生物论文定稿

1、题 目： IPA1基因在高等植物中的 同源性生物信息学分析 姓 名： 邹玉 学 号： 201107010056 学 院： 生命科学与农学学院 专 业： 生物科学 年级班级： 2011级一班 指导教师： 王雪芹 2015年5月30日毕业论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保

2、存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。论文题目：IPA1基因在高等植物中的同源性生物信息学分析作者单位：生命科学与农学学院作者签名： （201107010056） 2015年5月30日 目 录摘 要1引言21、材料和方法41.1材料来源序列41.2 IPA1基因同源性生物信息学分析所使用的软件及操作步骤51.2.1水稻同源性分析软件及操作步骤51.2.2水稻IPA1序列比对软件及操作步骤51.2.3水稻IPA1系统发育树的构建软件及操作步骤62、结果与分析62.1 IPA1蛋白序列的同源性分析72.1.1IPA1蛋白序列的同源搜索72.1.2

3、IPA1蛋白序列的同源性比对82.2 IPA1编码序列的同源性分析112.2.1 IPA1编码序列的同源搜索112.2.2 IPA1编码序列的同源性比对113、讨论与结论12参考文献13致 谢15IPA1基因在高等植物中的同源性生物信息学分析摘 要：IPA1基因控制水稻的株高增加、茎秆粗壮、分蘖数减少、穗粒数和干粒重量的显著增加。本研究通过对15科26种植物的IPA1基因的同源性分析，构建了其系统发育树。基于其氨基酸序列所构建的系统发育树结果表明：来自同一科的物种如禾本科、蔷薇科、棕榈科的物种均很好地聚为了不同的分支，且支持率高。进一步，我们以禾本科为主基于其CDS序列构建了系统发育树，禾本科

4、的物种很好地聚为一支，支持率为100%。我们的研究结果表明IPA1在高等植物中具有较高的同源性，尤其是在禾本科类群当中，这对于我们进一步研究水稻及其它禾本科物种的增产具有一定的揭示意义。关键字：IPA1；同源分析；序列比对；系统发育树The Homology Bioinformatics Analysis of IPA1Genes in PlantsAbstract: IPA1 genes control the plant height increasing r, the stem of haulm, the reduction of tiller number, a significant

5、 increase in grain number and dry weight of grain in rice. This study constructed its phylogenetic tree by the homology analysis of IPA1 of 26 species representing 15 families. The phylogenetic tree constructed based on the results of its amino acid sequence showed that: the species that from the sa

6、me family such as Poaceae, Rosaceae and Palms gathered into different branches clearly, and the support values are high. Further, based on the grassy CDS sequence we constructed its phylogenetic tree, grassy species clustered together well, and the support value was 100%. Our results showed that IPA

7、1 have high homology in plants, especially in grassy class masses, which reveal a certain sense for us to further increase production of rice and other Poaceae species.Key words: IPA1; Homologous analysis; Sequence Alignment; Phylogenetic tree引言 全世界有将近一半的人以米饭作为主食，超过10000种水稻品种提供全球人均膳食能量供应的四分之一。当今全球面临

8、着土地资源日趋减少，世界人口特别是中国人口不断增加的情况，因此如何提高水稻的产量和品质从而满足全球人口需求的持续增长就变得越来越重要。为了能够实现水稻产量的第三次突破，使现有的品种在高产基础上进一步实现更高产的超高育种，水稻高产已经成为目前世界上热门的研究课题。水稻能够获得高产的关键是具有优良的植株形态，而塑造理想的植株型就是培育超级稻的主要技术路线之一1。早在三十年代，Boysen Jenson和Heath观察到植株的叶的姿态和数量能够决定其物质生产的差异，就此提出了作物株型的概念。就目前来说，关于株型的定义还没有得到确定统一的标准。杨守仁提出把株型分为广义株型（Plant Type）、狭义

