陆地棉MADS-box家族基因鉴定及组织特异性表达分析

【目的】MADS-box蛋白是1种重要的转录因子,参与调控棉花生长发育进程。鉴定分析陆地棉MADS-box家族基因,可为研究其生物学功能奠定基础。【方法】基于2019年最新组装的陆地棉TM-1参考基因组,通过HMMER 3.0软件鉴定陆地棉TypeⅠ型及MIKC型MADS-box基因。利用MapInspect、MEGA7.0、MEME和TBtools软件以及omicshare网站进行染色体定位、多序列比对聚类分析、Motif预测、基因结构鉴定以及组织特异性表达分析。【结果】从全基因组水平上鉴定出181个陆地棉MADS-box基因(66个TypeⅠ型和115个MIKC型),染色体定位发现该181个基因在陆地棉26条染色体上均有分布,其中A组染色体上分布有78个基因、D组上分布有103个基因。系统进化分析显示TypeⅠ型MADS-box蛋白有3个亚家族,MIKC型蛋白包括MIKC*型和含有10个亚家族的MIKCC型;motif预测结果显示所有MADS-box蛋白均含有MADS结构域,基因结构分析结果显示,外显子、内含子结构和长度在各亚家族内具有同一性;组织特异性表达分析发现MADS-box家族基因中有33个在纤维组织中优势表达,103个在花器官中优势表达,41个基因在根茎中优势表达。【结论】本研究通过生物信息学方法,鉴定并获得了与陆地棉开花调控和纤维发育相关的MADS-box基因,对于揭示棉花纤维品质等重要性状的遗传调控机制及分子育种具有一定的理论意义和应用价值。     

陆地棉Dof基因家族的全基因组鉴定及分析

【目的】单锌指DNA结合蛋白(DNA binding with one finger, Dof)是1类植物特有的转录因子,在植物生长发育与非生物胁迫响应中发挥非常重要的作用。本研究旨在对陆地棉Dof转录因子家族进行全基因组分析,为深入研究Dof基因参与植物生长发育的调控机制提供参考。【方法】基于最新发布的陆地棉基因组数据,利用生物信息学手段对陆地棉Dof基因家族进行全基因组鉴定,并系统分析Dof基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达谱。【结果】陆地棉中一共鉴定出118个Dof基因。经聚类分析将其分成9个亚家族,同一亚家族的陆地棉Dof基因有相似的内含子/外显子和基序分布模式。基因复制分析表明,全基因组复制可能导致陆地棉Dof基因的扩增。陆地棉Dof基因启动子区域存在不同植物激素和逆境胁迫响应元件。转录组分析表明,陆地棉Dof基因在不同的组织、发育时期和逆境胁迫下聚为3个表达模式不同的类群,暗示了其功能多样性。【结论】陆地棉Dof基因家族的全基因组鉴定和分析,有助于了解其进化和功能,为后续研究提供重要参考。     

陆地棉Nudix基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】Nudix是一类能够催化各种核苷二磷酸衍生物水解的酶,具有维持遗传物质稳定,响应逆境胁迫等生物学功能。本研究旨在对陆地棉Nudix基因进行全基因组分析,为深入研究Nudix基因家族参与棉纤维生长发育调控机制提供参考。【方法】通过生物信息学方法对陆地棉基因组(ZJU_v2.1)的Nudix基因进行全基因组鉴定,并系统分析Nudix基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达情况。【结果】从陆地棉基因组中共鉴定到76个GhNudix基因,经聚类分析将其分为7个亚组(CladeⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)。基因复制分析表明,片段重复是陆地棉GhNudix基因家族成员扩增的主要原因。转录组数据表明GhNudix基因的表达不但有组织特异性而且有时间特异性。其中在纤维发育的起始和伸长阶段高调表达的GhNudix基因主要分布在CladeⅠ和Ⅱ;且大部分CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因启动子含有响应生长素和赤霉素的顺式作用元件,由此推测CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因在陆地棉纤维的起始和伸长阶段发挥作用。【结论】陆地棉GhNudix基因家族的全基因组鉴定和分析,为后续研究其在棉纤维发育中的作用机制提供参考。     

