谷子MLO家族的全基因组鉴定和表达谱分析

MLO是高等植物特有的一类抗病家族,在响应非生物胁迫中发挥重要作用。为全面解析MLO基因在谷子基因组中的特征,本研究利用生物信息学的方法,从谷子基因组中共鉴定出12个MLO基因,并对其编码蛋白的结构特征、亚细胞定位、系统进化关系、保守氨基酸残基位点进行预测,分析MLO基因在不同组织中的表达特征。结果表明,谷子MLO基因编码的蛋白质均包含有一个MLO结构域和多个跨膜区,且大多定位于细胞膜上,并存在一些保守的氨基酸残基位点和基序;与其他物种MLO成员的聚类结果表明,谷子MLO可分为7个类群(Ⅰ~Ⅶ),其中第Ⅶ类全部由禾本科作物的MLO成员组成,这些可能是禾本科作物单独进化出的一类特有的MLO成员;Si MLO10与单子叶植物中已知的抗白粉病MLO基因聚在第Ⅳ类,是谷子中一个候选的抗白粉病基因,而单子叶和双子叶植物中已知功能的MLO成员分别聚在第Ⅳ、第Ⅴ类群,表明MLO功能的形成可能发生在单、双子叶植物分化之后。大多数MLO基因在谷子的根、茎、叶、穗中均有表达,且不同的基因表达量存在较大差异,说明谷子MLO家族成员可能具有不同的生物学功能。本研究结果为揭示谷子MLO基因的功能及其在谷子抗白粉病育种中的应用奠定了一定的理论基础。     

甜瓜VQ家族基因鉴定及白粉病菌响应分析

VQ家族基因是植物特有的一类基因,其编码蛋白主要与WRKY蛋白相互作用协同调控下游基因表达,在植物生长发育及抵御各种外界环境胁迫中起重要作用。为揭示甜瓜VQ家族基因在抗白粉病中的功能,本研究采用生物信息学方法从甜瓜基因组中鉴定到26个VQ家族基因,这些基因不均匀地分布在甜瓜11条染色体上。系统进化分析表明,该家族成员分布于不同的分支中,分别与拟南芥VQ家族蛋白不同成员聚在一起。基因结构分析表明,甜瓜VQ家族基因序列均无内含子,只有1个外显子。组织表达分析表明,1个甜瓜VQ家族基因组成性表达,23个甜瓜VQ家族基因组织特异性表达。此外,白粉病菌侵染之后,6个VQ家族基因呈现不同程度的响应。本研究结果为进一步研究甜瓜VQ家族基因在甜瓜抗白粉病中的功能奠定了理论基础。     

番茄Hsp70基因鉴定及系统发育关系分析

热激蛋白70(heat shock protein 70,Hsp70)是植物应对高温和其他胁迫环境时所产生的一类特定的应激蛋白。本文以番茄基因组数据为基础,利用生物信息学方法对Hsp70基因家族进行鉴定与分析。结果表明,番茄至少含有22个Hsp70基因成员,蛋白质序列长度为210-890个氨基酸之间,具有0~12个内含子;具有4对重复基因;滑动窗口分析结果表明,这些基因中的一些区段(或者位点)可能受到正选择的压力。此外,序列比对发现这些Hsp70基因家族成员具有多个保守基序;染色体定位发现他们不均匀分布在番茄的11条染色体上;系统发育关系揭示番茄和拟南芥Hsp70基因家族成员可以分为4组,每组成员数目是变异的,并且存在3对旁系同源基因和7对直系同源基因,表明Hsp70基因家族在番茄和拟南芥分化之前就已经存在。     

番茄KNOX基因家族鉴定及茄科作物KNOX基因进化关系分析

为了探明番茄KNOX基因家族特征及茄科作物中KNOX的进化关系,利用生物信息学方法,在全基因组水平上对番茄及其它茄科作物KNOX基因家族成员进行鉴定和分析。结果表明,番茄基因组中共含有8个KNOX基因(Sl KNOX1~Sl KNOX8),分别分布在番茄8条染色体上;多序列比对发现,除Sl KNOX5外,所有基因均含有同源异型盒蛋白特有的4种结构域,即KNOX1、KNOX2、ELK和Homeobox KN。利用系统发育树将茄科作物KNOX基因分为2类:ClassⅠ和ClassⅡ。茄科作物KNOX基因与拟南芥同源基因可能经历了不同的进化历程,在茄科作物中,特有的进化分支(Class I C)已经出现。qRTPCR分析发现,番茄Sl KNOX1在花蕾和花中具有较高表达,在果实生长发育过程中表达量逐渐降低,Sl KNOX2~Sl KNOX4在果实生长发育过程中几乎不表达,Sl KNOX6和Sl KNOX7在所测组织中均有表达,Sl KNOX8在果实成熟过程中表达量逐渐增加,且在根中表达量最大。本研究在全基因组水平上揭示了番茄中KNOX基因家族特征以及茄科作物中KNOX基因的系统发育关系,为进一步揭示KNOX基因家族在番茄组织器官中的功能及进化模式奠定了基础。     

