煙草TIR-NBS基因家族的生物信息學分析

董亞萍 楊仕梅 趙德剛 宋莉

摘 要： TIR-NBS基因是一類與植物抗病調節和生長發育密切相關的基因，其特征解析有助于對植物免疫和發育調節的認識。該研究通過生物信息學分析方法，從基因鑒定、染色體分布、基因結構、蛋白性質和結構、信號肽、亞細胞定位和順式作用元件等方面，對煙草TIR-NBS基因家族進行了鑒定和分子特性分析。結果表明：煙草TIR-NBS基因家族含有30條成員，分布在21條染色體上，含有3～8個保守基序;編碼蛋白均為不穩定蛋白，無信號肽，主要分布于細胞核、細胞質和葉綠體中，二級結構以α-螺旋和無規則卷曲為主要構成元件;進化時主要受純化選擇作用，與番茄的TIR-NBS基因親緣關系最近;順式作用元件分析表明其可能受光照、溫度以及生長素、茉莉酸甲酯、脫落酸、水楊酸、赤霉素等激素調控。該研究結果為進一步探究TIR-NBS基因的生物學功能及提高植物產量和品質提供了依據。

關鍵詞： 煙草， 抗病調節， 生長發育， 植物免疫， TIR-NBS基因家族， 生物信息學分析

中圖分類號： Q943 ?文獻標識碼： A

文章編號： 1000-3142（2020）06-0891-10

開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

Abstract： TIR-NBS gene is a class of gene closely related to plant disease resistance regulation and growth and development， and its characteristic analysis contributes to the understanding of plant immunity and developmental regulation. Through bioinformatics analysis method， the TIR-NBS gene family of tobacco was identified and molecularly analyzed from the aspects of gene identification， chromosome distribution， gene structure， protein properties and structure， signal peptide， subcellular localization and cis-acting elements. The results were as follows： The TIR-NBS gene family contained 30 members， distributed on 21 chromosomes， containing 3-8 conserved motifs; The encoded proteins were unstable proteins， no signal peptides， mainly distributed in the nucleus， cytoplasm and chloroplast; The secondary structure was characterized by α-helix and random coiling; It was mainly selected by purification in evolution， and had the closest relationship with TIR-NBS gene of tomato; Analysis of cis-acting elements showed that it may be regulated by light， temperature， and hormones such as auxin， methyl jasmonate， abscisic acid， salicylic acid， and gibberellin. The results provided a basis for further exploring the biological functions of the TIR-NBS gene and improving plant yield and quality.

Key words： Nicotiana attenuata（tobacco）， disease resistance regulation， growth and development， plant immunity， TIR-NBS gene family， bioinformatics analysis

植物在長期遭受真菌、細菌、病毒等各種病原體侵襲和危害過程中，逐漸形成保護自身的抗病免疫機制，由R抗病基因（resistance gene）介導的免疫反應就是其中一條主要的途徑 （房衛平等，2015;孫巖等，2017）。R基因由白細胞介素-1受體（toll and in-terleukin-1 receptor，TIR）結構域、功能結構域核苷酸結合位點（nucleotide bindingsite， NBS）、富含亮氨酸重復（leucine rich repeat， LRR）位點等結構組成。其中，TIR和NBS結構與抗病調節相關（Meyers et al.， 2002），TIR-NBS類抗病基因作為一類重要的植物免疫基因，是R基因抗病免疫的重要基礎（Staal et al.， 2008;謝冬微等，2015） 。

TIR、NBS結構域是抗病基因免疫反應必需的。當擬南芥的抗病基因RPS4或RPP1A在僅含TIR和NB結構域的截短蛋白TIR+45或TIR+80片段時，即使沒有病原菌效應蛋白的誘導也能引起細胞的壞死（Zhang et al.， 2004;尹玲等，2018）。煙草抗病毒N蛋白的免疫作用與其TIR結構域進行信號轉導有關（Dinesh-Kumar et al.， 2000）。還有研究表明，TIR-NBS 類基因RLM3參與了擬南芥廣譜抗壞死致病真菌的免疫反應過程（Staal et al.， 2008）。盡管TIR-NBS類蛋白在植物抗病過程中扮演著非常重要的角色，但人們對該基因家族及其成員的了解仍極為有限。本研究通過生物信息學分析方法，對煙草TIR-NBS基因家族的分子特征和功能進行預測分析，為煙草TIR-NBS 類抗病基因的深入探究提供依據。

1 材料與方法

1.1 TIR-NBS基因家族鑒定

在Pfam中下載NBS（NB-ARC）（http：//pfam.xfam.org/family/PF00931#tabview=tab6）和TIR（http：//pfam.xfam.org/family/PF01582#tabview=tab6）隱馬爾可夫模型。通過 hmmsearch 程序用下載的 NB-ARC.hmm和TIR.hmm文件對煙草全基因組蛋白數據庫中的含TIR-NBS結構域的蛋白家族進行預測，選取的期望值E為1×10-20。

