ～ 219 个氨基酸之间，理论分子量在
12． 13 ～ 23． 34kDa 之间，其中 65%的基因编码蛋白
质 pI 小于 7． 0，为酸性蛋白质，大部分蛋白质稳定
(占 75%) ，全部为疏水性蛋白质。第 II类基因编码
蛋白质长度为 250 个氨基酸，理论分子量在26． 76
kDa左右，pI在 5． 14 左右，均为酸性疏水蛋白质，蛋
白质结构不稳定。第 III 类基因编码蛋白质长度在
272 ～ 955 个氨基酸之间，理论分子量在 29． 42 ～
102． 89kDa之间，其中 81． 82%的基因编码蛋白为酸
性蛋白质，77． 27% 的基因编码蛋白质不稳定，
86． 36%的基因编码亲水性蛋白质(表 2)。
同时，通过 TMHMM 和 hmmtop［35］对跨膜结构
域的预测，发现上面 48 个 VIT 家族基因中 22 个基
因有 5 个跨膜结构域，占 45． 83%;17 个基因有 4 个
跨膜结构域，占 35． 41%;8 个基因有 3 个跨膜结构
域，占 16． 67%;甘蓝型油菜基因 Bra016431，其基因
编码序列较短，仅为 333bp，只有 1 个跨膜结构域。
分析显示 AtVIT1 有 5 个跨膜结构域，而 AtMEB1 和
AtMEB2 /AtＲDＲ有 4 个跨膜结构域(表 2)。
通过 Pfam提取候选基因 VIT结构域区段，得到
每个基因的结构域范围(表 2)。利用 Clustal W2［25］
进行序列比对后，发现其保守结构域区段长度约为
83 个氨基酸。采用 WebLogo 绘制出的结构域 logo
图显示，结构域中非极性氨基酸和极性不带电氨基
酸居多(图 2A)。其中有 16 个位点主要为非极性氨
基酸，分别是第 20、21、22、23、24、27、29、43、45、48、
55、60、64、76、80、83 位的氨基酸(星号标注)。结构
域中有两个保守氨基酸位点，分别是 Gly18 和
Pro22。61 位为碱性氨基酸［KＲ］，62 位为极性不带
电氨基酸［STG］。
同时通过MEME进行 motif分析，在 VIT基因内
共找到 3 个 motif 区段，Motif1 具有 50 个氨基酸残
基，位于 44 ～ 93 个氨基酸之间;Motif2 具有 50 个氨
基酸残基，位于 145 ～ 194 个氨基酸之间;Motif3 为
50 个氨基酸残基，位于距 C 端 160 ～ 210 个氨基酸
之间(图 2B)。总的来说，第 I 类基因主要包含 Mo-
tif1 和 Motif2，如 AT1G21140． 1;第 II 类基因只含有
Motif1，如 AtVIT1;第 III 类基因只含有 Motif3，如 At-
MEB1 和 AtMEB2 /AtＲDＲ (图 2B)。
555周荣芳等: 芸薹属 AC基因组中 VIT基因家族的鉴定与进化
表 2 VIT基因家族蛋白质特性和保守结构信息
Table 2 Protein and Domain features of VIT gene family
基因号
Gene ID
蛋白质长度
Length of protein
分子量
MW/kDa
等电点
pI
稳定性
Instability
疏水性
GＲAVY
跨膜结构域数目
No． of TM
结构域区域
VIT bomain /bp
Bra025879 201 21． 02 9． 33 29． 6 0． 511 5 30 ～ 98，95 ～ 194
Bol020660 201 21． 03 9． 19 30． 58 0． 5 5 30 ～ 98，95 ～ 194
Bra016431 110 12． 13 7． 75 37． 58 0． 212 2 30 ～ 98
Bol007032 200 21． 08 6． 58 36． 9 0． 589 5 30 ～ 100，104 ～ 194
Bra012271 200 20． 94 8． 67 29． 97 0． 504 4 30 ～ 99，96 ～ 194
Bol025491 200 20． 93 8． 67 30． 11 0． 493 4 30 ～ 99，96 ～ 194
AT1G21140． 1 200 21． 03 7． 84 31． 8 0． 52 5 30 ～ 99，104 ～ 194
AT3G43630． 1 200 21． 19 8． 95 34． 75 0． 47 4 27 ～ 96，93 ～ 191
