玉米ZmWaxy的生物信息学分析

摘要 为给糯玉米分子育种工作提供数据支撑，对玉米ZmWaxy蛋白序列利用现代生物信息学软件进行信号肽、保守结构域、跨膜结构域以及蛋白高级结构、进化树及理化特性等分析。结果表明：玉米ZmWaxy基因有3 676 bp开放读码框，并编码1个稳定的由609个氨基酸构成的弱酸性亲水蛋白，其分子量大小为66.61 kD。玉米ZmWAXY蛋白预测有49个磷酸化修饰位点，12个糖基化修饰位点。有典型的GT5-Glycogen-synthase-DULL-like蛋白保守结构域，但不含有信号肽结构和跨膜结构域。其二级结构和三级结构以无规则卷曲为主，伴有大量α-螺旋和少量β转角。进化关系中，玉米与高粱最近，次之为水稻和谷子，与小麦进化关系最远。

关键词 糯玉米；ZmWaxy蛋白；生物信息学

中图分类号 S-058  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2025）03-0096-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Bioinformatics Analysis of ZmWaxy of Zea mays L.

XING Lei， CHEN Yong xin， FAN Rui et al

（Maize Research Institute of Shanxi Agricultural University， Xinzhou， Shanxi 034000）

Abstract To provide certain data support for molecular breeding of glutinous corn， this study analyzed the signal peptide， conserved domain， transmembrane domain， protein advanced structure， evolutionary tree， and physicochemical properties of corn ZmWaxy protein sequence using modern bioinformatics software. The results showed that the maize ZmWaxy gene has an open reading frame of 3 676 bp and encodes a stable weakly acidic hydrophilic protein composed of 609 amino acids， with a molecular weight of 66.61 kD. The corn ZmWAXY protein is predicted to have 49 phosphorylation modification sites and 12 glycosylation modification sites， carrying out rich protein post translational modification activities. It had a typical conserved domain of GT5 Glycogen synthase DULL like protein， but did not contain signal peptide structures and transmembrane domains. Its secondary and tertiary structures were mainly characterized by irregular curls， accompanied by a large number of α Spiral and small amount β Corner. In evolutionary relationships， corn was closest to sorghum， followed by rice and millet， and had the farthest evolutionary relationship with wheat.

Key words Waxy corn;ZmWaxy protein;Bioinformatics

基金项目 山西省科技重大专项计划揭榜挂帅项目“甜糯玉米种质创新与新品种选育”（202201140601025-1-06）；山西省玉米产业技术体系（2023CYJSTX01-08）；忻州市科技成果转化引导专项“优质白色甜加糯玉米新品种晋甜糯2号示范推广”（20230403）；忻州市重点研发计划项目“甜糯玉米抗逆优异种质材料创制与挖掘利用”（20230203）。

作者简介 邢磊（1994—），女，山西忻州人，实习研究员，硕士，从事甜糯玉米种质材料创新与品种选育研究。*通信作者，二级研究员，从事甜糯玉米种质材料创新与品种选育研究。

收稿日期 2023-12-28；修回日期 2024-05-07

玉米是人们日常生活中重要的粮食作物之一^［1-2］。近年来，由于产业结构升级，鲜食玉米兼具营养价值和经济价值的特点，使其成为特色高效农业和农业产业化发展的新亮点，备受社会和农业学家的关注^［3-4］，因此玉米育种工作作为影响玉米品质和产量的重要因素，也受到了极高的重视。支链淀粉含量高达98%以上的糯玉米，富含多种维生素、氨基酸，口感软糯，清香满口，适口性极好，是人们餐桌上必不可少的美味^［5］，其黏滞性强，结构独特，也是造纸、饲料的优质原料^［6］。

Waxy基因又叫蜡质基因，编码颗粒凝结型淀粉合成酶（GBSSI）。GBSSI是植物储藏器官中颗粒结合蛋白的主要部分，存在于胚乳中，控制胚乳直链淀粉的合成^［7-11］。普通玉米由于GBSSI活性较高，成熟胚乳积累超23%的直链淀粉表现为非糯性^［12-13］。糯玉米由于其Waxy基因的缺失、突变或GBSSI酶活的降低而导致直链淀粉合成受阻，胚乳中只积累支链淀粉，表现为糯性^［14-16］。笔者对玉米ZmWaxy蛋白的信号肽、跨膜结构域、保守结构域以及蛋白高级结构、进化树、理化特性等进行分析，旨在为糯玉米分子育种工作提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 序列

玉米（Zea mays L.）ZmWaxy［GeneID=541854］、谷子（Setaria italica）SiWaxy［GeneID=101761090］、小麦（Triticum aestivum）TaWaxy［GeneID=543395］、水稻（Oryza sativa）OsWaxy［GeneID=4340018］、高粱（Sorghum bicolor）SbWaxy［GeneID=8068390］基因序列与蛋白均来源于检索工具NCBI。

