基本信息
- 项目名称：
- 水稻ABCB转运蛋白基因的分子进化和表达分析
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- ABC家族是生物界已知最大、功能最广泛的蛋白质超家族，其成员在作物产量、品质和抗性形成中发挥重要作用。本作品建立了一套利用生物信息学方法对植物基因家族进行进化研究的技术路线，并对水稻ABC家族B亚族的进化机制、表达特征和功能分化进行了全面研究，发现该亚族经历了物种特异性扩张，其成员在特定组织和器官中表达并受非生物胁迫的调控，并鉴定出了不同基因的可能功能。其结果为水稻ABC基因功能研究提供重要参考。
- 详细介绍：
- ATP结合框（ATP-binding Cassette，ABC）转运蛋白家族是生物界已知最大、功能最广泛的蛋白质超家族，其成员在作物产量、品质和抗性形成中均发挥重要作用。水稻是重要的粮食作物，其基因组编码超过130个ABC蛋白，然而多数成员的功能还不清楚。本作品对水稻和拟南芥ABC家族成员最多、功能最广泛的B亚族基因进行了比较进化分析，并对水稻ABC家族B亚族（ABCB）基因组织器官和胁迫下的表达模式进行了全面研究。 通过在水稻基因组注释数据库和拟南芥信息资源数据库中进行比对搜索共鉴定出水稻和拟南芥27个和29个ABCB基因，发现其外显子数目、编码蛋白质的长度和分子量在两种植物中均有较大变异，而等电点分布的变化较小。系统发育分析把该亚族蛋白分为4个亚组，说明其功能可能已经发生了分化；在水稻和拟南芥中各鉴定了6对和9对旁系同源基因，说明单、双子叶植物分离之后，该亚族在水稻和拟南芥中均以物种特异的方式进行了扩张。片段复制和串联重复是水稻ABC家族扩张的主要机制。 结构域分析表明所有蛋白均含有TMD，说明这些蛋白均是跨膜转运蛋白，而且所有蛋白结构域的排列顺序均为TMD–NBD，代表了该亚族蛋白结构的基本特征。多序列比对显示，核苷酸结合域（NBD）的Walker A、Walker B和ABC域基序均高度保守，而Q环和H环的保守性略差；跨膜结构域（TMD）在不同蛋白之间和同一蛋白内没有明显的保守性。 表达模式分析显示，水稻ABCB基因可以分成四个亚组（I-IV），说明该亚族基因的表达已经发生了显著的分化。没有ABCB基因表现出组成型表达，说明该亚族基因具有明显的组织特异性。非生物胁迫下表达的芯片数据分析表明，亚组I三个基因（OsABCB6、OsABCB7和OsABCB9）表达均被高盐和低温处理所诱导。亚组II六个基因表达均被干旱和高盐处理所诱导，但不受低温处理的影响。亚组III中OsABCB2、OsABCB5和OsABCB19的表达被低温处理诱导，OsABCB20和OsABC21被高盐处理显著抑制，其余基因不受显著影响。亚组IV的8个基因均被干旱处理显著抑制，部分基因同时被高盐或低温处理抑制。此外，一些组织器官表达类似的基因在胁迫下也表现出相似的表达模式。 水稻旁系同源基因Ka和Ks分析表明，其Ka/Ks值均远小于1，表明强的纯化选择在复制后基因功能的保留中发挥了重要作用。功能分化分析表明，旁系对OsABCB8/OsABCB13发生了无功能化或假基因化、旁系对OsABCB5/OsABCB6、OsABCB20/OsABCB21发生了新功能化。其余三个旁系对在不同组织器官中的表达相互补充，其功能分化可以解释为亚功能化。 这些成果提供了该家族进化历史及功能的基本信息，为下一步水稻ABC基因在物质转运、胁迫应答和生长发育过程中的功能研究奠定了基础。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- ABC转运蛋白家族是生物界最大的蛋白质超家族，在作物的产量、品质和抗性形成中发挥重要作用。水稻是最重要的粮食作物之一，其基因组编码超过130个ABC蛋白，然而多数成员的功能还不清楚。为在基因组水平上研究水稻ABC蛋白的分子功能，本作品对水稻ABC家族成员数最多的B亚族基因的进化关系、表达特征和功能分化进行了全面分析和深入研究，为其候选基因功能分析乃至遗传改良应用提供重要信息并打下良好基础。
科学性、先进性及独特之处
- 在研究对象上，本作品以水稻ABCB亚家族所有成员为对象，可以全面了解成员之间的进化关系和功能分化；在方法上，建立了一套利用生物信息学方法研究植物基因家族进化的技术路线，并系统研究了水稻ABCB基因的分子进化和表达特征；发现水稻ABCB亚族经历了物种特异性扩张，其表达具有明显的组织特异性并受非生物胁迫的调控，在此基础上鉴定出了不同成员的可能功能。该成果在国内外属首次报道，为目的基因功能分析奠定基础。
应用价值和现实意义
