2024年8月4日发(作者：墨紫琼)
热带作物学报２０１１，３２（５）：８８１—８８５
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ Ｃｒｏｐｓ
甘薯等７种植物ＮＰＲ１基因的生物信息学分析
陈观水 ，余文杰 ，阮孝麟 ，施桂姣 ，潘大仁
１福建农林大学生命科学学院．福建福州 ３５０００２
２漳州职业技术学院．福建漳州 ３６３０００
摘要 水杨酸介导的植物系统获得性抗性的正向关键调控基因Ⅳ职 功能上在许多植物中极其保守 本研究
Ｊ基因的核苷酸序列及其相应氨基酸 利用生物信息学相关软件对以甘薯Ⅳ Ｊ基因为主要分析对象的７个
序列的组成成分、氨基酸翻译后修饰、导肽、跨膜结构域、疏水性／亲水性、蛋白质二、三级结构以及功能结构
域等进行分析。结果表明：该类基因属于不具信号肽的疏水性蛋白．仪一螺旋和无规则卷曲是蛋白质二级结构最
大量的结构元件，Ｂ一转角和延伸链散布于整个蛋白质中，具有ＢＴＢ／ＰＯＺ和ＡＮＫ功能结构域。这一结果可为植
物ＮＰＲ１的结构与功能分析及利用研究提供进一步的信息与参考
关键词Ⅳ Ｊ基因；生物信息学；二级结构
文献标识码 Ａ 中图分类号 ０８ｌ１．４
Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ｐ １ Ｇｅｎｅ ｆｒｏｍ
Ｓｅｖｅｎ Ｐｌａｎｔｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓｗｅｅｔ Ｐｏｔａｔｏ
ＣＨＥＮ Ｇｕａｎｓｈｕｉ ，ＹＵ Ｗｅｎｊｉｅｉ ，ＲＵＡＮ Ｘｉａｏｌｉｎｇ ，ＳＨＩ Ｇｕｉｊｉａｏ。，ＰＡＮ Ｄａｒｅｎ
１ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ∞Ａｇｒｉｅｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆ￣ｈｏｕ，凡 ∞３５０００，Ｃｈｉｎａ
２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｆｕｊｉｏ￣３６３０００，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｓａｌｉｃｙｌｉｃ ａｃｉｄ（ＳＡ）一ｍｅｄｉａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍｉｃ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ（ＳＡＲ），ⅣＰ Ｊ（ｎｏｎｅｘｐｒｅｓｓｏｒ
ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓ—ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ １）ｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｄｉｖｅｒｓｅ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ．７ ＮＰＲｌ
ｇｅｎｅｓ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌａｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄ ｉｎ ＧｅｎＢａｎｋ，ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｏｏｌｓ ｏｆ
ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｕｃｌｅｉ ａｃｉｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ａｎｄ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，ｓｉｇｎａｌ
ｐｅｐｔｉｄｅ，ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ ｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｒｒｏｔｅｉｎ，
ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐｈｙｌｏｇｅｎｅｔｉｃ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：ＮＰＲ１ ｉｓ ａ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ ｐｒｏｔｅｉｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ａ