AT3G43660． 1 198 20． 94 9． 01 31． 03 0． 511 5 28 ～ 97，93 ～ 192
AT1G76800． 1 196 20． 59 6． 58 42． 39 0． 537 4 27 ～ 102，98 ～ 190
Bra015718 194 20． 28 7． 81 34． 39 0． 554 4 25 ～ 100，99 ～ 188
Bol027602 194 20． 33 7． 81 34． 39 0． 528 4 25 ～ 100，99 ～ 188
Bra008277 194 20． 29 6． 74 34． 89 0． 543 4 25 ～ 100，99 ～ 188
Bol039220 194 20． 34 6． 74 35． 44 0． 542 4 25 ～ 100，99 ～ 188
Bna0426940 194 20． 34 6． 74 35． 44 0． 542 4 25 ～ 100，99 ～ 188
AT3G25190． 1 219 23． 21 8． 58 37． 51 0． 335 5 35 ～ 210
Bra013226 219 23． 34 5． 79 42． 79 0． 351 5 35 ～ 210
Bna0790450 219 23． 34 5． 79 42． 79 0． 351 5 35 ～ 210
Bol042483 219 23． 31 7． 76 40． 37 0． 332 5 35 ～ 210
Bna0065400 219 23． 31 7． 76 40． 37 0． 332 5 35 ～ 210
Bra024856 250 26． 75 5． 1 41． 82 0． 292 4 34 ～ 246
Bna0483930 250 26． 75 5． 1 41． 82 0． 292 5 34 ～ 246
AT2G01770． 1 250 26． 86 5． 17 48． 45 0． 289 5 34 ～ 246
Bna0419320 250 26． 69 5． 15 46． 51 0． 319 5 35 ～ 246
Bra026634 250 26． 74 5． 15 46． 51 0． 314 5 35 ～ 246
Bol014786 250 26． 74 5． 15 46． 51 0． 314 5 35 ～ 246
Bra009746 519 58． 07 4． 76 49． 42 － 0． 433 3 388 ～ 483
Bol022443 520 57． 98 4． 74 52． 46 － 0． 466 3 388 ～ 484
AT5G24290． 1 550 61． 05 4． 54 52． 37 － 0． 454 4 347 ～ 514
Bra026303 594 66． 01 5． 15 51． 89 － 0． 447 5 391 ～ 573
Bna0644170 602 67． 01 5． 15 49． 96 － 0． 458 5 402 ～ 581
Bol013119 587 65． 42 5． 2 50． 48 － 0． 471 5 387 ～ 566
Bna0111440 606 67． 58 4． 97 50． 66 － 0． 435 5 403 ～ 585
AT4G27860． 1 611 68． 17 5． 04 47． 03 － 0． 569 4 413 ～ 591
Bra026302 788 85． 32 4． 79 50． 38 － 0． 474 4 652 ～ 747
Bna0716460 789 85． 53 4． 74 52． 09 － 0． 448 4 653 ～ 748
Bol013120 803 86． 97 4． 76 49． 5 － 0． 44 4 668 ～ 763
Bna0070120 955 102． 89 4． 65 50． 35 － 0． 495 4 820 ～ 915
AT4G27870． 1 761 82． 55 4． 69 41． 23 － 0． 441 4 545 ～ 721
Bra019020 274 29． 71 9． 83 38． 34 0． 071 3 59 ～ 234
Bna0727560 292 31． 77 9． 86 42． 92 － 0． 018 5 128 ～ 252
Bol042360 272 29． 42 9． 86 38． 51 0． 11 5 144 ～ 235
Bna0121430 272 29． 43 9． 86 39． 41 0． 129 5 144 ～ 235
