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摘要：CBL1基因在植物非生物逆境应答及发育过程中具有重要功能。本试验在解析大白菜、甘蓝和黑芥CBL1的基础上，对它们进行了系统地比较分析，为进一步研究CBL1基因在芸薹属植物中的分子进化和功能奠定基础。
关键词：芸薹属；CBL1；结构；进化；顺式元件
中图分类号：S634.1+S635.1+S637.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）12-0001-03
十字花科芸薹属植物具有丰富的形态类型和遗传多样性，是研究植物遗传进化和形态发育的良好系统。植物CBL基因是钙信号系统的重要组分，它起到钙信号传感器的作用，在植物逆境应答和生长发育中具有重要功能[1]。其中一个成员CBL1在钾的吸收[2，3]、冷[4，5，8]和盐胁迫应答[6～9]、ABA应答[10]、种子萌发和幼苗生长及花粉萌发[11，12]等方面具有重要功能，而且存在复杂多样的表达调控模式[13，14]。因此解析芸薹属蔬菜中的CBL1基因对于研究它的遗传分化和在逆境应答及生长发育中的功能，进而用于蔬菜抗逆遗传改良具有重要意义。本试验利用比较基因组学的方法，从芸薹属大白菜、甘蓝和黑芥中鉴定出4个CBL1基因，并对它们进行了全面的比较分析。
1研究方法
利用拟南芥CBL1基因序列在大白菜基因组数据库中（BRAD：http：//brassicadb.org/brad/）搜索比对，寻找大白菜CBL1基因序列；在GenBank中（http：//blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi）搜索甘蓝和黑芥的基因组序列，寻找甘蓝和黑芥CBL1基因序列。对鉴定出的CBL1基因进行结构和遗传进化分析，并对它们启动子序列中的顺式元件进行预测。结构分析利用GSDS（http：//gsds.cbi.pku.edu.cn/）在线进行；遗传进化分析利用MEGA 4.1进行，采用Bootstrap test-Neighbor Joining方法，重复500次运算；顺式元件预测采用PlantCARE软件进行在线分析。亚细胞定位预测在WoLF PSORT （http：//wolfpsort.org/）中进行。
2结果与分析
2.1大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的特征分析
通过数据库搜索和序列比对，在大白菜基因组中鉴定出两个CBL1基因，在甘蓝和黑芥中各鉴定出一个CBL1基因。其预测的编码区序列都是642 bp；亚细胞定位预测显示这几个CBL1基因的表达产物都定位在细胞核中（表1）。基因结构分析显示它们都有8个外显子，而且不同外显子的大小在芸薹属三个物种间非常保守（图1）：第一个外显子79 bp，第二个83 bp，第三个60 bp，第四个109 bp，第五个53 bp，第六个81 bp，第七个113 bp，第八个64 bp。
序列比对分析显示，大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因8个外显子（从第一个到第八个）的核苷酸序列一致性分别为：97.47%、97.89%、95.42%、95.41%、97.17%、98.15%、98.45%和94.53%。由此可见，大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因不仅在基因结构上保守，在基因序列上也很保守。
2.2大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的遗传进化分析
遗传进化分析（图2）显示，大白菜两个CBL1基因与甘蓝和黑芥CBL1的关系比与拟南芥CBL1的关系近。Bra012655和BoCBL1首先聚在一起，Bra040169优先和BnCBL1聚在一起，然后再和AtCBL1聚在一起。序列比对分析发现，Bra040169和Bra012655编码蛋白的序列一致性为96.71%，Bra040169和BnCBL1编码蛋白的序列一致性为99.06%，Bra012655和BoCBL1编码蛋白的序列一致性为98.12%，Bra040169和BoCBL1编码蛋白的序列一致性为95.77%，Bra012655和BnCBL1编码蛋白的序列一致性为97.65%。Bra012655、Bra040169、BnCBL1和BoCBL1与拟南芥CBL1编码蛋白的序列一致性分别为78.40%、77.00%、77.93%和77.93%。
2.3大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的顺式调控元件和功能预测
大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的顺式调控元件分析结果（表2）显示，它们都含有多个逆境和激素应答顺式调控元件，且不尽相同：BoCBL1和BnCBL1各含有1个ABA应答元件，Bra040169和Bra012655各含有2个ABA应答元件；BoCBL1、Bra040169和Bra012655都含有1个茉莉酸甲酯应答元件CGTCA-motif，BnCBL1含有3个茉莉酸甲酯应答元件；大白菜、甘蓝和黑芥四个CBL1同源基因中只有Bra040169含有1个乙烯应答元件；BoCBL1含有4个赤霉素应答元件GARE-motif，BnCBL1和Bra012655各含有2个赤霉素应答元件，而Bra040169只有1个赤霉素应答元件；BnCBL1和Bra040169各有1个热胁迫应答元件，其余两个基因不含有；只有BnCBL1含有1个低温应答元件；BnCBL1和BoCBL1各有1个干旱应答元件MBS，Bra040169有3个，Bra012655有2个；BoCBL1有1个逆境和防卫反应元件TC-rich repeats，BnCBL1和Bra012655各有2个，Bra040169有3个；BoCBL1有3个水杨酸应答元件TCA-element，BnCBL1有4个，Bra012655有1个，而Bra040169没有水杨酸应答元件。以上结果说明：①大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因可能在功能上有所分化；②大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因可能不仅参与非生物逆境应答，也参与生物逆境应答过程，因为茉莉酸甲酯和水杨酸是重要的抗病激素，在生物逆境应答中具有重要功能。 3结论
