禾本科V-ATPase基因家族与全基因组加倍关联的适应性进化分析

V-ATPase在植物适应逆境中起着非常重要的作用,本研究以重要模式植物拟南芥V-ATPase相关基因为目标序列,通过在6个禾本科植物(水稻,大麦,玉米,高粱,谷子和二穗短柄草)基因组中进行比较分析,揭示该基因家族扩增机制和适应性进化进行研究。分析发现,七个不同的植物基因组虽然经历了不同全基因组加倍,其中谷子与玉米加倍关联的基因数量最多,但V-ATPase基因数量在每个基因组非常相近,尤其是禾本科中玉米相对其它物种多一次单独的特异性加倍,然而这一基因家族数量并未增加,这表明全基因组加倍虽然在一定程度上使得家族基因扩增,但是基因丢失可能也维持了该基因组的剂量;对七个基因组中的161个V-ATPase基因进行motif分类确定,不同物种基因组中的motif结构不同,拟南芥和水稻中c-亚基相关的基因数量最多;系统发育分析发现,拟南芥基因和水稻基因进化相对较快,并且在拟南芥中这一基因家族有3个基因簇,它们与基因的串联重复加倍有关联;适应性进化分析揭示B-亚基相关的基因在进化过程中受正选择压力影响进化。     

檀香科半寄生植物叶绿体基因组比较与进化分析

檀香科植物具有极高的观赏价值与经济价值,其中大多数为半寄生物种,包括兼性半寄生与专性半寄生类型,在半寄生类植物系统发育研究中具有重要的地位。本研究以檀香科12个半寄生物种叶绿体基因组序列为研究对象,分析其基因组基本特征、基因组比较以及系统进化关系。结果表明：(1)基因组特征分析方面：与典型的被子植物叶绿体基因组相比,檀香科半寄生物种叶绿体基因组略有缩短。檀香科物种密码子偏好性与其他陆生植物一致,密码子第三位更偏好A或T。重复序列和SSR序列鉴定结果表明,槲寄生属物种与其他物种在序列数目和长度上存在差异。(2)基因组比较分析发现,部分檀香科植物IR区域扩张引起了LSC-IR边界改变,IR-SSC区域差异是边界处基因区域倒置的结果。此外,部分蛋白编码基因(ndh, infA, matK,rpl33和ccsA)被假基因化或完全缺失。(3)基于叶绿体全基因组序列构建的系统发育树揭示了檀香科物种之间的进化关系,结果显示檀香科半寄生物种叶绿体基因组可能以谱系特异性方式进化。本研究结果为檀香科种间鉴别、SSR分子标记开发、系统发育和叶绿体基因组进化提供了理论基础。     

运用基因组和EST数据库进行电子克隆分离杨树功能基因的策略

杨树是重要的造林绿化树种,也是主要的工业用材树种,还是高大林木的模式树种.进行杨树功能基因的挖掘、克隆和功能的研究,是当前杨树基因组学的首要任务之一,不仅可为杨树品种改良和基因资源的有效利用奠定基础,而且对探讨林木的生理及遗传特性分子机制也具有重要的理论意义.电子克隆是近年来伴随着基因组计划和EST计划发展起来的基因克隆新方法,具有成本低、速度快、技术要求低和针对性强等优点.丰富的杨树EST数据和公布的杨树基因组序列框架图,使得利用电子克隆技术开展杨树功能基因的分离和鉴定已经成为可能.本文阐述了电子克隆分离杨树功能基因的基本方法、相关的生物信息资源,并讨论了电子克隆技术存在的问题和未来发展.     

