与蒙古冰草抗旱相关的NAC转录因子生物信息学及其表达分析

NAC转录因子具有调控植物生长发育及应对非生物逆境胁迫等多种功能。为筛选蒙古冰草（Agropyron mongolicum Keng）抗旱相关的NAC转录因子，本研究基于转录组测序数据，利用生物信息学方法对蒙古冰草NAC转录因子的结构、理化性质、进化关系和保守性等进行分析，同时运用实时荧光定量技术对抗旱相关的2个NAC基因进行差异表达分析。结果表明：筛选出26个蒙古冰草NAC家族成员，其中15个具有完整NAC转录因子结构域，其均属于亲水性蛋白，大部分定位于细胞核；15个蒙古冰草NAC转录因子的蛋白磷酸化位点均含有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。进化关系比对显示AmNAC100和AmNAC102-2转录因子与已知有抗旱功能的NAC蛋白同源性极高，其二、三级结构主要以无规则卷曲为主，motif1，2，3，8为其共有的保守基序，多序列比对将保守结构域划分为子域A—E。差异表达分析发现AmNAC100和AmNAC102-2基因相对表达量均高于对照（CK），在蒙古冰草干旱胁迫中起正调控作用。     

蒙古冰草脱水素基因生物信息学识别及表达分析

为挖掘蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)干旱胁迫响应的脱水素基因,本研究在转录组测序数据的基础上,利用生物信息学方法对蒙古冰草脱水素基因进行理化性质、亚细胞定位、保守基序、系统发育进化分析,对不同干旱处理的脱水素基因进行差异表达分析。结果表明：共筛选到6个具有脱水素蛋白保守结构域的蒙古冰草脱水素基因,蛋白大小在81～275个氨基酸残基之间;分子量在0.83～2.75 kD之间;理论等电点在5.14～10.00之间;6个脱水素基因预测均位于细胞核;AmDHNs基因编码的蛋白均包括motif1和motif2;系统进化树发现DN14936＿c0＿g6,DN18948＿c1＿g4与已知具有抗旱功能的基因具有较高同源性。qRT-PCR分析与对照(CK)相比5个基因在干旱处理下显著差异表达,1个基因的表达量差异不显著,综合转录组测序数据和qRT-PCR分析表明6个基因的表达量随干旱处理时间延长总体呈上升趋势。本研究可为蒙古冰草抗旱相关脱水素基因的生物学功能验证提供理论基础。     

苜蓿全基因组WRKY转录因子基因的分析

蒺藜苜蓿的基因组较小,遗传转化相对容易,是国际上广泛用于研究豆科植物的模式植物,其全基因组测序已经完成。WRKY转录因子是近年来在植物中发现的N-端含有WRKYGQK高度保守氨基酸序列的新型转录调控因子, 调节启动子中含W-box元件的调节基因和(/或)功能基因的表达, 从而参与植物的各种防卫反应。本研究以苜蓿基因组序列(Mt2.0)为材料,利用生物信息学方法分析苜蓿全基因组WRKY转录因子基因的数目、种类、系统发生学、保守基序,结果表明,苜蓿中共有28个WRKY基因,其中5个基因含有2个WRKY结构域,共含有33个WRKY结构域,根据其结构域特点可以分为3个大类,同时与水稻WRKY基因进行了比较研究,发现基因数目远少于拟南芥和水稻,同时研究证实苜蓿与水稻WRKY基因的起源和进化关系存在较大差异,显示出苜蓿WRKY进化有其独特的特点,此外分析苜蓿WRKY基因的保守motif共有46个,筛选得到WRKY结构域的5个保守motif。该研究对苜蓿WRKY基因功能的研究及进化具有重要的意义。     