黄瓜、西瓜、南瓜EIN3基因片段的克隆与序列分析

EIN3（Ethylene insensitive 3）是位于细胞核的核蛋白为乙烯信号转导的下游调控基因,根据GenBank所报道的植物EIN3基因mRNA的保守序列设计两个引物,以黄瓜、西瓜、南瓜总DNA为模板PCR扩增到3个725bp的基因片段，将片段序列在NCBI数据库中Blastn同源搜寻，显示151条有同源性的序列全部是EIN3基因，因此推断克隆的3个片段均为EIN3基因家族成员。NCBI网站的ORF Finder找到正确的开放式阅读框，翻译成为氨基酸序列，对CsEIN3、ClEIN3及CmEIN3氨基酸序列在NCBI网站进行Blastp比对, 在大分子结构数据库MMDB (Molecular Modelling Database) 搜索,3个推测蛋白保守结构域三级结构与拟南芥EIN3的DNA结合域(MMDB: 30598 PDB: 1WIJ )完全相同，系统进化分析表明，黄瓜、西瓜、南瓜与双子叶植物甜瓜、绿豆、蒺藜状苜蓿、烟草、番茄、拟南芥及单子叶水稻、桃红蝴蝶兰等的EIN3家族成员都有较高的相似性。     

番茄NBS-LRR抗病基因家族全基因组分析

NBS-LRR(nucleotide-binding site and leucine-rich-repeat)是植物中最大类抗病基因家族之一。番茄基因组测序完成为全基因组水平上分析NBS-LRR抗病基因家族提供了机遇。利用生物信息学方法对番茄NBS-LRR抗病基因家族成员数目进行鉴定,并对其染色体定位和系统发育关系进行了分析。随后,将番茄和马铃薯NBS-LRR抗病基因进行了比较基因组学分析。结果表明:番茄基因组共包括252个NBS-LRR抗病基因,分布于番茄12条染色体上;63.5%的基因成簇存在,大部分为串联重复;系统发育关系分析表明番茄CC-NBS-LRR(CNL)亚家族较其他亚家族扩展程度大;同线性分析发现番茄中共79个NBS-LRR抗病基因与马铃薯基因具有同源关系。结果将为番茄NBS-LRR抗病基因家族的深入研究提供依据,同时也为利用番茄NBS-LRR基因进行基因定位以及相关抗病基因克隆等奠定基础。     

黄瓜、西瓜和南瓜EIN3基因片段的克隆与序列分析

EIN3(ethylene insensitive 3)位于细胞核的核蛋白,为乙烯信号转导的下游调控基因,根据GenBank植物EIN3基因家族的保守序列设计了1对引物,以黄瓜(Cucumis sativus)、西瓜(Citrullus lanatus)和南瓜(Cucurbita maxima)总DNA为模板PCR扩增到3个725bp的基因片段CsEIN3、ClEIN3和CmEIN3,并提交GenBank,登录号分别为AY973275、DQ023225和DQ023224。将片段序列在NCBI数据库中Blastn同源搜寻,显示151条有同源性的序列全部是EIN3基因。NCBI网站的ORF(open reading frame)Finder找到正确的开放式阅读框,翻译成为氨基酸序列,对CsEIN3、ClEIN3及CmEIN3氨基酸序列在NCBI网站进行Blastp比对,在大分子结构数据库(molecular modelling database,MMDB)搜索,3个推测蛋白保守结构域三级结构与拟南芥EIN3的DNA结合域(MMDB:30598;PDB:1WIJ)完全相同,系统进化分析表明,黄瓜、西瓜和南瓜与双子叶植物甜瓜、绿豆、蒺藜状苜蓿、烟草、番茄、拟南芥及单子叶水稻、桃红蝴蝶兰等的EIN3家族成员都有较高的相似性。     