陆地棉NF-YA基因家族的全基因组鉴定与功能分析

【目的】通过对陆地棉NF-YA基因家族进行全基因组鉴定,分析其表达特性,鉴定其中与棉花开花相关的基因。【方法】利用生物信息学方法系统分析了其理化性质、基因结构、共线性、Ka/Ks、顺式作用元件和表达模式,实时荧光定量聚合酶链反应(Polymerase chain reaction,PCR)分析表达特征,采用病毒诱导基因沉默技术验证基因功能。【结果】陆地棉中鉴定到29个NF-YA基因家族成员,分为5个亚组,定位在18条染色体上;全基因组复制和片段复制是GhNF-YA基因家族扩张的主要动力;启动子区含有大量光反应的顺式作用元件。GhNF-YA基因家族基因在茎、叶中高表达;12个GhNF-YA基因在早熟品种鲁棉研19号和晚熟品种鲁棉研37号中均在第三至六叶时期表达量较高,并且大部分基因在品种间表达差异显著。沉默GhNF-YA18基因的鲁棉研37号植株比对照提前11 d现蕾,并且该基因在白化期和现蕾期的表达量均低于未沉默对照棉株。【结论】本研究对陆地棉NF-YA基因家族进行了鉴定和表达分析,为进一步研究棉花开花调控的分子机制奠定了基础。     

陆地棉Nudix基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】Nudix是一类能够催化各种核苷二磷酸衍生物水解的酶,具有维持遗传物质稳定,响应逆境胁迫等生物学功能。本研究旨在对陆地棉Nudix基因进行全基因组分析,为深入研究Nudix基因家族参与棉纤维生长发育调控机制提供参考。【方法】通过生物信息学方法对陆地棉基因组(ZJU＿v2.1)的Nudix基因进行全基因组鉴定,并系统分析Nudix基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达情况。【结果】从陆地棉基因组中共鉴定到76个Gh Nudix基因,经聚类分析将其分为7个亚组(CladeⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)。基因复制分析表明,片段重复是陆地棉Gh Nudix基因家族成员扩增的主要原因。转录组数据表明GhNudix基因的表达不但有组织特异性而且有时间特异性。其中在纤维发育的起始和伸长阶段高调表达的GhNudix基因主要分布在CladeⅠ和Ⅱ;且大部分CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因启动子含有响应生长素和赤霉素的顺式作用元件,由此推测CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因在陆地棉纤维的起始和伸长阶段发挥作用。【结论】陆地棉GhNudix基因家族的全基因组鉴定和分析,为后续研究其在棉纤维发育中的作用机制提供参考。     

四倍体棉花GAE基因家族的鉴定及其在棉纤维发育中的表达分析

【目的】通过对陆地棉及海岛棉GAE基因家族进行全基因组分析,为深入研究GAE基因家族在棉纤维发育中的功能提供理论依据。【方法】利用生物信息学分析软件,对GAE基因家族进行全基因组鉴定,根据转录组数据分析在纤维发育过程中的表达规律。【结果】陆地棉GhGAE家族包含21个成员,海岛棉GbGAE家族有22个成员,分为3个亚组,多数Gh GAEs和Gb GAEs基因没有内含子,共分布在12条染色体上。GAE氨基酸序列保守基序有4个,保守性较强,且GAE蛋白均定位于高尔基体膜。根据GAEs在陆地棉、海岛棉纤维发育不同时期的表达变化,将其分为纤维起始期高表达、纤维伸长期高表达、次生壁增厚期高表达、全时期低表达4类模式。其中GhGAE01、GhGAE02、Gh GAE11、Gh GAE12在陆地棉中高水平表达,GbGAE01、Gb GAE02、GbGAE11、Gb GAE12在海岛棉中高水平表达,推测这些基因可能在纤维发育过程中发挥着重要作用。【结论】上述结果为研究GAE基因家族在棉纤维发育中的功能提供了参考依据。     

