全 文 ：中国农业科学 2013,46(16):3478-3487
Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.16.019

收稿日期：2013-03-11；接受日期：2013-05-29
基金项目：国家自然基金项目（31271756，31101175）、高等学校学科创新引智计划（111计划）项目（B12006）
联系方式：陆俊杏，E-mail：junxlu@163.com。卢坤，E-mail：drlukun@swu.edu.cn。陆俊杏和卢坤为同等贡献作者。通信作者柴友荣，E-mail：
chaiyourong@163.com。通信作者梁颖，E-mail：yliang@swu.edu.cn


芸薹属物种（B. napus, B. oleracea, B. rapa）
MAPK1 家族的克隆、进化和表达特征
陆俊杏，卢 坤，朱 斌，彭 茜，陆奇丰，曲存民，殷家明，李加纳，梁 颖，柴友荣
（西南大学农学与生物科技学院/重庆市油菜工程技术研究中心/南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400715）

摘要：【目的】克隆甘蓝型油菜、甘蓝和白菜MAPK1 家族，分析 3个物种 MAPK1转录表达器官特异性。【方法】
在电子克隆的基础上，利用 RACE（rapid amplification of cDNA ends）技术获得 3 个物种 MAPK1 全长 cDNA 序
列和 gDNA序列。利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析 3个物种 MAPK1 家族的器官特异性表达特征。【结果】从
甘蓝型油菜、甘蓝和白菜中克隆了 MAPK1 家族共 4 个成员基因 BnMAPK1-1、BnMAPK1-2、BoMAPK1 和 BrMAPK1，它
们的 gDNA长度为2 512—2 525 bp，均有 3个外显子和 2个内含子，最长标准 mRNA 为 1 599—1 620 bp，ORF 均
为 1 100 bp。系统进化分析表明，甘蓝型油菜 MAPK1 家族来自于甘蓝和白菜 MAPK1 之和，其中，BnMAPK1-1 对应
于 BoMAPK1，BnMAPK1-2 则对应于 BrMAPK1。qRT-PCR 结果显示 3 个物种 MAPK1 在所有检测器官中均有表达，但器
官特异性在种间差异显著，暗示快速进化。【结论】克隆了甘蓝型油菜、甘蓝和白菜 MAPK1 的全长 cDNA序列和gDNA
序列，支持甘蓝和白菜通过天然种间杂交形成异源四倍体物种甘蓝型油菜的假说，芸薹属 MAPK1 基因和蛋白在序
列和结构上非常保守，但转录表达的器官特异性上进化极快，近缘种间差异显著。
关键词：甘蓝型油菜；甘蓝；白菜；克隆；进化；表达；MAPK1

Cloning, Evolution and Expression Features of MAPK1 Gene Family
from Brassica Species (B. napus, B. oleracea, B. rapa)
LU Jun-xing, LU Kun, ZHU Bin, PENG Qian, LU Qi-feng, QU Cun-min, YIN Jia-ming,
LI Jia-na, LIANG Ying, CHAI You-rong
(College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University/Chongqing Rapeseed Engineering & Technology Research
Center/Engineering Research Center of South Upland Agriculture, Ministry of Education, Chongqing 400715)

Abstract:【Objective】The objective of this study is to isolate MAPK1 gene family from Brassica napus, Brassica oleracea and
Brassica rapa and analyze the transcriptional expression profiles of MAPK1 in various organs of these three species.【Method】On the
basis of in silico cloning, the full-length cDNA and gDNA of MAPK1 genes were isolated from the three species using RACE (Rapid
Amplification of cDNA Ends) technology. Organ specificity of MAPK1 in various organs of the three species was detected by
quantitative real-time PCR (qRT-PCR).【Result】In this study, four MAPK1 genes including BnMAPK1-1, BnMAPK1-2, BoMAPK1
and BrMAPK1 were isolated from B. napus, B. oleracea and B. rapa. Their gDNA sequences were 2 512-2 525 bp, containing three
exons and two introns. Standard mRNA lengths of these genes were 1 599-1 620 bp, all with an ORF of 1 100 bp. Phylogenetic tree
showed that BnMAPK1 gene family was originated from the assemblage of B. oleracea and B. rapa MAPK1 genes, BnMAPK1-1 and
BnMAPK1-2 corresponding to BoMAPK1 and BrMAPK1, respectively. qRT-PCR showed that MAPK1 genes expressed in all tested
organs, but organ specificity showed significant differences among species implying quick evolution.【Conclusion】 In this study, the
full-length cDNA and gDNA of MAPK1 genes were isolated from B. napus, B. oleracea and B. rapa. It supports the assumption that
16期 陆俊杏等：芸薹属物种（B. napus, B. oleracea, B. rapa）MAPK1家族的克隆、进化和表达特征 3479
B. napus is a heterotetraploid species of B. oleracea and B. rapa by natural interspecific hybridization. Brassica MAPK1 genes show
much conservation in gene and protein sequences and structures, but the transcription organ specificity evolves very fast and show
significant differences among closely related species.
Key words: B. napus; B. oleracea; B. rapa; cloning; evolution; expression; MAPK1