全基因组水平紫花苜蓿TCP基因家族的鉴定及其在干旱胁迫下表达模式分析

紫花苜蓿是世界最重要的豆科牧草之一，干旱是影响其产量和地理分布的关键瓶颈。在紫花苜蓿响应干旱胁迫过程中，转录因子发挥着重要的调控作用。TCP（teosinte branchesd 1/cycloidea/pro-liferating cell factors）为植物特有的转录因子，在植物生长、发育、响应逆境胁迫中都具有重要的生物学功能。截至目前，该基因家族在紫花苜蓿中的分布以及响应干旱胁迫的生物学功能仍未见报道。因此，为进一步挖掘紫花苜蓿中响应干旱胁迫功能基因，本研究利用生物信息学方法在全基因组水平对TCP基因家族进行了鉴定，并对其系统进化、基因结构、染色体定位、共线性分析以及干旱胁迫下的表达模式进行了分析。结果表明，紫花苜蓿基因组中共鉴定出40个MsTCP基因，不均匀地分布于20条染色体上，其中包括17对旁系同源基因对，且都是基因片段复制事件。系统发育和保守结构域分析发现，MsTCP基因可以分为2个大分支和3个亚家族（PCF， CIN与CYC/TB1），同一分支中的成员具有相同氨基酸数目的TCP结构域，同亚家族中的成员具有相似的保守基序与基因结构。此外，通过分析紫花苜蓿响应干旱转录组数据共鉴定出4个可能与紫花苜蓿响应干旱胁迫有关的MsTCP基因（MsTCP23，MsTCP27，MsTCP29，MsTCP33）。qRT-PCR结果进一步表明PEG模拟干旱胁迫处理后，这4个基因的表达量在根和叶中均显著上调，进一步确定了这些基因的确响应紫花苜蓿干旱胁迫。该研究为后期深入解析紫花苜蓿响应干旱胁迫理论以及通过基因工程技术创制高抗旱紫花苜蓿新种质奠定基础。     

白羊草NAC转录因子家族生物信息学分析

NAC转录因子家族是植物特有的一类重要转录因子,广泛参与植物生长、发育以及器官的建成、逆境胁迫应答等过程。为进一步研究白羊草（Bothriochloa ischaemum） NAC转录因子家族,本研究利用生物信息学方法对白羊草NAC基因所编码的蛋白理化性质、二级结构、保守基序、亚细胞定位、潜在磷酸化位点及系统进化关系进行了分析。结果显示,具有NAC结构域的21条白羊草氨基酸序列共分为10个亚家族,蛋白二级结构以无规则卷曲为主要组成部分,含有5个保守基序,大多数NAC蛋白定位于细胞核,均含有潜在的丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）、和酪氨酸（Tyr）磷酸化位点。本研究将为白羊草NAC基因家族的进一步功能分析奠定重要的研究基础。     

全基因组水平蒺藜苜蓿CPP基因家族的鉴定及表达模式分析

CPP （cysteine-rich polycomb-like protein）基因家族是一类小转录因子，广泛存在于除酵母与原核生物外的各种生物体中，在植物生长发育及响应胁迫过程中具有重要作用。截至目前，CPP基因家族已在多个物种中被鉴定和研究，但在豆科模式植物蒺藜苜蓿中还未见报道。本研究采用生物信息学的方法，在蒺藜苜蓿中共鉴定出9个CPP基因。通过与3个物种CPP基因的蛋白序列构建系统发育树，将CPP基因分为3类，MtCPP成员与大豆的亲缘关系更接近。保守结构域分析表明MtCPP转录因子都具有1~2个CXC保守结构域。染色体定位分析得出，9个CPP基因分布在6条染色体上，并鉴定出2对旁系同源基因，均来源于片段重复事件。通过基因芯片技术检测MtCPP基因的表达模式结果显示，MtCPP基因的表达具有一定的时空特异性。MtCPP基因启动子中含有大量与激素以及胁迫相关的顺式作用元件，并且MtCPP2、MtCPP5、MtCPP6和MtCPP7基因具有响应干旱的表达特征，MtCPP2和MtCPP8基因具有响应盐胁迫的功能。该研究可为后期深入解析MtCPP基因家族功能和筛选参与苜蓿抗逆的MtCPP基因奠定基础。     