ｓｉｇｎａｌ ｐｅｐｔｉｄｅ；Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｔｉｆ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＮＰＲ１ ａｒｅ ａｌｐｈａ ｈｅｌｉｘ ａｎｄ ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌ，
ｂｅｔａ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｔｒａｎｄ ａｒｅ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ；Ｔｈｅ ＮＰＲ１ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｈａｖｅ
ＢＴＢ／ＰＯＺ ａｎｄ ＡＮＫ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｏｍａｉｎｓ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ＮＰＲ１．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＮＰＲ１ ｇｅｎｅ；Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ
ｄｏｉ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—２５６１．２０１ １．０５．０１９
作物病虫害是影响农业生产的主要因素．提高
和保持植物品种对病虫害的抗性一直是各国科学家
研究的热点【ｌ】。植物抗病基因介导的防卫反应的理
论基础是超敏反应（ＨＲ）和系统获得性抗性（ＳＡＲ）
ＮＰＲ１ ｆ ｎｏｎ—ｅｘｐｒｅｓｓｏｒ ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓ－ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ
植物体内的多种防卫反应．且对病原菌没有严格的
种属专一性．可使植物产生广谱抗性［１４１。因此。
ＮＰＲ１及其类似基因在植物抗病基因工程中具有广
泛的应用前景。生物信息学属于生命科学和信息科
学的交叉学科．是后基因组时代重要研究工具之
一
１）是植物抗病防卫反应中不同形式信号传导途径的
交叉点．是调节植物整体抗病性的重要因子［２，３ ］
研究结果表明．在许多植物中都存在ＮＰＲ１的同源
基因，目前已从拟南芥、甘薯、大豆、番茄等植物
中分离出ＮＰＲ１的同源基因［２－５］ ＮＰＲ１是ＳＡＲ途径
中的主要信号元件．是防卫反应下游的一个多功能
．
利用国际互联网上的各类分子生物学数据库及
分析软件对已知的核酸和蛋白质序列进行比对、分
析、建立计算模型．从而对其结构、功能进行推断
及预测，是当今生物信息学发展的必然潮流『９＿Ｉ２］
本文应用生物信息学的方法以甘薯，ｖ职Ｊ基因为主
要分析对象．对来自ＧｅｎＢａｎｋ上的甘薯等不同植
调节因子。ＮＰＲ１本身没有抑菌活性．但它能诱发
收稿日期：２０１１－０３—２２ 修回Ｅｌ期：２０１１－０４—２０
物的７个ⅣＪ ，基因的核酸及氨基酸序列的组成成
基金项目：国家自然科学基金（３０９００９１５），福建省自然科学基金项目（２０１０Ｊ０５０４６）。
作者简介：陈观水（１９７９年一），男，博士，副教授。研究方向：植物抗病生物技术。 通讯作者：潘大ｆ＿＝＝，Ｅ－ｍａｉｈｐａｎｄａｒｅｎ＠ｙａｈｏｏｍｍ．ｃｎ。
－
８８２－ 热带作物学报 第３２卷
分、理化性质、结构特征、功能等进行预测和分析，
为其后续研究提供更全面的理论依据。
析、开放阅读框（Ｏｐｅｎ Ｒｅａｄｉｎｇ Ｆｒａｍｅ，ＯＲＦ）的查
找和翻译利用ＤＮＡＭＡＮ软件完成：蛋白质跨膜结
构及亲水性／疏水性的分析利用在线软件ＴａｒｇｅｔＰ、
ＴＭＨＭＭ、ＰｒｏＳｃａｌｅ完成：蛋白质的亚细胞定位采
用在线软件ＰＳＯＲＴ预测．蛋白质二级及三级结
构的预测利用ＰＳＳ Ｆｉｎｄｅｒ和ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ在线工具
１材料与方法
１．１数据来源
数据资料来源于ＮＣＢＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ
Ｂｉｏｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｃｂｉ．ｎｌｍ．
完成
ｎｉｈ．ｇｏｖ／）的核酸及蛋白质数据库中已注册的７种植
物的ＮＰＲ１基因的核酸序列及其对应的氨基酸序
２结果与分析
列：甘薯（，ｐｏｍｏｅａ ｂａｔａｔａｓ）（ＥＦ１９００３９）、拟南芥
２．１植物ＮＰＲ１的氨基酸组成和理化性质分析