棉花WOX转录因子家族基因的全基因组鉴定与分析

为了挖掘可用于棉花花器官或纤维发育研究的候选基因,基于已发布的陆地棉全基因组数据,利用生物信息学的分析方法鉴定了陆地棉WOX(WUSCHEL-related homeobox,WOX)转录因子基因家族,并从染色体分布、基因及蛋白理化性质、蛋白结构、多重序列比对、系统进化树和基因表达模式等方面对该基因家族的特征进行了比较分析。结果表明,鉴定到37个陆地棉WOX转录因子家族基因,命名为GhWOX1~GhWOX37。亚基因组定位结果显示,37个陆地棉WOX转录因子家族基因分布在除了A04、A06、A09、D04、D06和D09号亚基因组以外的20个亚基因组,A亚组比D亚组多1个GhWOX转录因子家族基因。多重序列比对分析棉花WOX转录因子家族成员均具有高度保守的同源异型结构域;系统进化树分析发现棉花WOX转录因子家族可以分为3个亚家族(Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类),各亚类分别含有23,7,7个GhWOX转录因子家族基因成员。对NCBI中陆地棉的EST数据库比对分析,有11个GhWOX转录因子家族成员没有可匹配的EST序列,其他26个GhWOX转录因子家族成员在棉花的根、茎、叶、花、胚珠、纤维和种子等组织和器官中广泛表达。为深入研究棉花和其他植物中WOX家族的鉴定和功能研究奠定了基础。     

雷蒙德氏棉MAPKKK基因家族全基因组筛选及其同源基因在陆地棉中表达分析

【目的】丝裂原活化蛋白质激酶激酶激酶(Mitogen-activated protein kinase kinase kinase,MAPKKK)家族在植物的胁迫反应和发育过程中起重要调控作用。本研究旨在筛选雷蒙德氏棉MAPKKK基因并分析其功能。【方法】以已鉴定的拟南芥MAPKKK蛋白序列为种子序列,在已发表的雷蒙德氏棉全基因组数据库中,通过本地BLAST以及Pfam和SMART鉴定雷蒙德氏棉MAPKKK基因家族成员;采用MEGA5、GSDS在线工具以及Mapchart进行进化树、基因结构及染色体定位分析;利用已有的陆地棉芯片数据进行响应逆境胁迫和纤维不同发育时期的表达谱分析。【结果】系统鉴定了114个雷蒙德氏棉MAPKKK家族基因,根据基因结构及进化树分析分为Raf、ZIK和MEKK三个亚家族。染色体定位表明,该基因家族广泛分布于13条染色体上,并存在基因复制。与最近公布的78个雷蒙德氏棉MAPKKK家族基因相比对,获得序列完全相同的基因47个。【结论】上述研究结果有助于了解雷蒙德氏棉MAPKKK基因家族的进化与功能,为后续研究棉花乃至棉属MAPKKK基因的功能奠定基础。     

MicroRNA参与植物花发育调控的研究进展

摘 要：MicroRNA(miRNA)是一类20到24nt的非编码小RNA,通过与靶mRNA序列的互补配对产生特异性,抑制了mRNA的表达或使其降解,从而调控靶基因的表达。本文主要综述了三类调控开花时间的miRNA家族成员：miR172,miR159 / miR319和miR156。其中,miR156主要调控植物生长周期转变;miR172通过调控AP2类基因,控制开花时间和花器官的形成;miR159和miR319的过量表达均会引起一些花发育障碍,如花期延迟。此外,还介绍了其它一些与花发育相关的miRNA,并对miRNA在花形成和发育中的研究方向进行了展望。     

棉花FAR1/FHY3基因家族的全基因组分析

【目的】FAR1/FHY3是1类起源于转座子酶的转录因子,在光敏色素A(phyA)信号通路的启动中起到非常重要的作用。通过对FAR1/FHY3家族进行全基因组学分析,为深入研究FAR1/FHY3在棉花光信号通路中的分子调控机理提供基础。【方法】利用生物信息学方法对亚洲棉(Gossypium arboreum L.)、雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii Ulbrich)和陆地棉(Gossypium hirsutum L.)中的FAR1/FHY3基因进行了全基因组鉴定和分析。【结果】共鉴定出88个FAR1/FHY3基因,其中陆地棉中数量最少。聚类分析将所有成员分为3个亚组。Ka/Ks值表明大部分基因都经历了负选择过程。转录组数据分析发现,大部分FAR1/FHY3基因在棉花叶片中表达,少数在茎、花瓣和花托中表达。陆地棉中的Gh FAR14在4种组织中均有较高水平的表达,且与拟南芥FHY3具有较高的同源性,推测其在陆地棉phyA信号通路的启动过程中可能起到关键作用。【结论】该研究结果有助于了解棉花FAR1/FHY3基因家族的进化与功能,为下一步深入研究该基因家族在棉花生长发育和响应红光信号通路中的分子调控机理提供基础。     