1.2 染色體定位分析

從Ensembl植物全基因組數據庫（ftp：//ftp.ensemblgenomes.org/pub/plants/release-42/fasta/nicotiana_attenuata）獲得TIR-NBS基因在染色體上的位置信息，并用在線工具MG2C（http：//mg2c.iask.in/mg2c_v2.0/）制作染色體定位圖。

1.3 基因結構與motif分析

利用在線工具GSDS（http：//gsds.cbi.pku.edu.cn/）對煙草TIR-NBS基因家族成員進行基因結構分析。通過在線工具meme（http：//meme-suite.org/tools/meme）對煙草TIR-NBS蛋白motif進行預測分析。

1.4 蛋白結構與亞細胞定位分析

利用在線軟件SOPMA（https：//npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl？page=/NPSA/npsa_sopma.html）分析TIR-NBS蛋白二級結構。利用在線工具SignalP 4.1 Server（http：//www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/）對煙草TIR-NBS基因進行信號肽分析。利用在線工具DeepLoc（http：//www.cbs.dtu.dk/services/DeepLoc/）對煙草TIR-NBS基因進行亞細胞定位分析。

1.5 TIR-NBS蛋白的理化性質分析

利用ExPASy中的ProtParam （http：//web.expasy. org/protparam/）軟件對煙草TIR-NBS蛋白基本特性進行分析， 包括蛋白質大小、相對分子質量、理論等電點、不穩定系數、親水性指數和脂溶性指數等指標。

1.6 進化選擇壓力分析

利用Blast建庫比對和Calculator工具（Wang et al.， 2010），對煙草TIR-NBS基因核苷酸的同義替換率（Ks）和非同義替換率（Ka）進行計算，獲得基因Ka/Ks比率，進行選擇壓力分析。

1.7 系統發育分析

將檢索得到的煙草（Nicotiana attenuata）、擬南芥（Arabidopsis thaliana）、番茄（Solanum lycopersicum）的TIR-NBS蛋白的氨基酸序列通過軟件Clustal X進行TIR-NBS蛋白序列比對，然后利用MEGA-7.0 （Kumar et al.， 2016）軟件構建TIR-NBS基因家族鄰接（NJ， neighbor-joining）系統發育樹，Boostrap值設置為1 000，其他參數為系統默認值，最后使用FigTree（http：//tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/）軟件展示系統發育樹。

1.8 順式作用元件分析

利用工具bedtools（Quinlan， 2014）獲得TIR-NBS基因上游2 000 bp序列，利用在線網站PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）對獲得的序列進行預測，并對主要的順式作用元件進行探討。

2 結果與分析

2.1 TIR-NBS基因家族成員

根據Pfam數據庫中TIR-NBS基因家族主要含有NB-ARC、TIR-NB-ARC-LRR、TIR-NB-ARC功能域的特征，通過構建隱馬爾可夫模型，設置E-value為1×10-20，共鑒定到217條基因，去掉不含有TIR-NB-ARC結構的基因，最終獲得30條煙草TIR-NBS基因。

2.2 TIR-NBS基因家族的染色體分布

對TIR-NBS基因染色體定位分析，圖1結果顯示，30條TIR-NBS基因不均勻地分布在21條染色體上。其中，有4條 TIR-NBS 基因在scaffold01866上，數量最多且以串聯重復形式出現;其次是 1、10、11、scaffold00577、scaffold01435、scaffold02060號染色體分別有2條TIR-NBS 基因;其余染色體僅有1條TIR-NBS基因。

2.3 TIR-NBS基因的結構組成

利用在線網站工具GSDS對30條煙草TIR-NBS 基因家族成員進行基因結構分析，圖2結果顯示，TIR-NBS基因家族外顯子數量主要分布在3～8之間。利用meme對30條煙草TIR-NBS蛋白序列進行分析（圖3），發現OIT39360所含基序最少，僅6個基序，其余所含基序都較多，最多為10個。說明該基因家族成員間在功能上可能存在差異。

2.4 TIR-NBS蛋白結構特點、細胞位置和信號肽

對30條煙草TIR-NBS蛋白的二級結構的預測結果表明，TIR-NBS蛋白由α-螺旋、延伸鏈、β-轉角、無規則卷曲組成。其中，TIR-NBS蛋白的α-螺旋比例最高，其次是無規則卷曲。根據亞細胞定位分析，表1結果顯示煙草TIR-NBS基因家族主要定位在細胞核、細胞質、葉綠體。信號肽分析結果表明，TIR-NBS基因家族成員均不含有信號肽。

2.5 TIR-NBS蛋白的理化性質

對煙草TIR-NBS家族蛋白的特征進行分析，表2結果表明煙草TIR-NBS蛋白長度范圍在505～1 508 aa之間，相對分子質量大小范圍為46 733.23～172 528.71 Da，理論等電點范圍在5.78～9.40之間，編碼氨基酸序列最長的是OIT34932，其相對分子質量也最大，為172 528.71 Da;OIT39360相對分子質量最小，為46 733.23 Da。分析表明，TIR-NBS蛋白為不穩定蛋白，其中OIT35745的不穩定系數最小，為33.98。TIR-NBS蛋白脂溶指數為90.09～104.23，總平均親水性為-0.445～-0.115，均為親水性蛋白。

