玉米HSP20基因家族的分子进化和表达分析

论文总字数：22149字

摘 要

HSP20是一类广泛分布的热激蛋白，在水稻和小麦中的研究较多，但玉米中未见报道。本研究采用生物信息学方法鉴定出玉米HSP20家族共40个成员，并深入分析了其进化机制及基因表达模式。亚细胞定位预测显示，大多数HSP20蛋白定位于细胞质。基因复制分析表明，有4对基因起源于片段复制，3对基因起源于串联重复。系统发育分析表明，该家族可分为5个亚族，说明成员的序列发生了分化；系统发育树末端有14对旁系同源基因，说明HSP20家族在玉米中发生了扩张。基因表达分析显示，大多数成员在多组织器官混合样品和根中表达，部分基因在胚等中表达。蛋白互作分析表明，该家族可能参与环境胁迫的响应。这些结果为深入研究ZmHSP20的功能提供了参考。

关 键 词：玉米，HSP20基因，系统发育分析，表达分析

Abstract: HSP20 proteins are widely distributed heat shock proteins, which have been studied in rice and wheat, but have not been reported in maize. In this study, a total of 40 ZmHSP20 genes were identified using bioinformatics methods, and their evolutionary mechanisms and gene expression patterns were analyzed. Subcellular localization prediction showed that most HSP20 proteins localized in the cytoplasm. Gene duplication analysis indicated that there were 4 pairs of genes originating from fragmental duplication and 3 pairs of genes originating from tandem repeats. Phylogenetic analysis showed that the family can be divided into five subfamilies, suggesting that sequences of ZmHSP20 proteins had diverged; the terminal of the phylogenetic tree had 14 pairs of paralogous genes, indicating that the HSP20 family had expanded in maize. Gene expression analysis revealed that most ZmHSP20 genes were expressed in multiple tissue-mixed samples and roots. Some genes were also expressed in organs such as embryos. Protein interaction analysis indicated that the family might be involved in environmental stress response. These results provide a foundation for further functional study of ZmHSP20 genes.

Key words: maize, HSP20 gene, phylogenetic analysis, expression analysis

目 录

1 前言 4

2 材料与方法 5

2.1 ZmHSP20家族成员的系统鉴定 5

2.2 玉米HSP20基因的染色体分布与基因复制事件 5

2.3 玉米HSP20蛋白系统发育分析 5

2.4 基因结构和保守序列分析 5

2.5 基因组织器官表达和蛋白互作分析 6

3 结果与分析 6

3.1 玉米HSP20基因家族的成员 6

3.2 玉米HSP20基因的染色体分布和基因复制事件 9

3.3 玉米HSP20蛋白系统发育分析 9

3.4 玉米HSP20基因结构和保守序列分析 11

3.5 玉米HSP20基因的组织器官表达分析 15

3.6 ZmHSP20家族蛋白互作分析 15

讨 论 21

参 考 文 献 23

致 谢 25

1 前言

随着全球气候条件的日渐恶劣，自然灾害发生的日趋频繁，环境胁迫会产生农作物产量的下降、质量的降低等不良影响。该现象主要因为这些不良条件会诱导植物体中天然折叠的蛋白质变成非折叠或部分折叠蛋白质，蛋白质的结构发生异常，从而导致蛋白质的功能发生障碍。因此为保证作物的正常生长发育，生物体会自行合成一种名为热激蛋白(heat shock proteins, HSPs)的物质。HSP是生物体受到高温、低温、干旱等各种环境胁迫后在体内快速合成或其含量大幅度提升的一类抗逆性蛋白质，最初是Ritossa在对果蝇幼虫进行的高温刺激实验中发现，由Tissieres通过实验进行验证并首次命名此物质为HSP ^[1-2]。

根据其分子量大小，真核生物的HSP可分成Hsp110、Hsp90、Hsp70、Hsp60和小热激蛋白sHSPs（HSP20）五类^[3]。HSP20分子质量一般在12~42kDa之间，其结构是由一个α晶体蛋白结构域（alpha -crystalline domain，ACD）、一个C末端和一个N末端组成的。其中，ACD结构域是高度保守的，它含有80~100个氨基酸残基，是小热激蛋白家族中所有成员都具备的一种结构。Hayes等^[4]研究发现，α晶体蛋白结构域是生物体中HSP20发挥分子伴侣功能的结构基础。同时，该结构域的高度保守性也与分子伴侣功能的稳定发挥密切相关。

HSP20最初是从鼠骨骼肌的组织中被提取出来的一种小热激蛋白^[5]，它普遍存在于所有生物体中。Huang等^[6]对美洲斑潜蝇的研究发现，HSP20与动物的生长发育密切相关。目前，在酵母菌、大肠杆菌、古细菌和结核分枝杆菌等微生物中也发现HSP20的存在^[7-8]，但对其研究甚少。近年来在人类医学方面也证实了HSP20对于心血管系统有一定的保护作用，它能够抑制血小板聚集、舒张血管平滑肌、稳定细胞骨架和抑制细胞凋亡以及加强心肌缩力和改善心功能等^[5]。

目前已对大白菜、辣椒、杨树、水稻、拟南芥、大豆、小麦、大麦以及番茄等多种植物进行过研究，在以上植物中分别发现共有27、35、36、23、19、51、27、13、42个HSP20基因^[9-16]。当植物受到自然界中温度、水分、盐分、酸碱度等环境胁迫时，HSP20作为一种分子伴侣，能够与非折叠蛋白结合，来阻止非折叠蛋白的不可逆聚合，使其在环境胁迫下，正确进行空间折叠并行使其正常的细胞功能^[17]。

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