陆地棉TLP基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】类甜蛋白(Thaumatin-like proteins,TLP)参与多种植物病原真菌侵染后的防御反应。本研究通过在全基因组分析TLP基因,为深入探究其在介导棉花抗黄萎病通路中的分子机理提供基础。【方法】分别利用生物信息学方法和荧光定量聚合酶链式反应技术对陆地棉中的TLP基因进行全基因组鉴定和响应棉花黄萎病菌侵染表达分析。【结果】共鉴定出88个TLP基因;通过系统发育分析和序列特征分析可将棉花TLP家族分为10类。TLP基因家族外显子数量介于1～5之间,内含子介于0～4之间,同组成员具有相似的基因结构。大部分TLP含有5个保守的motif,具有相同的基序组织模式,均为Motif 5_4_2_3_1。染色体定位显示87个TLP基因定位于陆地棉20条染色体上,其中A亚组和D亚组各分布有42和45个,其在染色体上的分布存在串联重复现象。响应病原菌侵染表达分析显示,黄萎病菌侵染可以诱导6个候选基因的表达,不同抗性品种相对表达量达到峰值的时间不同,且耐病品种(GZ-1)上述基因表达量比感病品种(86-1)有增高的趋势。【结论】该研究结果有助于了解棉花TLP基因家族的进化与功能。     

森林草莓B-box基因家族全基因组序列鉴定与表达分析

植物B-box基因参与植物形态建成、花器官发育以及响应逆境胁迫过程中的多种生命活动的并具有重要作用,草莓是重要的经济果树作物,然而对草莓B-box家族了解较少。为了研究草莓B-box基因家族成员及其在花器官发育过程中的表达情况,本研究利用计算生物学的方法从全基因组水平鉴定森林草莓(Fragaria vesca)B-box基因家族成员,并对家族成员的蛋白质特征、基因组分布、内含子个数以及基因表达进行分析。结果表明,森林草莓中至少存在21个B-box基因家族成员,分布在6条染色体上,基因内含子个数1~5个。基于蛋白质模体组成与蛋白质序列的分析将整个家族分为五个亚家族。14个基因家族成员以5种表达模式参与雄蕊器官发育进程。研究结果表明:草莓B-box基因家族的5个亚家族经过模体复制和删除事件进化而来,并参与花器官发育过程。试验结果将为在草莓中进一步研究该基因家族成员功能提供参考。     

棉花CLE多肽家族的全基因组鉴定与生物信息学分析

【目的】CLE(CLAVATA3/Embryo surrounding region-related)多肽是一类小分子分泌蛋白,在植物生长发育过程中,对于维持分生组织细胞增殖与分化间的平衡起到重要的信号转导和调控作用。CLE家族是迄今为止报道的最大的植物多肽分子家族,也是近十年来研究最为热门的植物多肽激素。尽管CLE基因家族在拟南芥和水稻等模式植物中取得较多的研究进展,但在棉花中有关CLE多肽基因家族的研究尚属空白。通过对CLE多肽家族的鉴定及演化研究,可以为进一步挖掘棉花中的功能多肽及其信号转导研究提供一定的理论基础。【方法】本文以亚洲棉(Gossypium arboreum L.)、雷蒙德氏棉(G. raimondii Ulbrich)、陆地棉(G. hirsutum L.)和海岛棉(G. barbadense L.)为研究对象,利用生物信息学方法和已鉴定的拟南芥CLE基因序列,在棉花基因组中进行同源比对,并对4个棉种中的CLE家族成员进行全基因组鉴定和分析。【结果】共得到148个棉花CLE候选基因。陆地棉和海岛棉中CLE基因数量都分别是亚洲棉和雷蒙德氏棉的2倍。聚类分析将所有CLE基因分为5个亚组。Ka/Ks分析表明大部分基因都经历了负选择作用,有11对基因经历了显著的正选择作用。转录组数据分析发现,除海岛棉中的Gb CLE39、GbCLE13、GbCLE43,陆地棉中Gh CLE34、Gh CLE9以及亚组棉中的GaCLE4外,大部分CLE基因在棉花组织中的表达量较低,这与多肽在植物体内含量较低相一致。CLE核心保守基序分析发现了12个棉花特有的多肽,其中有2个多肽来源于受到强烈正选择作用的基因,因此在后续研究中可以对其进行进一步深入分析。【结论】本文利用生物信息学、比较基因组学等方法,首次对棉花的CLE基因家族进行了鉴定和分析,对于进一步挖掘棉花中的功能多肽及其信号调控网络研究提供了一定的理论基础。     