植物GH3基因家族的生物信息学分析

植物生长素在植物的生长发育过程中至关重要,GH3基因家族是植物生长素早期应答的成员。本研究采用比较基因组学的方法,利用已经分离的拟南芥GH3(Gretchen Hagen3)蛋白为检索序列,在全基因组水平上搜索拟南芥、水稻、葡萄、白杨和苜蓿的GH3基因的同源序列。最终确定了59个GH3候选基因,其中拟南芥19个,水稻14个,葡萄9个,白杨14个,苜蓿3个。对同源序列作进一步的多序列联配、MEME、ESTs和系统发生表达分析,结果表明:GH3基因家族的基本特征在单双子叶植物分离之前就已经形成;GH3结构域在蛋白质间较保守,可以分为3个亚家族,其中个别蛋白发生了基序丢失;59个同源蛋白中的40个成员找到了ESTs的证据,且表达部位多样,不同成员之间的表达部位存在差异。该研究结果将为植物的GH3基因家族的研究提供参考。     

甜瓜EIN3/EILs基因家族全基因组鉴定与进化分析

以拟南芥的EIN3/EILs蛋白保守结构域为探针序列,对甜瓜全基因组的蛋白质数据库进行搜索,搜索后获得4个EIN3/EILs蛋白序列。对甜瓜EIN3/EILs基因家族的系统进化、序列相似性、基因结构进行了分析。通过对所有甜瓜的EIN3/EILs基因的表达谱分析得知该基因家族在各组织中均有表达,其中在果实以及愈伤组织中高丰度特异表达,不同基因之间的表达模式差异明显。     

木薯枯草杆菌蛋白酶家族鉴定及MeSDD1的功能分析

枯草杆菌蛋白酶基因家族(SBT)是控制植物生长发育和响应环境胁迫的重要基因家族。为进一步了解木薯SBT基因家族的数量、基本特征、功能域和进化关系等,在全基因组水平通过生物信息学方法对SBT基因家族进行了鉴定和分析,并对其中一个成员的功能进行了分析。进化树分析结果表明,在木薯基因组中共鉴定到69个SBT成员,其中Manes.18G044300与拟南芥抗旱基因SDD1亲缘关系最近,因此将该成员命名为MeSDD1;22个成员无内含子,69个成员的蛋白携带5个高度保守的结构域,一部分SBT成员在染色体上呈紧密的串联分布,启动子存在干旱响应元件。用qRT-PCR检测筛选出表达量高的2个纯合株系用于后续研究。相关生理指标检测结果表明,2个转基因株系叶片的相对含水量均显著高于野生型;转基因株系离体叶片失水率小于野生型;转基因株系的气孔密度显著小于野生型;断水处理14 d,转基因株系的萎焉程度轻于野生型,表明MeSDD1增强了拟南芥植株的抗旱性。本研究结果为木薯抗旱育种提供了基因资源,并为后续研究MeSDD1介导的抗旱分子机制奠定了理论基础。     

葡萄BBX基因家族的鉴定与表达分析

BBX转录因子家族参与植物幼苗的光形态建成、开花、光周期调控及避荫反应等,在高等植物的生长发育过程中起到重要作用。为了解葡萄中BBX基因家族功能,本研究利用生物信息学方法对葡萄BBX基因家族成员的数量、结构、启动子、氨基酸特性、染色体定位及基因进化进行分析。结果表明,葡萄BBX家族有25个成员,以酸性蛋白为主;亚细胞定位表明,有4个分泌途径信号肽,VvBBX2、VvBBX5、VvBBX7、VvBBX20;有2个叶绿体转运肽,VvBBX23、VvBBX24;有1个线粒体靶向肽VvBBX1。染色体定位分析发现,25个VvBBXs基因主要分布在1、3、4、5、7、9、11、12、14、18、19共11条染色体上;系统发育进化分析发现葡萄BBX家族成员分为5个亚家族;葡萄与拟南芥的同源性分析发现,葡萄BBX蛋白家族有很强的保守性;在葡萄BBX基因启动子序列中含有光相应元件、激素类响应元件、低温响应元件等多种顺式作用元件。葡萄BBX基因家族在不同发育时期不同葡萄组织中的表达谱显示,该基因家族具有一定时空表达特异性;不同光照条件下,葡萄BBX基因的相对表达量有显著变化,这表明葡萄BBX基因家族与光形态建成及光合作用有着密切的关系。本研究结果为葡萄BBX基因家族的进一步功能分析提供了重要研究基础。     

