植物ABC1激酶家族的進化以及玉米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,因其能夠抑制細胞色素b mRNA翻譯的缺陷以及維持線粒體呼吸鏈bc1復合體的活性而得名。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、進化及功能,本研究通過生物信息學方法對已測序8個代表性植物物種中的ABC1基因進行了系統(tǒng)鑒定和分子進化分析;利用反向遺傳學手段對重要農(nóng)作物玉米和水稻中的代表性成員進行了功能研究。主要結果

3、如下:
　　 一、植物ABC1基因家族的分子進化
　　 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。內含子/外顯子結構分析表明直系同源基因之間外顯子大小接近,而內含子差別較大,水稻含有更多大的內含子:內含子獲得是近期伴隨水稻ABC1家族進化的重要事件。多序列比對顯示,ABC1結構域具有1個保守的氨基酸片段和4個保守的氨基酸殘基。在線亞細胞定位預測9個水稻ABC1蛋白定位在葉綠體上。適應性進化分析表明,水稻和擬南芥A1、A2和B1亞組在進化過程中經(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答
　　 通過RACE手段從玉米自交系A188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、光以及植物激素應答元件。表達模式分析表明,該基因主要在葉片、莖稈等綠色組織中表達。鎘處理實驗表明,該基因能夠被誘導并且受植物發(fā)育

6、時期的調控。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、并且預測編碼葉綠體蛋白的ABC1基因OsABC1-2進行功能研究。該基因主要在綠色組織和器官中表達,并且表達能夠被鹽誘導而被黑暗處理顯著抑制。其蛋白質產(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。該基因過表達顯著增強了對黑暗處理的抗性。進一步對突變體和過表達材料質體醌和維生素E合成途徑相關基因的表達分析發(fā)現(xiàn),OsABC1-2基因突變和過表達顯著影響了葉綠體醌類物質的生物合成,推測過表達材料葉綠體中相對高的醌類含量保護了光合裝置并增強了植株對黑暗脅迫的抗性。此外,水稻ABC1家族的表達模式分析表明,其基因均主要