本试验对芸薹属植物大白菜、甘蓝和黑芥的CBL1基因进行了系统的比较分析，结果显示，这三种植物的CBL1基因在序列和结构上非常保守，都含有8个外显子，且这8个外显子的大小及序列也非常保守，它们的序列一致性在94%以上，编码蛋白的序列一致性在95%以上，其编码的蛋白都预测定位在细胞核中。分析还显示，这些CBL1基因上游序列中都含有多个逆境和激素应答元件，且含有的顺式调控元件的种类和数量不完全一致，说明这些基因可能执行某些相似的功能但又有所分化。
参考文献：
[1]Weinl S， Kudla J. The CBL-CIPK Ca2+-decoding signaling network： function and perspectives [J]. New Phytologist， 2009， 184（3）： 517-528.
[2]Cheong Y H， Pandey G K， Grant J J， et al. Two calcineurin B-like calcium sensors， interacting with protein kinase CIPK23， regulate leaf transpiration and root potassium uptake in Arabidopsis [J]. Plant Journal， 2007， 52（2）： 223-239.
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[4]Li Z Y， Xu Z S， He G Y， et al. The voltage-dependent anion channel 1 （AtVDAC1） negatively regulates plant cold responses during germination and seedling development in Arabidopsis and interacts with calcium sensor CBL1 [J]. International Journal of Molecular Science， 2013， 14（1）：701-713.
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[8]Cheong Y， Kim K， Pandey G， et al. CBL1， a calcium sensor that differentially regulates salt， drought， and cold responses in Arabidopsis [J]. Plant Cell， 2003，15（8）：1833-1845.
[9]Albrecht V， Weinl S， Blazevic D， et al. The calcium sensor CBL1 integrates plant responses to abiotic stresses [J]. Plant Journal， 2003， 36（4）：457-470.
[10]Guo Y， Xiong L， Song C P， et al. A calcium sensor and its interacting protein kinase are global regulators of abscisic acid signaling in Arabidopsis [J]. Developmental Cell， 2002， 3（2）： 233-244.
[11]Li Z Y， Xu Z S， Chen Y， et al. A novel role for Arabidopsis CBL1 in affecting plant responses to glucose and gibberellin during germination and seedling development [J]. PLoS One， 2013，8（2）：e56412.
[12]Mhs A， Steinhorst L， Han J P， et al. The calcineurin B-like Ca2+ sensors CBL1 and CBL9 function in pollen germination and pollen tube growth in Arabidopsis[J]. Molecular Plant， 2013， 6（4）：1149-1162.
[13]Batistic O， Sorek N， Schültke S， et al. Dual fatty acyl modification determines the localization and plasma membrane targeting of CBL/CIPK Ca2+ signaling complexes in Arabidopsis[J].Plant Cell， 2008， 20（5）：1346-1362.
