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摘 要

抗坏血酸过氧化物酶（APx）主要分布在高等植物、真核藻类以及一些蓝细菌中，在植物抗氧化代谢方面具有极其重要的作用。APx基因在水稻和拟南芥中已有较多研究，但在重要作物玉米中还少有报道。本研究采用生物信息学方法鉴定出玉米基因组中20个APx基因，并开展了全面的系统发育和表达分析。亚细胞定位预测表明，APx蛋白主要分布于叶绿体中。基因复制分析表明，有1对基因起源于片段复制事件，3对基因起源于串联重复事件。系统发育分析表明，ZmAPx蛋白可分成两个亚族（I和II），其中每个亚族又可分为2-3个亚组，表明该家族成员的序列和功能可能已发生分化；在系统发育树的末端发现了6对旁系同源基因，表明该家族通过物种特异性的方式进行了扩增。APx蛋白含有相同的结构域，且均含有6个保守基序中的4个基序。基因表达分析表明，APx基因主要在多组织器官混合样品中表达。蛋白互作分析鉴定出10个相同的互作蛋白。这些结果为玉米APx基因功能的进一步研究奠定了基础。

关键词：玉米，APx基因，系统发育分析，表达分析

Abstract:Ascorbate peroxidase (APx) is mainly distributed in higher plants, eukaryotic alga, and some cyanobacteria, and plays extremely important roles in plant antioxidant metabolism. APx genes have been widely studied in rice and Arabidopsis, but they are rarely reported in important crop maize. In this study, 20 APx genes in maize genome were identified using bioinformatics methods, and comprehensive phylogenetic and expression analyses were performed. Subcellular localization predictions indicate that APx proteins are mainly distributed in chloroplasts. Gene duplication analysis showed that 1 pair of genes originated from segmental duplication and 3 pairs originated from tandem duplication. Phylogenetic analysis showed that ZmAPx proteins can be divided into two subfamilies (I and II), and each subfamily can be further divided into 2 to 3 subgroups, indicating that the sequences and functions of the family members may have diverged. Six pairs of paralogous genes were found at the end of phylogenetic tree, suggesting that the family has expanded in a species-specific manner. APx proteins contain the same domains and all contain 4 out of 6 conserved motifs. Gene expression analysis showed that APx genesare mainly expressed in multiple-tissue mixed sample. Protein interaction analysis identified 10 identical interaction proteins. These results laid the foundation for further functional analysis of maize APx genes.

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Keywords: maize, APx gene, phylogenetic analysis, expression analysis

目 录

1 前言 4

2 材料与方法 5

2.1 基因家族成员的鉴定 5

2.2 染色体分布与复制事件 5

2.3 系统发育分析 6

2.4 基因结构和保守序列分析 6

2.5 基因表达和蛋白互作分析 6

3 结果与分析 6

3.1 玉米APx基因基本信息 6

3.2 玉米APx基因的染色体分布和复制事件 8

3.3 玉米APx蛋白系统发育分析 8

3.4 玉米APx基因结构和保守序列分析 9

3.5 玉米APx基因表达分析 11

3.6 玉米APx蛋白互作分析 12

讨论 16

参考文献 18

致谢 20

1前言

利用大气中大量的氧气氧化有机化合物可以获得有利于生命发展的化学能。但是，代谢反应中分子氧的单价还原会产生大量对植物有毒害作用的活性氧（ROS）^[1]（在植物体内多以H₂O₂形式出现）。植物在良好的生长发育状态下，可以将ROS的浓度维持在较低水平，但是当其受到来自其他生物或者病害、盐渍、高温、低温等非生物因素胁迫时，整个细胞代谢过程遭到破坏，导致ROS的浓度升高，损害细胞膜和细胞器^[2]。因此，为了植物的良好生长，要维持ROS的产生和清除之间的动态平衡。在长期的进化及适应环境过程中，植物体产生了复杂的抗氧化系统，通过抗氧化酶类清除自身多余的活性氧来防御氧化胁迫，保护细胞免受活性氧引起的氧化损伤。

过氧化物酶（POD）普遍存在于动物、植物和微生物中，在抗氧化防御方面具有重要作用，可去除包括H₂O₂在内的由氧还原反应产生的过氧化物。植物中主要有3类过氧化物酶，分别是谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和过氧化氢酶(CAT)。其中，APx与H₂O₂的亲和力最强^[3]。

APx是Foyer和Halliwell^[4]于1976年发现的一种活性蛋白。Shigoka等^[5]在1980年首次报道APx活性。Na-kano和Asada^[6]于1981年正式将其确定为抗坏血酸过氧化物酶。APx主要存在于高等植物、真核藻类和某些蓝细菌中，在某些昆虫中也可以检测到APx活性^[7]。APx在植物的活性氧代谢和响应逆境胁迫中具有极其重要的作用。通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环（ASA-GSH循环）等一系列反应分解和清除H₂O₂，降低ROS浓度从而起到保护植物增强植物抗性的作用。APx参与ASA-GSH循环不局限于叶绿体，它在细胞溶质和过氧化物酶体中也起着非常重要的作用^[8]。

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