植物ABC1激酶家族的進(jìn)化以及玉米ZmABC1-10和水稻OsABC1-2基因的功能研究.pdf

1、ABC1(Activity of bc1 complex)家族屬于蛋白質(zhì)激酶家族,其成員廣泛存在于原核和真核生物中。該家族首個成員在釀酒酵母中分離出來,因其能夠抑制細(xì)胞色素b mRNA翻譯的缺陷以及維持線粒體呼吸鏈bc1復(fù)合體的活性而得名。隨后,在酵母、大腸桿菌等物種以及人類中開展了大量研究,發(fā)現(xiàn)線粒體和原核生物ABCl蛋白調(diào)控泛醌(輔酶Q或者Q)生物合成。Q是線粒體呼吸鏈的電子載體,同時也是一種脂溶性的抗氧化劑。在植物中ABC1蛋白已

2、知有兩種亞細(xì)胞定位:線粒體和葉綠體,分別代表了不同的家族起源。雖然酵母和人類線粒體ABC1蛋白在調(diào)控Q生物合成中的分子功能已經(jīng)明確,然而植物ABC1蛋白尤其是葉綠體ABC1蛋白的功能還不清楚。
　　 為深入了解ABC1基因在不同植物系統(tǒng)中的分布、進(jìn)化及功能,本研究通過生物信息學(xué)方法對已測序8個代表性植物物種中的ABC1基因進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定和分子進(jìn)化分析;利用反向遺傳學(xué)手段對重要農(nóng)作物玉米和水稻中的代表性成員進(jìn)行了功能研究。主要結(jié)果

3、如下:
　　 一、植物ABC1基因家族的分子進(jìn)化
　　 在已測序藻類植物萊茵衣藻和綠藻、苔蘚植物小立碗蘚、蕨類植物江南卷柏、單子葉植物水稻和玉米、雙子葉植物楊樹和擬南芥基因組中共鑒定出148個ABC1基因,不同植物中的ABC1基因數(shù)目相對恒定。該家族在陸生植物起源以前就已經(jīng)發(fā)生了分化;陸生植物起源以后,該家族在不同植物系統(tǒng)中以物種特異的方式進(jìn)行了擴增。
　　 系統(tǒng)發(fā)育分析把水稻和擬南芥ABC1蛋白劃分為5個不同的

4、亞組。內(nèi)含子/外顯子結(jié)構(gòu)分析表明直系同源基因之間外顯子大小接近,而內(nèi)含子差別較大,水稻含有更多大的內(nèi)含子:內(nèi)含子獲得是近期伴隨水稻ABC1家族進(jìn)化的重要事件。多序列比對顯示,ABC1結(jié)構(gòu)域具有1個保守的氨基酸片段和4個保守的氨基酸殘基。在線亞細(xì)胞定位預(yù)測9個水稻ABC1蛋白定位在葉綠體上。適應(yīng)性進(jìn)化分析表明,水稻和擬南芥A1、A2和B1亞組在進(jìn)化過程中經(jīng)歷了正選擇作用,其成員可能已經(jīng)產(chǎn)生了新的基序和功能。
　　 二、玉米類ABC

5、1基因ZmABC1-10的克隆及其對鎘等非生物脅迫的應(yīng)答
　　 通過RACE手段從玉米自交系A(chǔ)188中克隆并鑒定了一個類ABC1基因,命名為ZmABC1-10。該基因cDNA全長2519 bp,包含2250 bp的開放閱讀框,編碼一個預(yù)測的葉綠體膜蛋白。啟動子順式元件掃描發(fā)現(xiàn)該基因含有大量的非生物脅迫、光以及植物激素應(yīng)答元件。表達(dá)模式分析表明,該基因主要在葉片、莖稈等綠色組織中表達(dá)。鎘處理實驗表明,該基因能夠被誘導(dǎo)并且受植物發(fā)育

6、時期的調(diào)控。除鎘之外,該基因還受多種非生物因素包括ABA、H2O2、干旱和黑暗的共同調(diào)控。
　　 三、水稻ABC1基因OsABC1-2的功能研究
　　 選擇A2亞組中一個受到正選擇作用、并且預(yù)測編碼葉綠體蛋白的ABC1基因OsABC1-2進(jìn)行功能研究。該基因主要在綠色組織和器官中表達(dá),并且表達(dá)能夠被鹽誘導(dǎo)而被黑暗處理顯著抑制。其蛋白質(zhì)產(chǎn)物定位在葉綠體膜上。Osabc1-2突變體植株顯著矮于野生型,葉片色素含量、光合效率均

7、低于野生型但超氧化物歧化酶(SOD)活性高于野生型,說明該基因突變干擾了葉片色素代謝、損壞了光合裝置并造成了植株氧化脅迫。該基因過表達(dá)顯著增強了對黑暗處理的抗性。進(jìn)一步對突變體和過表達(dá)材料質(zhì)體醌和維生素E合成途徑相關(guān)基因的表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),OsABC1-2基因突變和過表達(dá)顯著影響了葉綠體醌類物質(zhì)的生物合成,推測過表達(dá)材料葉綠體中相對高的醌類含量保護(hù)了光合裝置并增強了植株對黑暗脅迫的抗性。此外,水稻ABC1家族的表達(dá)模式分析表明,其基因均主要