葡萄SBP基因家族生物信息学分析

SBP（squamosa promoter binding protein,SBP）基因家族是植物所特有的一类重要转录因子,广泛参与植物生长、发育以及多种生理生化反应的信号传导。葡萄是继拟南芥、水稻和杨树之后完成全基因组测序的第四种开花植物,因此葡萄逐渐成为分子生物学研究的重点对象,进行葡萄基因组信息挖掘与分析对于葡萄功能基因组学的发展具有重要意义。本文利用生物信息学方法对葡萄家族45条SBP蛋白序列的系统发生和SBP基因组定位进行分析,然后对其氨基酸组成成分、理化性质以及二级和三级结构进行预测和分析,同时还分析了葡萄与拟南芥的SBP基因家族之间的联系。结果显示这45条蛋白序列与拟南芥16个SBP基因蛋白序列一起分成了3个亚族,说明拟南芥与葡萄SBP基因间具有较高的保守性;进一步的基因组定位结果发现其分布在14条染色体上,较拟南芥在染色体上的分布更为分散。研究还发现不同亚家族间氨基酸数目、氨基酸序列间的疏水性存在一定的差异;而二级结构预测结果发现,41条氨基酸序列以随机卷曲为主要组成部分,这与拟南芥相似,且45条氨基酸序列三维结构十分相似。本文实验结果均为葡萄SBP基因家族的进一步功能分析提供了重要研究基础。     

二穗短柄草GRFs基因家族的鉴定及表达模式分析

GRFs基因家族在植物生长发育及逆境响应中起着重要的调控作用。为了探明二穗短柄草GRFs基因家族的基本特征及其进化关系,本研究利用生物信息学方法在全基因组水平上对二穗短柄草GRFs基因家族成员进行鉴定与分析。结果表明,二穗短柄草GRFs基因家族包括12个家族成员,蛋白质序列长度在238~577个氨基酸之间;序列比对发现二穗短柄草GRFs家族基因包括2个保守的QLQ和WRC结构域及广泛的保守基序;染色体定位发现,12个家族成员在二穗短柄草的5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体分布最多;系统发育关系比较分析表明,这些GRFs基因家族成员存在4对直系同源基因。RT-qPCR分析表明,全部GRFs基因家族成员在二穗短柄草幼嫩组织中表达量较高,而在根系和衰老组织中表达量较低,外源激素特别是GA₃诱导了二穗短柄草大部分GRFs基因家族成员的上调表达,表明GRFs基因家族广泛地参与了二穗短柄草分生组织功能和器官形成的生命进程。本研究结果为二穗短柄草GRFs家族蛋白功能的研究奠定了理论基础。     

番茄GRX基因家族的鉴定及表达分析

GRX基因家族是从原核生物到真核生物中普遍存在的一类巯基-二硫键氧化还原酶,在植物的生长发育、器官构建及逆境胁迫和激素信号应答中均发挥重要作用.本研究在番茄基因组范围内,利用生物信息学方法对番茄的GRX基因组家族的成员、分布及结构和功能等进行分析.预测结果显示,番茄GRX家族包含55个蛋白质,分为4个亚族,其中植物特有的CC亚族成员最多,有35个,其他GRX基因成员与拟南芥GRX家族具有相似分类.在番茄GRX结构域中包含12个重要的基序,主要分布在序列的N端,相同亚族中的GRX成员蛋白序列的氨基酸保守域构成基本一致,且各亚族成员的氨基酸保守域组成特异,表明这些基序的存在对GRX蛋白功能的执行是必需的.利用实时荧光定量PCR对番茄GRX基因的组织表达和胁迫响应分析,结果表明,GRX基因具有组织特异性表达差异,CC型在根和花中表达较高,在果实中表达较低;在盐、SA、ABA、高温和低温胁迫条件下,22个番茄GRX基因的表达模式被阐明;其中部分基因的表达水平被显著地诱导增加或者降低,很可能参与了调控番茄逆境胁迫条件下的防御应答反应.本研究结果将为番茄GRX家族基因的深入研究提供依据,为进一步解析GRX基因功能奠定基础.     