Bra019021 637 69． 77 5． 02 48． 56 － 0． 419 3 496 ～ 597
Bna0131420 643 71． 24 5． 07 49． 9 － 0． 452 3 530 ～ 622
Bol042359 625 68． 49 4． 93 38． 88 － 0． 497 3 411 ～ 585
Bna0788650 571 62． 92 4． 93 46． 58 － 0． 509 3 357 ～ 531
Bna0478510 170 18． 64 5． 48 36． 21 0． 224 3 1 ～ 164
2． 5 VIT家族基因的三倍化分析
通过对拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜的共线
性分析，发现 AtVIT1 在白菜中对应 2 个同源基因，
甘蓝中对应 1 个同源基因，甘蓝型油菜中对应 1 个
同源基因，位于 A 亚基因组上。AtMEB1 在白菜中
对应 1 个同源基因，甘蓝中对应 2 个同源基因，甘蓝
型油菜中对应 1 个同源基因，位于 C 亚基因组上。
AtMEB2 /AtＲDＲ和 AT3G25190． 1 相同，在白菜和甘
655 中国油料作物学报 2014，36(5)
蓝中各对应 1 个同源基因，甘蓝型油菜的 A、C 亚基
因组中各对应 1 个同源基因。AT1G21140． 1 在白菜
中对应 2 个同源基因，甘蓝中对应 1 个同源基因。
AT1G76800． 1 在白菜和甘蓝中各对应 2 个同源基
因。AT4G27870． 1 在白菜和甘蓝中各对应 2 个同源
基因，甘蓝型油菜的 A、C亚基因组中各对应 1 个同
源基因。AT3G43630． 1 和 AT3G43660． 1 没有出现
在线性化对应区段上(表 3)。
注:A:VIT结构域及其保守氨基酸位点;B:全长蛋白质特征 motif序列及其分布氨基酸字母
高度与该氨基酸的保守性相关;黑色方框显示保守氨基酸位点;星号显示保守的疏水氨基酸位点
Note:A:VIT domain and its conserved amino acid sites;B:Sequence and distribution of motifs in full length protein
The height of characters correlates to the conservation of the amino acid;Black box shows the conserved
amino acid site;asterisk indicates the hydrophobic amino acid site
图 2 VIT基因家族 VIT结构域和全长蛋白质特征 motif序列
Fig． 2 VIT domain and motif in full length protein of VIT gene family
总体来说，拟南芥 9 个 VIT 基因中 7 个存在线
性对应同源基因，共对应白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中
29 个 VIT基因。在 Pfam 数据库中分析各同源基因
的 VIT结构域，发现白菜的 11 个 VIT基因都保留了
VIT结构域，而甘蓝的 10 个 VIT 同源基因中只有 9
个满足 VIT结构域，另 1 个基因可能产生了功能分
化或退化，不再具有液泡铁离子转运的功能。甘蓝
型油菜中共有 8 个线性对应的 VIT 同源基因，A、C
基因组上各有 4 个，A 基因组上的 4 个基因有 3 个
保留了 VIT结构域，C 基因组上的 4 个基因有 2 个
保留了 VIT 结构域，因而可以看出 VIT 基因家族成
员在芸薹属物种加倍后发生了不同程度的丢失。
聚类分析与共线性分析寻找到的 VIT基因分类
一致。但在同源基因搜索结果中也发现，白菜、甘蓝
和甘蓝型油菜中分别有 2 个、3 个和 8 个 VIT基因不
在线性对应区段上(表 1)。可以看出 VIT 基因家族
成员在芸薹属物种加倍后可能由于环境条件变化，
产生了新的 VIT基因。
755周荣芳等: 芸薹属 AC基因组中 VIT基因家族的鉴定与进化
表 3 拟南芥 7 个 VIT基因在白菜、甘蓝和甘蓝型油菜共线性区域的同源基因