0 引言
【研究意义】芸薹属（Brassica）是十字花科
（Cruciferae）植物重要的一属，包含许多重要经济作
物。甘蓝型油菜（B. napus）、甘蓝（B. oleracea）和
白菜（B. rapa）最具代表性，以它们为核心的芸薹属
—十字花科比较基因组学研究是当前植物起源与进化
研究领域的热点。促分裂原活化蛋白质激酶
（mitogen-activated protein kinase，MAPK）是丝/苏氨
酸蛋白质激酶的一个大家族，在植物响应外界信号[1]、
生长发育调节和抗逆等生理过程中起重要作用[2-4]，植
物MAPK通路也越来越受到人们的关注。目前，已有
研究证明 AtMAPK1 受多种逆境因子的诱导，在抗逆
过程中起作用[5]。通过对芸薹属MAPK1的克隆与进化
分析，不仅可以了解其结构特征，加深对其分子机制
的认识，同时有助于弄清 MAPK1 在响应外来胁迫中
的分子机理，为植物基因工程改良芸薹属作物奠定基
础。【前人研究进展】Morinaga[6-7]在 20世纪 20—30
年代通过细胞学研究，发现芸薹属包含白菜（AA，
2n=20）、黑芥（B. nigra，BB，2n=16）和甘蓝（CC，
2n=18）3个基本种和芥菜型油菜（B. juncea，AABB，
2n=36）、甘蓝型油菜（AACC，2n=38）、埃塞俄比
亚芥（Brassica carinata，BBCC，2n=34）和 3个复合
种，基本种间的两两杂交形成了异源四倍体复合种。6
个物种基因组间的亲缘关系可用禹氏三角（Us
triangle）表示[8]。1997年，多国科学家们在巴黎共同
发表关于甘蓝型油菜起源的文件，该文件再次推测，甘
蓝型油菜是由甘蓝和白菜通过天然种间杂交形成[9]。
目前，在拟南芥中，20个编码 MAPK的基因已经被
分离鉴定，根据其预测的氨基酸序列分成 A—D 四
个组，MAPK1 则属于 C 组[10]。C 组 MAPKs 只有在
拟南芥和豌豆中有研究，并且初步证明该组 MAPKs
受多种逆境因子的诱导，在植物抗逆过程中起作用[5,11]。
植物MAPK1只有在拟南芥中有研究，Mizoguchi等[12]
在拟南芥中克隆了 AtMAPK1，通过 Northern印迹杂交
发现 AtMAPK1 除在种子外的所有器官中均有表达，
并在蛋白水平上发现生长素能够激活AtMAPK1。1996
年，Mizoguchi 等 [13]发现在湿害和低温胁迫下，
AtMAPK1 mRNA水平并没有明显的变化，但盐胁迫
下却能迅速增强。近年来，有研究发现损伤、茉莉酸、
脱落酸和过氧化氢能够使 AtMAPK1 被激活上调[5]，
并且 AtMAPK1受上游 SNF1-related protein kinase 2
（SnRK2）的调节[14]。【本研究切入点】目前，植物
MAPK1 只在拟南芥中有少量研究，其生物学功能还
不十分清楚。关于该基因在芸薹属物种中的研究，国
内外尚未见报道。【拟解决的关键问题】本研究拟在
电子克隆的基础上设计引物，利用 RACE技术分别从
甘蓝型油菜、甘蓝和白菜中克隆 MAPK1 家族全部成
员的全长 cDNA序列和 gDNA序列，进行基因和编码
蛋白水平的比较基因组学和进化特征分析，并通过
qRT-PCR对 3个物种MAPK1的器官特异性进行检测，
为以后研究MAPKs的功能奠定基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料
供试材料甘蓝型油菜为黑籽品系中油 821，甘蓝
为羽衣甘蓝变种（B. oleracea var. acephala）的黑籽系，
白菜为白菜型油菜亚种（B. rapa ssp. oleifera）的黑籽
系，2010—2011年于重庆市油菜工程技术研究中心歇
马基地，常规大田管理。室内试验于 2011—2012年在
重庆市油菜工程技术研究中心进行。
1.2 基因全长的克隆
分别取甘蓝型油菜、甘蓝和白菜的叶片，采用
EasyPure Plant Genomic DNA Kit（全式金生物技术有
限公司）提取基因组 DNA。分别取 3个物种的根、茎、
叶、蕾、花和花后 30D种子，用 Trizol法（Invitrogen
公司）提取总 RNA，并用 RNase-free DNaseⅠ
（Fermentas公司）去除总 RNA中的痕量 DNA。各样
品取 RNA 各 1 μg，采用 PrimeScript