海马齿NAC基因的鉴定及盐胁迫响应

NAC基因是仅存于植物中的一类特殊的转录因子，在植物响应生物和非生物胁迫中发挥重要作用。本研究基于转录组测序数据分析，在海马齿(Sesuvium portulacastrum)中共鉴定出10个NAC家族成员，对其蛋白质结构及其理化性质进行分析，结果表明：10个SpNACs的氨基酸数量在164～651之间，分子量大小在18 400.34 Da～68 678.02 Da之间，等电点分布在4.34～8.52之间，均为定位于细胞核的亲水性蛋白，其中SpNAC02和SpNAC08具有跨膜结构。保守基序预测发现多数SpNACs中存在三个motif,但SpNAC05不含motif, SpNAC09只含motif2,SpNAC07只含motif2和motif3。聚类分析结果10个SpNACs聚类在6个亚家族。利用qRT-PCR分析表明在盐胁迫下除SpNAC03在茎、叶不表达以外，其它9个基因均在根、茎和叶中表达。盐生环境下(40‰NaCl)10个NACs基因的表达均受到不同程度的抑制。以上研究丰富了植物NAC基因家族成员信息，为筛选和鉴定海马齿抗逆基因提供参考。     

抗逆转录因子在百脉根中的功能分析

为提高豆科牧草百脉根抗旱方面的能力,从沙生植物胡杨和铃铛刺中克隆了4个抗逆转录因子基因并进行功能分析,从中筛选了2个具有抗旱特性的基因PeDREB2a和HhERF2,构建了以磷酸甘露糖异构酶为筛选标记的单、双价植物表达载体,转化百脉根Leo品种,结果表明,转录因子基因明显改善了百脉根的抗旱特性,经过抗旱复水试验证明转基因百脉根成活率达到100%。     

黑果枸杞GRF转录因子家族鉴定与生物信息学分析

为探究黑果枸杞（Lycium ruthenicum） GRF基因家族成员在盐胁迫下的耐盐分子机制，采用生物信息学方法，对黑果枸杞转录组数据库进行分析，并对GRF家族成员的理化性质、保守结构域、进化树、基因家族表达谱进行分析。结果表明，通过转录组数据共筛选出14个GRF家族成员，这些蛋白编码氨基酸的个数为136~585 aa，等电点为5.58~9.33，分子量为14.566 97~62.986 65 kDa。保守基序表明，多数黑果枸杞GRF的N端具有QLQ和WRC保守结构域。系统进化分析发现，14个LrGRFs被分为7个亚族，位于同一亚族的GRF基序组成相似，部分黑果枸杞GRF与番茄GRF具有相对应的进化关系。表达谱表明，不同组织的LrGRFs在不同盐胁迫下均有响应，其中LrGRF6，LrGRF10和LrGRF12在根中高表达，而LrGRF2，LrGRF6和LrGRF10在叶中表现为高表达，这表明其可能在黑果枸杞中发挥着更加重要的调控作用。结果为进一步深入揭示LrGRFs在盐胁迫环境下的分子机制奠定了理论基础。     

羊草DREB转录因子的系统发育和功能研究

羊草是兼具经济价值和生态价值的重要牧草,具有耐寒、耐旱和耐盐碱的特点。在植物应对非生物胁迫的过程中,DREB转录因子起到关键作用。然而,目前在GenBank的核酸数据库和EST数据库中羊草仅有2条DREB序列,其中只有1个DREB基因的功能得到实验验证。本研究从羊草转录组测序数据中1次挖掘了26条DREB EST。用羊草EST和拟南芥基因组中DREB基因的蛋白序列构建了系统发育树, LcDREB21位于第4类群,是DREB2类转录因子基因。通过RACE,获得了LcDREB21编码区全长(Genbank登入号:JN860437)。荧光定量PCR结果表明,其表达受干旱和高盐诱导。另外,通过酵母单杂交实验证明了LcDREB21具有转录激活功能;通过表达GFP融合蛋白证明其专一性定位在细胞核中。总之,LcDREB21是一个具有转录激活功能和细胞核专一定位能力的转录因子,可能在植物应对干旱和高盐胁迫的过程中起作用。本实验结果丰富了羊草抗逆基因数据库,为植物改良提供了基因资源。     

