棉花YABBY基因家族的全基因组分析

徐珍珍 倪万潮 张香桂 郭琪 徐鹏 沈新莲

YABBY基因家族属于锌指蛋白超家族（Zinc finger super-family）的亚家族，在调控植物叶和花器官发育过程中起着重要的作用，是一类植物特有的转录因子家族，与植物形态建成有关［1-4］。该基因家族有两个保守的结构域，位于N端的C2C2锌指结构域和位于C端的YABBY结构域，又称与HMG box相似的“螺旋-环-螺旋”结构域［5-7］。

目前，在很多植物中都有YABBY基因家族的相关报道，在模式生物拟南芥中研究的较为清楚。拟南芥YABBY基因家族有6个成员：FIL（FILAMENTOUS FLOWER）、CRC（CRABSCLAW）、INO（INNER NO OUTER）（YABBY4）、YAB2（YABBY2）、YAB3（YABBY3）和 YAB5（YABBY5）［8-12］， 拟 南芥YABBY基因家族的6个成员在其侧生器官发育过程中发挥着不同的作用。FIL参与花器官和叶的发育［10，13］；CRO 和 INO 基因有一定的组织特异性，CRC参与蜜腺和心皮远轴端的发育，INO基因则在外部珠被的发育中起着重要的作用［11，14-16］；YAB2、YAB3和YAB5基因主要在拟南芥的营养组织中特异表达［3，17］。

棉花作为重要的经济作物，其纤维是纺织工业重要的天然纤维来源。随着基因组学和测序技术的发展，二倍体D组雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii L.）、A组亚洲棉石系亚1号（G. arboreum）以及陆地棉遗传标准系TM-1（G. hirsutum L. acc. TM-1）相继完成了测序工作［18-22］，从而为全基因组范围内分析基因家族奠定了一定的数据基础。当前关于棉花YABBY基因家族的研究，鲜有报道。本研究利用公布的陆地棉TM-1的基因组数据，对YABBY基因家族进行全基因组扫描，并进一步分析其亚细胞定位、染色体分布、基序、进化关系和组织表达情况等，旨在为进一步深入探索YABBY基因家族的功能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

两份陆地棉标准系TM-1（G. hirsutum L.）蛋白和CDS数据：中国农业科学院棉花研究所（http：//cgp.genomics.org.cn/page/species/index.jsp）和 Pytozome 网站（http：//www.phytozome.net/）；拟南芥 YABBY 基因家族的氨基酸蛋白序列和陆地棉EST数据来自NCBI（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/）数据库；衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）YABBY基因家族的氨基酸序列来自PlantTFDB（http：//planttfdb.cbi.pku.edu.cn/）数据库。

1.2 方法

1.2.1 棉花YABBY基因家族的鉴定与进化树分析 将下载的拟南芥6条YABBY基因家族成员在SMART网站进行结构域预测，然后在Pfam（http：//pfam.janelia.org/）网站下载鉴定到的YABBY结构域的种子文件（PF04690.9），最终利用HMMER3.1b1程序在TM-1蛋白数据库中搜索棉花YABBY基因家族成员。

利用MEGA 5.1生物信息软件对鉴定的TM-1基因组中YABBY基因家族氨基酸序列和拟南芥中6条YABBY基因家族的氨基酸序列进行多重序列比对，采用邻接（Neighbor-Joining，NJ）算法构建进化树，进行1000次Boot strap抽样。

1.2.2 棉花YABBY基因家族的染色体定位和亚细胞定位 结合Perl语言编程，在TM-1基因组数据中的gff3文件中提取YABBY基因家族成员的染色体起始和结束位置，然后利用MapInspect软件绘制YABBY基因家族的染色体物理分布图；利用在线软件 CELLO：Subcellular Localization Predictive System预测棉花YABBY基因家族成员的亚细胞定位。

1.2.3 棉花YABBY基因家族的基序分析 利用MEME软件分析棉花YABBY基因家族成员的motif类型和排列顺序。参数设置如下：基序的最大发现数目是10个，其它参数为默认值。