9、株型（Plant Morphology）两类2。一般来说，株型是指狭义株型植株的形态主要指叶的形态、叶的空间排布和其接受光的姿态。株型还包括一些其他的构成因子，即根型、茎型和穗型等。在我国也有学者对株型进行了深入的研究。凌启鸿和陆卫平的研究表明，根的分布越浅、数量越少，叶角就越大 、叶片就越分散；根的分布越深、数量越多。叶角就越小，叶片越紧凑而且也更容易保持直立的状态，也就能够更好的形成良好的群体结构3。高产水稻通常都具有发达的根系，并且它的深层根与外围根4占的比例较大5。凌启鸿认为作物茎秆粗壮能够显著提高结实率和千粒重6。水稻的穗和分为三种穗型，分别是直立穗型、半立穗型和弯曲穗型7。直立穗型

10、最能够改善群体水稻的群体结构和其受光的姿态。有研究表明，水稻穗的遮光面积几乎等同于一片叶片的面积指数，这会影响叶片的光合作用，从而导致结实率下降7。水稻株型的形成取决于植株高度、分蘖数和分蘖角度等8。水稻9、玉米10、高粱11等禾本科植物的全基因组测序工作已经完成，再加上IPA1基因结构与功能的不断研究和取得的进展，对于选择培养优质，高产且营养丰富的新品农作物具有很重大的意义。由于科学技术的不断发展和进步，科学家把分子生物学和水稻株型的生理结合，通过对某些基因的调控来改变水稻植株的外部特征，从而选育出水稻的理想株型。中科院遗传发育所的李家洋课题组和中国水稻所的钱前课题组经过多年的合作与努力，从

11、水稻的理想株型粳稻材料“少蘖粳”中分离得到控制水稻理想株型的IPA1基因。该基因是位于水稻的第8条染色体上的一个半显性的基因12-13。为了使水稻产量再上一个新的台阶，育种家提出了水稻理想株型的观点。通过对IPA1基因的克隆和分析，研究者发现该IPA1基因可以很大程度上改变植株的形态进而增加产量。IPA1编码含有SBP-box的转录因子OsSPL14,这与拟南芥SQUAMOSA启动子结合蛋白LIKE-9(SPL9)(At2g42200)的同源性最高。IPA1定位在细胞核内，且具有转录激活活性。其mRNA的原位表达分析表明OsSPL14能够在营养生长期控制水稻分蘖；OsSPL14的高表达在生殖生

12、长期能够促进穗分支。水稻粳稻的IPA1基因长7229bp，其中它的mRNA包括三部分：995到1566,3997到4130， 4233到5150； 它的完整CDS同样包括三部分分别是1118到1566,3997到4130,4233到4903； IPA1 基因里含有miR156的靶位点，miR156通过转录切割和翻译抑制两种方式来对其进行调控。因为少蘖粳水稻材料在miR156的靶位点发生点突变，进而能够影响这两种调控方式，这会导致IPA1的转录物与蛋白量同时升高。IPA1的转基因研究结果显示，虽然点位点的突变导致了氨基酸的变化，但是这个突变没有改变IPA1蛋白的功能。OsSPL14的一个点突变扰

13、乱OsmiR156 对OsSPL14 的调控，OsSPL14突变后，使得水稻的分蘖减少、穗粒数和千粒重增加，同时茎秆变得粗壮，抗倒伏能力增强，进而提高产量9-10。目前，国内外有关超级稻研究核心领域是水稻理想株型的选育。IPA1控制着水稻的理想株型的主效数量性状。它编码含有SBP-box的转录因子，并调控多个生长发育的过程。水稻中IPA1的突变体的表现特征符合典型的理想株型特征。IPA1基因在超级稻品种的培育中具有很大的应用潜力，因此，有关IPA1的同源性分析具有重要意义，不仅可对IPA1有更深入的了解，还能利用IPA1在其他高等植物的高产性状，提高我国乃至全世界农作物的产量，为全世界的农业发

14、展做出重大贡献。1、材料和方法1.1材料来源序列利用在线NCBI数据库中查询下载水稻IPA1的CDS和蛋白序列，获得的CDS序列号为 GU136674.1，蛋白序列的序列号为ADJ19220.1因此本研究分别以CDS序列和蛋白序列为目的序列，进行相关的同源性生物信息学分析。待分析序列如下：CDS序列：>Oryza sativa Japonica Group IPA1 (IPA1) gene, cdsATGGAGATGGCCAGTGGAGGAGGCGCCGCCGCCGCCGCCGGCGGCGGAGTAGGCGGCAGCGGCGGCGGTGGTGGTGGAGGGGACGAGCACC

