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摘 要

NAC转录因子是植物特有的一类转录因子，其编码蛋白的N末端具有一个高度保守的约150个氨基酸的NAC结构域，C末端是它的转录激活功能区，具有高度多样性。分析表示，NAC的蛋白结构与其生物学功能有密切关系。NAC转录因子不仅可以调控植物的生长发育，而且在植物生长和生物与非生物胁迫的应答中发挥作用。本文利用已发布的短柄草NAC转录因子相关数据，通过生物信息学的诸多方法，对NAC基因家族的结构特征、保守结构域及系统进化树等方面进行了分析。同时，对NAC转录因子家族在短柄草、水稻、高粱和玉米中的同源性进行了分析。经过研究，为了进一步揭示NAC转录因子在植物中的进化分析和生物学功能奠定了坚实的基础。

关 键 词：短柄草，NAC基因家族，转录因子，生物信息学

Abstract: The NAC transcription factor is a plant-specific transcription factor. The N-terminal end of the encoded protein has a highly conserved about 150 amino acid NAC domain. Its C-terminal is its transcriptional activation functional region, which is highly diverse. Analysis shows that the protein structure of NAC is closely related to its biological function. NAC transcription factors can not only regulate the growth and development of plants, but also play a role in plant growth and response to biotic and abiotic stresses. In this paper, the published data of Brassica napus transcription factor NAC were used to analyze the structural characteristics, conserved domains and phylogenetic tree of NAC gene family through many methods of bioinformatics. At the same time, the homology of the NAC transcription factor family in Brachypodium praecox, rice, sorghum and maize was analyzed. After research, it laid a solid foundation for further revealing the evolutionary analysis and biological functions of NAC transcription factors in plants.

Keywords: Brachypodium distachyon, NAC gene family, Transcription factor,

Bioinformatics

目 录

1 前言 4

1.1 短柄草研究概述 4

1.2 NAC家族转录因子研究概述 5

1.2.1 NAC转录因子简介 5

1.2.2 NAC转录因子的生物学功能 5

1.2.2.1 调控植物的生长发育 6

1.2.2.2 响应生物与非生物胁迫 6

1.2.3 NAC转录因子的研究现状及远景 6

1.3 生物信息学概述 7

1.3.1 生物信息学简介 7

1.3.2 生物信息学的应用 7

1.4 本研究的目的及意义 7

2 材料与方法 8

2.1 植物NAC转录因子数据获取与鉴定 8

2.2 NAC保守序列的鉴定和分析 8

2.3 多序列联配、蛋白质保守序列对比和系统进化树的构建 8

2.4 NAC基因家族在不同物种中染色体区段的复制分析 9

3 结果与分析 9

3.1 短柄草NAC转录因子家族的鉴定 9

3.2 NAC转录因子家族的进化分析 14

3.3 短柄草NAC转录因子的保守基序分析 16

结论 20

参考文献 21

致谢 24

1 前言

1.1 短柄草研究概述

生长在温带的短柄草（Brachypodium distachyon）是一种禾本目禾本科的短柄草属植物。大多分布于林缘、林下与落丛草地。短柄草植株矮小，自花授粉，易于繁殖，生活周期短并且基因型不易被污染，故其物种资源十分丰富。二穗短柄草Bd-21是研究中最常用的一种材料，属于二倍体^[1]。它还有四倍体和六倍体两种类型。

研究表明，短柄草的基因组和玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）等农作物的基因型有同线性^[2]。此外，还有一些冷季型谷物和短柄草一样属于禾本科早熟禾亚科，比如小麦，不过短柄草的基因组很小，但小麦等物种的基因组却很大，复杂度较高，复杂的基因组阻碍了对其的基因组研究和分子育种^[3]。为了解决并改良谷类作物，发展更高品质的能源作物，就需要一种属于温带禾本科的模式植物来代替基因组复杂的作物进行初步研究。因此在2001年，Draper等就率先提出把短柄草作为模式植物开展研究的建议^[4]。二穗短柄草Bd21的测序和功能注释在最近的研究中已经被完成^[5]。通过对比研究基因的表达模式与功能，探索遗传转化和生物能源植物，将有助于分析大豆小麦等作物复杂的基因组，还有助于比较研究高粱短柄草等已测序基因。