RT Reagent Kit
（TaKaRa公司）反转录获得 cDNA第一链。分别以 3
个物种种内所有器官总 RNA 混合样为模板，利用
GeneRacer试剂盒（Invitrogen公司）进行 5′和 3′RACE
的各项操作，直至获得 RACE总 cDNA第一链。根据
NCBI 上已有物种的 MAPK1 序列和芸薹属 MAPK1
EST和 GST标签序列的电子克隆结果，设计基因特异
引物（gene-specific primers, GSPs）（表 1），以 3个
3480 中 国 农 业 科 学 46卷
表 1 试验所需引物
Table 1 Primers used in this study
引物名称
Name of primers
引物序列
Sequence of primers (5–3)
功能
Function
RMAPK1-51 ACACTAATCCTCTTTGACGGATC 5RACE初扩 5RACE primary amplification
RMAPK1-52 CAATGAGTTTAAGCTGGTTTAAGCATTC 5RACE巢扩 5RACE nested amplification
FMAPK1-31 CTTAACCAGCTGAAGCTCATTGTCA 3RACE初扩 3RACE primary amplification
FMAPK1-32 GCTTGTTTTTGATCCGTCAAAGAGGAT 3RACE巢扩 3RACE nested amplification
FMAPK1F ACTTTCCTCCAAAAGATAACGTACGAACAAG
CAAGTAGAG
RBoMAPK1F AGCTGCAAAGCCTAGTCCTGTTTC
FMAPK1F+RBoMAPK1F 扩增 BnMAPK1-1和 BoMAPK1全长序列
FMAPK1F+RBoMAPK1F for amplifying full length of BnMAPK1-1 and BoMAPK1
RBnMAPK1-2F AGCTGCAAAGTCTAGTCTTATTTC FMAPK1F+RBnMAPK1-2F 扩增 BnMAPK1-2全长序列
FMAPK1F+RBnMAPK1-2F for amplifying full length of BnMAPK1-2
RBrMAPK1F AGCTGCAAAGGTTGGTGTTCATA FMAPK1F+RBrMAPK1F 扩增 BrMAPK1全长序列
FMAPK1F+RBrMAPK1F for amplifying full length of BrMAPK1
FMAPK1Q TGGCCATCGACCTTCTTCAGA
RMAPK1Q GGTAATGAAGCATCTCATTCCAC
FMAPK1Q+RMAPK1Q 实时荧光定量 PCR检测芸薹属 MAPK1的表达
FMAPK1Q+RMAPK1Q for qRT-PCR detection of Brassica MAPK1 expression
FUBC21 CCTCTGCAGCCTCCTCAAGT
RUBC21 CATATCTCCCCTGTCTTGAAATGC
FUBC21+RUBC21 扩增内参基因 UBC21
FUBC21+RUBC21 for amplifying internal reference gene UBC21


物种相应 cDNA 第一链为模板，进行 3 个物种 5′和
3′cDNA末端的 RACE扩增的初扩和巢扩。PCR产物
胶回收后，用 Promega公司 pGEM-T Easy载体连接，
转化大肠杆菌 DH5α感受态，选取 PCR鉴定为阳性的
克隆子测序。根据 3个物种 RACE测序产物的综合分
析结果，设计末端—末端引物，以每个物种的 3′RACE
总 cDNA 第一链为模板，扩增对应 MAPK1 家族成员
的全长 cDNA。扩增各物种MAPK1家族成员的 gDNA
时，将模板替换为基因组总 DNA。全长序列的 TA克
隆和测序方法同 RACE。
1.3 组织特异性表达分析
根据已克隆的芸薹属 MAPK1 家族各成员的
cDNA和 gDNA序列多重比对的分析结果，设计引物
（表 1），分别以 3 个物种根、茎、叶、蕾、花和花
后 30D 种子的 cDNA 为模板，以 UBC21（ubiquitin
conjugating enzyme 21，EV086936）为内参基因[15]，
qRT-PCR检测 3个物种MAPK1在不同器官中国的表
达水平。qRT-PCR 利用 SYBR® Premix Ex TaqTM II
（TaKaRa 公司）按照 MIQE 国际化标准在仪器
Mx3000P（Stratagene公司）上进行[16]。
1.4 生物信息学分析
在软件 Vector NTI Advance 9.0上进行序列比对、
ORF查找和翻译。在网站 NCBI（http://www.ncbi.nlm.
nih.gov/）上进行核酸和蛋白质的 BLAST分析。利用
MEGA 5.1软件，采用邻接法（neighbor-joining，NJ）
构建系统发育树。利用网站 ExPASy（http://www.expasy.
org/）上的蛋白质分析工具预测 3个物种MAPK1推导
蛋白的基本参数、特性、转录后修饰和高级结构。
2 结果
2.1 MAPK1 家族全长 cDNA 和 gDNA 的克隆
通过 RACE扩增，在甘蓝型油菜中得到 1个 5′末
端和 2 个不同的 3′末端，在甘蓝和白菜中分别得到 1
个 5′末端和 1个 3′末端。基因全长扩增表明，在甘蓝
型油菜、甘蓝和白菜中分别有 2、1和 1条约 1 600 bp
的 cDNA条带及 2 500 bp的 DNA条带（图 1）。测序
结果表明，甘蓝型油菜中有 2条不同的MAPK1，命名
为 BnMAPK1-1和 BnMAPK1-2；甘蓝和白菜中各有 1
条 MAPK1，分别命名为 BoMAPK1 和 BrMAPK1。种
内每个基因成员的 cDNA与对应的 gDNA之间完全一
致，区别仅在于内含子区的有无。BLASTn 序列比对
表明，克隆的 4 个 MAPK1 均与十字花科内的玉山筷
子芥（Arabidopsis lyrata）MAPK1（XM_002889747）
具有 93%的相似性，与拟南芥（Arabidopsis thaliana）
MAPK1（NM_100895）具有 89%以上的相似性，远高
于其它基因。
2.2 MAPK1 家族的结构分析
2.2.1 MAPK1家族的结构参数 BnMAPK1、BoMAPK1
和 BrMAPK1 家族 4个成员全长 gDNA序列为 2 512
—2 525 bp，均有 3个外显子和 2个内含子，它们的
16期 陆俊杏等：芸薹属物种（B. napus, B. oleracea, B. rapa）MAPK1家族的克隆、进化和表达特征 3481

