番茄NAC家族基因的鉴定及其功能预测

张亚莉等

摘要 利用生物信息学方法对番茄NAC转录因子家族成员、序列、保守区、分子量、等电点等基本信息进行分析，结果显示，番茄NAC家族包含101个蛋白质，分为12亚族（I～XII）。功能预测显示，20个NAC基因可能与植物抗逆相关，8个NAC基因可能与植物所参与的渗透胁迫和衰老有关，24个NAC基因可能与发育相关。该研究为番茄NAC转录因子家族基因功能分析提供信息基础，从而对番茄品种的改良提供候选基因。

关键词 番茄；NAC转录因子；功能预测

中图分类号 S188 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）20-06549-04

NAC （NAM/ATAF/CUC）转录因子家族是植物特有的一类转录因子，最早在矮牵牛NAM、拟南芥ATAF1/2和CUC2基因编码蛋白的N端中发现一段高度保守的氨基酸序列，并命名为NAC结构域[1]，并将包含NAC结构域的蛋白称为NAC转录因子。NAC转录因子是植物中最大的一类转录因子，生物信息学分析表明：水稻基因组中有151个成员，拟南芥有117个[2]，烟草和大豆中各有152个成员[3-4]。 NAC 转录因子在植物生长发育及抗逆反应中都具有重要的调控作用[5-6]。

在植物非生物胁迫中，5个水稻NAC基因SNAC1、SNAC2/ OsNAC6、OsNAC5、OsNAC10/ONAC122、ONAC045和3个拟南芥ANAC019、ANAC055 和 ANAC072/RD26 基因正向调控抗旱或抗盐胁迫反应， 并受 ABA或JA 的诱导表达和调控[7-13]。NAC转录因子在植物抗病反应中也具有重要作用，OsNAC6/SNAC2、ONAC122/OsNAC10和ONAC131 在水稻抗稻瘟病中具有正向调控作用[8，14]。 OsNAC4与水稻细胞的过敏性反应有关[15-16]。在拟南芥中，过量表达 ATAF1 的转基因植株灰霉病抗性降低[17-18]。与ATAF1高度同源的 ATAF2，过量表达 ATAF2 的转基因植株对枯萎病菌的抗性下降， 而丧失功能突变体中这些防卫基因表达水平增强， 枯萎病抗性也随之增强[19]。过量表达 ANAC019 和 ANAC055 后可增强 JA 诱导VSP1 和 LOX2 的表达， 而这2个基因的双突变体则降低 VSP1 和 LOX2 的表达， 并减弱灰霉病抗性[20]。NAC家族转录因子在植物生长发育中也具有重要功能。CUC1、2、3主要与拟南芥的叶原基及花器官的形成有关，而NST1、NST2、NST3、VND6、VND7 等NAC类转录因子与次生壁加厚有关[1，21-24]。

番茄作为一种具有重要营养價值和经济价值的蔬菜作物，随着番茄基因组测序的完成，已成为植物学研究中一种重要的模式植物。NAC家族基因的功能鉴定主要集中在拟南芥和水稻中，而对番茄NAC家族基因的功能研究较少，研究发现番茄SlNAC1 、SLNAC3、SlNAM1参与番茄对逆境的响应[25-26]。笔者利用生物信息学方法对番茄NAC转录因子家族进行功能预测，为番茄NAC转录因子家族基因功能分析提供信息基础，从而对番茄品种的改良提供候选基因。

1 材料与方法

1.1 番茄NAC家族基因序列搜索

利用水稻和拟南芥中已鉴定的NAC基因（从NCBI蛋白数据库中获得http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/protein）序列，在植物转录因子数据库[Plant Transcription Factor Database （http：//planttfdb.cbi.pku.edu.cn/index.php）]和SOL （http：//solgenomics.net/）中搜索，并下载可能的番茄NAC氨基酸序列，分析是否含有NAC结构域，对候选基因进行鉴定，并对其氨基酸长度、cDNA长度、分子量、等电点等基本信息进行分析。

1.2 番茄NAC家族基因DNA保守区及其进化关系分析

通过SOL（http：//solgenomics.net/）中的多序列联配工具Clustal Alignment分析番茄NAC转录因子整个家族DNA结合的保守结构域。利用水稻和拟南芥已鉴定的NAC转录因子以及番茄NAC转录因子的氨基酸序列，共129个NAC基因，利用Clustal Alignment分析工具构建进化树。

