甘蓝型油菜NBS-LRR基家族的鉴定及密码子偏好性分析

NBS-LRR（nucleotide binding site and leucine rich repeat）是庞大且复杂的基因家族,对植物的抗病性具有非常重要的作用。为深入了解甘蓝型油菜NBS-LRR基因家族,合理开发利用基因资源,对甘蓝型油菜（Brassica na?pus L.）及相关物种的NBS-LRR基因进行了生物信息学分析,包括基因家族鉴定、系统进化分析、保守基序、基因结构、染色体定位以及密码子偏好性分析等。以拟南芥为参考,在甘蓝型油菜中鉴定到463个NBS-LRR基因家族成员,根据结构域将其分成TIR-NBS-LRR 和CC-NBS-LRR 两类,再分别细分为4 和8 个亚组。19 条染色体均有NBS-LRR基因,其中ChrC09上分布最多,达到53个;NBS-LRR基因以基因簇形式存在居多,可推测抗病基因NBSLRR发生了大规模片段复制。分析5个物种（甘蓝、白菜、甘蓝型油菜、水稻和拟南芥）的NBS-LRR家族基因密码子 偏好性,结果发现,甘蓝型油菜抗病基因有效密码子数范围与甘蓝（B. oleracea L.）更加相近。然后进一步对甘蓝型油菜和白菜（B. rapa L.）与甘蓝的共线直系同源关系进行偏好性分析,并获得相同发现,推测甘蓝型油菜可能和甘蓝在抗病基因密码子的使用偏好上更为相似。     

甘蓝型油菜ZIP基因家族全基因组鉴定与表达分析

ZIP基因家族是重要的转运蛋白类基因家族,主要参与金属阳离子的吸收和转运,在植物生长发育和重金属胁迫响应中发挥重要作用。为解析甘蓝型油菜中ZIP基因家族,采用生物信息学方法在甘蓝型油菜中鉴定到51个ZIP基因家族成员,对比芸薹属三个基本种发现ZIP基因家族在A、C亚基因组上有串联重复现象。以甘蓝型油菜品种中双11(ZS11)全基因组为参考基因组,将ZIP基因家族定位到17条染色体上,预测到10种Motif基序,均包含ZIP结构域,并对ZIP基因家族上游3 kb的启动子区域进行了顺式作用元件测序。通过系统进化树分析,将甘蓝型油菜ZIP基因家族分成3大类,在芸薹属三个基本种的进化具有保守性。此外,ZIP基因家族在甘蓝型油菜中表现出组织特异性表达特点,并且在油菜不同组织和不同发育时期中BnaZIP1、BnaZIP4、BnaZIP5、BnaZIP6、BnaZIP10、BnaZIP11和BnaIRT3基因。用不同浓度镉处理油菜,发现在叶和根中都被诱导表达的基因是BnaIRT1.A01a,该基因在油菜重金属镉胁迫响应中可能发挥重要作用。本研究结果为后续ZIP基因家族生物学功能研究提供了一定的参考。     

甘蓝型油菜SERK基因家族的鉴定与系统进化分析

体细胞胚胎发生类受体激酶（somatic embryogenesis receptor-like kinase，SERK）与植物体细胞胚发生，尤其是与植物非生物逆境胁迫响应有关。为鉴定甘蓝型油菜中BnaSERK基因家族成员、揭示其进化关系及其与油菜盐/旱胁迫的响应，利用生物信息学方法对甘蓝型油菜品种中双11的SERK家族成员、基因结构、进化关系、选择压力等进行系统分析，并初步分析了部分BnaSERK基因在盐/旱胁迫下的表达响应模式。结果表明：在甘蓝型油菜基因组共鉴定到24个BnaSERK基因，它们不均等地分布在15条染色体上，可分为3个亚族，具有相对保守的基因结构和保守基序，且含多种与激素和非生物胁迫响应相关的顺式作用元件。共线性分析表明，甘蓝型油菜和拟南芥、白菜、甘蓝分别有14对、44对和32对基因表现出共线性。基于比较基因组学研究，甘蓝型油菜BnaSERK基因在经历多倍体化之后，出现了不同程度的丢失现象。分析表明，BnaSERK基因家族在芸薹属物种间的进化相对保守。盐/旱胁迫下的5个BnaSERK基因在叶片中的表达模式分析结果显示，BnaA07g29610D、BnaC01g43240D、BnaCnng07810D基因在盐胁迫下表达量上调，而BnaA01g23070D、BnaA07g23390D基因则表现为下调；BnaA07g23390D、BnaA07g29610D基因在干旱胁迫下表现为上调表达，而BnaC01g43240D、BnaCnng07810D、BnaA01g23070D基因呈下调趋势。表明BnaSERK基因可能在油菜响应盐/旱胁迫的调控机制中发挥着重要作用。     