向日葵PMADS2 LIKE基因的克隆及表达分析

MADS-box家族基因是调控花发育进程的关键转录因子。在向日葵中大量的花发育相关基因有待于发掘和鉴定。本研究以向日葵(Helianthus annuus)为材料克隆到了一个MADS-box新成员PMADS2 LIKE。序列分析结果显示该基因具有MADS-box家族典型的MIKC保守结构域;系统发育树分析发现该基因与拟南芥PI基因亲缘关系最近;q RT-PCR组织表达模式分析该基因仅在花和果实中表达,且在6个花器官中仅在雄蕊和花瓣表达;q RT-PCR定量分析表示该基因从开花前25 d一直表达到开花期,并且在开花前5 d表达量最高。研究结果表明,PMADS2 LIKE基因在花发育和果实发育中具有一定的生物学功能。本研究的结果和推论为进一步探究向日葵PMADS2 LIKE基因在花发育和果实发育中的生物学功能提供前期数据基础,为理清MADS-box基因在向日葵花发育中的调控网络提供线索。     

棉花AGO蛋白家族基因鉴定及表达分析

AGO蛋白在所有由小RNA介导的RNA沉默通路中发挥重要作用。在植物中,它广泛参与维持基因组的稳定、调控组织的发育、对逆境的应答以及对入侵的转基因和植物病毒的免疫。对AGO基因家族成员的研究有利于研究其功能。为揭示棉花中AGO家族的功能,本研究利用全基因组信息在陆地棉基因组中鉴定了27个AGO蛋白,并对这些家族成员的特性进行了进化分析,这些AGO蛋白被分为3类,蛋白长度介于731~1462 aa之间,第一、三亚家族蛋白编码区较多,第二亚家族蛋白编码区较少。27个基因分布在16条染色体上。8个基因在所有组织中的表达量较高,棉花AGO基因与拟南芥AGO基因在组织中的表达模式极为相似。本研究为进一步研究棉花中AGO蛋白的功能提供了指导意义。     

棉花GR基因家族的全基因组鉴定及分析

【目的】谷胱甘肽还原酶基因(Glutathione reductase gene,GR)家族参与植物生长发育和非生物胁迫响应等生物进程,但其在棉花中的特性及功能尚不清楚。本研究通过在异源四倍体陆地棉(Gossypium hirsutum)、海岛棉(G. barbadense)及其可能的二倍体祖先种亚洲棉(G. arboreum)和雷蒙德氏棉(G. raimondii)中对GR基因家族全基因组鉴定与特性分析,分析棉种分化及异源四倍体棉花形成过程中GR基因的进化历程,探讨其在非生物胁迫响应中的作用,为后续相关研究提供理论基础。【方法】利用生物信息学方法鉴定陆地棉、海岛棉、雷蒙德氏棉、亚洲棉的GR基因家族成员;解析GR基因家族成员的理化性质、序列特征、染色体位置、系统发育及表达模式。【结果】共鉴定到18个GR基因家族成员,陆地棉、海岛棉、雷蒙德氏棉和亚洲棉中GR基因数目分别为6、6、3和3个。系统发育分析发现GR基因分为2个亚组,同一亚组基因具有相似的外显子数目和基因结构。对同源基因的非同义突变率(Ka)及同义突变率(Ks)分析发现Ka/Ks值均小于1,表明在进化过程中GR基因经历了较强的纯化选择作用。陆地棉GR基因的表达模式分析表明,所有的GR基因均积极响应胁迫环境,但在不同的非生物胁迫下,基因的表达模式有明显差别。【结论】本研究探讨了GR基因家族在亚洲棉、雷蒙德氏棉、海岛棉和陆地棉基因组中的进化及功能,可为棉花GR基因后续研究提供理论基础。     

