烟草OSCA基因家族鉴定及非生物胁迫诱导表达模式分析

高渗门控钙渗透通道(OSCA,hyperosmolal-gatedcalcium-permeable channel)是一种Ca²⁺非选择性阳离子通道,OSCA家族含有钙依赖性通道DUF221结构域。为了进一步了解烟草OSCA基因家族特征和功能,本研究从栽培烟草K326基因组中鉴定到23个OSCA家族基因,并对NtOSCA家族系统进化关系、基因结构与蛋白结构域、启动子、不同组织器官及干旱和盐胁迫下表达模式进行分析。根据进化关系,NtOSCA基因家族被分为4个亚家族,并且同一亚家族成员间蛋白及基因结构相似。启动子分析结果表明,NtOSCA家族基因启动子中存在着多种不同的胁迫响应元件,其中干旱响应元件和脱落酸响应元件较多。进一步组织表达分析结果表明,NtOSCA基因家族成员在不同组织的表达量不同。干旱和盐胁迫表达模式分析表明,20个NtOSCA基因在干旱胁迫下表达量上调,15个NtOSCA基因在盐胁迫下表达量上调。这说明OSCA基因家族在烟草抗旱和抗盐胁迫中具有重要作用。     

芸薹属AC基因组中VIT基因家族的鉴定与进化

为了解液泡铁离子转运蛋白（vacuolar iron transporter,VIT）编码基因在芸薹属作物中的进化关系,在已完成的拟南芥、白菜、甘蓝以及甘蓝型油菜全基因组测序基础上,利用HMMER软件根据VIT保守的结构域对拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜全基因组的蛋白质序列进行同源检索,在四个物种中分别鉴定得到了9个、13个、12个和14个VIT候选基因;并且系统发育分析显示,VIT基因家族在四个物种可分为3类.VIT基因的启动子区域富含LTRE、ABRE、MYC、MYB和W-box等逆境应答相关顺式作用元件.蛋白质特性分析结果表明VIT结构域中具有多个保守的疏水氨基酸位点.表达谱分析显示所有VIT基因在所选取的组织中都有不同程度的表达.同时,线性对应的同源基因表达模式既有相似之处,又存在分化,而串联重复基因簇表达模式基本一致.     

甘蓝型油菜TFⅢA型锌指蛋白基因鉴别和表达模式

植物TFⅢA型锌指蛋白的锌指区含有保守的QALGGH区,属于C2H2型转录因子,参与调控植物生长发育和逆境胁迫应答.参照拟南芥AtZFP基因的C2H2结构域氨基酸序列,采用生物信息学方法鉴定了46个甘蓝型油菜TFⅢA型锌指蛋白基因,分析了基因结构、生化特性、进化关系和基因表达模式.结果表明：42个基因为单锌指蛋白基因,4个为多锌指蛋白基因;40个基因不含内含子,6个基因含内含子;46个基因的氨基酸序列同源性变幅为9.0% ～99.2%,氨基酸序列保守性差异明显,亚类成员间包含相同的保守基序,亚类间的保守基序不同;PlantCARE分析发现其启动子区富含激素、非生物胁迫及特定生理过程响应的顺式作用元件;RNA-seq分析表明,部分基因在甘蓝型油菜品种中双11号的根、初花期雌蕊和角果中特异表达.     

普通烟草碳酸酐酶家族基因的生物信息学分析

为挖掘普通烟草碳酸酐酶基因的信息并探讨其功能,本研究利用生物信息学方法,在烟草基因组数据库中对普通烟草碳酸酐酶家族成员进行了检索,并对其理化性质、遗传进化、基因结构、蛋白保守基序、顺式作用元件和组织表达模式进行了分析。结果显示,在普通烟草中至少含有9个α和6个β亚家族成员。在进化关系上,不同亚家族成员之间,序列同源性较低;与水稻相比,拟南芥和普通烟草两个亚家族间的亲缘关系较近。亚细胞定位分析结果显示,烟草α亚家族成员在细胞壁、细胞膜、线粒体、叶绿体、细胞质等细胞器中均有分布,而β亚家族成员均存在于叶绿体中。基因结构和保守基序分析说明,各亚家族成员的基因结构和蛋白保守基序呈现较高的一致性。启动子顺式作用元件分析显示,烟草碳酸酐酶基因的启动子中,均含有多个参与光反应、激素响应、非生物胁迫和机械损伤等相关的顺式作用元件。基因组织表达模式分析表明,烟草的碳酸酐酶基因不同成员在不同组织表达水平存在差异,并呈现出时空特异性。本研究结果为烟草碳酸酐酶基因的功能研究奠定了基础。     