油菜miR156基因家族及其靶基因生物信息学分析及鉴定

为阐明油菜miR156基因家族的进化过程和靶基因作用位点,分析了油菜miR156基因家族的序列特征、进化模式和候选靶基因。共获得35个bna-miR156基因,对应44个成熟序列。这些bna-miR156基因分布在油菜的17条染色体上,其中C3染色体上分布着5个bna-miR156基因。bna-miR156基因在产生成熟序列的区域高度保守,而其它其它位置保守性较低,进化分析结果显示bna-miR156家族可以分为5个分支,家族成员分布较为分散,且位于同一条染色体上的bna-miR156基因并没有表现出更近的亲缘关系。另外,系统发育分析结果显示SBP-box基因在双子叶植物油菜、拟南芥中存在相似的进化模式,进一步发现只有部分BnaSBP家族基因拥有bna-miR156的作用位点,其中30个BnaSBP基因的靶位点位于编码区,11个位于3`UTR。一些拥有bna-miR156作用位点的BnaSBP具有组织表达特异性,因此bna-miR156可能与BnaSBP相互作用,调控油菜生长发育过程。      

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。     

甘蓝型油菜全基因组DELLA蛋白基因家族的鉴定和表达分析

DELLA蛋白是参与赤霉素调控途径的关键因子,对调节植物的生长发育具有重要的作用。为了揭示甘蓝型油菜中DELLA蛋白家族的分布和特征,利用生物信息分析了家族成员、序列特征、进化关系和组织表达。结果表明,甘蓝型油菜中有13个DELLA蛋白基因,被定位到8条染色体和2条随机序列（chrC09_random和chrCnn_random）上;系统进化树分析发现,该家族被聚为4个亚家族,第一亚家族含有7个基因,第二、三和四亚家族各包括2个基因; DELLA基因呈组织特异性表达,其中BnaA10g17240D、BnaC09g40420D、BnaCnng68300D和BnaC05g47760D在各组织中表达都相对较高,在茎中BnaA06g34810D、BnaA09g18700D和BnaC09g52270D表达最高。本研究为后续基因的功能研究提供参考。     

甘蓝型油菜及其二倍体祖先种COR413家族基因生物信息学分析

COR413(cold- regulated 413)是植物响应低温与冷害胁迫的重要基因家族,为深入解析油菜耐寒分子机制,利用生物信息学方法在甘蓝型油菜、白菜和甘蓝基因组中分别筛选和鉴定到11、6和6个COR413基因,它们大部分定位在质膜和叶绿体膜上。COR413家族蛋白高度保守,具疏水性,较稳定,含有COR大家族其它类型蛋白所没有的色氨酸,不含信号肽。拟南芥、白菜和甘蓝组织表达特异性分析发现,亚家族I中的基因大部分在根和叶中有较高的表达量,亚家族II中的基因在茎和叶中有高表达。     

芝麻赤霉素合成相关基因鉴定与表达分析

赤霉素的生物合成是多种酶促反应的过程,与植物植株发育、逆境响应密切相关。为分析芝麻基因组中赤霉素合成相关基因的分布、结构和活性特征,本研究以芝麻基因组序列和不同组织转录组为对象,通过生物信息学方法,从中共鉴定出32个赤霉素合成相关基因,分属7个不同的基因家族,分布在除5号染色体外芝麻所有的染色体上。不同基因家族蛋白质肽链长度存在较大差异,其中CPS家族的蛋白质序列最长,平均包含776个氨基酸残基;KAO家族蛋白序列长度的变异最大,在401-834个氨基酸之间。所有芝麻赤霉素合成相关基因编码的蛋白质预测为亲水性蛋白。与拟南芥、水稻、大豆、葡萄、高粱、番茄等物种相比,芝麻中赤霉素合成相关基因数目处于中等水平,但CPS家族中芝麻的基因数目明显多于其他物种,进化分析表明,在分析的7个物种中,芝麻与番茄具有较近的进化关系。在不同组织中,7个相关基因家族表达模式不同。KS家族基因在种子、茎尖和叶片中表达相对较高;CPS家族基因在心皮和种子中活性较强,但在茎尖和叶片中几乎没有表达;KAO和KO家族基因在不同组织中整体上具有相对较高的活性,而KS、GA3ox家族的基因在不同组织中整体表达量较低。就不同组织而言,种子中的GA合成相关基因活性整体较高;而在根尖、茎尖、叶片等与芝麻植株形态建成密切相关的3个组织中,这些基因表达以根尖较突出、其次为茎尖,在叶片中的活性整体较低。本研究为解析芝麻赤霉素合成相关基因的结构特征及其在不同组织中的作用特点提供了基因信息和理论参考。      