15、GCCAGCTGCACGGTCTCAAGTTCGGCAAGAAGATCTACTTCGAGGACGCCGCCGCGGCAGCAGGCGGCGGCGGCACTGGCAGTGGCAGTGGCAGCGCGAGCGCCGCGCCGCCGTCCTCGTCTTCCAAGGCGGCGGGTGGTGGACGCGGCGGAGGGGGCAAGAACAAGGGGAAGGGCGTGGCCGCGGCGGCGCCACCGCCGCCGCCGCCGCCGCCGCGGTGCCAGGTGGAGGGGTGCGGCGCGGATCTGAGCGGGATCAAGAACTACTACTGCCGCCACAAGGTGTGCTTCATGCATTCCA

16、AGGCTCCCCGCGTCGTCGTCGCCGGCCTCGAGCAGCGCTTCTGCCAGCAGTGCAGCAGGTTCCACCTGCTGCCTGAATTTGACCAAGGAAAACGCAGCTGCCGCAGACGCCTTGCAGGTCATAATGAGCGCCGGAGGAGGCCGCAAACCCCTTTGGCATCACGCTACGGTCGACTAGCTGCATCTGTTGGTGAGCATCGCAGGTTCAGAAGCTTTACGTTGGATTTCTCCTACCCAAGGGTTCCAAGCAGCGTAAGGAATGCATGGCCAGCAATTCAACCAGGCGATCGGATCTCCGGTG

17、GTATCCAGTGGCACAGGAACGTAGCTCCTCATGGTCACTCTAGTGCAGTGGCGGGATATGGTGCCAACACATACAGCGGCCAAGGTAGCTCTTCTTCAGGGCCACCGGTGTTCGCTGGCCCAAATCTCCCTCCAGGTGGATGTCTCGCAGGGGTCGGTGCCGCCACCGACTCGAGCTGTGCTCTCTCTCTTCTGTCAACCCAGCCATGGGATACTACTACCCACAGTGCCGCTGCCAGCCACAACCAGGCTGCAGCCATGTCCACTACCACCAGCTTTGATGGCAATCCTGTGGCACCCT

18、CCGCCATGGCGGGTAGCTACATGGCACCAAGCCCCTGGACAGGTTCTCGGGGCCATGAGGGTGGTGGTCGGAGCGTGGCGCACCAGCTACCACATGAAGTCTCACTTGATGAGGTGCACCCTGGTCCTAGCCATCATGCCCACTTCTCCGGTGAGCTTGAGCTTGCTCTGCAGGGGAACGGTCCAGCCCCAGCACCACGCATCGATCCTGGGTCCGGCAGCACCTTCGACCAAACCAGCAACACGATGGATTGGTCTCTGTAG蛋白序列：>gi|299482812|gb|ADJ19220.1|

19、IPA1 Oryza sativaMEMASGGGAAAAAGGGVGGSGGGGGGGDEHRQLHGLKFGKKIYFEDAAAAAGGGGTGSGSGSASAAPPSSSSKAAGGGRGGGGKNKGKGVAAAAPPPPPPPPRCQVEGCGADLSGIKNYYCRHKVCFMHSKAPRVVVAGLEQRFCQQCSRFHLLPEFDQGKRSCRRRLAGHNERRRRPQTPLASRYGRLAASVGEHRRFRSFTLDFSYPRVPSSVRNAWPAIQPGDRISGGIQWHRNVAPHGHSSAVAGYGANTYSGQGSSSSGPPVFAGPNLPPGGCLAGVG

20、AATDSSCALSLLSTQPWDTTTHSAAASHNQAAAMSTTTSFDGNPVAPSAMAGSYMAPSPWTGSRGHEGGGRSVAHQLPHEVSLDEVHPGPSHHAHFSGELELALQGNGPAPAPRIDPGSGSTFDQTSNTMDWSL1.2 IPA1基因同源性生物信息学分析所使用的软件及操作步骤1.2.1水稻同源性分析软件及操作步骤在NCBI网站上进行BLAST比较；操作步骤：1、打开NCBI，点击BLAST，网页转至BLAST页面； 2、选择所要进行同源分析的序列的类型，如核苷酸序列点击 Nucleotide Blast，若为蛋白序列则选择Protein B