2.6 TIR-NBS基因的進化選擇

非同義替換（Ka）和同義替換（Ks）比值Ka/Ks可反映生物進化的過程中所受到的選擇壓力。對來源于TIR-NBS亞家族間親緣關系最近的10條基因成員進行Ka/Ks分析，表3結果顯示該基因對間的Ka/Ks比值均小于1，表明煙草TIR-NBS基因在進化時主要受純化選擇作用。紫色為擬南芥，青色為番茄，紅色字體標記為煙草。

2.7 TIR-NBS基因家族的系統發育樹

為了進一步了解煙草TIR-NBS基因家族進化關系，利用煙草（30條）、番茄（27條）、擬南芥（176條）共233條TIR-NBS蛋白序列構建NJ系統發育樹（圖4），由圖可知，30條TIR-NBS基因家族成員與番茄的TIR-NBS基因家族親緣關系相近。

2.8 TIR-NBS基因家族的順式作用元件組成

通過對基因上游2 000 bp序列進行分析， 預測基因的順式作用元件（圖5）。TIR-NBS 基因家族除了存在大量的基本元件CAAT-box和TATA-box外，還存在參與光響應順式作用調節元件ACE、AE-box、AT1-motif、Box 4、CAG-motif、GA-motif、GT1-motif、G-box，胚乳表達所需順式作用調節元件GCN4-motif，參與種子特異性調節的順式作用調節元件RY-element。此外，TIR-NBS基因家族中還含有與分生組織表達相關的順式作用調節元件CAT-box、茉莉酸甲酯反應的順式作用調節元件CGTCA-motif、水楊酸反應順式作用元件TCA-ele-ment、低溫響應順式元件LTR、防御和應激反應順式作用元件TC-rich repeats、晝夜節律控制順式作用調節元件circadian、生長素反應順式作用元件AuxRR-core、TGA-element以及赤霉素反應順式作用元件TATC-box、P-box等。分析表明，TIR-NBS基因可能受光、 溫度及生長素、 茉莉酸甲酯、脫落酸、水楊酸、赤霉素等激素調控，并可能通過這些順式作用元件參與了煙草中的防御機制，在植物生長過程中起到防御和保護植物的作用。

3 討論

TIR-NBS類抗病相關基因是植物抗病免疫系統中的一個重要組成部分。它主要的抗病調節結構域包括TIR和NBS兩部分，其中植物抗病蛋白（R蛋白）中TIR結構域主要存在于擬南芥和其他雙子葉植物中（Meyers et al.， 2002），而在單子葉植物中，僅發現了非TIR序列（Tarr， 2009）。TIR結構域是大約有200個氨基酸的蛋白質結構域，包括三個高度保守的基序（Slack et al， 2000）。目前，已經在部分生物中鑒定了TIR-NBS結構域，并證明它與植物致病誘導蛋白和其他植物信號轉導蛋白的相互作用（Nandety et al.， 2013）。但到目前為止，在煙草基因組水平上，僅有少數TIR-NBS類基因家族被鑒定，對于大多數該類基因鮮有報道。

對煙草與擬南芥、番茄TIR-NBS類基因家族進化關系分析表明，煙草和番茄的TIR-NBS基因同源性較高，因此煙草和番茄的TIR-NBS基因家族在生物學功能、生長調控機制上可能存在相似性。當植物受到病原菌侵害時，水楊酸作為發生超敏反應及形成系統獲得性抗性所需要的內源信號分子（陳沖等，2018），其通過誘導病原相關蛋白（pathogenesis-related protein， PR蛋白）等多種抗病蛋白產生SAR起作用（汪尚等，2016）。茉莉酸甲酯參與種子萌發、根生長、生育、果實成熟和衰老等多種發育過程的調節（叢漢卿，2015）。此外，茉莉酸甲酯還能激活植物防御機制，對昆蟲引起的傷害、各種致病菌和環境脅迫（如干旱、低溫和鹽度）作出反應（Cheong & Choi， 2003）。通過對TIR-NBS基因順式作用元件分析表明，TIR-NBS基因家族中含有防御和應激反應、低溫響應、光響應、脫落酸反應、MeJA反應、水楊酸響應、赤霉素響應、分生組織表達等順式作用元件，可知其不但與植物生長發育有關，還參與免疫應激反應調節，這與上述報道是相符的。

在煙草TIR-NBS類抗病基因家族中，被報道的基因數目很少，大多數基因的功能到目前為止還不清楚。本研究通過生物信息學方法概括了煙草基因組中的TIR-NBS類抗病基因的鑒定、基因結構及順式作用分析等，對于發掘新的與植物抗病性相關的基因，加快煙草中抗病機制的研究具有十分重要的意義，也為煙草的抗病育種研究奠定了基礎。

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（責任編輯 周翠鳴）