7种禾本科牧草抗旱性研究与评价

以7种多年生禾本科牧草（蒙古冰草-宁夏、蒙古冰草-内蒙古、沙生冰草、扁穗冰草、细茎冰草、格兰马草、老芒麦）为研究对象，系统分析了农艺性状（绿叶数和株高）收益与土壤水分收益的权衡关系，将权衡值（RMSD）与土壤含水量作为分位数模型变量，确定维持植物正常生长的土壤含水量的响应阈值，同时研究干旱胁迫下生理指标综合评价值，进行抗旱性评价。结果表明：1）干旱胁迫程度越高，牧草的绿叶数和株高受到的负面影响就越大；2）不同牧草对干旱胁迫的耐受程度和范围有差异，其中，细茎冰草和格兰马草的绿叶数-土壤含水量阈值分别为9.1%和9.7%，细茎冰草、格兰马草和蒙古冰草-宁夏的株高-土壤含水量阈值分别为4.6%、5.6%和13.0%，其余牧草分位数模型均未通过显著性检验；3）通过7项生理指标评价分析，7种多年生禾本科牧草抗旱性强弱表现为：蒙古冰草-宁夏>格兰马草>细茎冰草>蒙古冰草-内蒙古>沙生冰草>扁穗冰草>老芒麦；4） 综合土壤含水量阈值与抗旱生理评价，细茎冰草与格兰马草可作为中度干旱区的引选牧草。     

沙芦草种子发芽抑制物的初步探究

沙芦草又称蒙古冰草,具有抗旱、抗寒、抗病、耐盐碱等优良性状,是荒漠草原和典型草原地带沙地主要植被之一。沙芦草种子存在发芽率低、发芽持续时间长等野生特性,这对沙芦草人工种子繁育和生产利用造成一定程度的影响。为探究沙芦草种子休眠机制,试验分别用石油醚、乙醚、乙酸乙酯、甲醇、丙酮等5种有机溶剂和纯水对沙芦草种子稃壳进行浸提,利用白菜种子发芽试验测定各提取相的抑制性,通过气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对5种有机溶剂浸提液进行分离鉴定,确定浸提物质的种类和性质。结果表明：沙芦草种子稃壳的各相浸提液对白菜种子的发芽率、根长及苗高均有不同程度的抑制作用,其中抑制作用最强的是水相,其次是乙酸乙酯相和甲醇相;通过GC-MS检测,发现沙芦草种子稃壳中存在烷类、醇类、酯类、酮类、苯类、酰胺、缩醛、酸类和酚类等9类32种有机化合物,其中醇类、酮类和烷类物质的含量相对较高,且大部分为水溶性物质。因此,沙芦草种子稃壳中存在的醇类、酮类和烷类等可溶性物质是引起沙芦草种子休眠的主要原因之一,该研究可为寻找沙芦草种子休眠破除方法提供理论依据。     

不同群落生境蒙古冰草种群株丛结构和叶片功能性状的变化

为探究蒙古冰草种群动态及叶功能性状在不同群落生境的变化，以宁夏盐池县荒漠草原蒙古冰草+草木樨状黄芪（MC）、蒙古冰草+老瓜头（ML）、蒙古冰草+牛枝子（MN）3种不同群落生境为研究对象，按丛径将蒙古冰草个体划分为Ⅰ级株丛（0~2.0 cm）、Ⅱ级株丛（2.1~4.0 cm）、Ⅲ级株丛（4.1~6.0 cm）、Ⅳ级株丛（6.1~8.0 cm）、Ⅴ级株丛（8.1~10.0 cm）和Ⅵ级株丛（>10.0 cm），研究了不同群落生境蒙古冰草种群的株丛结构和叶功能性状。结果表明：在蒙古冰草+草木樨状黄芪和蒙古冰草+牛枝子群落生境中，Ⅰ、Ⅱ级株丛较多，株丛密度较大，在蒙古冰草+老瓜头群落生境中，以Ⅲ、Ⅳ级株丛为主，株丛密度较小。蒙古冰草+草木樨状黄芪和蒙古冰草+老瓜头群落生境中蒙古冰草叶面积和比叶面积分别为4.68 cm²和41.2 cm²·g^-1、4.70 cm²和39.2 cm²·g^-1，显著高于蒙古冰草+牛枝子群落生境的3.38 cm²和27.7 cm²·g^-1。蒙古冰草株丛结构主要受土壤全钾的影响，而土壤水分、有机碳、全氮和全磷是影响叶功能性状的主要因子。由此，可通过改变种群数量特征和叶功能性状以适应自然生境的变化。     