21、last； 3、在出现的页面中粘贴上分析的序列号或基因序列，选择同源性相 似程度；4、点击Blast，完成同源搜索；5、参考E值、S值，S值越高，相似度越大，E值越小越好；下载同 源性相似度高的物种的CDS和蛋白序列。1.2.2水稻IPA1序列比对软件及操作步骤运用Bioedit进行序列比对；操作步骤：1、将已下载的需要进行序列比对的序列用UltraEdit进行编辑，即粘 贴至一个文本内，保存；2、用Bioedit将已重新编辑过的序列打开；3、点击Accessory Application 后，出现一系列选项，选择ClustalW Multiple alignment；4、弹出新窗口，在原有基

22、础上选择Calculate NJ tree 、FAST algorithm for bootstraps 、Output Clustal foemat with Clustal consensus sequence generation ；5、点击Run ClustalW，点击OK；6、现出结果，保存，分析，备用。1.2.3水稻IPA1系统发育树的构建软件及操作步骤利用MEGA对其进行系统发育树的建构。操作步骤：1、用MEGA把比对序列的alignment文件软件打开； 2、然后点击Alignment,选择Align by ClustalW；3、点击确认；4、弹出新页面，点击Data；5、点击

23、Export Alignment，选择MEGA Format；6、将新保存的MEGA格式的文件打开；7、点击Phylogcny,选择Bootstrap Test of Phylogcny、Construct/Test Neighbor-Joining Tree；8、点击 Cumputer,，出现NJ Tree；9、点击File，选择Export Current Tree (Newick)，保存NJ Tree。2、结果与分析 IPA1蛋白序列的氨基酸数目为513，保守位点有70个，变异位点数为411个，能够提供信息的位点数目有343个（表1）；表1 IPA1氨基酸序列比对结果统计氨基酸数目aa保

24、守位点数目conserved变异位点数目variable信息位点数目parsim-info51370411343IPA1编码序列的碱基数目有1391个，保守位点只有7个，变异位点数目为1256，能够提供信息的位点有1199（表2）。表2 IPA1 CDS序列比对结果统计碱基数目nucleotide保守位点数目conserved变异位点数目variable信息位点数目parsim-info13917125611992.1 IPA1蛋白序列的同源性分析2.1.1IPA1蛋白序列的同源搜索根据水稻IPA1基因编码的蛋白质在NCBI中检索出的蛋白序列，其序列号为ADJ19220.1，之后用在线Blas

25、t软件检索出31条其他植物的IPA1氨基酸序列（表3）。它们都具有SBP保守区域，其中禾本科植物有高粱、二穗短柄草、节节麦、短药野生稻、大麦、小米、小麦、玉米八种。在这些禾本科植物的IPA1氨基酸序列中有结合蛋白17的节节麦、小麦、小米、玉米和二穗短柄草，以及结合蛋白14的高粱、玉米、小米、短药野生稻、大麦和二穗短柄草。从整体上看，从Blast中检索出的32条序列的得分都比较高，分值在207至545之间，对应E值在7e-59至0.0之间；其中禾本科植物的得分更高，E值更低，分值在337至545之间，E值在1e-104至0.0之间，这说明禾本科植物的IPA1蛋白与水稻的相似度较高，其他种与水稻的

26、相似度较低。表3 NCBI上下载物种统计种名拉丁名蛋白科大麦Hondeum vulgare 14 禾本科水稻粳稻Oryza sativa Japonica 14禾本科二穗短柄草Brachypodium distachyon 14和17禾本科短药野生稻Oryza brachyantha14和17禾本科节节草Aegilops tauschii17禾本科玉米Zea mays14和17禾本科高粱Setaria italica14禾本科小麦Triticum aestivum17禾本科白梨Pyrus x bretschneideri14蔷薇科苹果Malus domestica蔷薇科梅Prunus mume