1.2.4 棉花的YABBY基因家族的组织表达分析 在NCBI数据库下载330 520条陆地棉的EST序列。利用Blastn程序，搜索棉花YABBY基因家族成员CDS序列与陆地棉EST序列的匹配，分析棉花YABBY基因家族成员的组织表达类型，参数设定标准为E≤10-10，其他参数为默认值。

2 结果

2.1 棉花YABBY基因家族的鉴定

通过结构域预测，发现拟南芥的6条YABBY蛋白的氨基酸序列都含有YABBY结构域。因此，利用Pfam网站中下载的YABBY结构域的种子文件在陆地棉标准系TM-1蛋白数据库中搜索，又在SMART网站进行进一步确认和人工校对，最终在TM-1基因组中鉴定到23条YABBY蛋白。根据一般植物蛋白的命名方法，对鉴定到的23条棉花YABBY蛋白进行了命名，并统计了它们对应的蛋白ID号、所在的亚基因组以及对应的蛋白长度，从159个氨基酸到220个氨基酸不等（表1）。

2.2 棉花YABBY基因家族的系统进化树分析

我们以衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）作为外类群，利用陆地棉标准系TM-1基因组中鉴定的23条YABBY蛋白和拟南芥的6条YABBY蛋白的氨基酸序列构建了系统进化树（图1）。与拟南芥类似，棉花的YABBY基因家族也分为4个亚组（Ⅰ-Ⅳ），且每个亚组都有与拟南芥同源的基因：GhYABBY15、GhYABBY5、GhYABBY17、GhYABBY6、GhYABBY8、GhYABBY19、GhYABBY4、GhYABBY16、GhYABBY1和GhYABBY23属于Ⅲ亚组，与拟南芥AtYABBY5属于一个亚组；GhYABBY10、GhYABBY18和GhYABBY7属于亚组Ⅳ，与拟南芥AtYABBY2属于一个亚组；GhYABBY22、GhYABBY12、GhYABBY9、GhYABBY20、GhYABBY11和 GhYABBY21属于亚组Ⅰ，与拟南芥FIL和AtYABBBY3属于一个亚组；GhYABBY3、GhYABBY14、GhYABBY13和 GhYABBY2属于亚组Ⅱ，与拟南芥CRC和AtYABBY4属于一个亚组。

表1 陆地棉TM-1全基因组YABBY基因家族的基本信息

图1 陆地棉TM-1和拟南芥YABBY基因家族的进化树

2.3 棉花YABBY基因家族的染色体定位和亚细胞定位

陆地棉标准系TM-1基因组中23个YABBY基因家族成员分布在16条染色体和1条Scaffold上，分 别 为 A01、D01、D02、A03、A04、A05、D05、A06、D06、A07、D07、A09、A11、D11、A12、D12和 Scaffold3715_D01（图 2）；除了 A07和 D07染色体上分别有3个成员外，其他染色体上只有1-2个成员（图2）；在TM-1的A亚组和D亚组具有成对的平行进化同源YABBY基因，分布在D01、A01、Scaffold3715_D01、A05、D05、A07、D07、A11、D11、A12和D12染色体上；共有9对共线性基因，分别为GhYABBY13和GhYABBY2、GhYABBY1和 GhYABBY23、GhYABBY5和 GhYABBY15、GhYABBY6和 GhYABBY17、GhYABBY7和GhYABBY18、GhYABBY8和 GhYABBY19、GhYABBY9和 GhYABBY20、GhYABBY11和 GhYABBY21、GhYABBY12和 GhYABBY22。

图2 陆地棉TM-1基因组上YABBY基因家族的染色体分布

TM-1基因组中23个YABBY基因家族成员的亚细胞定位预测结果（表1）表明，13个YABBY基因家族成员具有1个亚细胞定位，定位到细胞核或胞外；8个成员具有2个亚细胞定位，定位到细胞核和胞外；2个成员具有3个亚细胞定位，定位到细胞核、胞外和线粒体上。