（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ）（Ｕ７６７０７）、油菜（Ｂｒａｓｓｉ ｃａ
用ＤＮＡＭＡＮ软件及ＥＸＰＡＳＹ网站的
ｎａｐｕｓ）（ＡＦ５２７１７６）、大豆（Ｇ ｉｎｅ ｍａｘ）（ＦＪ４１８５９５）、
ＰｒｏｔＰａｒａｍ程序对甘薯、拟南芥、番茄、烟草、辣
烟草（Ｎｉｃｏｔｉａｎａ ｔａｂａｃｕｍ）（ＤＱ８３７２１ ８）、辣（Ｃｏｐｓｉｃｕｍ
椒、大豆、油菜等７种植物的ＮＰＲ１的ｃＤＮＡ序列
ａｎｎｕｕｍ）（ＤＱ６４８７８５）、番茄（Ｌｙｃｏｐｅｒｓｉｃｏｎ ｅｓｃｕｌｅｎｔｕｍ）
及氨基酸序列进行分析（表１）。结果表明。不同植
（ＡＹ６４０３７８）。
物，ｖ职 基因相应的氨基酸的分子量、理论等电点
１．２方法
基本相差不大．理论等电点和分子量分别在５．６８～
依据ＤＮＡＭＡＮ、Ｃｌｕｓｔａｌ Ｗ１．８软件以及ｈｔｔｐ：
６．１７之间和６４ １６２．８～６６ ０３１．８ Ｄａ之间 富含的氨
／／ｗｗｗ．ｎｃｂｉ．ｎｌｍ．ｎｉｈ．ｇｏｖ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｘｐａｓｙ．ｃｈ
基酸基本为亮氨酸（Ｌｅｕ）、丙氨酸（Ａｌａ）和丝氨酸
等网站提供的各类生物信息学软件进行在线分析
（Ｓｅｒ）。此外．预测这７种植物的ＮＰＲ１蛋白的不
核酸及氨基酸序列的组成成份分析、理化性质分
稳定指数，均在４０～５０之间。均属于不稳定蛋白。
表１植物ＮＰＲ１的理化特性
注：Ｎ：否；Ｙ：是。
２．２ ＮＰＲｌ的疏水性，亲水性的预测和分析
列进行二级结构预测（图２）。结果表明。甘薯
由ＰｒｏｔＳｃａｌｅ在线工具对甘薯氨基酸序列的疏 ＮＰＲＩ由５３．５８％Ｏｔ一螺旋（Ａｌｐｈａ ｈｅｌｉｘ）、３３．６２％无规
水性／亲水性进行预测（图１）。结果表明．多肽链第
则卷曲（Ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌ）、８．５３ 的延伸链（ｅｘｔｅｎｄｅｄ
５３３位Ａ最低分值一３．２２２．亲水性最强：而第１２２
ｓｔｒａｎｄ）和４．２７％的Ｂ一转角（Ｂｅｔａ ｔｕｒｎ）组成。纵观蛋
位的Ｖａｌ具有最高分值２．４２２，疏水性最强。整体
白的整体结构．仅一螺旋和无规则卷曲是甘薯ＮＰＲ１
而言．疏水氨基酸分布比较均匀。且数量大于亲水
最主要的结构元件，而Ｂ一转角和延伸链则散布于
氨基酸．故推测甘薯ＮＰＲ１蛋白为疏水性蛋白。对 整个蛋白质中 对其他种植物的ＮＰＲ１氨基酸序列
烟草、拟南芥等其他６种植物ＮＰＲ１氨基酸序列的 的二级结果进行分析也得到相似的结果 由此可以
疏水性／亲水性进行预测分析也得到相似结果．即
推断。植物ＮＰＲ１整体蛋白结构中， 一螺旋和无规
ＮＰＲ１整条多肽链表现为疏水性．但没有明显的疏
则卷曲是最大量的结构元件，Ｂ一转角和延伸链散
水区．可以推断．植物ＮＰＲ１蛋白为疏水性蛋白。
布于整个蛋白质中
２．３不同植物ＮＰＲ１的二级结构的预测
２．４不同植物ＮＰＲｌ蛋白三级结构的预测
借助在线二级结构预测软件ＳＯＰＭＡ（ｈｔｔｐ：／／ 利用ＳＷＩＳＳ—ＭＯＤＥＬ同源建模方法预测甘薯
ｎｐｓａ－ｐｂｉｌ．ｉｂｃｐ．ｆｒ／ｃｇｉ—ｂｉｎ／ 对甘薯ＮＰＲ１氨基酸序 ＮＰＲ１蛋白的二三级结构．然后在Ｒａｓｍｏｌ软件中进
第５期 陈观水等：甘薯等７种植物Ⅳ 基因的生物信息学分析
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一８８３一
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位■ｔ
图１甘薯ＮＰＲ１的疏水性，亲水性的预测和分析
图２ 甘薯ＮＰＲ１蛋白的二级结构的预测
行序列编辑，获得甘薯ＮＰＲ１三维结构模型（图
１００￣２００位氨基酸残基位置含有一个较为明显的跨膜
３）。从图中看出，ｏ【一螺旋在甘薯ＮＰＲ１中占主要
部分。用同样的方法对烟草、拟南芥等其他６种
结构域外（图５），其余均未发现有明显的跨膜结构域
２．６不同植物ＮＰＲ１信号肽的预测和分析
植物的ＮＰＲ１进行同源建模也得到了类似的结果。
信号肽位于蛋白质Ｎ端．一般有１６ ２６个氨
基酸残基，包括疏水核心区、信号肽的Ｃ端和Ｎ
端等三部分。利用在线工具ＳｉｇｎａｌＰ ３．０ Ｓｅｒｖｅｒ对
甘薯ＮＰＲ１氨基酸序列的信号肽进行预测（图６）．
结果表明，甘薯ＮＰＲ１不含有信号肽 对其余几种
植物ＮＰＲ１氨基酸序列的信号肽的存在位置及其序
列做相应的分析也得到了与之相一致的结果．即
ＮＰＲ１不存在信号肽
２．７ ＮＰＲ１蛋白功能域的预测与分析
结构域是蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球
状结构区域，是介于二级和三级结构之间的另一种
结构层次。通过ＮＣＢＩ Ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｓｅａｒｃｈ对