普通烟草DREB转录因子的序列鉴定与表达分析

DREB转录因子含有一个保守的AP2/ERF结构域,在植物抗逆过程中起关键作用。利用生物信息学分析手段,以拟南芥DREB家族成员序列为参照,在普通烟草(Nicotiana tabacum)基因组公共数据库中鉴定出了68个DREB转录因子。对烟草DREB转录因子家族进行了理化性质、系统进化、保守结构域和表达分析。结果表明,普通烟草基因组编码68个DREB转录因子家族成员,氨基酸数目差异较大;系统发育分析表明,拟南芥和烟草的DREB转录因子共125个成员形成6个进化分支,其中烟草比拟南芥缺少A6分支;结构域分析表明,同一分支内的DREB转录因子的保守结构域以及motif具有高度的一致性;组织表达分析表明,大多数DREB家族基因在烟草中表达量较低,在衰老、干旱和病害胁迫下基因表达量较多。此研究将为烟草DREB转录因子的深入分析奠定了生物信息学基础。     

普通烟草GATA转录因子家族鉴定及基因表达分析

GATA转录因子在调控植物的生长发育和逆境胁迫应答等过程中具有重要作用。为了明确烟草中GATA基因的结构与功能,基于同源搜索和结构域鉴定的方法从普通烟草基因组中鉴定出57个GATA基因家族成员,分别命名为NtGATA1~NtGATA57。基因结构、保守结构域和系统进化的生物信息学分析表明:烟草GATA基因家族成员可分为4个亚族,且同一亚族成员核心结构域氨基酸序列组成非常保守,各基因成员的外显子数目在1~17之间。转录组数据分析表明:大多数NtGATA基因在烟叶衰老的不同时期均有表达,而且不同家族成员的表达模式存在差异;实时荧光定量PCR分析发现:10个NtGATA基因对冷、盐和干旱等非生物胁迫存在不同程度的响应。说明烟草GATA基因家族成员在烟叶成熟衰老及逆境响应过程中可能发挥了重要作用。      

蓖麻LEA基因家族的全基因组鉴定、分类及其进化分析

基于已公布的基因组和EST数据对蓖麻LEA基因家族进行全面鉴定和系统命名,并在此基础上分析了其基因结构、生化特征、进化关系和表达特性。结果显示,蓖麻基因组中存在27个LEA基因,分属于LEA_1、LEA_2、LEA_3、LEA_4、LEA_5、LEA_6、dehydrin和SMP 8个亚家族,它们散布于24条scaffold上,含有0～2个内含子不等,且其中有3个基因存在可变剪接;根据编码蛋白中的Pfam结构域类型及其进化关系,将这些LEA基因依次命名为RcLEA1-1和-2、RcLEA2-1和-2、RcLEA3-1至-3、RcLEA4-1至-7、RcLEA5-1和-2、RcLEA6-1和-2、RcLEA7-1至-5和RcLEA8-1至-4;利用BLAT分析基因表达谱显示,在叶片、花、II/III期胚乳、V/VI期胚乳和种子等组织中,所有RcLEA基因都有表达;启动子分析表明,RcLEA基因的启动子区富含LTRE、ABRE、MYC、MYB和W-box等逆境应答相关顺式作用元件。     

烟草ACS基因家族鉴定及二氯喹啉酸胁迫条件下的表达分析

二氯喹啉酸药害给烟叶生产造成较大影响。为明确烟草二氯喹啉酸药害的发生机制,对1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase,ACS)基因家族进行了鉴定,并对二氯喹啉酸胁迫条件下的基因表达模式进行分析。结果表明,普通烟草共有26个ACS基因。染色体定位分析显示,23个ACS基因定位在染色体上,3个定位在scaffold上。亚细胞定位分析显示,ACS主要定位于细胞核或细胞质中。进化分析表明,ACS蛋白进化形成3个类别。序列比对显示,ACS氨基酸序列含有家族保守结构域和活性位点。启动子分析发现,ACS基因启动子区含有脱落酸、茉莉酸、水杨酸、生长素和赤霉素5种激素反应共10种类型的顺式作用元件。表达分析显示,大部分ACS家族成员均受二氯喹啉酸诱导而上调表达。      