Table 3 Ortholog of 7 Arabidopsis VIT genes in B． rapa，B． oleracea and B． napus genome syntenic regions
基因号
Gene ID
LF MF1 MF2
BraLF BolLF BraMF1 BolMF1 BraMF2 BolMF2
AT1G21140． 1* NA NA Bra012271* Bol025491* Bra016431* NA
AT1G76800． 1* Bra015718* Bol027602* Bra008277* Bol039220* NA NA
AT2G01770． 1 (AtVIT1)* Bra024856* NA Bra026634* Bol014786* NA NA
AT3G25190． 1* NA NA NA NA Bra013226* Bol042483*
AT4G27860． 1(AtMEB1)* Bra026303* Bol013119* NA NA NA Bol021163
AT4G27870． 1* Bra026302* Bol013120* Bra019020* Bol042359* NA NA
AT5G24290． 1(AtMEB2 /AtＲDＲ)* Bra009746* Bol022443* NA NA NA NA
基因号
Gene ID
LF MF1 MF2
Bna － A － LF Bna － C － LF Bna － A － MF1 Bna － C － MF1 Bna － A － MF2 Bna － C － MF2
AT1G21140． 1* NA NA NA NA NA NA
AT1G76800． 1* NA NA NA NA NA NA
AT2G01770． 1 (AtVIT1)* NA NA Bna0419320* NA NA NA
AT3G25190． 1* NA NA NA NA Bna0790450* Bna0065400*
AT4G27860． 1(AtMEB1)* NA NA NA NA NA Bna0474920
AT4G27870． 1* NA NA Bna0727560* Bna0121430* NA NA
AT5G24290． 1(AtMEB2 /AtＲDＲ)* Bna0125810 Bna0703140 NA NA NA NA
注:星号表示含有 VIT结构域的基因，下同 Note:* indicates the gene containing VIT domain． Same as below
2． 6 VIT家族基因的串联重复分析
通过对拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中的串
联重复基因簇进行分析，发现在 VIT 基因家族中共
有 10 个串联重复基因簇。其中拟南芥有 2 个串联
重复基因簇，分别为 AT3G43630． 1、AT3G43660． 1 和
AT4G27860． 1、AT4G27870． 1。白菜中有 2个串联重复
基因簇，为 Bra019020、Bra019021 和 Bra026 － 302、
Bra026303、Bra026304。甘蓝中有 2 个串联重复基因
簇，为 Bol013118、Bol013119、Bol013120 和 Bol042359、
Bol042360。甘蓝型油菜中有4个串联重复基因簇，为
Bna0131420、Bna0727560，Bna00701 － 20、Bna03365 －
60、Bna0644170，Bna0121430、Bna0788 － 650 和 Bna －
0111440、Bna0467390、Bna0716460(表 4)。
结合共线性分析发现，拟南芥中 1 个串联重复
基因簇 AT3G43630． 1、AT3G43660． 1，甘蓝型油菜中
2 个串联重复基因簇 Bna0070120、Bna0336560、
Bna0644170 和 Bna0111440、Bna0467390、Bna0716
－ 460 不在线性化区段上。拟南芥串联重复基因簇
AT4G27860． 1、AT4G27870． 1 分别对应于白菜中
Bra026303、Bra026302 和甘蓝中 Bol013119、Bol0 －
13120。串联重复基因簇 AT4G27860． 1、AT4G －
27870． 1 在白菜和甘蓝中得到保留，推测该基因簇
是在物种分化以前就存在于芸薹属祖先物种中，并
且在进化过程中进一步保留下来。而甘蓝与白菜中