ＮＰＲ１基因的氨基酸序列分析发现．ＮＰＲ１基因均
含有ＢＴＢ／ＰＯＺ『（Ｂｒｏａｄ—Ｃｏｍｐｌｅｘ，Ｔｒａｍｔｒａｃｋ ａｎｄ Ｂｒｉｃ
图３甘薯ＮＰＲ１三维结构模型的预测
ａ ｂｒａｃ）／（Ｐｏｘｖｉｒｕｓ ａｎｄ Ｚｉｎｃ Ｆｉｎｇｅｒ）１和锚蛋白重复
序列（ＡＮＫ）保守结构域（图７）。
２．８不同植物ＮＰＲ１氨基酸序列分子系统进化分析
２．５不同植物ＮＰＲ１的跨膜结构域的预测
利用在线工具ＴＭＨＭＭ对不同植物ＮＰＲ１氨基
酸序列的跨膜结构域进行预测（图４），除大豆在第
将７个源自不同物种的ＮＰＲ１氨基酸序列用
Ｃｌｕｓｔｒａｌ Ｗ１．８软件中进行分子系统进化分析（图
－
８８４－ 热带作物学报 第３２卷
１ ２
１
０ ８
Ｏ．６
温
０ ４
０ ２
０
０ １ ００ ２００ ３００ ４０口
５００
膜内——
膜外
图４甘薯 Ｊ基因的跨膜区预测
避
詹
膜内——
图５大豆 Ｊ基因的跨膜区预测
１．０
０．８
。＿６
划
。．４
０．已
０．Ｏ
位置
图６甘薯ＮＰＲ１信号肽预测
第５期 陈观水等：甘薯等７种植物Ｊ７、７ Ｊ基因的生物信息学分析
ＮＣＢＩ Ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｓｅａｒｃｈ对ⅣＪ
酸序列分析发现．Ⅳ
一８８５—
基因的氨基
８）。结果表明．７种不同植物的ＮＰＲｌ氨基酸序列聚
成三支，大豆自成一支；甘薯、番茄、辣椒和烟草聚
成一支：油菜与拟南芥聚成第３支。由此可见，依据
基因均含有ＢＴＢ￣ＯＺ和锚
蛋白重复序列（ＡＮＫ）保守结构域，为ＮＰＲ１与ＴＧＡ
氨基酸序列构建的分子进化树能比较真实地反映不同
物种之间的系统分类学关系和自然演化进程．对明确
蛋白的相互作用提供条件旧 这些预测结果与拟南芥
ＮＰＲ１基因的研究结果基本一致。上述结论虽属推断
判断物种间的亲缘关系具有一定的参考价值
图８甘薯等７种植物ＮＰＲｌ氨基酸序列分子进化树聚类分析
３讨论
Ｍ 最早是从拟南芥中克隆的．是系统获得
性抗性（ＳＡＲ）途径中的主要调控基因，其功能定位
在ＳＡＲ信号转导级联反应中的水杨酸积累和随后
的ＳＡＲ基因表达之间ｆｚ ３】 由于ＮＰＲ１本身没有抑
菌活性．但它能诱发植物体内的多种防卫反应．且
对病原菌没有严格的种属专一性．可使植物产生广
谱抗性．所以引起众多研究者的关注［３－６，１３］
通过对拟南芥ＮＰＲ１研究表明．ＮＰＲ１蛋白通
常位于细胞质内．通过分子内二硫键形成寡聚体．
只有当受到外源信号物质（如ＳＡ处理或病原菌）诱
导后，细胞内的还原电位发生改变．促使ＮＰＲ１
单体化，这些单体转运至细胞核中 通过ＢＴＢ／
ＰＯＺ和ＡＮＫ区域与一种属于ＴＧＡ蛋白家族的蛋白
质相互互作用．调节植物艘基因的表达．达到抗
病的目的 ８，－４１ ］。本研究通过利用生物信息学的相
关软件对甘薯等７种植物的ＮＰＲ 基因的核苷酸及
氨基酸序列的组成、生化特性、结构特点和功能等
进行了预测和分析 预测 结果表明．不同植物
ＮＰＲ１基因推测的氨基酸序列的理化性质相差不
大，且都不属于稳定的疏水性蛋白 膜结构域及信
号肽预测表明．除大豆在第１００～２００位氨基酸残
基位置含有一个较为明显的跨膜结构域外．其余未
发现有明显的跨膜结构域和信号肽．可推断出
Ⅳ职 基因在游离核糖体上起始合成后．可能不进
行蛋白转运．而是保留在细胞质基质中 通过
和预测．但为研究和利用ⅣＪ 基因打下了基础。
参考文献
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ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＲ ｇｅｎｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］．．Ｔｈｅ Ｐｌａｎｔ
Ｃｅｌｌ，２０００，１２：２ ３３９—２ ３５０．
［１５】Ｆａｎ Ｗ Ｈ，Ｄｏｎｇ Ｘ Ｎ．Ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＮＰＲ１ ａｎｄ
ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ＴＧＡ２ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｓａｌｉｃｙｌｉｃ ａｃｉｄ－ｍｅｄｉａｔｅｄ ｇｅｎｅ
ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉ４Ｊ］．Ｔｈｅ Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌ１．２００２，１４：ｌ ３７７一ｌ ３８９．
责任编辑：古小玲
2024年8月4日发(作者：墨紫琼)
热带作物学报２０１１，３２（５）：８８１—８８５
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ Ｃｒｏｐｓ