[14]Drerup M M， Schlücking K， Hashimoto K， et al. The Calcineurin B-like calcium sensors CBL1 and CBL9 together with their interacting protein kinase CIPK26 regulate the Arabidopsis NADPH oxidase RBOHF[J]. Molecular Plant， 2013， 6（2）：559-569.
关键词：芸薹属；CBL1；结构；进化；顺式元件
中图分类号：S634.1+S635.1+S637.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）12-0001-03
十字花科芸薹属植物具有丰富的形态类型和遗传多样性，是研究植物遗传进化和形态发育的良好系统。植物CBL基因是钙信号系统的重要组分，它起到钙信号传感器的作用，在植物逆境应答和生长发育中具有重要功能[1]。其中一个成员CBL1在钾的吸收[2，3]、冷[4，5，8]和盐胁迫应答[6～9]、ABA应答[10]、种子萌发和幼苗生长及花粉萌发[11，12]等方面具有重要功能，而且存在复杂多样的表达调控模式[13，14]。因此解析芸薹属蔬菜中的CBL1基因对于研究它的遗传分化和在逆境应答及生长发育中的功能，进而用于蔬菜抗逆遗传改良具有重要意义。本试验利用比较基因组学的方法，从芸薹属大白菜、甘蓝和黑芥中鉴定出4个CBL1基因，并对它们进行了全面的比较分析。
1研究方法
利用拟南芥CBL1基因序列在大白菜基因组数据库中（BRAD：http：//brassicadb.org/brad/）搜索比对，寻找大白菜CBL1基因序列；在GenBank中（http：//blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi）搜索甘蓝和黑芥的基因组序列，寻找甘蓝和黑芥CBL1基因序列。对鉴定出的CBL1基因进行结构和遗传进化分析，并对它们启动子序列中的顺式元件进行预测。结构分析利用GSDS（http：//gsds.cbi.pku.edu.cn/）在线进行；遗传进化分析利用MEGA 4.1进行，采用Bootstrap test-Neighbor Joining方法，重复500次运算；顺式元件预测采用PlantCARE软件进行在线分析。亚细胞定位预测在WoLF PSORT （http：//wolfpsort.org/）中进行。
2结果与分析
2.1大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的特征分析
通过数据库搜索和序列比对，在大白菜基因组中鉴定出两个CBL1基因，在甘蓝和黑芥中各鉴定出一个CBL1基因。其预测的编码区序列都是642 bp；亚细胞定位预测显示这几个CBL1基因的表达产物都定位在细胞核中（表1）。基因结构分析显示它们都有8个外显子，而且不同外显子的大小在芸薹属三个物种间非常保守（图1）：第一个外显子79 bp，第二个83 bp，第三个60 bp，第四个109 bp，第五个53 bp，第六个81 bp，第七个113 bp，第八个64 bp。
序列比对分析显示，大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因8个外显子（从第一个到第八个）的核苷酸序列一致性分别为：97.47%、97.89%、95.42%、95.41%、97.17%、98.15%、98.45%和94.53%。由此可见，大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因不仅在基因结构上保守，在基因序列上也很保守。
2.2大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的遗传进化分析
遗传进化分析（图2）显示，大白菜两个CBL1基因与甘蓝和黑芥CBL1的关系比与拟南芥CBL1的关系近。Bra012655和BoCBL1首先聚在一起，Bra040169优先和BnCBL1聚在一起，然后再和AtCBL1聚在一起。序列比对分析发现，Bra040169和Bra012655编码蛋白的序列一致性为96.71%，Bra040169和BnCBL1编码蛋白的序列一致性为99.06%，Bra012655和BoCBL1编码蛋白的序列一致性为98.12%，Bra040169和BoCBL1编码蛋白的序列一致性为95.77%，Bra012655和BnCBL1编码蛋白的序列一致性为97.65%。Bra012655、Bra040169、BnCBL1和BoCBL1与拟南芥CBL1编码蛋白的序列一致性分别为78.40%、77.00%、77.93%和77.93%。
2.3大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的顺式调控元件和功能预测
