草莓MADS—box基因家族生物信息学分析

摘要：通过生物信息学的方法，利用拟南芥、水稻的MADS-box基因对草莓MADS-box基因家族进行鉴定和分析，共得到83个草莓MADS-box候选基因，且MADS-box结构域高度保守。进化分析表明，FvMADS1-FvMADS33可被细分为10个亚组，分别为AG、AGL12、AGL6、AGL2、SE、SVP、FLC、AP3、SOC1、AGL17；FvMADS34-FvMADS83可被细分为4个亚组，分别为Mα（22个成员）、Mβ（1个成员）、Mγ（17个成员）、Mδ（10个成员）。

关键词：草莓；MADS-box转录因子；基因家族；生物信息学

中图分类号： S668.403文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0021-05

收稿日期：2014-12-22

基金项目：中国教育学会学校文化研究分会“十二五”教育科研课题（编号：0613278A）。

作者简介：马明臻（1979—），女，山东寿光人，硕士，副教授，主要从事园艺植物栽培研究。E-mail：1538543122@qq.com。草莓因其浆果营养丰富、鲜红亮丽、酸甜可口、芳香多汁而深受消费者喜爱，我国是世界草莓第一生产大国，但产量水平仍不足发达国家的1/2[1-2]。由于草莓存在高杂合性、多倍性等问题，使其常规育种周期长、工作量大、效率低。近年来，随着分子生物学的兴起和发展，草莓生物技术育种获得了极大进步。MADS-box基因广泛参与植物花和果实的发育、成熟等多个过程。开展草莓MADS-box转录因子的研究，有利于探索和解析草莓花、果实在发育成熟等生理过程中的调控机制，并能为生物技术育种提供有价值的信息。

MADS-box转录因子的N末端区域含有一段约为60个氨基酸残基的保守域，称为MADS-box保守域，负责绑定目的基因中调控区域的CArG盒子（CC（A/T）6GG）[3]。MADS-box基因家族成员可根据进化关系分为类型Ⅰ（Type Ⅰ）和类型Ⅱ（Type Ⅱ）[4]。类型Ⅱ MADS-box转录因子不仅含有MADS保守域，还含有Intervening（Ⅰ）区域、Keratin（K）盒、C-terminal（C）末端3个保守结构域[5]，因此类型Ⅱ又被称为MIKC类型。相对于Type Ⅱ，Type Ⅰ结构较简单且缺乏K盒。类型Ⅰ可根据进化关系进一步分为4种类型：Ma、Mβ、Mγ、Mδ[7]。近年来，随着对MADS-box转录因子研究的不断深入，现已提出主要调控花发育过程的ABCDE模型。ABCDE模型认为，A、E类基因调控萼片的发育；A、B、E类基因共同调控花瓣的发育；B、C、E类基因共同调控雄蕊的发育；C、E类基因调控心皮的发育；D、E类基因调控胚珠的发育[5，8-9]。

本研究以森林草莓（Fragaria vesca）基因组功能数据库[10]为出发点，利用生物信息学方法，对草莓MADS-box基因家族成员的数目、进化关系、亚组分类进行分析，以期为揭示花和果实发育过程中的调控网络、加快生物技术育种等问题提供理论基础，并为MADS-box基因的进一步克隆提供参考。

1材料与方法

1.1材料

根据拟南芥中已鉴别的MADS-box基因家族蛋白质序列和Pfam数据库的MADS-box保守域（PF00319）序列，利用NCBI提供的BlastP程序（http：//www.rosaceae.org/tools/ncbiblast）检索草莓基因组功能数据库（http：//www.phytozome.net/cgi-bin/gbrowse/strawberry/），并下载目的蛋白质序列。为进一步确认候选MADS-box基因的保守结构域，将候选MADS-box基因逐一提交至NCBI的在线工具Conserved Domain Search（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）、Pfam数据库（http：//pfam.sanger.ac.uk/search）进行MADS-box保守区域确认，对含有MADS-box保守域的候选基因进行下一步分析[11]。

1.2方法

利用DNAMAN 6.0序列分析软件、WebLogo 3在线软件（http：//weblogo.threeplusone.com/）分析草莓MADS-box基因保守序列。利用MEGA 4.1进化树分析软件（http：//www.megasoftware.net）并根据NJ方法[执行参数：Poission correction、pairwise deletion、bootstrap（1 000次重复）]，引入拟南芥（AGL）和水稻（OsMADS）的MADS-box蛋白对草莓MADS-box基因进行亚组分类。拟南芥、水稻的MADS-box蛋白序列分别下载于拟南芥（http：//www.arabidopsis.org/）、水稻基因组网站（http：//rice.plantbiology.msu.edu/）[12-13]。