27、9蔷薇科野草莓Fragaria vesca9蔷薇科海栆Phoenix dactylifera14和17棕榈科油棕Elaeis guineensis14棕榈科葡萄Vitis vinifera9葡萄科黄瓜Cucumis sativus9葫芦科无油樟Amborella trichopoda14无油樟科可可树Theobroma cacao9梧桐科棉花Gossypium arboreum9锦葵科麻风树Jatropha curcas9大戟科胡杨Populus euphratica9杨柳科枳Citrus trifoliata芸香科大豆Glycine max9豆科荷花Nelumbo nucifera17睡莲科

28、扇形文心兰Erycina pusilla2兰科芭蕉亚种Musa acuminata14芭蕉科2.1.2 IPA1蛋白序列的同源性比对在Bioedit中使用ClustalW对水稻的蛋白序列与在Blast上检索得到的31条氨基酸序列进行比较（图1），结果显示在第57位至第67位，第139位至第228位，第351位至第360位，这32条氨基酸序列有较多相同氨基酸，这说明这些区域具有保守性。其中第141、143、144、147、148、152、154、157、158、159、160、161、164、166、170、172、174、178、179、180、181、182、183、184、185、186、

29、187、189、191、192、193、196、198、199、200、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、245、350、353、360、365位的50个氨基酸完全相同。值得注意的是在此以外的其他区域，这32条序列基本没有相同的氨基酸，反映了这些区域的高度变异性特征。图1水稻IPA1蛋白序列的同源性比对用MEGA构建的系统发育树中，得到两个分支，下面将对每个分支分别进行详细说明。将这两个分支从上往下分别命名为分支A、分支B。在分支A中，高粱、玉米、小米、水稻、节节麦、小麦、大麦、二穗短柄草这些和本科植物聚在一起。其中，结合蛋白14的高粱和玉米分成一

30、个亚支，支持率为98。这个亚支与结合蛋白14的小米聚在一起，支持率为93。同属于稻属的两个亚种水稻粳稻和短药野生稻形成一个亚支，支持率为100；结合蛋白17的节节麦与小麦同属一个亚支，支持率为100；该亚支又与结合蛋白14的大麦聚在一起，支持率为91；二穗短柄草与这个亚支聚在一起构成一个新的亚支，支持率为63；结合蛋白17的小米、玉米聚在一起，支持率是89；且与结合蛋白17的水稻构成亚支，支持率为31；之后与结合蛋白17的二穗短柄草构成新的亚支，支持率为40。棕榈科包括海栆、油棕，它们聚在一起，支持率为99，它们又与芭蕉科的芭蕉亚种构成亚支，支持率为72。禾本科、棕榈科、兰科与兰科的扇形文心兰

31、构成亚支，但支持率不高，为40。结合蛋白17的海栆与以上亚支构成新的亚支，支持率为81。分支B中，蔷薇科的白梨和苹果聚在一起，支持率为82；它们与同属蔷薇科的结合蛋白9的梅构成亚支，支持率为89；同时与蔷薇科的结合蛋白9的野草莓聚在一起，得到91的支持率。他们与同样结合蛋白9的葡萄构成一个亚支，得到的支持率很低，只有14。结合蛋白9的黄瓜与无油樟构成一个亚支，但支持率比较低；都结合蛋白9的梧桐科的可可树与锦葵科的棉花聚在一起，支持率为87，这个亚支与大戟科的麻风树构成新的亚支，支持率为45；杨柳科的胡杨与芸香科的枳聚在一起，得到的支持率为45，这一亚支与上一亚支又形成新的亚支，获得71的支持率

32、；与大豆形成的亚支得到的支持率为50；与睡莲科的荷花所得亚支的支持率为81。从该系统发育树中，我们可以发现结合蛋白14的植物基本聚在一起，结合蛋白17的植物基本聚在一起，结合蛋白9的植物基本聚在一起，且均得到较高的支持率。图2 水稻IPA1蛋白序列同源性分析NJ树2.2 IPA1编码序列的同源性分析2.2.1 IPA1编码序列的同源搜索 根据水稻IPA的基因序列在NCBI中检索出的编码序列，其序列号为GU136674.1，之后用在线Blast软件检索出14条其他植物的IPA1编码序列(表2)。它们都具有SBP保守区域，包括玉米，小米、短药野生稻、二穗短柄草、大麦、小麦、高粱、油棕、海栆、芭蕉。

