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基本信息
- 項目名稱：
- 水稻ABCB轉(zhuǎn)運蛋白基因的分子進化和表達分析
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- ABC家族是生物界已知最大、功能最廣泛的蛋白質(zhì)超家族，其成員在作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性形成中發(fā)揮重要作用。本作品建立了一套利用生物信息學(xué)方法對植物基因家族進行進化研究的技術(shù)路線，并對水稻ABC家族B亞族的進化機制、表達特征和功能分化進行了全面研究，發(fā)現(xiàn)該亞族經(jīng)歷了物種特異性擴張，其成員在特定組織和器官中表達并受非生物脅迫的調(diào)控，并鑒定出了不同基因的可能功能。其結(jié)果為水稻ABC基因功能研究提供重要參考。
- 詳細(xì)介紹：
- ATP結(jié)合框（ATP-binding Cassette，ABC）轉(zhuǎn)運蛋白家族是生物界已知最大、功能最廣泛的蛋白質(zhì)超家族，其成員在作物產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性形成中均發(fā)揮重要作用。水稻是重要的糧食作物，其基因組編碼超過130個ABC蛋白，然而多數(shù)成員的功能還不清楚。本作品對水稻和擬南芥ABC家族成員最多、功能最廣泛的B亞族基因進行了比較進化分析，并對水稻ABC家族B亞族（ABCB）基因組織器官和脅迫下的表達模式進行了全面研究。 通過在水稻基因組注釋數(shù)據(jù)庫和擬南芥信息資源數(shù)據(jù)庫中進行比對搜索共鑒定出水稻和擬南芥27個和29個ABCB基因，發(fā)現(xiàn)其外顯子數(shù)目、編碼蛋白質(zhì)的長度和分子量在兩種植物中均有較大變異，而等電點分布的變化較小。系統(tǒng)發(fā)育分析把該亞族蛋白分為4個亞組，說明其功能可能已經(jīng)發(fā)生了分化；在水稻和擬南芥中各鑒定了6對和9對旁系同源基因，說明單、雙子葉植物分離之后，該亞族在水稻和擬南芥中均以物種特異的方式進行了擴張。片段復(fù)制和串聯(lián)重復(fù)是水稻ABC家族擴張的主要機制。 結(jié)構(gòu)域分析表明所有蛋白均含有TMD，說明這些蛋白均是跨膜轉(zhuǎn)運蛋白，而且所有蛋白結(jié)構(gòu)域的排列順序均為TMD–NBD，代表了該亞族蛋白結(jié)構(gòu)的基本特征。多序列比對顯示，核苷酸結(jié)合域（NBD）的Walker A、Walker B和ABC域基序均高度保守，而Q環(huán)和H環(huán)的保守性略差；跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD）在不同蛋白之間和同一蛋白內(nèi)沒有明顯的保守性。 表達模式分析顯示，水稻ABCB基因可以分成四個亞組（I-IV），說明該亞族基因的表達已經(jīng)發(fā)生了顯著的分化。沒有ABCB基因表現(xiàn)出組成型表達，說明該亞族基因具有明顯的組織特異性。非生物脅迫下表達的芯片數(shù)據(jù)分析表明，亞組I三個基因（OsABCB6、OsABCB7和OsABCB9）表達均被高鹽和低溫處理所誘導(dǎo)。亞組II六個基因表達均被干旱和高鹽處理所誘導(dǎo)，但不受低溫處理的影響。亞組III中OsABCB2、OsABCB5和OsABCB19的表達被低溫處理誘導(dǎo)，OsABCB20和OsABC21被高鹽處理顯著抑制，其余基因不受顯著影響。亞組IV的8個基因均被干旱處理顯著抑制，部分基因同時被高鹽或低溫處理抑制。此外，一些組織器官表達類似的基因在脅迫下也表現(xiàn)出相似的表達模式。 水稻旁系同源基因Ka和Ks分析表明，其Ka/Ks值均遠(yuǎn)小于1，表明強的純化選擇在復(fù)制后基因功能的保留中發(fā)揮了重要作用。功能分化分析表明，旁系對OsABCB8/OsABCB13發(fā)生了無功能化或假基因化、旁系對OsABCB5/OsABCB6、OsABCB20/OsABCB21發(fā)生了新功能化。其余三個旁系對在不同組織器官中的表達相互補充，其功能分化可以解釋為亞功能化。 這些成果提供了該家族進化歷史及功能的基本信息，為下一步水稻ABC基因在物質(zhì)轉(zhuǎn)運、脅迫應(yīng)答和生長發(fā)育過程中的功能研究奠定了基礎(chǔ)。