2结果与分析

2.1草莓MADS-box基因家族的鉴定

通过NCBI提供的BlastP程序搜索草莓基因组功能数据库，共得到83个MADS-box候选基因，其开放阅读框、编码氨基酸、分子量、等电点、染色体定位、NCBI预测基因、与拟南芥同源基因的相关信息见表1。

2.2草莓MADS-box基因家族保守结构域序列分析

利用DNAMAN 6.0序列分析软件、WebLogo 3在线软件对草莓MADS-box基因家族保守结构域进行分析，发现表1草莓MADS-box基因家族成员信息

FvMADS 基因家族高度保守。经WebLogo 3在线软件分析发现，在MADS-box保守结构域，氨基酸23（R）、30（K）位点是保守不变的（图1）。

2.3草莓MADS-box基因家族进化分析

利用MEGA 4.1进化树分析软件对83个FvMADS、62个OsMADS、70个AGL蛋白的MADS-box结构域序列进行进化分析。结果显示，215个MADS-box成员被分为Type Ⅰ、Type Ⅱ共2组，其中FvMADS1-FvMADS33属于Type Ⅱ，FvMADS34-FvMADS83属于Type Ⅰ。40个OsMADS、39个AGL属于Type Ⅱ，22个OsMADS、31个AGL属于Type Ⅰ。对33个FvMADS进一步分析表明，FvMADS1-FvMADS33可被细分为10个亚组（图2），分别是AG（FvMADS21、22、24）、AGL12（FvMADS28）、AGL6（FvMADS17）、AGL2（FvMADS4、6、26）、SEP（FvMADS23）、SVP（FvMADS1、2、3、5、12、20）、FLC（FvMADS7、8、11、25、30、31、33）、AP3（FvMADS9、10、15、27）、SOC1（FvMADS13、14、16、18、19）、AGL17（FvMADS29）。对50个FvMADS进一步分析表明，FvMADS34-FvMADS83可被细分为4个亚组（图3），分别是Mα（22个成员）、Mβ（1个成员）、Mγ（17个成员）、Mδ（10个成员）。

3结论与讨论

MADS-Box基因家族广泛存在于高等植物中，参与调控花的发育，果实的发育、成熟、开裂，根的生长发育、根瘤的形成，顶端分生组织的分化，以及营养代谢、光合作用等许多过程[12]。近年来，随着植物全基因组测序工作的不断完成，在基因组层面研究植物的相关基因家族得以实现。2011年，草莓全基因组测序工作已经完成[10]，草莓NAC基因家族、SBP基因家族已通过生物信息学方法得以鉴定[14-15]。拟南芥[6]、水稻[7]、毛果杨[16]、葡萄[17]、黄瓜[18]、大豆[19]、梅花[20]、大白菜[21]、苹果[11]的MADS-box基因家族鉴定和进化分析也相继完成。不同物种MADS-box基因家族成员的数量存在较大差异，在拟南芥、毛果杨、葡萄、水稻、黄瓜、大豆、梅花、大白菜、苹果中分别鉴定得到107、105、32、71、43、163、80、160、143个MADS-box基因，各物种MADS-box基因家族成员的分类统计结果见表2。本研究通过生物信息学方法系统地鉴定并分析了83个草莓MADS-box候选基因，其中MIKCC、MIKC*类型分别为32、1个；Mα、Mβ、Mγ、Mδ分别为22、1、17、10个（表2）。尽管拟南芥、毛果杨、葡萄、水稻、黄瓜、大豆、梅花、大白菜、苹果MADS-box基因家族的鉴定已经完成，但关于其功能验证的研究仍较少。MIKCC类型MADS-box基因的大多数功能已被验证，下一步研究的重点应倾向于研究较少的类型Ⅰ MADS-box基因。

通过草莓基因组数据库可以更好、更快、更全面地了解草莓MADS-box转录因子的序列和结构，从而对其进行功能鉴

定和分析，以期验证草莓MADS-box基因家族在花、果实生长发育等过程中的调控作用。克隆和分离草莓MADS-box基因并进行转基因功能验证，探索其在营养生长、生殖生长中的调控作用，将成为进一步研究的重点。

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