- 本作品建立了一套利用生物信息学方法对植物基因家族进行进化研究的技术路线，适应于各种作物重要基因家族的分子进化和功能研究。运用该技术路线对水稻ABCB亚族进行分析，发现其亚族以物种特异的方式进行了扩张，基因表达具有组织特异性并受非生物胁迫因素的调控。 此外还鉴定出不同基因的可能功能。这些成果对于推动该家族的功能研究以及利用关键基因来改良水稻品种从而提高产量具有重要意义。
学术论文摘要
- ABC家族是目前已知最大、功能最广泛的蛋白质超家族，在水稻和拟南芥中各含有超过130个成员，然而多数成员的功能还不清楚。本研究系统鉴定了水稻和拟南芥中27个和29个ABC家族B亚族基因，发现其外显子数目、编码蛋白质的长度和分子量在两种植物中变异较大，而等电点分布的变化较小。系统发育分析把该亚族蛋白分为4个亚组，说明其功能已经发生了分化；在水稻和拟南芥中各鉴定出6对和9对旁系同源基因，说明单、双子叶植物分离之后，该亚族在水稻和拟南芥中均以物种特异的方式进行了扩张。片段复制和串联重复是水稻ABC家族扩张的主要机制。多序列比对显示，核苷酸结合域的Walker A、B和ABC域基序均高度保守，而Q环和H环的保守性略差；跨膜结构域在不同蛋白之间和同一蛋白内没有明显的保守性。水稻ABCB基因的表达具有明显的组织特异性，不同基因的表达特征已经发生分化；多数水稻ABCB基因受到至少一种非生物因素的调控。旁系同源基因Ka/Ks分析表明，净化选择在水稻ABCB基因复制后功能的保留中发挥了重要作用。 该结果为水稻ABC基因在物质转运、胁迫应答和生长发育过程中的功能研究奠定了基础。
获奖情况
- 1.第一作者，水稻ABCB转运蛋白基因的分子进化和表达分析, 中国水稻科学,2011第6期待发（已接受发表，录用证明见附件）; 2.XX大学第六届“挑战杯”动感地带大学生课外学术科技作品竞赛生命科学类特等奖。
鉴定结果
- 水稻是重要的粮食作物之一，其基因组含有超过130个ABC基因。尽管这些基因分类、命名已基本明确，而其进化机制、基因表达模式以及功能分化的系统研究未见报道（见查新报告）。本研究将为其功能分析打下基础。
参考文献
- 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.小麦中一个PDR型ABC转运蛋白基因的克隆和特征分析. 科学通报, 2009. 54(17) 2500-7
同类课题研究水平概述
- ATP结合框（ATP-binding Cassette，ABC）家族是生物界已知最大的蛋白质超家族，其成员多数为膜结合蛋白，在生物体激素、脂质、糖类、无机酸、重金属、次生代谢物及异型生物质（如杀虫剂）等分子的跨膜运输中发挥重要作用。植物由于其固生性、光合作用以及大量次生代谢物的合成需要更多与解毒相关的运输功能，因而含有更丰富的家族成员。除解毒之外，植物ABC蛋白还与叶绿素合成、Fe/S复合体的形成及气孔运动有关。ABC蛋白因含有ATP结合框，即核苷酸结合结构域（NBD）而得名。该结构域由几个高度保守的基序：Walker A、B、ABC特征基序、H环和Q环组成。除NBD之外，ABC转运蛋白还包含几个由疏水α螺旋组成的跨膜结构域（TMD）。其核心单元由4个结构域组成：2个NBD及2个TMD。前者通过相互作用结合并水解ATP，为转运提供驱动力，后者参与底物的识别及物质跨脂双层的移位。含有2个NBD和2个TMD的ABC蛋白称为全分子转运蛋白，只含1个NBD和1个TMD的ABC蛋白称为半分子转运蛋白。后者常常需要同型二聚化或者异型二聚化而行使功能。 随着拟南芥和水稻基因组测序工作的完成，在其基因组中鉴定了大量的ABC蛋白。Sanchez-Fernandez等通过基因组搜索鉴定出拟南芥中129个ABC基因，从而提供了首个多细胞生物ABC蛋白的完整目录。Garcia等在水稻2个亚种基因组测序完成以后鉴定出水稻中121个ABC蛋白，并将其和拟南芥ABC蛋白进行了比较进化分析，将这些蛋白分为7个亚族（A-G），并发现了两个物种间29对直系同源基因。由于ABC蛋白存在范围之广、数目之多，其命名系统冗繁而混乱。Verrier等综合前人研究提出了一个植物ABC蛋白命名的统一法则。他们鉴定出水稻和拟南芥中各超过130个ABC蛋白并提供了一个最新的目录。根据NBD的系统发育关系，这些蛋白主要可以分为8个亚族（A-H）。此外，该研究还鉴定了一个动物基因组中所没有的植物“原核类”ABC亚族（亚族I）。 研究表明，ABC蛋白在作物产量的形成、品质性状和抗性应答中均发挥重要作用。水稻是世界上最重要的粮食作物之一，也是单子叶植物分子生物学研究的模式生物，然而其ABC蛋白的进化和功能还少有报道，大部分成员的功能尚不清楚。