的其他串联重复基因簇则是物种分化以后，由环境选
择压力形成的，是物种特异的串联重复基因。
表 4 VIT基因在拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中的串联重复基因簇
Table 4 Tandem duplication clusters of VIT genes in A． thaliana，B． rapa，B． oleracea and B． napus
基因簇名称
Cluster name
串联重复基因数
Genes in the cluster
基因号
Gene ID
Cluster_1 2 AT3G43630． 1* AT3G43660． 1*
Cluster_2 2 AT4G27860． 1* AT4G27870． 1*
Cluster_3 2 Bra019020* Bra019021*
Cluster_4 3 Bra026302* Bra026303* Bra026304
Cluster_5 3 Bol013118 Bol013119* Bol013120*
Cluster_6 2 Bol042359* Bol042360*
Cluster_7 2 Bna0131420* Bna0727560*
Cluster_8 3 Bna0070120* Bna0336560 Bna0644170*
Cluster_9 2 Bna0121430* Bna0788650*
Cluster_10 3 Bna0111440* Bna0467390 Bna0716460*
2． 7 VIT家族基因的组织表达特异性比较
利用拟南芥表达芯片数据，以及白菜、甘蓝和甘
蓝型油菜转录组数据，分析其中 VIT 家族基因表达
丰度，发现除拟南芥中 AT4G27870． 1 和油菜中
Bna0121430、Bna0131420、Bna0478510 和 Bna0727560
不表达外，大部分基因都有不同程度表达(图 3)。
在拟南芥中，AtVIT1 在角果中高表达，在其它各
组织中低表达，并且表达丰度低于其它基因成员。
855 中国油料作物学报 2014，36(5)
AtMEB1 在根、叶和花中高表达，在茎和角果中低表
达。AtMEB2 /AtＲDＲ在根、叶和花中高表达，在茎和
角果中低表达。AT1G21140． 1 在各组织中都高表
达。AT1G76800． 1 在根、茎、角果中表达较高，叶和
花中表达较低。AT3G25190． 1 在根、茎和叶中有较
高表达，在花和角果中表达较低。AT3G43630． 1 和
AT3G43660． 1 在各组织中表达均较低。
同时，AtVIT1 同源基因 Bra026634 在各组织中
表达偏低，在花中没有检测到表达。AtMEB1 同源
基因 Bra026303、Bol013119 在各组织中表达均较
高，Bna0644170 和 Bna0111440 在叶、花和角果中表
达较高，在根和茎中表达较低。AtMEB2 /AtＲDＲ 同
源基因 Bra009746 和 Bol022443 在各组织中表达均
较 高。 AT1G21140． 1 同 源 基 因 Bra025879、
Bra012271 在根、茎、花和角果中表达较高，在叶中
表达较低;Bol020660 和 Bol025491 在根、花和角果
中表达较高。AT1G76800． 1 同源基因 Bra015718、
Bra008277、Bol027602、Bol039220 在茎中高表达，
Bna0426940 在各组织中表达均较低。AT3G25190． 1
同源基因 Bra013226、Bol042483 在根、茎和叶中高
表达。
注:A:拟南芥;B:白菜;C:甘蓝;D:甘蓝型油菜
Note:A:A． thaliana B:B． rapa C:B． oleracea D:B． napus
图 3 拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中 VIT基因在不同组织中的表达差异
Fig． 3 Expression profiles of VIT genes in different tissues in A． thaliana，B． rapa，B． oleracea and B． napus
3 讨论与结论
VIT基因家族最早在酵母中发现，主要负责液
泡铁 /锰离子转运过程。该家族成员大多定位于液
泡膜上，均含有 VIT 特征性结构域。VIT 基因普遍
