李爱芹　李利斌　方志军　刘国明

摘要：本文采用比较基因组学和生物信息学的方法，首次从水稻基因组中鉴定出一个与拟南芥控制种子和器官大小的基因DAI同源的基因，命名为OsDAl，并对这个基因的序列特征、编码蛋白的结构域、顺式元件以及遗传进化进行了分析。结果表明，OsDAl编码的蛋白具有LIM结构域、泛素互作位点和锌指结构域，与拟南芥DAl蛋白的结构一致，推测二者在控制器官发育上具有类似的功能。本研究还发现，在水稻OsDAl基因的启动子区存在多个响应不同激素和逆境信号的顺式元件，但这些元件的类型与拟南芥DAl基因的顺式元件有所不同，OsDAl与AtDAl可能在表达调控上有所不同；OsDAl基因不仅能够控制种子等器官的大小和发育，而且还可能与植物的激素信号转导和逆境响应有关。本文为下一步研究OsDAl在水稻生长发育和逆境响应中的功能以及与水稻杂种优势的关系奠定了基础。

键词：水稻；DAl；结构；顺式元件；遗传进化

中图分类号：Q754文献标识号：A文章编号：1001—4942(2009)08—0005—04

植物器官大小特别是经济产量部分器官的大小是影响植物产量的重要因素和衡量植物杂种优势的重要指标。近年来。多个控制植物器官大小的基因被克隆并得到功能验证，如马铃薯的EBPl，拟南芥中控制器官大小和发育的基因KLUH、ARF2、AP2、ANT、BB等，水稻中控制抽穗期和穗粒数的基因GDH7，影响种子大小的基因GW2、GIFI和GW5。李云海等(2008)克隆了一个最终控制种子和器官大小的拟南芥基因DAl(AtDAl)。AtDAl编码一个含有LIM结构域和C3HCA锌指结构域的泛素受体，该基因突变后植株的种子和器官明显增大。另外，AtDAl受脱落酸(Abseisie acid，ABA)的诱导表达，而ABA在植物逆境应答过程中具有重要功能。

本文利用比较基因组学和生物信息学的方法首次从水稻基因组中鉴定出一个AtDAl的同源基因，并对这个基因的序列特征、编码蛋白的结构域、顺式元件和进化进行了系统分析，为下一步研究它在水稻生长发育中的功能以及与水稻杂种优势的关系奠定了基础。

1材料与方法

以拟南芥的DAl基因和蛋白序列为诱饵，通过各种序列比对(BlastN，tblastn和BlastX)在NC—BI数据库中搜索水稻的同源基因序列。利用基因组序列解析得到编码区序列，并在数据库中进行手工比对和分析。根据基因组序列和编码区序列的信息，显示基因的外显子一内含子结构，并解析得到启动子区序列和预测编码的蛋白序列。然后利用PLANTCARE对启动子序列中的顺式元件进行预测，利用PlantsP Feature Scan对蛋白进行结构域预测和分析，利用Mega4，1进行OsDAl的遗传进化分析，采用Bootstrap—neighbour Joining算法，重复500次运算。

2结果与分析

2.1水稻DAI基因的鉴定和特征分析

通过比对，从水稻(粳稻)基因组中得到了一个与拟南芥DAl同源的基因，命名为OsDAl，其编码区为1 461 bp，相应的基因组序列为6 501bp，预测编码一个含有486个氨基酸残基、分子量为55.15 ku的蛋白，与拟南芥DAl蛋白的序列一致性为61.05％。这个基因位于水稻6号染色体的BAC克隆AP007226中，与粳稻Os06g8400位点的基因序列(38204～44704)一致，含有11个外显子，其外显子和内含子的结构如图1所示。

2.2水稻DAl基因的顺式元件分析

通过分析启动子及其上游序列中的顺式元件可以预测基因的功能。因此，本文在得到Os-DAI的基因组序列以后，取起始密码子ATG上游2000 bp的序列进行顺式元件分析，结果(见表1)显示，在OsDAl起始密码子上游2000 bp的范围内共有10类响应不同激素信号和逆境的顺式元件，包括脱落酸响应元件ABRE，赤霉素响应元件GARE，茉莉酸甲酯响应元件CGTCA，水杨酸响应元件TCA，生长素响应元件TGA，热激应答元件HSE，冷胁迫响应元件LTR，富含TC的逆境响应元件，与防卫反应有关的顺式元件w—box和Box—W1。同时，对拟南芥DAl启动子区的分析也发现了多个响应不同逆境和激素信号的顺式元件(见表2)，但二者明显有所不同。OsDAl拥有的冷胁迫响应元件LTR、茉莉酸甲酯响应元件CGTCA、赤霉素响应元件GARE和真菌激发子响应元件Box—W1及防卫响应元件w—box在拟南芥DAl基因的相应启动子区域不存在，这说明二者存在功能上的分化。但ABA响应元件ABRE在水稻和拟南芥DAl基因启动子中都存在，这与拟南芥DAI受ABA的诱导表达相一致，可能是ABRE的存在决定了DAl基因受ABA诱导表达。此外，水稻和拟南芥的DAl基因都拥有顺式响应元件HSE、TCA、TGA、TC—rich。说明这两个基因可能都能响应热胁迫、水杨酸、生长素和生物逆境信号。植物激素脱落酸、水杨酸、茉莉酸甲酯在植物的生长发育和逆境响应中具有重要功能。这些激素响应元件及不同逆境响应元件的存在，说明植物DAl基因可能不仅与种子和器官发育有关，还与植物激素信号转导以及逆境响应存在密切关系，值得深入研究。

2.3水稻DAl基因编码蛋白的结构域分析和进化分析

分析结果显示，OsDAl蛋白含有两个泛素互作基序，一个家族特有的LIM结构域，一个zf—C3HCA和PHD—finger结构域，一个锌离子结合区，和七个潜在的豆蔻酰化位点。这说明DAl蛋白具有转录因子LIM蛋白和锌指蛋白的结构特征，可以通过和下游基因的顺式元件结合来调节下游基因的表达。另外，DAl蛋白的自身调节可能与泛素途径有关，而且还与豆蔻酰化有关。推测OsDAl蛋白可能作为负调控的转录因子来调控细胞分裂的过程，从而影响种子和器官的发育及大小。

利用AtDAl和OsDAl蛋白的LIM结构域序列与粳稻基因组中LIM家族的其它基因进行进化分析(见图2)，发现OsDAl是AtDAl的直系同源基因，另外它和水稻3号染色体上的一个基因Os03g16090关系最近，但是二者序列差异较大(蛋白序列一致性只有54.19％)，可能在功能上有所不同。

3结论与讨论

本文通过比较基因组学和生物信息学的方法从水稻基因组中鉴定出一个与拟南芥DAl直系同源的基因OsDAI。OsDAl蛋白具有LIM家族和锌指蛋白的结构特征，而且还有和泛素互作的位点，可能具有和AtDAl相似的功能。另外，本研究还发现，在水稻和拟南芥DAl基因的启动子序列中存在多个能够响应不同激素(如脱落酸和水杨酸)和逆境信号(如热胁迫、干旱胁迫、和病原物等)的顺式元件，而且二者拥有的顺式元件的种类明显不同，这说明它们在表达调控和功能上有所分化。综上所述，水稻和拟南芥DAl基因不仅与种子和器官发育有关，而且可能与激素信号转导和逆境响应存在密切关系。水稻DAl基因对不同逆境和激素信号的响应模式，以及在不同组织器官和发育时期的表达情况值得深入探讨。