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。     

鹰嘴豆WOX转录因子基因家族全基因组分析

WOX基因家族是植物中特有的转录因子家族,研究发现该基因家族调控植物生长发育的各个重要环节,本研究将在鹰嘴豆数据库中下载的WOX蛋白序列,利用HUMMER、Smart等软件进行筛选,鉴定出17个WOX基因家族成员,利用信息学方法对这些家族成员的基本信息,包括分子量、蛋白长度、等电点等进行分析,并利用生物信息学软件对鹰嘴豆WOX基因家族进化关系、保守区域、基因结构等进行系统性分析,将鹰嘴豆WOX基因家族分为古代进化支、中间进化支和现代进化支,结构分析表明该家族的全基因组序列是高度保守的,在进化过程中呈多样性。利用荧光PCR技术分析在盐胁迫下,根中WOX基因家族成员在不同时间点的表达情况,发现CarWOX5、CarWOX7和CarWOX11与耐盐胁迫调控密切相关。本研究对鹰嘴豆WOX基因家族进行了全面、系统的生物信息学分析,以期为后续的功能验证研究奠定基础。     

甜瓜MADS-box基因家族的鉴定及系统进化分析

中国是甜瓜的主要生产国家，种植面积和产量都位于世界首位。本研究通过全基因组分析鉴定了甜瓜MADS-box基因家族成员，分析甜瓜MADS-box基因家族成员的染色体定位、多重序列比对、motif分布和外显子-内含子结构分布，以及对其成员进行进化及表达分析，并分析启动子区的顺式作用元件分布。结果显示，从甜瓜全基因组数据库中共鉴定了45个甜瓜MADS-box基因，其中Ⅰ型基因11个，Ⅱ型基因34个；通过系统发育分析，Ⅰ型基因主要分布于Mβ和Mγ亚家族中；Ⅱ型基因则分布于13个亚家族；Ⅰ型基因与Ⅱ型基因的motif分布和外显子个数区别明显，但同型基因区别不大；对CmMADS-box基因家族全生理期表达量进行可视化分析并进行了共线性分析；根据启动子区的顺式作用元件分布情况，推测CmMADS-box基因可能响应多种外界胁迫，即具有功能多样性。该研究结果为探究甜瓜MADS-box基因家族生物学功能提供参考。     

杨树FBA基因家族的鉴定及生物信息学分析

果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(fructose-1,6-bisphosphate aldolase, FBA)广泛存在于动植物中,在植物众多代谢过程中发挥重要作用。本研究以毛果杨全基因组数据为基础,利用BlastP对比程序共鉴定了9个杨树FBA基因序列,命名为Pt FBAs,并对其基因结构、保守基序、染色体定位、基因倍增模式、系统进化以及基因表达模式进行了分析。结果表明:杨树9个FBA基因可分为Ⅰ类和Ⅱ类两组,同一组间的基因都具有相同的亚细胞位置和相似的序列长度,而Ⅰ组和Ⅱ组又可进一步分成Ⅰ-A、Ⅰ-B、Ⅱ-A和Ⅱ-B 4个亚组,且同一亚组的基因具有相似基因结构和保守基序。从定位在染色体上的9条基因中鉴定出2个基因的1个片段重复事件,且Ka/Ks值小于1,说明杨树FBA基因家族在进化过程中受到纯化作用。基于‘中林2025’及其两个红叶芽变种(‘全红杨’和‘炫红杨’)的转录组数据,分析了PtFBAs基因在不同品种杨树间的表达模式,结果显示5条基因在转录组中的表达量与三种杨树在每个时间点净光合速率的高低成正比,说明它们与杨树光合作用过程有一定的相关性。这一结果可为进一步开展杨树FBA基因的发掘与功能验证提供科学依据。     

桃TCP转录因子家族的鉴定与分析

TCP基因家族是含有bHLH基序的植物特有转录因子,广泛参与植物的多种生物过程。为了解桃(Prunus persica)中TCP家族的成员和特征,本研究基于其全基因组组装及注释数据,首次在桃基因组中对TCP基因进行了系统鉴定,并进行了染色体定位、蛋白特征、基因结构、进化关系、启动子区域顺式元件分析。结果显示:桃基因组中共有20个TCP家族成员,在7条染色体上均有分布,其推导蛋白的长度、分子量和等电点差异较大。大部分TCP基因不含有内含子,基因结构较为简单。桃TCP基因家族含有植物TCP家族的所有类别,每一类别均含有保守的且能明显区别于其他类别的特征。TCP基因家族的启动子区域含大量光应答、激素响应等顺式作用元件,与该基因家族功能的多样性一致。本研究初步探索了桃基因组中TCP基因家族的特征,为后期该基因家族在桃中的功能验证提供了理论支撑。     