1.2 生物信息学软件

1.2.1 基因阅读框分析。

利用检索工具NCBI获得玉米及其他植物的Waxy基因及蛋白序列，通过NCBI的“ORF finder”在线平台（http：∥www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html）分析玉米Waxy基因序列的开放读码框。

1.2.2 性质及功能分析。

通过Protscale、ProtParam在线平台分析玉米ZmWaxy蛋白的亲疏水性和理化性质，通过NetOGlyc4.0和Netphos3.1分析玉米ZmWaxy蛋白的糖基化及磷酸化位点；使用TMHMM、SingalP 4.1 Server和ScanProsite软件分析预测玉米ZmWaxy蛋白的跨膜结构域、信号肽及保守结构域；采用Psort Prediction和Cell-PLoc 2.0在线平台对玉米ZmWaxy蛋白进行亚细胞定位；使用COILS、SOPMA、PSIPRED 4.0和Phyre2、PyMol在线平台预测玉米ZmWaxy蛋白的二级和三级结构。该研究涉及的在线平台及软件见表1。

1.2.3 多序列比对及系统进化树构建。

通过DNAMAN 6.0将玉米与其他植物的Waxy蛋白进行多序列比对，分析其序列的同源性。通过MEGA 7.0构建玉米与其他植物的ZmWaxy蛋白系统发育进化树，对其进化关系进行分析。

2 结果与分析

2.1 玉米ZmWaxy蛋白理化性质及亲疏水性预测

玉米ZmWaxy蛋白由碳、氢、氧、氮和硫5种元素组成，利用ORF finder和ProtParam在线分析工具分析其理化性质，其开放阅读框在3 676 bp，原子总数为9 331，蛋白分子量为66.61 kD。预测中ZmWaxy蛋白的理论等电点为6.59，呈酸性。结合Protscale在线分析工具分析其亲疏水性（图1），ZmWaxy蛋白比较稳定（不稳定系数31.54），亲水性较低（-0.144 7），脂溶指数83.78。

2.2 玉米ZmWaxy信号肽、跨膜结构域及保守结构域预测

采用SignalP 4.1在线平台对玉米ZmWaxy蛋白的信号肽序列进行分析，发现其不存在信号肽和剪切位点，由此推测，玉米ZmWaxy蛋白为非分泌型蛋白，直接在细胞质基质中起作用，并不参与蛋白质转运任务。使用在线平台TMHMM 2.0预测玉米ZmWaxy蛋白的跨膜结构域，结果如图2所示，玉米ZmWaxy蛋白不存在跨膜结构域，也并未发现膜内的氨基酸序列，位于膜外，属于非膜蛋白。

通过在线平台NCBI中的CD Search和InterPro中的EBI数据库预测ZmWaxy蛋白的保守结构域，结果如图3所示。由图3可知，ZmWaxy具有明显GT5-Glycogen-synthase-DULL-like蛋白结构域，属于糖基转移酶GTB类型。

2.3 玉米ZmWaxy亚细胞定位及磷酸化、糖基化位点预测

通过在线平台Cell-PLoc 2.0及Psort Prediction，对ZmWaxy蛋白进行亚细胞定位预测，发现ZmWaxy蛋白主要定位于叶绿体中。

使用NetPhos3.1在线工具分析，发现ZmWaxy蛋白存在众多磷酸化位点，预测结果如图4所示，在系统设定的阈值之上，ZmWaxy含有Thr（苏氨酸）位点16个、Ser（丝氨酸）位点20个，以及Tyr（酪氨酸）位点13个。同时使用NetOGlyc 4.0在线平台预测得到12个ZmWaxy蛋白的糖基化位点，这暗示ZmWaxy蛋白在生物体中参与了复杂的蛋白质翻译后修饰过程。

2.4 玉米ZmWaxy二级、三级结构预测

通过Expasy平台的Coils工具分析ZmWaxy蛋白的卷曲螺旋结构，发现其有明显的卷曲螺旋。使用PSIPRED和SOPMA平台分析ZmWaxy蛋白的二级结构，结果如图5，表明ZmWaxy蛋白以无规则卷曲（41.54%）的氨基酸残基为主，伴有大量α-螺旋（36.29%）和少量β转角（7.06%）。

通过同源建模软件Phyre2对ZmWaxy蛋白的三维结构进行模型模拟，得到模板c3vufA.1（与ZmWaxy蛋白相似度最高），根据该模板对ZmWaxy蛋白进行同源建模，得到覆盖度为88.80%的模型。利用PyMOL对ZmWaxy蛋白的三级结构进行三维建模模拟，并展示其同源建模结果，同时以二级结构标记颜色（图6）。