受赤霉素调节的拟南芥F⁃box基因筛选分析

李 丽，刘德荣，李新梅，赵小英，刘选明（湖南大学生物学院，长沙410082）

doi：10.3969/j.issn.1672－5565.2015.03.02

受赤霉素调节的拟南芥F⁃box基因筛选分析

李 丽，刘德荣，李新梅，赵小英∗，刘选明∗
（湖南大学生物学院，长沙410082）

赤霉素（Gibberellins，GAs）作为一种植物激素，对植物的生长发育具有重要调控作用，但其作用机制有待进一步完善。F⁃box蛋白是SCF复合体的一个亚基，通过特异性识别底物来调控植物的生长发育。本研究采用生物信息学方法，通过分析拟南芥基因芯片数据库提供的数据筛选到38个受GA调节的候选F⁃box基因，并对其中6个基因进行了实时荧光定量PCR验证。PlantCARE分析显示，其中30个基因的启动子区具有GA响应元件、以及IAA、ABA、光、温度干旱胁迫、或生物钟相关的顺式作用元件。通过分析BioGrid数据库提供的相互作用对象，发现其中18个候选F⁃box蛋白与GA2ox1，GA3ox1和GA3ox3具有相互作用关系。基因表达谱分析表明，这些候选F⁃box基因在拟南芥各个组织器官中都有不同程度的表达，对IAA、ABA、光、温度干旱等胁迫或不同光周期都具有一定的响应。为深入研究GA调控植物生长发育的分子机制提供了重要线索。

赤霉素；F⁃box基因；拟南芥；基因芯片

赤霉素（Gibberellins，GAs）是一类双萜类植物激素，它在植物的各个生理学过程中起促进作用，包括种子的萌发、营养生长、开花以及各种生物和非生物胁迫响应等［1－4］。活性GAs的水平通常是受到严格调控的，并且在特定的作用位点积累来调控植物的生长发育［5－8］。目前就GAs合成途径的研究比较详细，它需要一系列酶的参与，其中关键酶GA20－氧化酶（GA20ox）和GA3－氧化酶（GA3ox）的丰度在很大程度上决定着活性GAs的水平，然而另一种关键酶GA2－氧化酶（GA2ox）能使活性GAs失活［9－12］。对于GA信号途径，始于GA与其受体GID1（在拟南芥中有：GID1A，GID1B和GID1C）结合，然后促进GA－GID1－DELLA复合物的形成，进而启动DELLA蛋白的泛素化降解，从而解除DELLA蛋白的生长抑制效应［13－15］。

SCF复合体是众多E3泛素连接酶中的一种，其组成亚基之一，F⁃box蛋白能特异性识别底物，从而介导靶蛋白的降解［16］。在拟南芥中，当GA存在的情况下，F⁃box蛋白SLY1就通过与DELLA蛋白直接相互作用使其被泛素化降解，进而促进植物对GA的应答［17］。拟南芥基因组中约存在700多个F⁃box基因［18］，大多数F⁃box基因的功能尚不清楚。那么是否还存在其它更多的F⁃box基因参与到复杂的GA信号途径中呢？

我们采用生物信息学方法，试图挖掘拟南芥中受GA调节的F⁃box基因，分析这些候选F⁃box基因上游启动子中的顺式作用元件，组织器官表达谱、对各种环境因子如光、温度、不同光周期等的响应表达谱，预测这些基因的编码蛋白与GA合成代谢及信号途径关键酶和蛋白因子之间的相互作用关系，为深入研究GA调控植物生长发育的分子机制提供重要线索和思路。

1 材料和方法

1.1 芯片数据下载

登录NCBI的GEO数据库（http://www.ncbi. nlm.ni h.gov/gds），以“Gibberellin”和“Arabidopsis”为关键词检索，分别下载登录号（Accession）GSE29699，GSE35408，GSE39384，GSE6150和GSE7353等5组芯片数据。挑选芯片数据时，仅选取GA处理野生型拟南芥的数据，多种激素处理或GA处理突变体的芯片全部排除，以确保试验的准确性。

1.2 芯片数据分析

利用RMAExpress将原始芯片数据标准化［19］，然后用自定义的perl程序筛选表达量有差异的基因。同时满足下列条件的基因被认定受GA调节的候选F⁃box基因：（1）该基因的表达值大于或等于本组芯片所有表达值的25％分位值；（2）GA处理后该基因的表达量上调或下调1.4倍以上（P＜0.05）；（3）该基因的表达变化趋势（升高或降低）至少在2组芯片中表现一致。