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摘要 水杨酸介导的植物系统获得性抗性的正向关键调控基因Ⅳ职 功能上在许多植物中极其保守 本研究
Ｊ基因的核苷酸序列及其相应氨基酸 利用生物信息学相关软件对以甘薯Ⅳ Ｊ基因为主要分析对象的７个
序列的组成成分、氨基酸翻译后修饰、导肽、跨膜结构域、疏水性／亲水性、蛋白质二、三级结构以及功能结构
域等进行分析。结果表明：该类基因属于不具信号肽的疏水性蛋白．仪一螺旋和无规则卷曲是蛋白质二级结构最
大量的结构元件，Ｂ一转角和延伸链散布于整个蛋白质中，具有ＢＴＢ／ＰＯＺ和ＡＮＫ功能结构域。这一结果可为植
物ＮＰＲ１的结构与功能分析及利用研究提供进一步的信息与参考
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Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ｐ １ Ｇｅｎｅ ｆｒｏｍ
Ｓｅｖｅｎ Ｐｌａｎｔｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓｗｅｅｔ Ｐｏｔａｔｏ
ＣＨＥＮ Ｇｕａｎｓｈｕｉ ，ＹＵ Ｗｅｎｊｉｅｉ ，ＲＵＡＮ Ｘｉａｏｌｉｎｇ ，ＳＨＩ Ｇｕｉｊｉａｏ。，ＰＡＮ Ｄａｒｅｎ
１ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ∞Ａｇｒｉｅｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆ￣ｈｏｕ，凡 ∞３５０００，Ｃｈｉｎａ
２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｆｕｊｉｏ￣３６３０００，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｓａｌｉｃｙｌｉｃ ａｃｉｄ（ＳＡ）一ｍｅｄｉａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍｉｃ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ（ＳＡＲ），ⅣＰ Ｊ（ｎｏｎｅｘｐｒｅｓｓｏｒ
ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓ—ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ １）ｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｄｉｖｅｒｓｅ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ．７ ＮＰＲｌ
ｇｅｎｅｓ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌａｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄ ｉｎ ＧｅｎＢａｎｋ，ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｏｏｌｓ ｏｆ
ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｕｃｌｅｉ ａｃｉｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ａｎｄ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，ｓｉｇｎａｌ
ｐｅｐｔｉｄｅ，ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ ｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｒｒｏｔｅｉｎ，
ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐｈｙｌｏｇｅｎｅｔｉｃ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：ＮＰＲ１ ｉｓ ａ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ ｐｒｏｔｅｉｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ａ
ｓｉｇｎａｌ ｐｅｐｔｉｄｅ；Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｔｉｆ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＮＰＲ１ ａｒｅ ａｌｐｈａ ｈｅｌｉｘ ａｎｄ ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌ，