干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草光合和生理特性的影响

为明确干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草（Agropyron mongolicum）光合和生理的影响，本研究以‘盐池’沙芦草新品种为材料，采用盆栽试验，设置对照CK（正常供水，75%田间最大持水量）、干旱D（35%田间最大持水量）、盐S（75%田间最大持水量，土壤含盐量0.4%）和旱盐复合DS（35%田间最大持水量，土壤含盐量0.4%）4个处理，测定其生长、光合响应和生理特性等指标。结果显示：沙芦草株高、叶面积和根直径在S胁迫下比CK显著升高（P<0.05），D与DS胁迫下，根表面积、叶面积和根直径与CK均存在显著差异，但DS胁迫造成的伤害小于D胁迫；沙芦草的光合特性指标在S胁迫后升高，D和DS胁迫下呈现下降趋势，DS胁迫降低幅度小于D胁迫；D，S，DS胁迫下沙芦草的过氧化物酶（Peroxidase，POD）、Na⁺/K⁺比、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）、游离脯氨酸呈现升高趋势，且DS胁迫下的POD、游离脯氨酸介于单一胁迫之间，MDA含量高于单一胁迫。结果表明，沙芦草具有一定的耐盐性，并且在DS胁迫下表现出一定交叉适应性。     

千穗谷TALE转录因子家族的生物信息学分析

TALE转录因子广泛存在于植物中，对植物的生长发育和对外界环境的响应发挥着重要作用。本研究在千穗谷(Amaranthus hypochondriacus)基因组中共鉴定出11个TALE基因。系统发育分析将千穗谷TALE家族蛋白分为BELL和KNOX两个亚家族，同一亚家族中的AhTALEs基因具有相似的基因结构，编码蛋白也具有类似的结构域。蛋白二级结构和三级结构分析都表明AhTALEs蛋白由螺旋-角-螺旋的结构构成。此外，对千穗谷与其他物种的TALE基因共线性关系、组织表达特性和AhTALEs基因启动子区的顺式作用元件分析发现，不同AhTALEs亚家族在各组织中的表达模式不同，并且发现启动子区包含大量非生物胁迫和激素响应元件，这为AhTALE家族的进化分析提供了依据。qRT-PCR分析发现AhTALEs基因在低温和干旱胁迫下的表达水平有不同程度的变化，表明AhTALEs基因能够响应低温和干旱胁迫应答。本研究为开展千穗谷中TALE转录因子在非生物胁迫中的生物学功能研究提供了重要参考。     

荒漠草原人工柠条对冠下蒙古冰草种子萌发和幼苗生长的影响

本研究以盐池县荒漠草原人工柠条林（Caragana intermedia）为研究对象,将蒙古冰草（Agropyron mongolicum）种子分别播于柠条冠下两侧（东侧SE,西侧SW）及带间（CK）,通过定期观测微气候及蒙古冰草的种子萌发和幼苗生长,探讨人工柠条林对冠下微气候、蒙古冰草种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明：SW和SE的土壤温度分别为18.57℃和18.51℃,显著低于CK（P<0.05）,空气相对湿度分别为40.73%和34.51%,高于CK;不同微生境条件下蒙古冰草幼苗数均在播种后60 d达到最高,自出苗开始至结束,SW和SE的幼苗数均显著高于CK（P<0.05）,总出苗率分别较CK增加了18.97%和20.00%,存活率分别较CK增加了24.04%和17.34%;自播种后45 d起SW和SE的苗高均显著高于CK（P<0.05）,至90 d时SW和SE的苗高分别达10.19 cm和10.01 cm;冗余分析表明空气相对湿度和土壤有机碳是影响蒙古冰草种子萌发和幼苗生长的主要因子。综上所述,柠条灌丛对蒙古冰草种子萌发和幼苗生长具有一定的保育作用。     