1.3 启动子分析

从Tair网站（http://www.arabidopsis.org/）下载基因的启动子（起始密码子上游1 500 bp的序列），利用PlantCARE网站（http://bioinformatics.psb.ugent. be/webtools/plantcare/html/）提供的在线分析工具分析所有序列［20］，并统计和GA、IAA、ABA、光、温度干旱胁迫及生物钟相关的顺式作用元件。

1.4 候选基因的表达谱和相互作用网络分析

利用Genevestigator（http://genevestigator.com/gv/）分别分析候选F⁃box基因在不同激素（ABA、IAA）、光、温度（冷、热）、干旱、光周期和不同组织中的表达情况［21］。利用Cytoscape分析候选F⁃box基因编码蛋白与GA合成代谢途径及信号途径关键酶和蛋白因子的相互作用情况［22］，分析过程仅以BioGrid数据库提供的相互作用数据为对象［23］。由于整个相互作用网络比较复杂，对GA与候选F⁃box蛋白建立连接没有影响的其它蛋白已被移除。

1.5 GA处理

首先对拟南芥野生型Col－0种子进行表面消毒，即：用70％的乙醇消毒30s，然后加入1.5％的次氯酸钠（NaClO），使种子完全淹没其中，并不断晃动确保消毒效率，10min后用无菌水将种子清洗5次。接着，将消毒后的种子播种于1/2MS培养基上，于4℃黑暗下低温处理4d，然后转到持续白光下生长，6d后，用50μmol的GA3喷洒幼苗，分别于0、0.5、1.5、3、6、9、12h后收集材料（GA处理前收集材料的时间点定为0h），在液氮中速冻，然后保存于－80℃，用于RNA分析。

1.6 实时荧光定量PCR分析

首先用RNAiso Plus试剂（Takara，Japan）提取材料中的总RNA，然后参照试剂盒提供的说明，用PrimeScript RT Reagent Kit with gDNA Eraser（Perfect Real Time）（Takara，Japan）将RNA逆转录成单链cDNA。随后，用SYBR Premix Ex TaqTM（Tli RNaseH Plus）（Takara，Japan）试剂盒进行实时荧光定量PCR分析。实时荧光定量PCR在Mx3000 Real⁃time PCR系统（Stratagene，The Netherlands）中进行，PCR程序为：95℃5min，95℃30 s，58℃20 s，72℃30 s，根据基因本底表达水平的差异，设计不同的循环数，一般为40个循环。PCR引物为：At1g23390（5′⁃AAG CTTCTCGATCTCTGTCCCG⁃3′和5′⁃ATCCCTCT TAGTTTCTCCAAATACG⁃3′）； At1g61340 （5′⁃GAG AGTCTTTGTTAATTCAGCGAGT⁃3′和 5′⁃ATGTG ACTGCTTTGCTATCATTGTA⁃3′）；At1g78280 （5′⁃GTGGTTGGTGGCACTGTATCCT⁃3′和5′⁃TCATC CGTGTCCTCTTCTCTTT⁃3′）；At3g61060（5′⁃ACGG GTCGTCTTTGTTTATCTATTT⁃3′ 和 5′⁃TCCTTCCAAGCCTCTTTGATGTTTT⁃3′）；At4g21510（5′⁃TCT CGACTTGAGTGTCTCCCTC⁃3′ 和 5′⁃GCTCTTTC CTCTTAGCCTTGGT⁃3′）；At5g50450 （5′⁃ACGCTC TTACCTCTCTCTGAAATC⁃3′ 和 5′⁃CCGACCCGA ACTAAACCACTCT⁃3′）；Actin2（5′⁃CACTGTGCCAA TCTACGAGGGT⁃3′和 5′⁃ACAAACGAGGGCTGG AACAAG⁃3′）。以拟南芥持家基因ACTIN2的表达水平作为内参计算待测基因的相对表达水平［24］。每一个数据代表三个重复试验的平均值。

2 结果和分析

2.1 受GA调节的拟南芥F⁃box基因筛选及其启动子分析

在拟南芥基因组中约存在700多个F⁃box基因，为了初步确定哪些F⁃box基因可能为GA途径相关基因，我们首先采用生物信息学方法筛选受GA调节的 F⁃box基因。在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/（GEO）网站中共下载了5组基因芯片，分别是 GSE29699，GSE35408，GSE39384，GSE6150和GSE7353，用RMAExpress将原始数据标准化，然后用自定义的perl程序进行数据分析，结果筛选到38个受GA调节（在P＜0.05时，上调或者下调1.4倍以上）的候选F⁃box基因（见表1）。随后，对这38个基因起始密码子上游1 500 bp启动子序列进行分析，结果发现其中30个基因的上游启动子区具有不同数量的GA响应元件GARE－motif（见表1），进一步说明这些基因可能是GA反应相关基因。此外，还发现这些基因的启动子序列中具有光、激素、温度和干旱胁迫、或光周期等环境因子响应元件（见表1）。