ｂｅｔａ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｔｒａｎｄ ａｒｅ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ；Ｔｈｅ ＮＰＲ１ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｈａｖｅ
ＢＴＢ／ＰＯＺ ａｎｄ ＡＮＫ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｏｍａｉｎｓ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ＮＰＲ１．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＮＰＲ１ ｇｅｎｅ；Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ
ｄｏｉ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—２５６１．２０１ １．０５．０１９
作物病虫害是影响农业生产的主要因素．提高
和保持植物品种对病虫害的抗性一直是各国科学家
研究的热点【ｌ】。植物抗病基因介导的防卫反应的理
论基础是超敏反应（ＨＲ）和系统获得性抗性（ＳＡＲ）
ＮＰＲ１ ｆ ｎｏｎ—ｅｘｐｒｅｓｓｏｒ ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓ－ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ
植物体内的多种防卫反应．且对病原菌没有严格的
种属专一性．可使植物产生广谱抗性［１４１。因此。
ＮＰＲ１及其类似基因在植物抗病基因工程中具有广
泛的应用前景。生物信息学属于生命科学和信息科
学的交叉学科．是后基因组时代重要研究工具之
一
１）是植物抗病防卫反应中不同形式信号传导途径的
交叉点．是调节植物整体抗病性的重要因子［２，３ ］
研究结果表明．在许多植物中都存在ＮＰＲ１的同源
基因，目前已从拟南芥、甘薯、大豆、番茄等植物
中分离出ＮＰＲ１的同源基因［２－５］ ＮＰＲ１是ＳＡＲ途径
中的主要信号元件．是防卫反应下游的一个多功能
．
利用国际互联网上的各类分子生物学数据库及
分析软件对已知的核酸和蛋白质序列进行比对、分
析、建立计算模型．从而对其结构、功能进行推断
及预测，是当今生物信息学发展的必然潮流『９＿Ｉ２］
本文应用生物信息学的方法以甘薯，ｖ职Ｊ基因为主
要分析对象．对来自ＧｅｎＢａｎｋ上的甘薯等不同植
调节因子。ＮＰＲ１本身没有抑菌活性．但它能诱发
收稿日期：２０１１－０３—２２ 修回Ｅｌ期：２０１１－０４—２０
物的７个ⅣＪ ，基因的核酸及氨基酸序列的组成成
基金项目：国家自然科学基金（３０９００９１５），福建省自然科学基金项目（２０１０Ｊ０５０４６）。
作者简介：陈观水（１９７９年一），男，博士，副教授。研究方向：植物抗病生物技术。 通讯作者：潘大ｆ＿＝＝，Ｅ－ｍａｉｈｐａｎｄａｒｅｎ＠ｙａｈｏｏｍｍ．ｃｎ。
－
８８２－ 热带作物学报 第３２卷
分、理化性质、结构特征、功能等进行预测和分析，
为其后续研究提供更全面的理论依据。
析、开放阅读框（Ｏｐｅｎ Ｒｅａｄｉｎｇ Ｆｒａｍｅ，ＯＲＦ）的查
找和翻译利用ＤＮＡＭＡＮ软件完成：蛋白质跨膜结
构及亲水性／疏水性的分析利用在线软件ＴａｒｇｅｔＰ、
ＴＭＨＭＭ、ＰｒｏＳｃａｌｅ完成：蛋白质的亚细胞定位采
用在线软件ＰＳＯＲＴ预测．蛋白质二级及三级结
构的预测利用ＰＳＳ Ｆｉｎｄｅｒ和ＥＳｙＰｒｅｄ３Ｄ在线工具
１材料与方法
１．１数据来源
数据资料来源于ＮＣＢＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ
Ｂｉｏｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ。ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｃｂｉ．ｎｌｍ．
完成
ｎｉｈ．ｇｏｖ／）的核酸及蛋白质数据库中已注册的７种植
物的ＮＰＲ１基因的核酸序列及其对应的氨基酸序
２结果与分析
列：甘薯（，ｐｏｍｏｅａ ｂａｔａｔａｓ）（ＥＦ１９００３９）、拟南芥
２．１植物ＮＰＲ１的氨基酸组成和理化性质分析
（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ）（Ｕ７６７０７）、油菜（Ｂｒａｓｓｉ ｃａ
用ＤＮＡＭＡＮ软件及ＥＸＰＡＳＹ网站的
