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摘 要

Dirigent（DIR）基因是一类几乎存在于所有维管植物中，参与木质素和木脂素合成的基因。目前，DIR基因在重要作物玉米中的进化和功能还不明确。本研究采用生物信息学方法，鉴定出了37个玉米DIR基因，并对其开展了全面的系统发育和表达分析。该家族蛋白预测主要分布于叶绿体和细胞外。分别有4对基因通过片段复制和串联重复等机制产生。ZmDIR蛋白系统发育树可分为不同亚族和亚组，说明其氨基酸序列和作用机制已发生分歧。本研究共发现了14对旁系同源基因，表明该家族在玉米中进行了扩增。在ZmDIR蛋白中发现了10个保守基序，且不同基序在基因家族成员中出现的频率具有明显差异。ZmDIR基因主要在根、茎、胚和多组织器官混合样品中表达。蛋白质互作分析预测ZmDIR与木质素、木脂素合成及病原防御等有关。本研究系统分析了ZmDIR基因家族进化和表达方面的特征，可为今后深入研究该家族蛋白功能提供参考。

关键词：玉米，DIR基因，基因家族，系统发育分析，表达分析

Abstract:The dirigent (DIR) genes are found in almost all vascular plants and are involved in the synthesis of lignin and lignan. Thus far, the evolution and function of DIR genes in important crop maize is still unclear. In this study, 37 ZmDIR genes were identified by bioinformatics methods, and their evolution and expression patterns were comprehensively analyzed. The proteins of this family were mainly distributed in chloroplasts and extracellular space. Each four pairs of genes originated from fragmental duplication or tandem repeat machinery, respectively. The phylogenetic tree of ZmDIR proteins was divided into different subfamilies and subgroups, indicating that the amino acid sequences and action mechanisms of family members might have diverged. Fourteen pairs of paralogous genes were identified in this study, suggesting that the family had expanded in maize. Ten motifs were identified in ZmDIR proteins, which were differentially distributed in different gene family members. Root, stem, embryo and multiple tissue-mixed samples are the most common tissues that ZmDIR genes were expressed. Protein interaction analysis predicted that ZmDIRs were involved in the biosynthesis of ligin and lignan and other processes such as pathogen defense. This study systematically analyzed the evolution and expression characteristics of ZmDIR genes, and will provide a foundation for further study of ZmDIR proteins.

Keywords: maize, DIR gene, gene family, phylogenetic analysis, expression analysis

目 录

1前言 4

2材料与方法 5

2.1玉米中DIR基因家族成员的鉴定 5

2.2玉米DIR基因染色体分布和复制事件 5

2.3玉米DIR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玉米DIR基因的EST 表达分析 6

2.6玉米DIR蛋白互作分析 6

3 结果与分析 6

3.1 玉米DIR基因基本信息 6

3.2 玉米DIR基因的染色体分布和复制事件 9

3.3 玉米DIR蛋白系统发育分析 9

3.4 玉米DIR基因结构和蛋白保守序列分析 11

3.5 玉米DIR基因表达分析 15

3.6 玉米DIR蛋白互作分析 16

讨 论 21

参考文献 23

致谢 25

1 前言

木质素存在于绝大多数维管植物中，是细胞壁在次生加厚过程形成重要组成成分，存在于导管、管胞等厚壁细胞及纤维束细胞^[1]。木质素填充于纤维素构架中，增强植物体的机械强度，利于植物对水分的运输，能够帮助植物抵抗不良的外界环境如病害、虫害等^[1-3]。木脂素是分布广泛的植物次生代谢产物，属于植物雌激一类，具有抗菌特性^[4]。氧化耦合反应是木脂素合成代谢的关键步骤，drigent（DIR）蛋白被发现可间接调控氧化耦合反应对产物进行位置选择和立体选择^[5]。Dirigent一词来源于拉丁语dirigere，有指导、指示、操纵的含义。

DIR蛋白是一类具有诱导特性的植物蛋白，最早发现在金钟连翘和红崖柏木中^[6]；2006至2007年，Ralph及其同事^[7]综合统计了多种植物的DIR（150个）蛋白构建系统发育树，DIR家族最先被分成了五个亚家族，后经过合并整理以及新家族的发现确定分为了六个各亚家族（DIR-a、DIR-b/d、DIR-c、DIR-e、DIR-f和DIR-g）。至今，只有 DIR-a 亚家族成员的功能被研究报导，其他家族的DIR蛋白可被称为类DIR蛋白。研究表明DIR-a亚家族成员本身虽不具催化活性，但指导木质素和木脂素的合成。在木质素单体偶联，形成二聚体的过程中发挥作用，识别特定底物(松柏醇的苯氧基根)^{[2, 3]}；在连翘中DIR蛋白指导镜像松柏醇偶联，生成木脂素^{[1, 3]}。其中一些特殊的DIR蛋白可以参与到凯式带（能够控制营养物质和水分进入维管柱）的形成中，Hosmani等^[8]在拟南芥中发现了一含有DIR结构域的蛋白在根部表皮细胞内的凯氏带建成过程中起关键作用。

20多年间，该基因家族在拟南芥、水稻、小麦、杨树、云杉、北美乔柏、大白菜和药用植物菘蓝、丹参^{[1-2, 5, 9-10]}等多种植物中有报道研究，在以上植物中分别发现了25、54、135、44、35、9、29 、19和33个DIR 基因。目前在陆生植物如苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物中都发现DIR蛋白的存在，且以基因家族的形式出现。当前研究显示某些DIR家族的成员能够响应生物或非生物胁迫反应^[11]，对这些基因的研究有助于人们对农作物的改良和产量的提高。DIR基因参与的非生物胁迫有：冷、干旱、Ca² 、ABA、H₂O₂等的胁迫；参与的生物胁迫有：白粉菌、赤霉菌、黄锈病、大丽轮枝菌等的感染。郭金龙等^[12]通过实验发现DIR基因在甘蔗中对干旱、盐和氧化胁迫均有响应。郭宝生等^[13]通过实验得出了DIR蛋白家族的基因与棉花植株应答黄萎病菌的入侵相关。张洪伟等^[14]首次证明马铃薯对致病疫霉的侵染应答与DIR基因有关。

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