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族是生物界最大的蛋白質(zhì)超家族，在作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性形成中發(fā)揮重要作用。水稻是最重要的糧食作物之一，其基因組編碼超過130個ABC蛋白，然而多數(shù)成員的功能還不清楚。為在基因組水平上研究水稻ABC蛋白的分子功能，本作品對水稻ABC家族成員數(shù)最多的B亞族基因的進化關(guān)系、表達特征和功能分化進行了全面分析和深入研究，為其候選基因功能分析乃至遺傳改良應(yīng)用提供重要信息并打下良好基礎(chǔ)。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 在研究對象上，本作品以水稻ABCB亞家族所有成員為對象，可以全面了解成員之間的進化關(guān)系和功能分化；在方法上，建立了一套利用生物信息學(xué)方法研究植物基因家族進化的技術(shù)路線，并系統(tǒng)研究了水稻ABCB基因的分子進化和表達特征；發(fā)現(xiàn)水稻ABCB亞族經(jīng)歷了物種特異性擴張，其表達具有明顯的組織特異性并受非生物脅迫的調(diào)控，在此基礎(chǔ)上鑒定出了不同成員的可能功能。該成果在國內(nèi)外屬首次報道，為目的基因功能分析奠定基礎(chǔ)。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 本作品建立了一套利用生物信息學(xué)方法對植物基因家族進行進化研究的技術(shù)路線，適應(yīng)于各種作物重要基因家族的分子進化和功能研究。運用該技術(shù)路線對水稻ABCB亞族進行分析，發(fā)現(xiàn)其亞族以物種特異的方式進行了擴張，基因表達具有組織特異性并受非生物脅迫因素的調(diào)控。 此外還鑒定出不同基因的可能功能。這些成果對于推動該家族的功能研究以及利用關(guān)鍵基因來改良水稻品種從而提高產(chǎn)量具有重要意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- ABC家族是目前已知最大、功能最廣泛的蛋白質(zhì)超家族，在水稻和擬南芥中各含有超過130個成員，然而多數(shù)成員的功能還不清楚。本研究系統(tǒng)鑒定了水稻和擬南芥中27個和29個ABC家族B亞族基因，發(fā)現(xiàn)其外顯子數(shù)目、編碼蛋白質(zhì)的長度和分子量在兩種植物中變異較大，而等電點分布的變化較小。系統(tǒng)發(fā)育分析把該亞族蛋白分為4個亞組，說明其功能已經(jīng)發(fā)生了分化；在水稻和擬南芥中各鑒定出6對和9對旁系同源基因，說明單、雙子葉植物分離之后，該亞族在水稻和擬南芥中均以物種特異的方式進行了擴張。片段復(fù)制和串聯(lián)重復(fù)是水稻ABC家族擴張的主要機制。多序列比對顯示，核苷酸結(jié)合域的Walker A、B和ABC域基序均高度保守，而Q環(huán)和H環(huán)的保守性略差；跨膜結(jié)構(gòu)域在不同蛋白之間和同一蛋白內(nèi)沒有明顯的保守性。水稻ABCB基因的表達具有明顯的組織特異性，不同基因的表達特征已經(jīng)發(fā)生分化；多數(shù)水稻ABCB基因受到至少一種非生物因素的調(diào)控。旁系同源基因Ka/Ks分析表明，凈化選擇在水稻ABCB基因復(fù)制后功能的保留中發(fā)揮了重要作用。 該結(jié)果為水稻ABC基因在物質(zhì)轉(zhuǎn)運、脅迫應(yīng)答和生長發(fā)育過程中的功能研究奠定了基礎(chǔ)。
獲獎情況
- 1.第一作者，水稻ABCB轉(zhuǎn)運蛋白基因的分子進化和表達分析, 中國水稻科學(xué),2011第6期待發(fā)（已接受發(fā)表，錄用證明見附件）; 2.XX大學(xué)第六屆“挑戰(zhàn)杯”動感地帶大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽生命科學(xué)類特等獎。
鑒定結(jié)果
- 水稻是重要的糧食作物之一，其基因組含有超過130個ABC基因。盡管這些基因分類、命名已基本明確，而其進化機制、基因表達模式以及功能分化的系統(tǒng)研究未見報道（見查新報告）。本研究將為其功能分析打下基礎(chǔ)。
參考文獻