ｎａｐｕｓ）（ＡＦ５２７１７６）、大豆（Ｇ ｉｎｅ ｍａｘ）（ＦＪ４１８５９５）、
ＰｒｏｔＰａｒａｍ程序对甘薯、拟南芥、番茄、烟草、辣
烟草（Ｎｉｃｏｔｉａｎａ ｔａｂａｃｕｍ）（ＤＱ８３７２１ ８）、辣（Ｃｏｐｓｉｃｕｍ
椒、大豆、油菜等７种植物的ＮＰＲ１的ｃＤＮＡ序列
ａｎｎｕｕｍ）（ＤＱ６４８７８５）、番茄（Ｌｙｃｏｐｅｒｓｉｃｏｎ ｅｓｃｕｌｅｎｔｕｍ）
及氨基酸序列进行分析（表１）。结果表明。不同植
（ＡＹ６４０３７８）。
物，ｖ职 基因相应的氨基酸的分子量、理论等电点
１．２方法
基本相差不大．理论等电点和分子量分别在５．６８～
依据ＤＮＡＭＡＮ、Ｃｌｕｓｔａｌ Ｗ１．８软件以及ｈｔｔｐ：
６．１７之间和６４ １６２．８～６６ ０３１．８ Ｄａ之间 富含的氨
／／ｗｗｗ．ｎｃｂｉ．ｎｌｍ．ｎｉｈ．ｇｏｖ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｘｐａｓｙ．ｃｈ
基酸基本为亮氨酸（Ｌｅｕ）、丙氨酸（Ａｌａ）和丝氨酸
等网站提供的各类生物信息学软件进行在线分析
（Ｓｅｒ）。此外．预测这７种植物的ＮＰＲ１蛋白的不
核酸及氨基酸序列的组成成份分析、理化性质分
稳定指数，均在４０～５０之间。均属于不稳定蛋白。
表１植物ＮＰＲ１的理化特性
注：Ｎ：否；Ｙ：是。
２．２ ＮＰＲｌ的疏水性，亲水性的预测和分析
列进行二级结构预测（图２）。结果表明。甘薯
由ＰｒｏｔＳｃａｌｅ在线工具对甘薯氨基酸序列的疏 ＮＰＲＩ由５３．５８％Ｏｔ一螺旋（Ａｌｐｈａ ｈｅｌｉｘ）、３３．６２％无规
水性／亲水性进行预测（图１）。结果表明．多肽链第
则卷曲（Ｒａｎｄｏｍ ｃｏｉｌ）、８．５３ 的延伸链（ｅｘｔｅｎｄｅｄ
５３３位Ａ最低分值一３．２２２．亲水性最强：而第１２２
ｓｔｒａｎｄ）和４．２７％的Ｂ一转角（Ｂｅｔａ ｔｕｒｎ）组成。纵观蛋
位的Ｖａｌ具有最高分值２．４２２，疏水性最强。整体
白的整体结构．仅一螺旋和无规则卷曲是甘薯ＮＰＲ１
而言．疏水氨基酸分布比较均匀。且数量大于亲水
最主要的结构元件，而Ｂ一转角和延伸链则散布于
氨基酸．故推测甘薯ＮＰＲ１蛋白为疏水性蛋白。对 整个蛋白质中 对其他种植物的ＮＰＲ１氨基酸序列
烟草、拟南芥等其他６种植物ＮＰＲ１氨基酸序列的 的二级结果进行分析也得到相似的结果 由此可以
疏水性／亲水性进行预测分析也得到相似结果．即
推断。植物ＮＰＲ１整体蛋白结构中， 一螺旋和无规
ＮＰＲ１整条多肽链表现为疏水性．但没有明显的疏
则卷曲是最大量的结构元件，Ｂ一转角和延伸链散
水区．可以推断．植物ＮＰＲ１蛋白为疏水性蛋白。
布于整个蛋白质中
２．３不同植物ＮＰＲ１的二级结构的预测
２．４不同植物ＮＰＲｌ蛋白三级结构的预测
借助在线二级结构预测软件ＳＯＰＭＡ（ｈｔｔｐ：／／ 利用ＳＷＩＳＳ—ＭＯＤＥＬ同源建模方法预测甘薯
ｎｐｓａ－ｐｂｉｌ．ｉｂｃｐ．ｆｒ／ｃｇｉ—ｂｉｎ／ 对甘薯ＮＰＲ１氨基酸序 ＮＰＲ１蛋白的二三级结构．然后在Ｒａｓｍｏｌ软件中进
第５期 陈观水等：甘薯等７种植物Ⅳ 基因的生物信息学分析
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一８８３一
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位■ｔ
图１甘薯ＮＰＲ１的疏水性，亲水性的预测和分析
图２ 甘薯ＮＰＲ１蛋白的二级结构的预测
行序列编辑，获得甘薯ＮＰＲ１三维结构模型（图
１００￣２００位氨基酸残基位置含有一个较为明显的跨膜
３）。从图中看出，ｏ【一螺旋在甘薯ＮＰＲ１中占主要
部分。用同样的方法对烟草、拟南芥等其他６种
结构域外（图５），其余均未发现有明显的跨膜结构域
２．６不同植物ＮＰＲ１信号肽的预测和分析
植物的ＮＰＲ１进行同源建模也得到了类似的结果。
信号肽位于蛋白质Ｎ端．一般有１６ ２６个氨
基酸残基，包括疏水核心区、信号肽的Ｃ端和Ｎ
端等三部分。利用在线工具ＳｉｇｎａｌＰ ３．０ Ｓｅｒｖｅｒ对
甘薯ＮＰＲ１氨基酸序列的信号肽进行预测（图６）．
结果表明，甘薯ＮＰＲ１不含有信号肽 对其余几种
植物ＮＰＲ１氨基酸序列的信号肽的存在位置及其序
列做相应的分析也得到了与之相一致的结果．即
ＮＰＲ１不存在信号肽
２．７ ＮＰＲ１蛋白功能域的预测与分析
结构域是蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球
状结构区域，是介于二级和三级结构之间的另一种
结构层次。通过ＮＣＢＩ Ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｓｅａｒｃｈ对
ＮＰＲ１基因的氨基酸序列分析发现．ＮＰＲ１基因均
含有ＢＴＢ／ＰＯＺ『（Ｂｒｏａｄ—Ｃｏｍｐｌｅｘ，Ｔｒａｍｔｒａｃｋ ａｎｄ Ｂｒｉｃ
图３甘薯ＮＰＲ１三维结构模型的预测
ａ ｂｒａｃ）／（Ｐｏｘｖｉｒｕｓ ａｎｄ Ｚｉｎｃ Ｆｉｎｇｅｒ）１和锚蛋白重复
