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李春艳等
, 2011,
小麦淀粉合成酶基因家族的生物信息学分析
,
分子植物育种
Vol.9 No.64 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0064)
1472
合成和淀粉品质遗传改良提供理论基础。
1
结果与分析
1.1
小麦淀粉合成酶基因家族的组成及结构
小麦基因组中至少存在九个编码淀粉合成酶
的基因，包括
2
个
GBSS
(
TaGBSS
Ⅰ
,
TaGBSS
Ⅱ
)
，
1
个
SS
Ⅰ
(
TaSS
Ⅰ
)
，
3
个
SS
Ⅱ
(
TaSS
Ⅱ
-
1
,
TaSS
Ⅱ
-
2
,
TaSS
Ⅱ
-
3
)
，
2
个
SS
Ⅲ
(
TaSS
Ⅲ
-
1
,
TaSS
Ⅲ
-
2
)
和
1
个
SS
Ⅳ
(
TaSS
Ⅳ
)
。其中
SS
主要分布在质体基质，部分也
与淀粉粒结合，是一种葡萄糖转移酶，催化转移
ADP
-葡萄糖上的葡萄糖单元，通过
α
-
1,4
糖苷键不
断增加寡聚糖的葡萄糖单位，最终合成以
α
-
1,4
糖苷
键连接的聚糖，聚糖又将作为淀粉分支酶的底物合
成支链淀粉。
GBSSI
主要与淀粉颗粒结合，在直链
淀粉合成中起关键作用，将
ADP
-葡萄糖的葡萄糖
残基转移到
α
-
1,4
葡聚糖链的非还原性末端
(Vrinten
et al., 2000)
。为了深入分析小麦淀粉合成酶基因家
族的结构与功能，本研究对已经报道的小麦淀粉合
成酶家族的氨基酸序列进行了比对和分析。结果发
现，九种酶的多肽长度差异较大，如
TaSS
Ⅲ-
1
的长
度几乎是
GBSS
Ⅱ的三倍，而属于同种同工酶的多
肽序列长度相近。通过多序列比对结果，分别属于
同种同工酶的氨基酸序列之间相似性
(60~95%)
高
于不同种同工酶
(20~40%)
之间
(
表
1)
。
通过多序列比对发现
(
图
1)
，这九种酶均存在两
个结构域：催化结构域和糖原转移结构域。催化结
构域的序列保守性要明显低于糖原转移结构域的
保守性。按照两个结构域的起始位置，可以将九种
酶分为两个亚家族：第一组：
TaSS
Ⅰ、
TaSS
Ⅱ-
1
、
TaSS
Ⅱ-
2
、
TaSS
Ⅱ-
3
、
GBSS
Ⅰ和
GBSS
Ⅱ，第二组：
TaSS
Ⅲ-
1
、
TaSSS
Ⅲ-
2
和
TaSS
Ⅳ。
通过分析发现，两个亚家族的不同结构域的氨
基酸组分并无显著差别，均由
20
种不同的氨基酸组
成，但频率
(%)
不同
(
表
2)
。
TaSS
Ⅱ三个同工酶的催
化结构域和糖原转移结构域中各氨基酸频率差异
不大，
GBSS
两个同工酶的不同结构域中氨基酸频
率差异最大。然而，通过
GBSS
Ⅰ和
GBSS
Ⅱ序列比
对，发现其同源性很高，序列相似度达到
60% (
图
2)
。
同时，本研究对部分淀粉合成酶基因全长做了
结构分析，
TaSS
Ⅱ
三个同工酶基因具有相似的内含
子
/
外显子结构，有
8
个外显子和
7
个内含子。
TaSS
Ⅳ
有
16
个外显子、
15
个内含子和
2
个非翻译区。
GBSS
Ⅰ
基因长度相对较短，有
11
个外显子和
10
个内含子
组成
(
图
3)
。
1.2
系统树分析
有研究将植物淀粉合成酶
(SS)
和原核生物糖原
合成酶
(GS)
的氨基酸序列进行比对，识别出了
SS/GS
中保守的氨基酸，并认为这些保守的氨基酸可能形
成了淀粉合成酶的催化结构域
(Cao et al., 1999)
。
表
1
小麦淀粉合成酶氨基酸序列比较
Table 1 Comparison of wheat starch synthase protein sequences
酶
蛋白质
长度
相似度
(%)
Isozyme
Protein
Size a.a.
Similarty to (%)
SS
Ⅱ-
1
SS
Ⅱ-
2 SS
Ⅱ-
3
SS
Ⅲ-
1
SS
Ⅲ-
2
SS
Ⅳ
GBSS
Ⅰ
GBSS
Ⅱ
SS
Ⅰ
SS
Ⅰ
647
39
39
40
21
24
26
33
31
SS
Ⅱ
SS
Ⅱ-
1
799
-
95
95
21
21
20
35
31
SS
Ⅱ-
2
798
-
-
95
22
21
21
35
31
SS
Ⅱ-
3
799
-
-
-
21
21
20
35
31
SS
Ⅲ
SS
Ⅲ-
1
1628
-
-
-
-
61
28
21
24
SS
Ⅲ-
2
1271
-
-
-
-
-
26
22
23
SS
Ⅳ
SS
Ⅳ
914
-
-
-
-
-
-
22
23
GBSS
Ⅰ
GBSS
Ⅰ
605
-
-
-
-
-
-
-
60
GBSS
Ⅱ
GBSS
Ⅱ
599
-
-
-
-
-
-
-
-
注
: *:
相似性数值
(%)
通过多序列比对软件
Clustal X
得到
Note: *: Values for % similarity of the conserved catalytic domain resulted from multi-sequence alignment analysis using the
CLUSTAL X program, Comparisons between proteins belonging to the same isozyme are shown in boldface