1.2 NAC家族转录因子研究概述

1.2.1 NAC转录因子简介

通过研究植物体的特异蛋白，发现其转录因子已达到13%，表明了植物体内有众多的转录因子。将植物中的转录因子分为MIKC、WRKY、SBP、GRAS和NAC等几种类型是以DNA结构域的不同为基础的。NAC(NAM/ATAF/CUC)转录因子家族被认为是植物特有的一类转录因子。第一个NAC转录因子NAM，Souer等人^[6]在1996年从矮牵牛中克隆经过获得的。后来的研究表明，在矮牵牛（Petunia hybrida），巴西橡胶树，以及拟南芥（Arabidopsis thaliana）的编码蛋白的N端都包含了1段保守的氨基酸序列的结构域，将包含这种结构域的蛋白质都归属为同一转录因子家族，即NAC转录因子。Aida在1997年从拟南芥中发现了CUC1与CUC2，它的突变体子叶为杯状，而且顶端的分生组织发育异常，并缺少芽顶端的分生组织^[7]。植物体内中存在着大量的NAC转录因子，尤其是陆生植物。拟南芥（Arabidopsis thaliana）中约有117个NAC家族转录因子^[8]；有大约152个基因在大豆（Glycine max L.） 和烟草（Nicotiana tabacum L.）中被发现^[9]，而在杨树（PopulusL.）中也被发现至少含有163个基因^[10]。所以，NAC被认为是最大的转录因子家族之一，现如今关于植物转录因子的研究也成为功能基因组的研究中重要的一部分。

1.2.2 NAC转录因子的生物学功能

在研究NAC转录因子家族的过程中发现，改转录因子不仅可以调控植物的生长发育，而且在不同的发育阶段与不同的环境因素诱导下，NAC转录因子在植物生长和生物与非生物胁迫的应答中同样发挥了重要功能。

1.2.2.1 调控植物的生长发育

报道显示，NAM、CUC1/2/3、NAC1、SND1、AtNAP、AtNAC2和NNST1/3等NAC转录因子^[11]在植物的生长发育调控中发挥着重要作用。包括调控顶端分生组织发育^[12]、植物器官衰老^[13]、激素信号传导以及次级细胞壁的形成等^[14]。例如，矮牵牛NAM是最早报道的NAC转录因子之一, 其突变体的茎顶端组织不能正常发育，对该基因表达主要集中于分生组织和叶原基的边缘区域的发现是通过对NAM的mRNA原位杂交分析得到的，表明NAM在分生组织和原基的生长分化中具有重要作用^[15]；过量表达NAC1能够促进侧根和根尖的发育^[16]，过量表达NAC2会促进下游相关基因的表达，明显增多了侧根的数目^[17]；Guo等^[18]经过研究发现，失活AtNAP的2个突变体被T-DNA插入时会导致叶片衰老延迟，说明拟南芥NAC转录因子AtNAP能够调控叶片的衰老。野生型AtNAP基因与短柄草、豌豆的同源基因也可以恢复atnapnul1突变体的延迟缺陷。

1.2.2.2 响应生物与非生物胁迫

在干旱、高温、高盐、低温和生物激素的诱导下，ATAF1/2、ANAC019、ANAC072、ANAC055和ANAC1、BnNAC等NAC转录因子成员会发生表达。比如，在非生物胁迫过程中，短柄草 NAC 类转录因子SNAC1主要在气孔的保卫细胞中被诱导表达，能够提升短柄草的抗旱性，是因为干旱胁迫时能够促进气孔的关闭^[19]。在生物胁迫过程中，大多数的研究都是关于病原菌感染。例如，ATAF2作为病原相关蛋白的负调控子在防御反应中起作用，是因为拟南芥转录因子ATAF2在叶片损伤部位高度诱导，可以抑制某些病原相关蛋白的表达^[20]。

1.2.3 NAC转录因子的研究现状及远景

NAC转录因子在植物生长发育和响应逆境胁迫等方面具有重要的作用，因此，研究在逆境胁迫应答反应中NAC转录因子的作用机制已经成为了目前的研究热点。愈来愈多的转录因子的家族成员由于生物信息学的快速发展被鉴定或预测出来。尤其是最近几年，因为全基因组测序工作的展开与新一代的测序技术的应用，拟南芥、玉米、短柄草、高粱（Sorghum bicolor）与马铃薯（Solanum tuberosum）等农作物中的NAC转录因子家族相继被预测或鉴定出来，而且还在不断地更新完善中^[21]。北京大学基于生物信息中心构建的PlantTFDB数据库，其中收集41个物种，一共有3128个NAC基因^[22]。伴随着遗传分析手段与基因工程技术的快速进步,为了进一步选育与改良抗逆植物，必定会鉴定出更多对植物的改良有重要意义的NAC转录因子 , 。

1.3 生物信息学概述

1.3.1 生物信息学简介

生物信息学（Bioinformatics）是一门涉及多个领域的学科，譬如现代生命科学、信息科学和计算机科学等。它主要是利用计算机信息技术去探索生物系统规律，并且随着基因组学以及蛋白组学数据量的迅速增长而高速发展。它是把基因组DNA序列信息分析作为源头，依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计，在获得蛋白质编码区的信息后进行蛋白质空间结构模拟和预测之后^[23]。

1.3.2 生物信息学的应用

由于生命科学的高速发展，生物信息学相关资源的愈加丰富，同时也使生物信息学的应用范围更加广泛，所以相关的生物软件也越来越多。生物信息学一般应用于5个部分：

（1）序列比对及系统发育分析

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