M: Trans2K plus DNA marker; a. 1: BnMAPK1-1 cDNA; 2: BnMAPK1-2 cDNA; b. 1: BoMAPK1 cDNA; 2: BrMAPK1 cDNA; c. 1: BnMAPK1-1 gDNA; 2:
BnMAPK1-2 gDNA; d. 1: BoMAPK1 gDNA; 2: BrMAPK1 gDNA

图 1 甘蓝型油菜、甘蓝和白菜 MAPK1 家族全长 cDNA 和 gDNA的扩增
Fig. 1 The amplification of MAPK1 full-length cDNA and gDNA from B. napus, B. oleracea and B. rapa

mRNA最长为 1 599—1 620 bp。ORF（open reading
frame）均为 1 110 bp，GC含量为 44.4%—44.9%；最
长 5′UTR为 196 bp，GC含量为 46.9%—47.4%；最长
3′UTR为 293—314 bp，GC含量为 37.2%—38.5%；内
含子 I位于 5′UTR内，GC含量为 25.4%—25.7%；内
含子 II 位于 ORF 内，GC 含量为 29.1%—29.7%；编
码区的GC含量高于非编码区 3′UTR和内含子（表 2）。
EST标签电子克隆和 5′RACE的结果表明，所克隆的
MAPK1家族 4个成员具有多个可变的转录起始位点。
EST标签电子克隆和 3′RACE的结果表明，它们存在
多个 poly（A）加尾位点的现象。在它们的 3′UTR中
也存在 AATAAGAATAAC、ACTAAA、AACAAA、
AATATAAGAAA或 AATATA的疑似 poly（A）加尾
信号。可变的转录起始位点和加尾位点使同一个基因
产生多种长度的 mRNA分子，根本差异是 UTR长度
的可变性，结合内含子的可变性剪接，可能起转录调
控的作用。
2.2.2 MAPK1 家族的基本特性 推导的 BnMAPK1、
BoMAPK1和 BrMAPK1家族 4个成员均为 369个氨
基酸残基，ProtParam软件预测它们的分子量为 42.49
—42.54 kD，正电荷氨基酸占 11.7%，负电荷氨基酸
占 11.1%，理论等电点为 6.67，属于中性蛋白。氨基
酸组成中，亮氨酸含量最高（12.7%），其次是异亮
氨酸（6.8%），然后是天冬氨酸（6.2%）。不稳定指
数为 42.99—44.91，属于不稳定的蛋白。总平均亲水
性为-0.249—-0.248，属于亲水性蛋白（表 3）。SignalP
4.1 预测它们没有信号肽，TMpred 预测它们均具有 2
个跨膜域。Softberry-ProComp 9.0 预测 BnMAPK1-2
定位于细胞质，其它成员均定位于细胞核。虽然
TargetP 1.1预测它们均定位于线粒体，但可信等级低。
NetPhos2.0预测它们有 17—18个潜在的磷酸化位点，
主要是丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸磷酸化位点（表 3）。
2.2.3 MAPK1家族的结构特征 经 NCBI的 BLASTP
比对，表明 BnMAPK1、BoMAPK1和 BrMAPK1家
族 4 个成员均有 STKc_TEY_MAPK_plant 保守域
（cd07858），该保守域包含一个非常保守的 TEY基
序，存在于植物的MAPK中，上游的MAPKK对通过
双重磷酸化作用激活 MAPK，磷酸化位点是 TEY 基序
中的酪氨酸和苏氨酸残基。PPSearch 查找它们均具有 2
个蛋白基序（motif），分别为 PROTEIN_KINASE_ATP
（PS0010）和 PROTEIN_KINASE_ST（PS00108），
Radar软件预测它们均有 2个重复结构（图 2）。
SOPMA 软件预测，它们的二级结构主要为 α-螺
旋（42.55%—42.82%），在蛋白上分布较多，其中蛋
白的中前部有 3个大型的 α-螺旋。随机卷曲（37.13%
—37.67%）在蛋白上分别比较均匀，延伸链（13.55%
—15.18%）主要分布于蛋白的 N-端和中部，β-转角
（5.15%—5.96%）多数与延伸链伴生（表 3，图 3）。
2.3 MAPK1 家族的同源性分析和系统进化分析
2.3.1 核酸水平的同源性 Vector NTI 上的两两比
对表明，BnMAPK1、BoMAPK1 和 BrMAPK1 家族 4
个成员在 gDNA水平一致率为 91.9%—99.9%，cDNA
编码区水平的一致率为 96.7%— 100%。 NCBI
BLASTN表明，4个基因与 AtMAPK1的同源性最高，
Vector NTI 计算的 gDNA 水平一致率为 57.9%—
59.0%，cDNA 编码区水平的一致率为 89.3%—89.4%
（表 4）。在核酸水平，它们还与一些其它植物MAPK
有一定同源性。基因水平的多重比对表明（见电子版
附录），它们在编码区的保守性显著高于非编码区的
保守性，但内含子在剪接边界处是保守的，5′UTR和
3′UTR中大部分区域也比较保守，这些特点可能与基
因表达活动有关。
3482 中 国 农 业 科 学 46卷











































