论文总字数：16452字

摘 要

β-甘露聚糖酶（MAN）是一种能水解细胞壁中的甘露聚糖、β-1,4-D-葡聚糖等多糖的糖基水解酶，普遍存在于微生物和植物中。虽然MAN基因在番茄、水稻、拟南芥等植物中已有较多研究，但在重要作物玉米中还未见报道。本研究采用生物信息学方法对玉米基因组中的MAN基因进行系统鉴定并展开了全面的分子进化和表达分析。玉米基因组中含有6个MAN基因，分布于5条染色体上。亚细胞定位预测表明，玉米MAN主要为分泌蛋白。基因复制分析表明，没有玉米MAN基因起源于片段复制、串联重复或逆转录转座事件。系统发育分析显示，玉米MAN蛋白可以分为3个亚族，说明其序列已经发生分化。玉米MAN蛋白均含有糖基水解酶家族5结构域，并含有8个保守基序中6个基序。基因表达模式分析显示，所有玉米MAN基因在多组织器官混合样品中表达，ZmMAN2在各组织器官中均有表达。蛋白质互作分析表明，玉米MAN蛋白功能已发生分化，部分蛋白可能参与甘露聚糖转移反应，部分蛋白具有己糖激酶的功能并且可能参与淀粉合成。这些结果为玉米MAN基因功能的进一步研究奠定了基础。

关键词：玉米，β-甘露聚糖酶，基因家族，进化分析

Abstract: β-mannanase (MAN) is a glycosyl hydrolase that hydrolyzes polysaccharides in the cell wall such as mannan and β-1,4-D-glucan and is commonly found in microorganisms and plants. Although MAN genes have been widely studied in tomato, rice, Arabidopsis and other plants, they have not been reported in important crop maize. In this study, MAN genes in the maize genome were systematically identified using bioinformatics methods and comprehensive molecular evolution and expression analyses of these genes were performed. The maize genome contains six MAN genes distributed on five chromosomes. Subcellular localization predictions indicate that maize MANs are mainly secretory proteins. Gene duplication analysis showed that no maize MAN gene originated from segmental duplication, tandem duplication, or retrotransposition events. Phylogenetic analysis showed that maize MAN proteins can be divided into three subfamilies, indicating that their sequences have diverged. All maize MAN proteins contain the glycosyl hydrolase family 5 domain and 6 out of 8 conserved motifs. Gene expression analysis showed that all maize MAN genes were expressed in multiple-tissue mixed sample, and ZmMAN2 was expressed in all tissues and organs examined. Protein interaction analysis revealed that the functions of maize MAN proteins have diverged; some proteins may participate in mannan transfer reactions, and some proteins have hexokinase function and may participate in starch synthesis. These results laid the foundation for further functional analysis of maize MAN genes.

Key words: maize, β-mannanase, gene family, evolutionary analysis

目 录

1 前言 4

2 材料与方法 5

2.1 玉米MAN基因的系统鉴定 5

2.2 染色体分布与基因复制分析 5

2.3 多序列比对和系统发育分析 5

2.4 基因结构和保守序列分析 5

2.5 基因表达分析和蛋白质互作分析 6

3 结果与分析 6

3.1 玉米基因组中MAN基因 6

3.2 玉米MAN基因染色体分布和复制事件 8

3.3 玉米MAN系统发育分析 8

3.4基因结构和保守序列分析 9

3.5 玉米MAN基因的EST表达分析 11

3.6 玉米MAN蛋白互作分析 12

讨 论 16

参考文献 18

1 前言

植物细胞壁是一种由纤维素、半纤维素、果胶等物质聚合形成的复合物^[1]。细胞壁的降解与植物胚胎的形成、种子的萌发、芽的生长、叶子的形成、花药和花粉的发育以及果实的成熟都有着密切的关系^[2]。甘露聚糖是一种广泛存在于植物细胞壁中的半纤维素多糖，对细胞壁结构的修饰起着很重要的作用。若主链中甘露聚糖残基连有半乳糖或被葡萄糖取代，便会形成异甘露聚糖，包括半乳甘露聚糖，葡甘露聚糖等^[3]。甘露聚糖和异甘露聚糖是组成植物半纤维素的第二大组分^[4-5]，这两种物质的分解离不开β-甘露聚糖酶（Endo-β-Mannanase, MAN）的作用。在甘露聚糖中，MAN通过水解β-1,4-D-吡喃甘露糖苷键，将甘露聚糖水解为多种低聚糖^[6]；半乳甘露聚糖的彻底分解还需要乳糖苷酶(α-galactosidase, EC 3.2.1.22)和甘露糖苷酶(β-mannosidase, EC 3.2.1.25)的协同作用^[7]。

MAN普遍存在于自然界中。早在20世纪50年代左右，便发现了大量的产酶微生物富含MAN。其中研究较多的为细菌中的枯草杆菌和芽孢杆菌，真菌中的曲霉菌，放线菌中的链霉菌等^[8]。近年来，在植物中也发现了不少MAN基因，如在萌发中的种子、发育中的花药和花粉、成熟与脱落的果实中均检测到有该酶的表达。根据糖类活性酶数据库（CAZY）的分类，微生物中的MAN隶属于GH5和GH6两大家族，而在植物中合成的MAN均属于GH5家族^[9]。由于MAN在微生物中来源广，获取方便，活性高，因此人们对MAN的研究多集中于微生物中，而在植物中的报道相对较少。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16452字