存在于不同物种之中，但是其生理功能随物种不同
有所差异。至今为止，VIT 基因家族还没有在物种
中得到系统的鉴定，为探讨 VIT 基因在拟南芥、白
菜、甘蓝、甘蓝型油菜中可能的作用和进化机制，本
研究基于已获得的全基因组数据进行了全面分析。
根据 VIT结构域进行同源蛋白搜索，在拟南芥、
白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中分别得到了 VIT 候选基
因 9 ～ 14 个。系统发育树显示，VIT 家族基因共形
成三个分支，第 I类有 20 个基因，第 II 类有 6 个基
因，第 III类有 21 个基因。基因结构信息表明，这些
基因包含 0 ～ 13 个内含子不等，无内含子的基因最
多，占 33． 33%。通过分析 VIT 基因启动子区域，发
现该区域富含 ABＲE 、LTＲE、MYB 、MYC和W － box
等抗逆抗病应答相关顺式作用元件。这与前人研究
发现 AtMEB1 和 AtMEB2 /AtＲDＲ 可能参与到抗病过
程和重金属胁迫应答相吻合［10］，表明 VIT 基因极可
能参与了植物抵抗胁迫的过程。通过深入分析 VIT
家族基因蛋白质序列，发现 VIT 结构域保守区段长
度约为 83 个氨基酸，其中非极性氨基酸和极性不带
电氨基酸居多。共线性分析显示，拟南芥中 9 个
VIT基因中有 7 个与白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中共
955周荣芳等: 芸薹属 AC基因组中 VIT基因家族的鉴定与进化
29 个 VIT 基因相对应，而白菜、甘蓝和甘蓝型油菜
中有 2 ～ 8 个 VIT 基因在线性对应区段之外。串联
重复分析发现，基因簇 AT4G27860． 1、AT4G27870． 1
可能是在物种分化以前就存在，并在白菜和甘蓝中
得到保留。
通过分析 VIT 基因家族成员的三倍化扩张现
象，并结合基因表达水平，发现 VIT基因线性对应的
同源基因表达模式具有一定的相似性，同时也存在
一定分化。例如，AT1G76800． 1 在根、茎、角果中表
达较高，而在叶和花中表达较低，而白菜经过三倍化
后对应线性区段基因中 Bra008277 与 AT1G76800． 1
表达基本一致，但是另一个 Bra015718 则在叶和花
中表达也较高。甘蓝中由基因扩张产生的同源基因
表达特性类似。在白菜和甘蓝杂交后形成的甘蓝型
油菜中，Bna0426940 则是在各组织中表达均比较
低，并且该基因不在线性化区段上，说明它可能是环
境选择压力下产生的新基因，具有完全不同的功能。
同样的分化情况也存在于其它 VIT基因中。
同时拟南芥串联重复基因簇 AT3G43630． 1 和
AT3G43660． 1 在叶中表达较高，在根、茎、花、角果中
表达较低。白菜 Bra026303、Bra026302 和甘蓝
Bol013119、Bol013120，在各组织中都有较高表达。
上述串联重复基因簇表达模式基本一致，推测串联
重复产生的基因在功能上具有较高的相似性。
因而可推测 VIT基因家族成员在芸薹属祖先三
倍化后，导致基因剂量增加，根据基因的剂量平衡假
说［43，44］，由于基因剂量增加的影响，首先发生了 VIT
基因家族成员的丢失，以适应环境的选择压力;而在
甘蓝和白菜分化以后，为了适应环境的影响，又通过
串联重复机制对 VIT 基因进行了剂量补偿;但是在
甘蓝和白菜杂交形成甘蓝型油菜后，为了适应不同
的环境选择压力，维持物种的稳定，VIT 基因家族成
员再次发生不同程度的丢失，同时也产生了新的
VIT基因和串联重复基因簇，从而造成了甘蓝、白菜
和油菜中 VIT基因数目差异。总体来说，这整个进
化过程中既有基因丢失，也存在基因功能丧失或者
改变，同时还有新的基因产生。
本研究充分利用拟南芥、白菜、甘蓝以及甘蓝型
油菜基因组测序、转录组测序以及表达芯片信息，通
过对 VIT基因家族开展基因结构、启动子顺式作用
元件、蛋白质结构域、共线性和串联重复基因簇分析
以及表达模式分析，对白菜、油菜和甘蓝型油菜中
VIT基因功能进行了预测，为进一步验证基因功能
及应用提供了十分有价值的参考和借鉴。
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(责任编辑:郭学兰)
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