16期 陆俊杏等：芸薹属物种（B. napus, B. oleracea, B. rapa）MAPK1家族的克隆、进化和表达特征 3483

AtMAPK1: 拟南芥 Arabidopsis thaliana MAPK1; BnMAPK1-1/2: 甘蓝型油菜 Brassica napus MAPK1-1/2; BoMAPK1: 甘蓝 Brassica oleracea MAPK1;
BrMAPK1: 白菜 Brassica rapa MAPK1. 方框表示基序, 波浪线表示重复结构 Motifs are boxed, while repeats are with wave underlines

图 2 BnMAPK1、BoMAPK1、BrMAPK1 和 AtMAPK1的多重比对
Fig. 2 Multi-alignment of BnMAPK1, BoMAPK1, BrMAPK 1 and AtMAPK1 proteins


α螺旋、延伸链、β转角和随机卷曲分别用蓝色、红色、绿色和粉红色表示。数字表示蛋白的氨基酸残基的计数。BoMAPK1和 BrMAPK1的二级结
构与此高度相似。Alpha helix, extended strand, beta turn and random coil are denoted with blue, red, green, and pink respectively. The numerals are residue
counts along the whole proteins. Secondary structures of BoMAPK1and BrMAPK1 are very similar to them

图 3 BnMAPK1-1（上）和 BnMAPK1-2（下）的二级结构
Fig. 3 Secondary structure of BnMAPK1-1 (upper) and BnMAPK1-2 (lower)
AtMAPK1 1 MATLVDPPNGIRNEGKHYFSMWQTLFEIDTKYMPIKPIGRGAYGVVCSSVNSDTNEKVAI
BnMAPK1-1 1 MATPVDPPNGVRNQGKHYFTMWQNLFEIDTKYMPIKPIGRGAYGVVCSSVNTDNNEKVAI
BoMAPK1 1 MATPVDPPNGVRNQGKHYFTMWQNLFEIDTKYMPIKPIGRGAYGVVCSSVNTDNNEKVAI
BnMAPK1-2 1 MATPVDPPNGVRNQGKHYFTMWQNLFEIDTKYMPIKPIGRGAYGVVCSSVNTDNNEKVAI
BrMAPK1 1 MATPVDPPNGVRNQGKHYFTMWQNLFEIDTKYMPIKPIGRGAYGVVCSSVNTDNNEKVAI
Consensus 1 MATPVDPPNGVRNQGKHYFTMWQNLFEIDTKYMPIKPIGRGAYGVVCSSVNTDNNEKVAI

AtMAPK1 61 KKIHNVYENRIDALRTLRELKLLRHLRHENVIALKDVMMPIHKMSFKDVYLVYELMDTDL
BnMAPK1-1 61 KKIHNVYENRIDALRTLRELKLLRHLRHENVIALKDVMMPIHKRSFKDVYLVYELMDTDL
BoMAPK1 61 KKIHNVYENRIDALRTLRELKLLRHLRHENVIALKDVMMPIHKRSFKDVYLVYELMDTDL
BnMAPK1-2 61 KKIHNVYENRIDALRTLRELKLLRHLRHENVIALKDVMMPIHKRSFKDVYLVYELMDTDL
BrMAPK1 61 KKIHNVYENRIDALRTLRELKLLRHLRHENVIALKDVMMPIHKRSFKDLYLVYELMDTDL
Consensus 61 KKIHNVYENRIDALRTLRELKLLRHLRHENVIALKDVMMPIHKRSFKDVYLVYELMDTDL

AtMAPK1 121 HQIIKSSQVLSNDHCQYFLFQLLRGLKYIHSANILHRDLKPGNLLVNANCDLKICDFGLA
BnMAPK1-1 121 HQIIKSSQVLSNDHCQYFLFQLLRGLKYIHSANILHRDLKPGNLLINANCDLKICDFGLA
BoMAPK1 121 HQIIKSSQVLSNDHCQYFLFQLLRGLKYIHSANILHRDLKPGNLLINANCDLKICDFGLA
BnMAPK1-2 121 HQIIKSSQVLSNDHCQYFLFQLLRGLKYIHSANILHRDLKPGNLLINANCDLKICDFGLA
BrMAPK1 121 HQIIKSSQVLSNDHCQYFLFQLLRGLKYIHSANILHRDLKPGNLLINANCDLKICDFGLA
Consensus 121 HQIIKSSQVLSNDHCQYFLFQLLRGLKYIHSANILHRDLKPGNLLINANCDLKICDFGLA