2.4 棉花YABBY基因家族的基序（motif）分析

棉花的YABBY基因组家族分为4个亚组（Ⅰ-Ⅳ），23个YABBY基因家族成员的基序分析结果显示，每个亚组的成员具有相同或类似的基序类型和排列顺序，而且9对同线性基因具有相同的基序类型和排列顺序（图3）。GhYABBY15、GhYABBY5、GhYABBY17、GhYABBY6、GhYABBY8、GhYABBY19、GhYABBY4、GhYABBY16、GhYABBY1和GhYABBY23具有相似的motifs（7-8个），motif排列顺序也基本相同；GhYABBY18、GhYABBY10和GhYABBY7具有类似的motifs（4-6个），排序顺序 也 类 似 ；GhYABBY22、GhYABBY12、GhYABBY9、GhYABBY20、GhYABBY11和 GhYABBY21具有完全相同的6个motifs，而且排列顺序完全相同；GhYABBY3、GhYABBY14、GhYABBY13和 GhYABBY2具有相似的4-5个motifs，排序顺序类似。

图3 陆地棉TM-1基因组上YABBY基因家族的基序类型

2.5 棉花YABBY基因家族的组织表达分析

TM-1全基因组中的23个YABBY基因家族成员在棉花的根、茎、叶、花、蕾、幼胚珠、胚珠、纤维、茎端分生组织、分生区和胚性愈伤组织中广泛表达（表2）。进一步分析发现，所有的23个YABBY基因家族成员在2个及两个以上的组织中表达；23个YABBY基因家族成员全部在花、蕾和茎端分生组织中表达，大部分成员在根、茎和分生区域表达，还有部分基因在胚珠和胚性愈伤组织表达。

3 讨论

本研究通过生物信息学和基因组学手段在陆地棉标准系TM-1全基因组中共鉴定了23条YABBY基因家族成员，其中有9对为共线性基因（A亚组和D亚组），只有5个基因不是共线性基因，这与以往的报道一致，二倍体A组亚洲棉和D组雷蒙德氏棉基因组之间存在很强的共线性［22］；9对共线性基因中，除了GhYABBY9和GhYABBY20、GhYABBY13和GhYABBY2以外，其余7对共线性基因的氨基酸长度完全相同；除了GhYABBY13和GhYABBY2这一对共线性基因外，其余的每对共线性基因具有完全相同的亚细胞定位；9对共线性基因在进化上非常保守，在进化树上分布在相同的分支上；motif分析表明，除GhYABBY13和GhYABBY2外，其余的每对共线性基因具有完全相同的motif类型和排列顺序。

拟南芥YABBY基因家族有6个成员FIL、CRC、AtYABBY4、AtYABBY2、AtYABBY3 和 AtYABBY5，其中每个成员的功能都已研究得较为清楚［8-12］。进化树分析表明，本研究在陆地棉标准系TM-1基因组中鉴定的23个YABBY基因家族成员与拟南芥一样，分为4个亚组，且每一个亚组都有与拟南芥同源的基因，由此推测，棉花和拟南芥YABBY基因家族成员在功能上可能具有一定的相似性。因此，研究棉花YABBY基因家族成员的功能，在一定程度上可以参考拟南芥的研究结果。

表2 陆地棉TM-1全基因组YABBY基因家族的组织表达模式

组织表达分析（表2）表明，TM-1全基因组中的23个YABBY基因家族成员具有较为广泛的组织表达类型。其中，23个YABBY基因家族成员全部在花、蕾和茎端分生组织中表达，这在一定程度上暗示棉花的YABBY基因家族成员可能参与了花、蕾和茎端分生组织的发育；亚组Ⅰ的6个成员和亚组Ⅲ的部分成员都在根、茎和分生区域表达，这在一定程度上暗示这些基因可能参与了根、茎和分生区域的发育。

4 结论

本研究从陆地棉标准系TM-1（Gossypium hirsutum L. acc. TM-1）基因组中鉴定到23个YABBY基因家族成员，具有不同的亚细胞定位和染色体定位，且具有较为广泛的组织表达类型。这些成员分为4个亚组，每个亚组成员间具有相似的基序类型和排列顺序。

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