枣OVATE基因家族的鉴定与生物信息学分析

OVATE基因家族编码一类广泛存在于植物体内的转录抑制因子,但枣中OVATE基因家族研究未见报道。本研究基于枣全基因组数据鉴定到枣OVATE基因家族15个基因,并对其进行生物信息学分析,发现15个基因非均匀地分布在8条染色体上,各基因长度相差较大,除了ZjOFP3以外,均不含有内含子结构。各基因共有motif 1保守基序,除ZjOFP15以外都含有motif 1、motif 2和motif 3保守基序且顺序相同。系统进化研究发现枣、桃和苹果等6个物种的OVATE基因家族的119条蛋白序列可以分为4个类群,而枣OVATE基因家族分布在各个类群中,进化过程中相对保守。枣OVATE蛋白分别定位细胞外、线粒体、质膜及细胞核上,反映出OVATE基因家族功能的多样性。此外,除了ZjOFP3、ZjOFP9和ZjOFP15以外,其余皆有着相似的三级结构。顺式作用元件预测发现枣OVATE基因家族与光响应、逆境胁迫、激素诱导、生长发育有关。本研究可为枣OVATE基因家族进一步研究提供参考。     

大麦HD-Zip Ⅳ基因家族的生物信息学分析

同源异型域-亮氨酸拉链第Ⅳ蛋白家族(Homeodomain-leucine ZipperⅣ,HD-ZipⅣ)是HD-Zip转录因子家族的第四亚族,为植物特有的一类转录因子蛋白,在植物的表皮发育、花色素苷积累、脂质转运以及角质层的生物合成等发挥了重要作用。利用大麦全基因组数据库,获得大麦HD-ZipⅣ基因多肽序列并鉴定了8条HD-ZipⅣ蛋白序列,对这些成员的染色体分布、蛋白质结构、基因结构与进化、转录表达等进行了预测和分析。结果表明,除了第3、4号染色体外,其他5条染色体上均有分布。理化性质和结构分析表明,大麦与其他物种的HD-ZipⅣ序列基本相似,但有细微差别。进化分析表明大麦HD-ZipⅣ基因可能在单、双子叶植物分化后发生多样化并扩大形成了该基因家族。大麦HD-ZipⅣ基因在生殖器官中特异表达,推测与大麦籽粒的生长与发育有关。本研究为研究大麦HD-ZipⅣ基因家族的生物学功能提供理论支持。     

番茄CBL家族基因的鉴定和遗传进化分析

植物CBL基因在逆境应答过程具有重要功能,但在番茄中缺乏相关报道。本研究利用生物信息学的方法从番茄基因组中鉴定出13个CBL基因,并对它们的基因组分布、分子特征、遗传进化以及顺式元件等进行了分析。结果发现,番茄CBL基因在基因组中的分布是不均匀的,外显子数大多为8或者9,编码区序列大小在561~774 bp之间。在进化上番茄CBL基因分为两个不同的类群;它们编码的蛋白除了一个预测定位在胞外基质中,其余定位在细胞的不同部位;在番茄CBL基因的上游序列中存在几个或者多个应答不同逆境和植物激素的顺式元件,而且不同成员含有的顺式元件的种类和数目各不相同。上述分析显示番茄CBL可能参与多种生物学过程,而且不同成员存在功能上的分化。本研究结果可为进一步研究番茄CBL基因的功能提供有益参考。     