AtMAPK1 181 RASNTKGQFMTEYVVTRWYRAPELLLCCDNYGTSIDVWSVGCIFAELLGRKPIFQGTECL
BnMAPK1-1 181 RTSNTKGQLMTEYVVTRWYRAPELLLCCDNYGTSIDVWSVGCIFAELLGRKPIFQGTECL
BoMAPK1 181 RTSNTKGQLMTEYVVTRWYRAPELLLCCDNYGTSIDVWSVGCIFAELLGRKPIFQGTECL
BnMAPK1-2 181 RTSNTKGQFMTEYVVTRWYRAPELLLCCDNYGTSIDVWSVGCIFAELLGRKPIFQGTECL
BrMAPK1 181 RTSNTKGQFMTEYVVTRWYRAPELLLCCDNYGTSIDVWSVGCIFAELLGRKPIFQGTECL
Consensus 181 RTSNTKGQFMTEYVVTRWYRAPELLLCCDNYGTSIDVWSVGCIFAELLGRKPIFQGTECL

AtMAPK1 241 NQLKLIVNILGSQREEDLEFIDNPKAKRYIRSLPYSPGMSLSRLYPGAHVLAIDLLQKML
BnMAPK1-1 241 NQLKLIVNILGSQRDEDLEFIDNPKAKRYIRSLPYSPGMSLSRLYPGAHVLAIDLLQKML
BoMAPK1 241 NQLKLIVNILGSQRDEDLEFIDNPKAKRYIRSLPYSPGMSLSRLYPGAHVLAIDLLQKML
BnMAPK1-2 241 NQLKLIVNILGSQRDEDLEFIDNPKAKRYIRSLPYSPGMSLSRLYPGAHVLAIDLLQKML
BrMAPK1 241 NQLKLIVNILGSQRDEDLEFIDNPKAKRYIRSLPYSPGMSLSRLYPGAHVLAIDLLQKML
Consensus 241 NQLKLIVNILGSQRDEDLEFIDNPKAKRYIRSLPYSPGMSLSRLYPGAHVLAIDLLQKML

AtMAPK1 301 VFDPSKRISVSEALQHPYMAPLYDPNANPPAQVPIDLDVDEDLREEMIREMMWNEMLHYH
BnMAPK1-1 301 VFDPSKRISVTEALQHPYMAPLYDPNANPPAQVPIDLDVDEELGEEMIREMMWNEMLHYH
BoMAPK1 301 VFDPSKRISVTEALQHPYMAPLYDPNANPPAQVPIDLDVDEELGEEMIREMMWNEMLHYH
BnMAPK1-2 301 VFDPSKRISVTEALQHPYMAPLYDPNANPPAQVPIDLDVDEELGEEMIREMMWNEMLHYH
BrMAPK1 301 VFDPSKRISVTEALQHPYMAPLYDPNANPPAQVPIDLDVDEELGEEMIREMMWNEMLHYH
Consensus 301 VFDPSKRISVTEALQHPYMAPLYDPNANPPAQVPIDLDVDEELGEEMIREMMWNEMLHYH

AtMAPK1 361 PQASTLNTEL--------------------------------------------------
BnMAPK1-1 361 PQASPSELL---------------------------------------------------
BoMAPK1 361 PQASPSELL---------------------------------------------------
BnMAPK1-2 361 PQASTSELL---------------------------------------------------
BrMAPK1 361 PQASTSELL---------------------------------------------------
Consensus 361 PQASTSELL---------------------------------------------------
3484 中 国 农 业 科 学 46卷
2.3.2 蛋白水平的同源性 在蛋白水平上，MAPK1
非常保守。Vector NTI 上的两两比对表明，推导的
BnMAPK1、BoMAPK1和 BrMAPK1家族 4个蛋白之
间的一致率为 99.2%—99.7%，相似率为 99.2%—
100%，只有 109、189位和 365位的氨基酸不一样（图
2）。BLASTP 表明，这 4 个蛋白与 AtMAPK1
（NP_172492.1）的同源性最高，Vector NTI计算的全
长水平一致率为 94.3%—94.9%，相似率为 96.0%—
96.5%（表 4），这进一步证明了MAPK1的保守性。
2.3.3 系统进化分析 系统进化树分析表明，首先是
BnMAPK1-1与 BoMAPK1聚在一类，BnMAPK1-2与
BrMAPK1聚在一类，共同构成了芸薹属MAPK1小支
（图 4），它们与拟南芥 AtMAPK1 的亲缘关系比较
接近，与其它植物MAPK1的遗传距离要稍微远一点。
表明芸薹属的 4 个 MAPK1 与 AtMAPK1 垂直对应
（orthologs），MAPK1位点上甘蓝型油菜等于甘蓝与
白菜之和。拟南芥、甘蓝、白菜、甘蓝型油菜等十字
花科 MAPK1 与玉米、花生、水稻等其它植物的
MAPK1，共同构成了植物 MAPK1 大支，而与动物
MAPK1大支的进化关系较远。