亚麻FAD基因家族的生物信息学鉴定分析

不饱和脂肪酸为人体提供基本代谢所必需的能量,须从膳食中补充。脂肪酸去饱和酶FAD(fatty acid desaturase)是植物不饱和脂肪酸合成途径中的关键酶,植物体内脂肪酸的各组分比例和不饱和度与FAD的去饱和作用息息相关。为探究亚麻FAD基因家族的表达与进化,为其在亚麻高品质育种中的应用提供理论依据。运用生物信息学方法对亚麻全基因组FAD基因家族的43个LuFADs基因进行分析。结果显示,该家族成员编码的蛋白质大小为152～453个氨基酸,大部分为碱性不稳定亲水蛋白。与拟南芥FADs蛋白序列构建系统发育树,可分为4个主要亚家族:Δ12/ω-3去饱和酶、“前端”去饱和酶、Δ7/Δ9去饱和酶和SAD去饱和酶。保守结构域和外显子-内含子结构分析得出,同一亚组中的家族成员具有较为相似的基因结构。染色体定位分析呈随机性分布。亚细胞定位预测得出,叶绿体上的家族成员最多。启动子顺式作用元件分析发现,该家族成员中抗氧化反应元件(ARE)数量最多。     

葡萄NAC转录因子家族生物信息学分析

NAC基因家族是植物所特有的一类重要转录因子,广泛参与植物生长、发育以及器官建成、逆境胁迫应答等反应。目前,基因组信息的挖掘和分析已经成为葡萄功能基因组学研究的重要组成部分。本文利用生物信息学方法对葡萄143条NAC蛋白序列的系统发生和NAC基因组定位进行分析,然后对其氨基酸组成成分、理化性质以及二级和三级结构进行预测和分析,同时还分析了葡萄与拟南芥的NAC基因家族之间的联系。结果显示这143条蛋白序列与拟南芥94个NAC基因蛋白序列一起分成了16个亚族,说明拟南芥与葡萄NAC基因间具有较高的保守性。基因组定位结果发现143条NAC基因分布在17条染色体上。研究还发现不同亚家族间氨基酸数目、氨基酸序列间的疏水性存在一定的差异;而它们的二级结构都主要以随机卷曲为组成部分,且143条氨基酸序列三维结构十分相似。本文试验结果将为葡萄NAC基因家族的进一步功能分析提供重要研究基础。     

黄瓜全基因组转录因子MADS-box家族基因的序列特征分析

MADS-box家族基因是一类编码转录因子的基因,因其在调控植物生长发育方面的重要功能而成为作物遗传育种研究的热点。采用生物信息学方法,对黄瓜全基因组MADS-box基因进行序列特征分析,包括CsMADS基因的数量、染色体定位、保守基序的分布及系统进化树分析。结果表明,黄瓜基因组中共有41个CsMADSs基因,除7个分布于Scaffold外,其他34个CsMADSs基因分布于黄瓜7条染色体上,但在染色体上的分布不是均匀的;41个CsMADSs都具有保守的MADS结构域,分布于9个MADS亚家族,而且大部分的CsMADSs基因属于SEP和MEF2-like分支。该研究结果不仅有助于MADS-box转录因子信号转导途径的解析,而且可为进一步研究该家族基因的功能提供信息参考。     

WRKY转录因子调控植物养分吸收利用及重金属解毒的研究进展

WRKY蛋白是植物特有的一类重要转录调控因子，它们通过与下游基因启动子上的W-box元件特异性结合诱导或抑制相关基因的表达，从而调控植物生长发育以及植物对生物和非生物胁迫的响应。植物WRKY基因组数目多，在拟南芥、大豆和水稻基因组中已经分别鉴定出74、182和109个，在植物对干旱、盐害、高温、养分匮乏和病原体感染等各种生物、非生物胁迫的响应过程中起关键作用。例如AtWRKY45和AtWRKY75参与调控拟南芥应答低磷养分胁迫，GmWRKY142正向调控拟南芥对镉胁迫的耐受性。在植物面对逆境胁迫时，WRKY蛋白通过与养分相关基因启动子的W-box元件特异性结合，进而实现自我调节或交叉调节，激活或抑制下游基因的转录以应对各种逆境胁迫。众多WRKY下游靶基因也已被鉴定出来，例如PHT家族成员与磷营养相关；3个拟南芥WRKY基因和6个大豆WRKY基因参与调控植物对氮素的吸收利用；6个拟南芥WRKY基因、10个大豆WRKY基因和5个水稻WRKY基因调节植物应对低磷胁迫；2个拟南芥WRKY基因和6个大豆WRKY基因影响植物对钾的吸收利用；3个大豆WRKY基因参与调控植物对硫营养的吸收利用；1个拟...