大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因的顺式调控元件分析结果（表2）显示，它们都含有多个逆境和激素应答顺式调控元件，且不尽相同：BoCBL1和BnCBL1各含有1个ABA应答元件，Bra040169和Bra012655各含有2个ABA应答元件；BoCBL1、Bra040169和Bra012655都含有1个茉莉酸甲酯应答元件CGTCA-motif，BnCBL1含有3个茉莉酸甲酯应答元件；大白菜、甘蓝和黑芥四个CBL1同源基因中只有Bra040169含有1个乙烯应答元件；BoCBL1含有4个赤霉素应答元件GARE-motif，BnCBL1和Bra012655各含有2个赤霉素应答元件，而Bra040169只有1个赤霉素应答元件；BnCBL1和Bra040169各有1个热胁迫应答元件，其余两个基因不含有；只有BnCBL1含有1个低温应答元件；BnCBL1和BoCBL1各有1个干旱应答元件MBS，Bra040169有3个，Bra012655有2个；BoCBL1有1个逆境和防卫反应元件TC-rich repeats，BnCBL1和Bra012655各有2个，Bra040169有3个；BoCBL1有3个水杨酸应答元件TCA-element，BnCBL1有4个，Bra012655有1个，而Bra040169没有水杨酸应答元件。以上结果说明：①大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因可能在功能上有所分化；②大白菜、甘蓝和黑芥CBL1基因可能不仅参与非生物逆境应答，也参与生物逆境应答过程，因为茉莉酸甲酯和水杨酸是重要的抗病激素，在生物逆境应答中具有重要功能。 3结论
本试验对芸薹属植物大白菜、甘蓝和黑芥的CBL1基因进行了系统的比较分析，结果显示，这三种植物的CBL1基因在序列和结构上非常保守，都含有8个外显子，且这8个外显子的大小及序列也非常保守，它们的序列一致性在94%以上，编码蛋白的序列一致性在95%以上，其编码的蛋白都预测定位在细胞核中。分析还显示，这些CBL1基因上游序列中都含有多个逆境和激素应答元件，且含有的顺式调控元件的种类和数量不完全一致，说明这些基因可能执行某些相似的功能但又有所分化。
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[6]Shi S， Chen W， Sun W. Comparative proteomic analysis of the Arabidopsis cbl1 mutant in response to salt stress [J]. Proteomics， 2011， 11（24）： 4712-4725.
[7]Du W， Lin H， Chen S， et al. Phosphorylation of SOS3-like calcium-binding proteins by their interacting SOS2-like protein kinases is a common regulatory mechanism in Arabidopsis [J]. Plant Physiology， 2011， 156（4）：2235-2243.
[8]Cheong Y， Kim K， Pandey G， et al. CBL1， a calcium sensor that differentially regulates salt， drought， and cold responses in Arabidopsis [J]. Plant Cell， 2003，15（8）：1833-1845.
[9]Albrecht V， Weinl S， Blazevic D， et al. The calcium sensor CBL1 integrates plant responses to abiotic stresses [J]. Plant Journal， 2003， 36（4）：457-470.
[10]Guo Y， Xiong L， Song C P， et al. A calcium sensor and its interacting protein kinase are global regulators of abscisic acid signaling in Arabidopsis [J]. Developmental Cell， 2002， 3（2）： 233-244.
[11]Li Z Y， Xu Z S， Chen Y， et al. A novel role for Arabidopsis CBL1 in affecting plant responses to glucose and gibberellin during germination and seedling development [J]. PLoS One， 2013，8（2）：e56412.
[12]Mhs A， Steinhorst L， Han J P， et al. The calcineurin B-like Ca2+ sensors CBL1 and CBL9 function in pollen germination and pollen tube growth in Arabidopsis[J]. Molecular Plant， 2013， 6（4）：1149-1162.
[13]Batistic O， Sorek N， Schültke S， et al. Dual fatty acyl modification determines the localization and plasma membrane targeting of CBL/CIPK Ca2+ signaling complexes in Arabidopsis[J].Plant Cell， 2008， 20（5）：1346-1362.
[14]Drerup M M， Schlücking K， Hashimoto K， et al. The Calcineurin B-like calcium sensors CBL1 and CBL9 together with their interacting protein kinase CIPK26 regulate the Arabidopsis NADPH oxidase RBOHF[J]. Molecular Plant， 2013， 6（2）：559-569.