- Sanchez-Fernandez, R., et al., The Arabidopsis thaliana ABC protein superfamily, a complete inventory. J Biol Chem, 2001. 276(32): 30231-44 Martinoia, E., et al., Multifunctionality of plant ABC transporters--more than just detoxifiers. Planta, 2002. 214(3): 345-55 Rea, P.A., Plant ATP-binding cassette transporters. Annu Rev Plant Biol, 2007. 58: 347-75 Orsi, C.H. and S.D. Tanksley, Natural variation in an ABC transporter gene associated with seed size evolution in tomato species. PLoS Genet, 2009. 5(1): e1000347 Xu, X.H., et al., Mutations of the multi-drug resistance-associated protein ABC transporter gene 5 result in reduction of phytic acid in rice seeds. Theor Appl Genet, 2009. 119(1): 75-83 Crouzet, J., et al., Organization and function of the plant pleiotropic drug resistance ABC transporter family. FEBS Lett, 2006. 580(4): 1123-30 尚毅, 等.小麥中一個PDR型ABC轉(zhuǎn)運蛋白基因的克隆和特征分析. 科學(xué)通報, 2009. 54(17) 2500-7
同類課題研究水平概述
- ATP結(jié)合框（ATP-binding Cassette，ABC）家族是生物界已知最大的蛋白質(zhì)超家族，其成員多數(shù)為膜結(jié)合蛋白，在生物體激素、脂質(zhì)、糖類、無機酸、重金屬、次生代謝物及異型生物質(zhì)（如殺蟲劑）等分子的跨膜運輸中發(fā)揮重要作用。植物由于其固生性、光合作用以及大量次生代謝物的合成需要更多與解毒相關(guān)的運輸功能，因而含有更豐富的家族成員。除解毒之外，植物ABC蛋白還與葉綠素合成、Fe/S復(fù)合體的形成及氣孔運動有關(guān)。ABC蛋白因含有ATP結(jié)合框，即核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NBD）而得名。該結(jié)構(gòu)域由幾個高度保守的基序：Walker A、B、ABC特征基序、H環(huán)和Q環(huán)組成。除NBD之外，ABC轉(zhuǎn)運蛋白還包含幾個由疏水α螺旋組成的跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD）。其核心單元由4個結(jié)構(gòu)域組成：2個NBD及2個TMD。前者通過相互作用結(jié)合并水解ATP，為轉(zhuǎn)運提供驅(qū)動力，后者參與底物的識別及物質(zhì)跨脂雙層的移位。含有2個NBD和2個TMD的ABC蛋白稱為全分子轉(zhuǎn)運蛋白，只含1個NBD和1個TMD的ABC蛋白稱為半分子轉(zhuǎn)運蛋白。后者常常需要同型二聚化或者異型二聚化而行使功能。 隨著擬南芥和水稻基因組測序工作的完成，在其基因組中鑒定了大量的ABC蛋白。Sanchez-Fernandez等通過基因組搜索鑒定出擬南芥中129個ABC基因，從而提供了首個多細(xì)胞生物ABC蛋白的完整目錄。Garcia等在水稻2個亞種基因組測序完成以后鑒定出水稻中121個ABC蛋白，并將其和擬南芥ABC蛋白進行了比較進化分析，將這些蛋白分為7個亞族（A-G），并發(fā)現(xiàn)了兩個物種間29對直系同源基因。由于ABC蛋白存在范圍之廣、數(shù)目之多，其命名系統(tǒng)冗繁而混亂。Verrier等綜合前人研究提出了一個植物ABC蛋白命名的統(tǒng)一法則。他們鑒定出水稻和擬南芥中各超過130個ABC蛋白并提供了一個最新的目錄。根據(jù)NBD的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，這些蛋白主要可以分為8個亞族（A-H）。此外，該研究還鑒定了一個動物基因組中所沒有的植物“原核類”ABC亞族（亞族I）。 研究表明，ABC蛋白在作物產(chǎn)量的形成、品質(zhì)性狀和抗性應(yīng)答中均發(fā)揮重要作用。水稻是世界上最重要的糧食作物之一，也是單子葉植物分子生物學(xué)研究的模式生物，然而其ABC蛋白的進化和功能還少有報道，大部分成員的功能尚不清楚。