毛竹WUSCHEL-related homeobox(WOX)基因家族鉴定及表达分析

WOX基因家族是植物特有的转录因子家族,在干细胞分裂和分化的维持中发挥着关键作用。虽然在模式植物拟南芥和水稻中,WOX基因家族的功能已有深入的研究,但是毛竹Ph WOX基因家族的表达模式和功能仍属未知。本研究系统地分析毛竹Ph WOX基因家族,首先在毛竹基因组数据库进行检索获取毛竹WOX基因家族,鉴定出毛竹基因组编码5个Ph WOX基因。通过遗传进化和基因结构分析,毛竹Ph WOX基因家族分为现代/WUS进化分支和古老进化分支。有趣的是毛竹Ph WOX基因家族在根、茎、叶和笋中广泛表达,并且在竹笋的发育过程中动态表达。本研究首次分析毛竹Ph WOX基因家族的功能,揭示了毛竹Ph WOX基因家族具有独特的进化模式和多样的表达模式,为后续探索毛竹发育的分子机制奠定基础。     

番茄RAV基因家族鉴定及生物信息学分析

RAV (Related to ABI3/VP1)基因是植物特有的转录因子,在调控胁迫响应和生长发育等过程中起着重要作用。为了明确番茄RAV基因家族成员并为其功能研究奠定基础,本研究在番茄全基因组范围内鉴定了RAV基因并对其进行系统的生物信息学分析。结果表明,番茄中有9个RAV家族基因,可以分为4个分支且同一分支内的基因结构和结构域相对保守。番茄、水稻和拟南芥RAV基因的同源进化关系、基因结构和保守基序分析结果表明,3个物种中的RAV基因的进化相对保守,预示着其功能的相似性。共线性分析结果表明,片段复制事件对番茄RAV基因家族的进化和扩张起着重要作用。与水稻RAV基因相比,番茄和拟南芥的RAV基因的进化关系更近。顺式作用元件分析表明,番茄RAV可能通过参与激素代谢参与逆境胁迫和生长发育等生物学过程。本研究结果揭示了番茄、拟南芥和水稻RAV基因的同源进化关系和番茄RAV基因的潜在功能,为进一步研究番茄RAV基因的生物学功能提供理论基础。     

蓖麻基因组Mlo基因家族成员的鉴定及其序列特征分析

Mlo基因家族是一类重要的植物抗病基因,而蓖麻基因组Mlo成员的鉴定和分析为进一步培育蓖麻抗病品种奠定基础。本研究通过系统地分析蓖麻基因组数据,从中共鉴定出16个Mlo成员,其中15个具有完整的ORF,1个序列缺失。对15个具有完整ORF的蓖麻Mlo基因进行结构分析发现,它们在序列长度上差异较大,但其编码蛋白均具有一个保守的Mlo结构域和6~7次跨膜结构,主要定位在细胞膜上。对蓖麻Mlo基因与其他物种的Mlo基因进行聚类关系分析,结果显示,可将蓖麻Mlo基因家族分为7类(Ⅰ~Ⅶ),其中第Ⅶ类只包含2个蓖麻Mlo基因(RcMlo8和RcMlo9),这可能是蓖麻中特有的一类Mlo;蓖麻RcMlo3、RcMlo2、RcMlo6和RcMlo12与已知的抗病Mlo基因分别聚在第Ⅳ和第Ⅴ类,这4个基因可能是蓖麻基因组中具有抗病功能的Mlo。本研究结果为进一步克隆蓖麻Mlo基因并研究其功能奠定了良好的基础。     

陆地棉ADH基因家族的全基因组鉴定及表达分析

本研究利用生物信息学方法对陆地棉ADH家族基因进行全基因组挖掘和分析,系统地解析Gh ADHs的序列特征、基因结构、染色体分布、非生物胁迫下基因表达模式以及蛋白进化关系、结构域特征与亚细胞定位等。结果表明:陆地棉基因组中共鉴定得到28个ADH,分布在16条染色体上;对应氨基酸可分为ADH1、FDH1、ADH0和BAD1等4个亚家族,长度从292~440个不等。均含有两个主要的结构域:催化结构域及辅酶结合结构域,且具有相同的亚细胞定位;表达分析显示大部分Gh ADHs对ABA、干旱、盐、碱、淹水、低温和高温等1种或多种胁迫表现出显著应答,暗示Gh ADHs在抵抗非生物胁迫中可能发挥重要作用。陆地棉ADH家族基因的鉴定与表达分析,为深入解析ADH响应棉花非生物胁迫中的功能及分子机制奠定了理论基础,进一步为棉花抗逆育种提供更多基因资源。     