序列（ＡＮＫ）保守结构域（图７）。
２．８不同植物ＮＰＲ１氨基酸序列分子系统进化分析
２．５不同植物ＮＰＲ１的跨膜结构域的预测
利用在线工具ＴＭＨＭＭ对不同植物ＮＰＲ１氨基
酸序列的跨膜结构域进行预测（图４），除大豆在第
将７个源自不同物种的ＮＰＲ１氨基酸序列用
Ｃｌｕｓｔｒａｌ Ｗ１．８软件中进行分子系统进化分析（图
－
８８４－ 热带作物学报 第３２卷
１ ２
１
０ ８
Ｏ．６
温
０ ４
０ ２
０
０ １ ００ ２００ ３００ ４０口
５００
膜内——
膜外
图４甘薯 Ｊ基因的跨膜区预测
避
詹
膜内——
图５大豆 Ｊ基因的跨膜区预测
１．０
０．８
。＿６
划
。．４
０．已
０．Ｏ
位置
图６甘薯ＮＰＲ１信号肽预测
第５期 陈观水等：甘薯等７种植物Ｊ７、７ Ｊ基因的生物信息学分析
ＮＣＢＩ Ｃｏｎｓｅｒｖｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｓｅａｒｃｈ对ⅣＪ
酸序列分析发现．Ⅳ
一８８５—
基因的氨基
８）。结果表明．７种不同植物的ＮＰＲｌ氨基酸序列聚
成三支，大豆自成一支；甘薯、番茄、辣椒和烟草聚
成一支：油菜与拟南芥聚成第３支。由此可见，依据
基因均含有ＢＴＢ￣ＯＺ和锚
蛋白重复序列（ＡＮＫ）保守结构域，为ＮＰＲ１与ＴＧＡ
氨基酸序列构建的分子进化树能比较真实地反映不同
物种之间的系统分类学关系和自然演化进程．对明确
蛋白的相互作用提供条件旧 这些预测结果与拟南芥
ＮＰＲ１基因的研究结果基本一致。上述结论虽属推断
判断物种间的亲缘关系具有一定的参考价值
图８甘薯等７种植物ＮＰＲｌ氨基酸序列分子进化树聚类分析
３讨论
Ｍ 最早是从拟南芥中克隆的．是系统获得
性抗性（ＳＡＲ）途径中的主要调控基因，其功能定位
在ＳＡＲ信号转导级联反应中的水杨酸积累和随后
的ＳＡＲ基因表达之间ｆｚ ３】 由于ＮＰＲ１本身没有抑
菌活性．但它能诱发植物体内的多种防卫反应．且
对病原菌没有严格的种属专一性．可使植物产生广
谱抗性．所以引起众多研究者的关注［３－６，１３］
通过对拟南芥ＮＰＲ１研究表明．ＮＰＲ１蛋白通
常位于细胞质内．通过分子内二硫键形成寡聚体．
只有当受到外源信号物质（如ＳＡ处理或病原菌）诱
导后，细胞内的还原电位发生改变．促使ＮＰＲ１
单体化，这些单体转运至细胞核中 通过ＢＴＢ／
ＰＯＺ和ＡＮＫ区域与一种属于ＴＧＡ蛋白家族的蛋白
质相互互作用．调节植物艘基因的表达．达到抗
病的目的 ８，－４１ ］。本研究通过利用生物信息学的相
关软件对甘薯等７种植物的ＮＰＲ 基因的核苷酸及
氨基酸序列的组成、生化特性、结构特点和功能等
进行了预测和分析 预测 结果表明．不同植物
ＮＰＲ１基因推测的氨基酸序列的理化性质相差不
大，且都不属于稳定的疏水性蛋白 膜结构域及信
号肽预测表明．除大豆在第１００～２００位氨基酸残
基位置含有一个较为明显的跨膜结构域外．其余未
发现有明显的跨膜结构域和信号肽．可推断出
Ⅳ职 基因在游离核糖体上起始合成后．可能不进
行蛋白转运．而是保留在细胞质基质中 通过
和预测．但为研究和利用ⅣＪ 基因打下了基础。
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ｃｒｏｓｓ—．ｔａｌｋ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓａｌｉｃｙｌａｔｅ—ａｎｄ ｉａｓｍｏｎａｔｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｅｆｅｎｓｅ
ｐａｔｈｗａｙｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｎｏｖｅｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｙｔｏｓｏｌ［Ｊ］．Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌｌ，
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Ｃｅｌｌ，２０００，１２：２ ３３９—２ ３５０．
［１５】Ｆａｎ Ｗ Ｈ，Ｄｏｎｇ Ｘ Ｎ．Ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＮＰＲ１ ａｎｄ
ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ＴＧＡ２ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｓａｌｉｃｙｌｉｃ ａｃｉｄ－ｍｅｄｉａｔｅｄ ｇｅｎｅ
ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉ４Ｊ］．Ｔｈｅ Ｐｌａｎｔ Ｃｅｌ１．２００２，１４：ｌ ３７７一ｌ ３８９．
责任编辑：古小玲