表 4 BnMAPK1、BoMAPK1、BrMAPK1 和 AtMAPK1的同源性分析
Table 4 Homology analysis of BnMAPK1, BoMAPK1, BrMAPK1 and AtMAPK1
基因 Gene BnMAPK1-1 BnMAPK1-2 BoMAPK1-1 BrMAPK1-1 AtMPK1
BnMAPK1-1 92.2/96.9 99.9/100 91.9/96.7 58.9/89.4
BnMAPK1-2 99.2/99.5 92.3/96.9 97.7/99.4 57.9/89.3
BoMAPK1 99.7/100 99.2/99.5 92.0/96.7 59.0/89.4
BrMAPK1 99.2/99.2 99.7/99.7 99.2/99.2 58.1/89.3
AtMAPK1 94.3/96.0 94.9/96.5 94.3/96.0 94.6/96.5
gDNA一致率（右上角，斜线左边），cDNA编码区一致率（右上角，斜线右边），蛋白一致率（左下角，斜线左边），蛋白相似率（左下角，斜线右边）
gDNA identities (upper right, left of oblique line), cDNA coding region identities (upper right, right of oblique line), protein identities (bottom left, left of
oblique line) and protein positives (bottom left, right of oblique line) (%)
BrMAPK1
BnMAPK1-2
BoMAPK1
BnMAPK1-1
AtMAPK1
FaMAPK1
ZmMAPK1
PsMAPK1
SIMAPK1
AhMAPK1
OsMAPK1
GmMAPK1
DmMAPK1
CaMAPK1
GaMAPK1
BtMAPK1
HsMAPK1
MmMAPK1
芸薹属MAPK1
Brassica MAPK1 十字花科MAPK1
Cruciferae MAPK1
植物MAPK1
Plants MAPK1
动物MAPK1
Animals MAPK1
55
46
100
100
100
100
100
100
100
100
97
62
99
80
90
81

AtMAPK1：拟南芥 Arabidopsis thaliana，NP_172492.1；FaMAPK1：高羊茅 Festuca arundinacea，CAJ85945.1；ZmMAPK1：玉米 Zea mays，
NP_001105239.1；PsMAPK1：中国李 Prunus salicina，AEQ28763.1；SlMAPK1：番茄 Solanum lycopersicum，AAP20419.1；AhMAPK1：花生 Arachis
hypogaea，AAZ23128.1；OsMAPK1：水稻 Oryza sativa Japonica Group，AAO16999.1；GmMAPK1：大豆 Glycine max，NP_001237882.1；DmMAPK1：
白花曼陀罗 Datura metel，ABY85198.2； CaMAPK1：辣椒 Capsicum annuum，AAF81419.1；GalMAPK1：原鸡 Gallus gallus，NP_989481.1； BtMAPK1：
牛 Bos taurus，NP_786987.1；HsMAPK1：人 Homo sapiens，NP_620407.1；MmMAPK1：小鼠 Mus musculus，NP_036079.1。进化树由 NJ法构建，
每个分支上的数值为自展检验值（1 000次重复）This tree is constructed by Neighbor-Joining method. The number for each interior branch is the percent
bootstraps value (1000 replicates)

图 4 BnMAPK1、BoMAPK1、BrMAPK1 与其它 MAPK1 的系统发生树
Fig. 4 Phylogenetic tree of deduced BnMAPK1, BoMAPK1, BrMAPK1 and other MAPK1
16期 陆俊杏等：芸薹属物种（B. napus, B. oleracea, B. rapa）MAPK1家族的克隆、进化和表达特征 3485
2.4 MAPK1 家族的器官特异性表达特征
利用实时荧光定量 PCR对甘蓝型油菜、甘蓝和白
菜 MAPK1 家族进行检测，发现 3 个物种的 MAPK1
在检测的器官中均有表达。甘蓝型油菜中，MAPK1
在根和茎中的表达量较高，蕾和花中的表达量则较低。
甘蓝中，MAPK1在叶片中的表达量最高，而在其它器
官中的表达量差别不大，均约为叶片中的 1/2。在白菜
中，MAPK1主要在根中表达，其它器官中的表达量很
低，在蕾和花中只检测到微弱的表达（图 5）。可以
看出，尽管 3个物种之间的MAPK1序列上高度相似，
但种间在 MAPK1 表达的器官特异性上差异显著，相
似性低，甘蓝型油菜和甘蓝中的器官特异性相对较弱，
而白菜中则近似于根特异表达，而且 3 个物种间
MAPK1表达的优势器官各不相同。



图 5 甘蓝型油菜、甘蓝和白菜 MAPK1 家族器官特异性检测
Fig. 5 The tested organ specificities in various organs of BnMAPK1, BoMAPK1 and BrMAPK1 families