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。     

大豆GmGLRs基因全基因组鉴定与表达分析

为明确大豆GmGLRs基因家族的结构特征以及不同组织的表达模式,利用生物信息学的方法,从全基因组水平鉴定了大豆GmGLRs基因家族,并对其染色体定位、系统进化关系、基因结构、跨膜结构域及组织表达模式进行分析。结果表明,在大豆基因组(Wm82.a2.v1)全基因组信息中共鉴定出17个GmGLRs基因。基因定位显示,这些基因不均匀的分布在10条染色体上,有5条染色体各分布1个GmGLRs基因,有3条染色体各分布2个GmGLRs基因,有2条染色体各分布3个GmGLRs基因。系统进化树分析将这些基因分为2个亚族,有2个GmGLRs基因在一个亚族,其他15个GmGLRs基因在另一个亚族,这些基因在系统进化关系上成对出现,表现出很高的同源性。基因结构分析表明,这些基因基本上都具有6个外显子,只有1个基因有7个外显子。此外,大豆GmGLRs基因的CDS序列长度差异不大,最长的CDS长度是2 844 bp,最短的CDS长度是2 409 bp,平均长度为2 748 bp。跨膜结构域预测结果表明,10个GmGLRs蛋白有3个跨膜结构域,4个GmGLRs蛋白有4个跨膜结构域,2个GmGLRs蛋白有5个跨膜结构域,1个GmGLR蛋白有2个跨膜结构域。组织表达模式研究显示,这些基因没有表现出组织特异性的差异,但是在表达丰度上存在显著差异,高、中、低丰度表达基因数分别为8,5,4个。结果为大豆GmGLRs基因的克隆和功能研究提供了理论基础。     

亚麻荠NBS类抗病基因家族的鉴定与分析

NBS类抗病基因是植物中最大的一类抗病基因。亚麻荠是一种新型能源及特用油料作物,抗病、虫、杂草及逆境能力极强。然而,有关其抗性分子机理鲜有报道。本研究采用NB-ARC标准结构域的HMM模型,对亚麻荠本地蛋白质数据库进行检索分析,在全基因组水平上鉴定NBS类抗病基因。结果表明亚麻荠基因组共有472个NBS类抗病基因,分布于17条染色体上,56%的基因成簇分布。所有串联重复基因也都以基因簇的形式出现,这表明串联重复有利于基因簇的形成。系统发生树分析显示TIR-NBS-LRR(TNL)和CC-NBS-LRR(CNL)两类亚家族的抗病基因可能在进化过程中遵循不同的进化路径,导致其在应对病原菌侵染时发挥不同的功能。本研究发现将为鉴定新的植物抗病基因和解析亚麻荠高抗病机制提供科学参考。     

芸香科植物叶绿体基因组结构和系统发育分析

本研究对已公布的芸香科12属43个物种叶绿体全基因组序列的结构特征进行了比较分析。芸香科叶绿体基因组大小为157～161 kb,基因数目为119～138,蛋白质编码基因数目为83～92。蛋白质编码基因中,11个为重复基因,共有基因为79个,13个基因存在不同程度的丢失。长度≥200 bp的蛋白质编码共有基因中,变异率最高的5个基因依次为ndhA、clpP、matK、rps16和rpl16。重复序列分析结果表明,最主要的重复序列类型为串联重复和回文重复,山小橘属2个物种的重复序列显著多于其他物种。大部分SSR (Simple sequence repeats)位点都偏向于A或者T组成,柑橘属中以三核苷酸重复最多,花椒属中主要为二核苷酸重复(单核苷酸重复除外)。基于基因组序列和蛋白质编码基因,均得到支持率高,拓扑结构基本一致的系统发育树结果。芸香科为单系类群,科下形成两个大分支,其中柑橘亚科为单系和芸香属形成一支;另一大支中,香肉果属是最早分化出来的类群,黄檗属+吴茱萸属为花椒属的姐妹群。本研究结果有助于更好的了解芸香科物种的系统进化。