芸薹属AC基因组中SUC基因家族的鉴定与进化分析

为分析芸薹属AC基因组中SUC基因（负责蔗糖和质子同向转运的蛋白基因）家族的扩张与丢失,基于已公布的白菜和尚未公布的甘蓝及甘蓝型油菜基因组数据对SUC基因进行全基因组鉴定,并分析基因结构域特征、生化特征、进化关系和表达特性。依据HMMER程序构建的SUC基因家族的HMM（隐马尔科夫）模型,在白菜、甘蓝、甘蓝型油菜中,各检索出12、11和24个SUC候选基因;通过用SUC家族特征进行筛选,最终各保留了12、4和7个SUC基因;通过对SUC基因在拟南芥、白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中的系统发育分析,SUC基因家族在芸薹属物种中分成了3个亚类。利用MCscan对这4个物种基因组的共线性分析,结果表明SUC基因家族成员在芸薹属物种基因组加倍后以及白菜和甘蓝杂交形成油菜以后发生了不同程度的丢失。同时,序列生化特性预测结果表明SUC蛋白是属于偏碱性的疏水性蛋白且结构稳定;表达谱分析显示,所有SUC基因基本上在所有的组织中都有不同程度的表达;启动子分析表明,SUC基因的启动子区富含LTRE、ABRE、MYC、MYB和W-box等逆境应答相关顺式作用元件,因而该基因可能也与抗逆性相关。     

烟草祖先种及重要野生种PDR1基因的生物信息学分析

植物的多向耐药性（Pleiotropic drug resistance, PDR）转运蛋白隶属于ATP结合盒（ATP-binding cassette, ABC）转运蛋白家族的G亚家族。该类蛋白参与植物多种初生、次生代谢物的跨膜运输,在植物的生长发育、响应逆境胁迫、解毒过程中起着重要作用。近年的研究还表明,该蛋白与多种植物对真菌病原的抗性有关。本文以烟草祖先种和重要野生种为研究对象,以拟南芥PDR12蛋白、烟草的PDR1基因为探针,通过搜索同源序列,从数据库中提取烟草及祖先种、重要野生种中的PDR基因、蛋白序列,并通过生物信息学分析手段对其编码蛋白的理化特性、氨基酸序列特征、蛋白结构、功能、启动子序列及表达调控特征进行了分析,并以本氏烟（Nicotiana benthamiana）NbPDR1为代表,预测了该基因启动子的顺式作用元件,以普通烟草（Nicotiana tabacum）NtPDR1基因为例,预测了其基因编辑位点。结果表明,这些PDR基因相似性高,均编码跨膜蛋白,具有典型的跨膜结构域和核酸结合结构域。该基因启动子区有多个与病原真菌诱导、干旱等逆境胁迫响应相关的元件,暗示该基因可能是抗真菌病害、响应逆境胁迫的广谱抗性基因。最后,本文预测的基因编辑位点,为烟草PDR基因的功能研究、基因编辑及抗病育种提供理论基础。      

甘蓝型油菜BnERF104超表达增强了转基因拟南芥对核盘菌的抗性

根据拟南芥乙烯响应因子AtERF104的序列设计保守引物,从甘蓝型油菜品种中双9号中克隆到同源基因BnERF104。序列分析表明BnERF104蛋白含有一个典型的ERF domain保守结构域,属于乙烯响应转录因子ERF家族的成员。甘蓝型油菜用核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）接种6h后,BnERF104基因被诱导显著上调表达。BnERF104基因在转基因拟南芥中的超表达提高了病原相关蛋白（PR）防御素PDF1.2和几丁质酶ChiB基因的表达量,显著增强了对腐生营养型真菌核盘菌的抗性。     