表1 38个候选F⁃box基因的统计Table 1 The statistics of 38 selected F⁃box genes

续（表1）

2.2 部分候选F⁃box基因表达鉴定

为了进一步确定芯片分析结果的可靠性，我们从中挑选了6个在芯片中表达量改变倍数较大的F⁃box基因进行实时荧光定量PCR鉴定，这些基因分别是At1g23390，At1g61340，At1g78280，At3g61060，At4g21510和At5g50450。芯片结果中（http://www. ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi？acc＝GSE6150），在GA处理0.5 h时，At1g23390的表达水平下降2.2倍，随着处理时间延长，在1 h和3 h时，其表达水平有所回升，而At1g61340的表达变化趋势则相反，在GA处理0.5 h时的表达水平较对照上升了 4.7倍，然后随着时间推移，逐渐下降；At1g78280和At3g61060对GA的反应相对较慢，GA处理1 h后，其表达水平才有显著的升高，分别是对照的1.6倍和2.1倍，在3 h时，与对照相比，稍微有所降低；At5g50450则在GA处理0.5 h、1 h和3 h下，其mRNA水平逐渐升高。

实时荧光定量 PCR分析结果表明，这6个F⁃box基因对外源GA均有响应（见图1），并且变化趋势与芯片结果大体一致。例如，At1g23390和At1g61340对 GA的响应较迅速，在 GA处理后0.5 h就分别达到表达水平的最低值和峰值，分别下降和升高1.7倍和 1.9倍（见图 1a，b）；At1g78280和At3g61060在GA处理6 h时，其表达水平较对照分别降低了1.47和1.69倍（见图1c，d）。进一步证实了筛选结果的可靠性。

图1 外源GA3处理对6个候选F⁃box基因表达的影响Fig.1 The effect of exogenous GA3treatment on themRNA expression of 6 candidate F⁃box genes

2.3 候选F⁃box蛋白与GA途径关键蛋白的相互作用网络分析

为了进一步分析候选F⁃box基因与GA的关系，我们利用BioGrid数据库中提供的相互作用对象，用Cytoscape软件分析38个候选F⁃box蛋白与GA途径关键酶和蛋白因子（GA20ox、GA3ox、GA2ox、GID1和DELLA）之间是否存在直接或间接相互作用关系。结果发现F⁃box蛋白At1g68050（FKF1）与GA2ox1和GA3ox3具有相互作用关系，其它17个F⁃box蛋白（图2中粗线框标记部分）通过SCF复合体组成亚基Skp1相关蛋白Skp1 HOMELOGUE 1、Skp1⁃like2和At1g22920与GA2ox1、GA3ox1和GA3ox3蛋白间有关联（见图2），表明这18个F⁃box基因可能参与调控GA的合成和代谢。

2.4 候选F⁃box基因的表达谱分析

2.4.1 不同组织器官中的表达谱分析

由于GAs通常是在植物特定的功能部位积累并发挥作用［5－8］，因此我们对候选的38个F⁃box基因在拟南芥不同组织器官中的表达情况进行了分析。从图3中可以看出，At1g78100、At2g41170和At3g08810这3个基因在所有组织中的表达都是极其低的，At1g47790和At3g49510只在果荚中表达较高，可能参与调控果荚及种子的发育；At3g20710和At5g60610只在雄蕊中有一定量的表达，可能参与花和雄蕊的发育；其它F⁃box基因的表达则相对广泛，在拟南芥幼苗、下胚轴、花、果荚和根中都有不同程度的表达，表明这些基因可能参与了植物整个生长发育过程的调控。

2.4.2 不同激素、光、温度和干旱胁迫及不同光周期下的表达谱分析

图3 候选F⁃box基因在拟南芥不同组织中的表达谱Fig.3 The expression profile of candidate F⁃box genes in different tissues of Arabidopsis

由于其它激素，如生长素可以调控GAs的合成［1］，且激素之间通常可以形成复杂的交叉调控网络，同时GA也可以将环境信号如光、非生物胁迫及光周期等信号进行整合，进而调控植物的生长发育，从而使植物适应外界环境的变化［25－30］。因此，我们利用Genevestigator分析了38个候选F⁃box基因响应IAA、ABA、光、温度和干旱胁迫及不同光周期的表达谱。