2 结果与分析

利用植物转录因子数据库[Plant Transcription Factor Database （http：//planttfdb.cbi.pku.edu.cn/index.php）]和SOL （http：//solgenomics.net/）数据库对番茄NAC转录因子进行鉴定，分析其NAC保守的结构域，共获得101个含有NAC保守结构域的氨基酸序列，并分析了其氨基酸长度、cDNA长度、分子量、等电点等，结果见表1。

通过SOL （http：//solgenomics.net/）中的多序列联配工具Clustal Alignment分析了番茄NAC转录因子整个家族DNA结合的保守结构域。由图1可知，整个番茄NAC结构域由约150个氨基酸组成，可分为A、B、C、D、E 5个亚结构域，其中A、C、D 3个亚结构域的氨基酸序列保守性较高，这一NAC结构域与先前在拟南芥中报道的NAC结构域相类似[5]。

图 1 番茄NAC转录因子保守结构域

将预测出的番茄NAC蛋白质以及已鉴定的水稻和拟南芥的NAC蛋白质构建系统进化树，番茄NAC家族基因被分成12个亚族（I～XII），结果见图 2。由图2可知，其中I～III 亚族，共20个番茄NAC基因与植物抗逆相关基因如SNAC1、SNAC2/ OsNAC6、OsNAC5、ANAC055、ONAC131、ONAC122/OsNAC10、ANAC042等处于相同的分支，预示这些番茄NAC基因在番茄抗生物和非生物逆境中具有重要作用[7-11， 14， 20， 27]。进一步将这些抗逆相关基因命名为3个抗逆的亚区SNACI、SNACII和SNACIII。VII亚族番茄8个NAC基因与NTL9基因处于相同的分支，而NTL9主要与植物所参与的渗透胁迫和衰老有关，这些基因可能与植物的抗逆与发育有关[28]。NAC家族转录因子在植物生长发育中也有重要的功能。CUC1、2、3主要与拟南芥叶原基及花器官的形成有关，而NST1、NST2、NST3、VND6、VND7 等NAC类转录因子与次生壁加厚有关[1，21-24]。番茄NAC 基因中IX、X亚族24个基因与发育相关的VND和CUC类NAC基因处于相同的分支，预示这些基因可能在番茄发育中具有重要的作用。

3 結论与讨论

NAC转录因子在植物对不同类型逆境胁迫及生长发育具有重要作用，但作为植物特有的一个庞大转录因子家族，目前只明确少数几个NAC转录因子的功能，大多数NAC转录因子的作用需要进一步研究。近年来研究越来越显示出NAC转录因子在转基因育种中的应用潜力，如过量表达SNAC1、SNAC2的转基因水稻植株抗旱抗盐能力增强[7-8]。因此，通过转基因技术改变番茄NAC基因表达水平或NAC蛋白活性有可能获得转基因番茄新品种或新材料。该研究共鉴定了番茄101个NAC家族基因，并将其分为12亚族（I～XII）。功能预测显示20个NAC基因可能与植物抗逆相关，8个NAC基因可能与植物所参与的渗透胁迫和衰老有关，24个NAC基因可能与发育相关。研究结果为番茄NAC转录因子家族基因功能分析提供信息基础，从而对番茄品种的改良提供候选基因。

图 2 番茄NAC转录因子系统进化树

参考文献

[1]

AIDA M， ISHIDA T， FUKAKI H， et al.Genes involved in organ separation in Arabidopsis： an analysis of the cupshaped cotyledon mutant[J].Plant Cell， 1997，9：841-857.

[2] NURUZZAMAN M， MANIMEKALAI R， SHARONI A M， et al.Genomewide analysis of NAC transcription factor family in rice[J].Gene， 2010， 465：30-44.

[3] RUSHTON P J， BOKOWIEC M T， HAN S C， et al.Tobacco transcription factors： novel insights into transcriptional regulation in the Solanaceae[J].Plant Physiol， 2008， 147：280-295.

[4] LE D T， NISJIYAMA R， WATANABE Y， et al.Genomewide survey and expression analysis of the plantspecific NAC transcription factor family in soybean during development and dehydration stress[J].DNA Res， 2011， 18：263-276.

[5] OLSEN A N， ERNST H A， LEGGIO L L， et al.NAC transcription factors： structurally distinct， functionally diverse[J].Trends Plant Sci， 2005， 10（2）： 79-87.

[6] PURANIK S， SAHU P P， SRIVASTAVA P S， et al.NAC proteins： regulation and role in stress tolerance[J].Trends Plant Sci， 2012， 17（6）：369-381.

[7] HU HH， DAI M Q， YAO J L， et al.Overexpressing a NAM， ATAF， and CUC （NAC） transcription factor enhances drought resistance and salt tolerance in rice[J].Proc Natl Acad Sci， 2006， 103（35）：12987-12992.