不同生长年限黄芪田间杂草群落结构特征

杂草是抑制药用植物生长发育，影响其产量和质量的主要生物因子。黄芪为多年生药用植物，在其生长过程中田间杂草群落结构不断发生变化。通过田间调查统计发现整个黄芪田中杂草有66种，分属24科59属。其中以菊科和豆科杂草种类最多，分别有10种。优势种有冰草、狗尾草、虫实、田旋花、苦荬菜等。不同生长年限黄芪田中杂草群落结构不同，一年生黄芪田间杂草丰富度、Shannon-Wiener指数和Pielou指数均最低（32、1.71、0.49），Simpson指数最高（0.372），杂草集中度高。十年生黄芪田间杂草的Shannon-Wiener指数和Pielou指数均最高（3.14、0.82），Simpson指数最低（0.068），群落结构趋于稳定。生长年限相近的黄芪田杂草群落结构特征相近，以三年生与五年生黄芪田最为相似，Sorenson指数最高（0.828）。伴随年限的增加，黄芪田中杂草群落优势种变化趋势为“一年生种子植物-多年生小草本-多年生大草本/小灌木”，建群植物变化趋势为“虫实-冰草-醉马草/冷蒿”。黄芪田中杂草主要有两大类传播方式：以种子传播的游击战模式和以根茎走窜传播的根据地模式，分别以虫实和冰草为代表植物。     

蒙古冰草非结构性碳水化合物及碳氮磷化学计量特征对氮添加的响应

为揭示蒙古冰草对氮添加的响应机制,设置5个氮添加水平（0,0.8,1.6,2.4,4.0 g N·m^-2·a^-1）对蒙古冰草进行为期2个月处理后,测定根系、叶片中可溶性糖、淀粉、碳（C）、氮（N）、磷（P）的含量,分析氮添加对蒙古冰草叶片、根系非结构性碳水化合物（NSCs）与C、N、P含量及其化学计量特征关系的影响。结果表明：2.4 g N·m^-2·a^-1的氮素添加显著提高了蒙古冰草叶片、根系NSCs含量与C、N、P含量,且不同器官的响应有显著差异性（P<0.05）。叶片NSCs含量与叶片N、可溶性糖、淀粉含量、C/P及N/P呈显著正相关关系,与叶片P含量、C/N呈显著负相关关系（P<0.05）;根系NSCs含量与根系C、N、C/P、N/P、可溶性糖和淀粉含量呈显著正相关（P<0.05）。叶片与根系N/P是影响蒙古冰草体内可溶性糖积累的主要因子;根系N含量与叶片P含量共同影响淀粉含量;叶片P含量、根系N含量及根系N/P综合影响NSCs含量。综上,适量的氮添加会缓解研究区蒙古冰草的N限制,促进NSCs合成,而大量氮添加会导致N、P比例失衡,加剧P限制。因此,未来气候变化背景下蒙古冰草人工草地种植或退化草地恢复管理过程中需要考虑优化氮肥施用量与适当的磷添加。     

紫花苜蓿R2R3-MYB亚家族鉴定与干旱胁迫下的表达分析

MYB(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)家族是最大的转录因子家族之一，R2R3-MYB亚家族在植物胁迫响应、次级代谢、生长和发育等过程发挥重要作用。本研究利用紫花苜蓿(Medicago sativa‘Zhongmu No.1’)基因组和转录组数据，通过生物信息学方法鉴定了R2R3-MYB转录因子，并对其序列特征、系统进化、染色体分布、基因结构、顺式作用元件及干旱胁迫下的表达模式进行分析。结果显示，紫花苜蓿中有121个R2R3-MYB亚家族成员，各成员均具有两个典型的MYB结构域，理化性质变化较大。系统进化分析将121个成员分为33个组，各成员无规律地定位在8条染色体上。基因结构和顺式作用元件分析发现，同一分组具有相同或相似的外显子数和顺式作用元件。响应干旱胁迫表达模式分析和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)结果表明干旱胁迫下MsMYB12,MsMYB45,MsMYB52,MsMYB73,MsMYB88,MsMYB124,MsMYB149,MsMYB189,MsMYB268基因的表达量显著上调，可作为后期紫花苜蓿响应干...