从图4中可看出，大部分F⁃box基因对这些环境因子及激素都有一定的响应，其中对环境因子的应答较强烈。具体而言，在上述因子分别作用下其表达水平上调或下调超过2倍（P＜0.05）的F⁃box基因有，激素 （ABA、IAA）处理下：At1g10780，At1g21410， At1g80440， At3g23880， At3g61060，At5g06550；不同光下：At1g23390，At1g80440；光周期影 响 下： At1g15670， At1g23390， At1g61340，At1g63090， At1g78100， At1g80440， At2g44130，At3g23880，At3g61060，At4g21510；胁迫影响下：At1g10780， At1g15670， At1g21410， At1g23390，At1g61340，At1g80440，At3g61060。综合而言，对各种环境因子都响应显著的基因为：At1g23390和At1g80440，这2个基因可能通过GA信号通路，参与激素间的交叉会话以及植物对环境因子的响应。

图4 候选F⁃box基因在不同激素或环境因子影响下的表达谱Fig.4 The expression profile of candidate F⁃box genes under different environment factors or hormones

3 讨 论

本研究通过基因芯片分析，总共筛选到表达水平受GA上调或下调1.4倍以上的F⁃box基因38个。通过对这38个基因上游1 500 bp启动子区分析，发现其中30个基因都具有GA响应元件GARE⁃motif，以及其它激素或者环境因子响应元件，如IAA、ABA、光、生物钟或温度及干旱等响应元件，表明这些基因可能在GA信号通路以及植物对外界环境变化的响应中起重要作用。

从38个基因中挑选了6个在芯片分析结果中表达量改变较大的基因进行了实时荧光定量PCR鉴定，证实这6个基因对外源GA均有不同程度的响应，并且与芯片结果大体一致。此外，通过对BioGrid数据库中提供的相互作用对象分析，发现一些候选 F⁃box蛋白与 GA合成代谢途径关键酶GA3ox1、GA3ox3和GA2ox1具有一定的相互作用关系，但是在植物体内是否存在相互作用，是间接互作还是直接互作，还有待进一步验证。

植物体内GAs的水平受到严格调控并且在特定的功能位点积累进而调控植物的生长发育［5－8］。通过对38个候选F⁃box基因的表达谱分析，发现大部分基因在拟南芥幼苗、下胚轴、花和根中有不同程度的表达，而这些部位的生长发育也受到GA的调控［1－4］。GAs不仅直接调控植物的生长发育，还能通过对环境信号，如光、温度和干旱等非生物胁迫及生物钟等进行整合进而对植物的生长发育进行调控［25－30］。本研究筛选到的受GA调节的部分候选F⁃box基因对不同光、光周期及胁迫具有很强的响应，同时对激素ABA和IAA也有不同程度的应答。推测这些基因可能通过GA信号通路参与植物生长发育，以及植物对环境因子的响应。

总之，通过生物信息学方法，我们筛选到了一系列响应GA的F⁃box基因，并可能通过GA信号通路参与植物对环境因子的应答。因此，本研究结果为我们今后深入研究GA调控植物生长发育的分子机制提供了重要线索。

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Screening and analysis of gibberellin⁃regulated F⁃box genes in Arabidopsis

LI li，LIU Derong，LIXinmei，ZHAO Xiaoying∗，LIU Xuanming∗
（College ofBiology，Hunan University，Changsha 410082，China）

Gibberellins（GAs）act as one plant hormone，which play an important role in the regulation of plant growth and development，but themolecularmechanism for GA⁃mediated plant growth regulation remains to be perfect further.F⁃box proteins are the subunits of SCF complex and also control the plant growth and development via the specific recognition of substrates.In this study，38 candidate F⁃box genes regulated by GA were selected through the analysis of genemicroarray data in Arabidopsis using bioinformaticsmethods，and six ofwhich were verified by real⁃time PCR.Furthermore，Plant CARE results show that there are thirty F⁃box genes with GA response elements and other elements involved in IAA，ABA，light，temperature and drought stresses or circadian clock in the promoter sequence.Besides，the analysis of interactions of proteins provided by BioGrid databases show thateighteen candidate F⁃box proteins have director indirect correlation with GA2ox1，GA3ox1 and GA3ox3.The gene expression profiles tell us that the candidate F⁃box genes express at all tissues and organs in Arabidopsis，and have responses to IAA，ABA，light，temperature and drought stresses，or photoperiod.Our results in this paper provide important clues for further study themolecularmechanism of plant growth and development regulated by GAs.

GA；F⁃box gene；Arabidopsis；Genemicroarray

Q343.1

A

1672－5565（2015）03－150－08

2015－04－03；

2015－05－04.

国家自然科学基金项目（No：31171176）；湖南省自然科学基金项目（No：11JJA002）。

李丽，女，硕士研究生，研究方向：植物分子生物学；E⁃mail：957800401＠qq.com.

∗

赵小英，女，教授，硕导，研究方向：植物赤霉素和光信号转导；E⁃mail：zxy＿mm＠163.com；

刘选明，男，教授，博导，研究方向：植物功能基因组学、植物发育分子生物学、生物质再生能源等；E⁃mail：xml05＠126.com.