3 讨论
对于芸薹属异源多倍体及其祖先二倍体之间的关
系，禹氏三角已经得到了大家的公认，甘蓝型油菜是
由甘蓝和白菜通过天然种间杂交形成这一推测也有了
更多证据的支持。不过，上述属内种间以及属间进化
关系的确立，主要是基于传统进化手段来进行研究，
尚缺乏不同物种间基因家族克隆的比较基因组学研究
的证据支撑。本研究对芸薹属和拟南芥等植物MAPK1
的系统进化分析表明，BnMAPK1-2与 BrMAPK1先聚
在一起，形成芸薹属 A基因组 MAPK1分支，说明甘
蓝型油菜 MAPK1-2 和白菜 MAPK1 互为垂直同源基
因，BnMAPK1-2 来自芸薹属基本物种白菜 A 基因组
（图 4）。BnMAPK1-1与 BoMAPK1首也先聚在一起，
形成芸薹属 C基因组 MAPK1分支，说明甘蓝型油菜
MAPK1-1 和甘蓝 MAPK1 互为垂直同源基因，
BnMAPK1-1 来自芸薹属基本物种甘蓝 C 基因组。
MAPK1位点上，甘蓝型油菜为甘蓝与白菜之和。该结
果从不同物种间基因家族克隆的比较基因组学研究角
度，初步证明了甘蓝和白菜通过天然种间杂交形成甘
蓝型油菜，与禹氏三角理论和 OCEC关于甘蓝型油菜
起源的说法相符[8-9]。
同时，芸薹属 A基因组和 C基因组MAPK1分支
聚在一起形成了芸薹属 MAPK1 分支，它与拟南芥
AtMAPK1 的亲缘关系比较接近，与其它物种 MAPK1
的遗传距离要稍微远一些，芸薹属的 4 个 MAPK1 与
AtMAPK1互为垂直同源基因（图 4）。
芸薹属植物与拟南芥起源于十字花科共同祖先，
具有较近的亲缘关系。在与拟南芥分离后，芸薹属植
物发生了基因组水平的三倍化[17-19]。基于该三倍化假
说，一般推测在芸薹属二倍体物种存在约 3个垂直同
源基因与拟南芥的单个基因相对应，而甘蓝型油菜与
拟南芥间的这种对应关系就应为 6﹕1。然而，甘蓝和
白菜在三倍化过程中也发生了大规模的基因丢失和染
色体重排现象，导致了这三个物种中很多功能基因家
族的成员数并不符合推测的倍数[20]。近年来，在芸薹
属物种中功能基因家族的克隆和比较基因组学研究证
明，在同一基因家族的成员数目上也不完全符合上述
三倍化假说的推测[21-24]。本研究从甘蓝与白菜基因组
中各分离出 1条而不是 3条MAPK1，而在甘蓝型油菜
中只分离了 2条而不是 6条MAPK1。推测在芸薹属祖
先基因发生三倍化以后，2个MAPK1水平同源基因已
丢失，只保留了 1 个 MAPK1 分别遗传给基本种甘蓝
和白菜，这与 Chai等[25]在芸薹属 TT12位点、卢坤
3486 中 国 农 业 科 学 46卷
等[26]在芸薹属 PAP17位点的发现相似。
在核苷酸水平上，甘蓝型油菜、甘蓝、白菜MAPK1
全长基因组长度为 2 512—2 525 bp，一致率为 91.9%
—99.9%，最长标准mRNA为 1 599—1 620 bp，ORF
长度均为 1 100 bp，一致率为 96.7%—100%（表 2和
表 4），它们的 gDNA、mRNA和 ORF的长度均比较
接近，而且一致率均在 90%以上。对这三个芸薹属物
种 MAPK1 的核苷酸比对，发现它们的基因序列大部
分一致，在外显子区域仅有少量的碱基有差异（电子
版附录），说明这三个芸薹属物种 MAPK1 位点在核
苷酸水平上比较保守。此外，这 3 个芸薹属物种
MAPK1 推导蛋白的一致率为 99.2%—99.7%，相似率
为 99.2%—100%（表 4），只有 109、189 位和 365
位的氨基酸不一样（图 2），这证明了这 3 个芸薹属
物种的MAPK1极为保守。
Ortiz-Masia等[11]研究发现，豌豆 PsMAPK2在雄
蕊、雌蕊、花、果实、根、茎和叶中均能表达，且在
根中表达量最高。本研究中，虽然 MAPK1 在甘蓝型
油菜、甘蓝和白菜的 6个组织器官中均能检测到表达
（图 5），但种间在MAPK1表达的器官特异性上差异
显著，甘蓝型油菜和甘蓝中的器官特异性相对较弱，
而白菜中则近似于根特异表达，而且 3 个物种间
MAPK1表达的优势器官各不相同。可以看出，MAPK1
的器官特异性进化极快，即使在极为相近的物种间也
差异显著。种间器官特异性的巨大差异可能与种内水
平同源基因间的分工不同有关，也可能是因为种间的
逆境胁迫不同。
4 结论
从甘蓝和白菜中各克隆到 1条MAPK1，从甘蓝型
油菜中克隆到 2条MAPK1，芸薹族祖先基因组三倍化
以后丢失了 2 个 MAPK1 水平同源基因，导致目前的
芸薹属基本种中只有 1 条 MAPK1，四倍体中只有 2
条MAPK1，且支持甘蓝型油菜是白菜与甘蓝的异源四
倍体物种这一假说。芸薹属MAPK1位点非常保守。3
个芸薹属物种的 MAPK1 在所有检测的 6 个器官中均
有表达，但种间的器官特异性上差异巨大，说明
MAPK1的器官特异性进化极快。

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（责任编辑 李莉）