陆地棉无绒突变体miRNA的鉴定及其靶标基因分析

【目的】棉花纤维突起影响纤维的产量和品质,挖掘纤维起始相关的小RNA及其靶基因对于研究纤维起始机制至关重要。【方法】本研究以新乡小吉的野生型(Wild type,WT)及其无绒有絮突变体(Fuzzless mutant,FLM)开花当天的胚珠为材料,构建6个小RNA文库并进行高通量测序,以陆地棉(Gossypium hirsutum L.)基因组序列作为参考。【结果】共发现459个mi RNA,包括301个保守的mi RNA和158个新mi RNA。共得到13个差异表达的mi RNA,预测并分析了它们的靶基因。通过对靶基因的生物信息学分析结果显示,预测的这些靶基因侧重于编码HD-ZIP (Homeodomain-leucine zipper)、GRAS (Gibberellic acid insensitive,Repressor of GAI,Scarecrow)、AP2 (APETALA2)家族的转录因子,功能集中在转录和转录后调控阶段。对靶基因进行Gene Ontology (GO)注释发现,它们参与细胞分化、花药发育、花器官发育等生物学过程。随机选出4个mi RNA进行荧光定量PCR验证,结果证实了测序数据的可靠性。【结论】mi RNA通过负调控靶标转录因子和激素相关基因来影响纤维细胞的起始发育。     

棉花溶血磷酸酯酰转移酶(LPAT)家族基因的发掘和表达分析

棉花油脂合成相关代谢在控制油分形成、纤维发育等进程中起着重要作用。溶血磷脂酰基转移酶(LPAT)是植物油脂代谢过程中的一个关键酶。本研究利用雷蒙德氏棉全基因组数据库,通过生物信息学技术,鉴定并获得8个棉花LPAT家族基因的全序列和染色体定位等信息。通过序列比对进行系统进化和分类分析,明确这8个家族基因分布在6条染色体上,分为4亚类,其中第I类和第III类中各含2个基因、第II类1个、第IV类3个。组织表达分析表明这8个基因在棉花营养和生殖阶段均表现表达多样性。LPAT6和LPAT8在17 d胚珠中表达水平很高,推测在油脂合成代谢调控中起重要作用。8个LPAT基因均在纤维中优势表达,其中LPAT2、LPAT3和LPAT4表达水平更高,推测LPAT家族基因的表达参与棉纤维发育进程。     

陆地棉KFB基因家族全基因组鉴定与表达分析

【目的】KFB(Kelch containing F-box protein)是普遍存在于各种生物体中含有F-box结构域的一类家族蛋白,参与众多生物过程。本研究旨在开展陆地棉KFB家族基因鉴定和表达分析。【方法】利用生物信息学方法从陆地棉(TM-1)基因组中鉴定KFB家族成员,与已知的拟南芥、水稻、大豆等KFB蛋白序列构建系统进化树;进一步针对第Ⅱ亚族进行基因结构、染色体定位和表达分析。【结果】从陆地棉基因组共鉴定出150个KFB家族成员,进化分析表明这些基因可分为7个亚族。陆地棉KFB第Ⅱ亚族24个基因分布在14条染色体上,有9对直系同源基因;该亚族基因结构简单,半数基因只有1个外显子;qRT-PCR结果表明,该亚族基因具有较为广泛的组织表达模式,但在不同组织的表达存在差异。【结论】这些结果显示陆地棉KFB第Ⅱ亚族基因在进化过程中出现了功能分化。