绒毛状烟草钙依赖蛋白激酶基因家族分析

钙依赖蛋白激酶(CDPK)是一个多基因家族,在植物的钙信号转导中具有重要作用。以拟南芥、普通烟草和烟草属其他种中已知的CDPK序列检索绒毛状烟草基因组框架图数据库,获得绒毛状烟草CDPK基因,并对其进行基因结构、GC含量、系统进化关系、主坐标和基因表达谱分析。结果表明：共分离获得25个绒毛状烟草CDPK基因,它们均具有完整的开放读码框;系统进化树和主坐标分析证实这25个CDPK分布于4个亚家族中;RT-PCR分析显示,绒毛状烟草CDPK基因家族的空间表达存在明显的差异性。此为进一步阐明CDPK基因家族在烟草的钙信号转导过程中的功能及分子机制奠定了重要基础。     

Insights into the structural and functional evolution of plant genomes afforded by the nucleotide sequences of chromosomes 2 and 4 of Arabidopsis thaliana

The rapidly accumulating genome sequence data from the plant Arabidopsis thaliana allows more detailed analysis of genome content and organisation than ever before possible in plants. The genome shows a surprisingly high level of genetic redundancy, with as many as 75% of gene products showing significant homology to another protein of A. thaliana. Many duplicated genes occur in arrays of conserved order and indicate that A. thaliana is likely to have had a tetraploid ancestor. Analysis of the divergence of duplicated genome segments leads to the prediction of two major modes of plant genome evolution: macro-scale duplication and rearrangement of chromosomes and micro-scale translocations, duplication and loss of individual genes or small groups of genes.     

甘蓝型油菜BnERF50的超表达增强了转基因拟南芥对核盘菌的抗性

从接种核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）后的甘蓝型油菜品种中双9号cDNA芯片中筛选出一个新的抗性相关基因BnERF50。序列分析表明该基因产物BnERF50蛋白含有一个典型的ERF（乙烯相应转录因子）保守结构域,属于ERF家族成员。接种核盘菌24h后,该基因的表达量被诱导显著上调。在它的超表达转基因拟南芥中,病原相关蛋白（PR）防御素基因PDF1.2和几丁质酶基因ChiB的表达量升高,对腐生营养型真菌核盘菌的抗性显著增强。     

烟草DELLA基因家族的克隆与表达模式分析

为明确烟草受逆境胁迫时DELLA基因家族的转录调节功能,通过烟草EST序列比对分析克隆了3个DELLA基因家族基因（NtDELLA1,NtDELLA2,NtDELLA3）,并对3个基因的结构和表达模式进行了分析。生物信息学分析结果表明,烟草DELLA基因全长1 700 bp左右,其编码蛋白包含DELLA蛋白的特征结构域DELLA基序和VHYNP基序,与拟南芥DELLA蛋白家族的GAI蛋白高度同源,推测烟草DELLA蛋白与拟南芥DELLA蛋白具有类似的功能;荧光定量PCR分析结果表明,这3个基因在烟草不同组织和关键生长发育时期表达模式类似,尤以茎中表达量最高;胁迫应答分析结果表明,烟草DELLA基因的转录对干旱、低温、烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus,TMV）侵染和外源激素均表现出不同程度的响应,其中干旱、赤霉素（GA）和脱落酸（ABA）可抑制烟草DELLA基因的表达,而低温胁迫可诱导NtDELLA1上调表达,TMV侵染可诱导NtDELLA1和NtDELLA2的大量表达。      

油菜AP2／ERF家族转录因子的分离及其生物学功能

油菜的生长发育受病害、干旱、高盐和低温等逆境胁迫的影响较大。油菜植株中很多被上述胁迫诱导而表达的基因,如产物能直接增强油菜对逆境抗性的功能基因,和产物为转录因子而作为信号转导调控其它基因的表达而间接提高抗性的调控基因。很多转录因子涉及到油菜逆境抗性,AP2／ERF是其中重要的一个家族。目前通过不同方法从不同种类的油菜中共克隆了24个AP2／ERF家族转录因子,属于ERF和DREB／CBF亚族。这些基因分别能够被低温、干旱、高盐、乙烯、ABA和茉莉酮酸酯诱导,并启动油菜中一些相关下游基因的表达,从而增强油菜的抗逆性能。本文综述了油菜中AP2／ERF家族转录因子的克隆、进化关系分析、空间结构及生物学功能。