33、分值在1242至60.2之间，对应E值在8e-05至0.0之间。2.2.2 IPA1编码序列的同源性比对在Bioedit中使用ClustalW对水稻的CDS序列与在Blast上检索得到的氨基酸序列进行比对（图3），结果显示在第125位至第158位，第356位至第988位，第1253位至第1290位，这15条氨基酸序列有较多相同氨基酸，这说明这些区域具有保守性；其中第356位至第372位、第466位至第469位、第475位至第501位、第511位至第521位、第553位至第572位、第646位至第658位、第952位至第988位、第1253位至1284位的氨基酸基本完全相同，这些区域可能为保守区

34、域。值得注意的是在此以外的其他区域，这15条序列基本没有相同的氨基酸，反映了这些区域的高度变异性特征。图3水稻IPA1编码序列的同源性比对 用MEGA构建的编码基因的系统发育树中,有两大分支，下面将对这两个分支进行详细的说明（图4）。现将这两大分支从上到下命名为分支一和分支二。 分支一主要包括禾本科植物，结合蛋白17的玉米与结合蛋白17的小米聚在一起，支持率为100；结合蛋白17的短药野生稻与结合蛋白17的二穗短柄草聚在一起，支持率为100；从系统发育树中可看出结合蛋白17的植物多数聚在一起，支持率高达100；大麦与结合蛋白17的小麦聚在一起，支持率为100，这个亚支与结合蛋白14的二穗短柄草

35、形成亚支，得到的支持率为100，这一亚支与上一亚支形成新的亚支，但支持率较低，只有38。水稻的两个亚种粳稻和短药野生稻聚在一起，支持率高达100，结合蛋白14的玉米与高粱聚在一起，且与结合蛋白14的小米形成亚支，支持率都是100；该亚支与上一亚支构成新亚支的支持率仅为59。在分支二中结合蛋白17的海栆与结合蛋白14的油棕聚在一起，支持率为90，且它们同属于棕榈科；这个亚支与结合蛋白14的芭蕉科的芭蕉亚种形成新的亚支，其支持率为100。图4 IPA1的编码基因同源性分析NJ树3、讨论与结论IPA1基因是水稻的高产基因，具有调控初级分枝数量、参与营养生长阶段萌芽分支的调控、在幼穗阶段能增加穗分枝等

36、功能，对于IPA1的研究主要集中于其调控水稻高产的分子机理和作用机制。本研究主要探究了IPA1基因在高等植物中的同源性，通过探究过程与结果分析得出IPA1基因在禾本科植物如高粱、玉米、小米、水稻、节节麦、小麦、大麦、二穗短柄草中的同源性较强，在系统发育树中主要集中在一起，且得到的支持率较高；IPA1基因在水稻与一些非禾本科高等植物中的同源性也比较高，如棕榈树的油棕、海栆，蔷薇科的苹果、梅、野草莓，以及棉花、大豆等农作物。这也就说明IPA1也可能在其他高等植物，尤其是与人类生活联系紧密的一些植物、农作物中起到提高产量的作用。这一研究为深入了解IPA1在高等植物中的生物学功能打下一定的基础，关于I

37、PA1在其他高等植物中的表达机理及具体的功能特点有待进一步的科学实验和研究。参考文献1 张利华，王美娥.超高产水稻理想株型的研究进展J.种子，2001，（5）：36-38.2 陈温福，徐正进，张龙步.水稻超高产育种生理基础M.沈阳：辽宁科学技术出版社， 1995,21（4）：213-2173 凌启鸿，陆卫平.水稻根系分布与叶角关系的研究初报J.作物学报，1989,15（2）：123-1314 Kosala R, Ernst S, Renee L. Control of water uptake by rice (Oryza sativa L.):role of the outer part the root J.Planta.2003,217(2):193-205 5 李合松，黄见良.双季稻超高产栽培条件下根系特性的研究J.激光生物学报，1999,8（3）： 199-2006 凌启鸿.水稻茎干维管束数与穗部性状的