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碱性亮氨酸拉链蛋白(bZIP)是真核生物中特有的一种转录因子家族。bZIP蛋白因含有一个保守的bZIP结构域而得名,该结构域主要由两部分组成,一个是负责与DNA结合的碱性结构域;另一个则是负责与其他的bZIP成员形成二聚体结构的亮氨酸拉链区域。功能研究显示,bZIP基因广泛参与了植物的生长发育过程,以及对激素和胁迫条件的响应过程。为了更好的了解水稻bZIP基因的组成和进化,我们首先在水稻基因组中鉴定了85个bZIP基因,并对这些基因的染色体定位进行了分析,结果表明所有水稻染色体上都有bZIP成员的分布。通过对比水稻bZIP基因的染色体位置和TIGR数据库中的基因组大片段复制信息,发现其中47个基因是由基因组大片段复制产生的,这说明基因组大片段复制在水稻bZIP基因家族的进化过程中起了主要的作用。我们用在线的MEME软件分析了这些bZIP中除bZIP结构域之外的保守motif,共鉴定出50个保守的motif。其中,部分motif的功能可以参考已发表的研究结果得到推测。例如,有些motif起着磷酸化位点的作用,有些起着与其他蛋白结合的作用,还有些起着转录激活的作用。而另外一些motif则是功能未知或者是软件计算出的假阳性错误。我们还利用芯片数据分析了水稻bZIP基因在胁迫条件下的表达模式,数据显示有22个基因的表达在干旱,高盐和冷胁迫条件下被诱导上升,有11个基因的表达被这些胁迫条件所抑制。这说明bZIP家族在水稻对环境胁迫的耐受过程中可能发挥重要作用。我们利用水稻bZIP蛋白中的bZIP结构域序列对这个家族的成员进行了进化分析。我们把水稻中的bZIP基因分为9个亚家族,并对每个亚家族中的成员进行了详细的分析和讨论。
我们发现有6个属于亚家族Ⅳ的基因在胁迫条件下受诱导表达,而且通过对水稻和拟南芥中所有bZIP成员进行进化分析,我们发现这个亚家族在拟南芥中的直系同源的亚家族为亚家族A。之前的研究显示,拟南芥亚家族A中的成员在ABA信号传导及非生物胁迫反应中都发挥重要作用。虽然水稻中亚家族Ⅳ的成员在生物工程改良水稻胁迫耐受性方面有着巨大的潜力,但是这个亚家族的研究还是相对较少的。因此,我们分析了拟南芥亚家族A和水稻亚家族Ⅳ中成员的进化关系,发现这个家族中的成员在两个物种的进化过程中是非常保守的,这说明这两个亚家族中的成员在两个物种中可能具有相似的功能。我们用qRT-PCR的方法检测了这个亚家族成员的表达模式。结果显示,这个亚家族中大部分成员在ABA,ACC及非生物胁迫刺激下都有诱导表达。我们在这个亚家族中选取了OsbZIP23和OsbZIP72两个成员进行了更进一步的功能分析。
我们的实验结果显示OsbZIP72是一个ABRE binding factor(ABF)。酵母单杂交实验显示OsbZIP72可以结合到ABRE上;酵母双杂交实验显示它可以诱导下游基因的表达,其转录激活活性主要是靠其N段的氨基酸序列;洋葱表皮细胞中的短暂表达实验显示它编码的蛋白是核定位的。超表达OsbZIP72的转基因水稻显示出对ABA的超敏感性。表达分析显示,转基因水稻中ABA下游基因如LEA等表达上升。另外,转基因水稻还显示出对干旱胁迫具有更高的耐受性。所有这些结果显示OsbZIP72在ABA信号介导的植物干旱耐受反应中起着正调控因子的作用,而且对于利用生物工程的方法提高水稻耐旱性有着潜在的应用价值。
OsbZIP23是另外一个ABF。酵母单杂交实验显示它可以结合到ABRE上,酵母双杂交实验显示它具有转录激活活性。洋葱表皮细胞中的短暂表达实验显示它定位在细胞核内。为了进一步的对这个基因进行分析,我们在水稻中超表达了这个基因,一些后续的实验还在进行当中。