大豆TCP转录因子家族结构域分析及功能预测

利用已知的拟南芥TCP基因和大豆基因组数据库,通过生物信息学方法,鉴定并获得了大豆TCP家族基因序列,基因定位信息。共鉴定大豆TCP基因54个,分布在大豆除14号染色体外的其他19条染色体上。对54个基因进行进化和聚类分析及功能结构域的分析,发现全部具有高度保守的TCP结构域。根据结构域差异和系统发育分析的结果,将大豆TCP转录因子家族分成2个TCP亚家族。以生物信息学手段和已有的其他物种的TCP基因进行了比较分析,大豆TCP基因占总数的3.5%,与拟南芥同源基因比较,序列长度存在相似性。对启动子元件分析显示,TCP基因含有大量与在子叶、根、茎处大量表达有关的元件及对分生组织有作用的元件。     

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。     

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。     

杜兰落花生球蛋白基因家族的生物信息学分析

为了解球蛋白基因家族在杜兰落花生(Arachis duranensis)种子中的特征,利用生物信息学方法对杜兰落花生球蛋白基因进行全基因组鉴定及表达模式分析。结果表明,杜兰落花生含有9个球蛋白基因,家族成员间理化特性总体差异不大,亲缘关系相近的蛋白具有相似的保守基序组成。根据物种间的球蛋白系统进化树,球蛋白进化关系符合物种之间的亲缘关系。杜兰落花生球蛋白在进化过程中较为保守,受纯化选择主导,但在部分进化枝上存在正选择位点。栽培种花生转录组数据分析表明,15个花生球蛋白基因在花生种子中检测到表达,其中4个表达量远超其它成员,在花生荚果成熟后期表达量仍较高。     

甘蓝型油菜Δ9硬脂酰ACP脱氢酶（SAD)基因的克隆与表达分析

为改良甘蓝型油菜菜籽油脂肪酸的组分,根据拟南芥Δ9硬脂酰ACP脱氢酶（SAD)核酸序列特征,检索白菜全基因组SAD基因和cDNA的可能序列,通过同源序列法克隆获得6个甘蓝型油菜SAD基因。比对结果显示,这6个基因编码的氨基酸序列同源性达53.2%~96.3%。系统进化分析显示,甘蓝型油菜SAD基因与蓖麻、大豆、芝麻、葵花等6个油料作物SAD基因的序列相似性很高,甘蓝型油菜与这些高等植物的SAD基因在进化上具有较高的保守性。本文还对4个甘蓝型油菜SAD基因BnSAD1:1、BnSAD2:1、BnSAD2:2和BnSAD2:3进行了表达模式分析,发现它们在种子发育过程中表达,并且都在40d的种子中表达量达到最高值,推测这4个基因均参与了硬脂酰ACP (C18:0-ACP)脱氢生成油酰基ACP(Δ9C18:1-ACP)的过程,尤其是BnSAD2:3可能为种子特异表达基因。     

甘蓝型油菜隐性细胞核雄性不育上位抑制基因(esp)的分子标记开发

9012AB是甘蓝型油菜隐性上位细胞核雄性不育两型系,其育性受2对隐性重叠不育基因(ms3ms3ms4ms4)和1对隐性上位抑制基因(espesp)互作控制。为提高其不育系及同型临保系的选育效率,本研究以9012B和T45为基本材料,构建分离群体,鉴定与esp基因紧密连锁的AFLP标记。筛选了1 024对引物组合,鉴定出5个与esp相引相连锁的AFLP标记(L1、L2、L3、L4和L5),2个与esp相斥相连锁的AFLP标记(L6和L7)。所有标记位于esp位点的一侧,L6和L7与Esp基因共分离。其中,L1、L6和L7转化成SCAR标记SCL1、SCL2和WSCL3。在20个基因型已知的验证群体中检测,SCL1、SCL2和WSCL3的准确率分别为90%、100%和100%。结果表明三个SCAR标记可用于9012AB的分子标记辅助选择。     

玉米DUF1685基因家族的鉴定和进化分析

本研究共鉴定出16个单、双子叶植物和卷柏的211个DUF1685基因家族成员。蛋白理化性质分析表明,211个DUF1685s基因的氨基酸序列长度为83~1071 aa,分子量为9.2~116.3 kDa,理论等电点为3.66~11.90。系统发育进化分析表明,DUF1685基因家族被划分了3个亚家族（Class I、Class II和Class III）,Class I和Class II亚家族产生A1和A2、B1和B2的事件发生在单、双子叶植物分化后,同时A1和B2分支（成员均为双子叶植物基因）出现了基因扩张现象。保守基序和基因结构分析结果表明,同一亚家族成员之间保守基序相似,211个DUF1685基因家族成员中大部分含有1个内含子,少部分基因含有2个及以上内含子或者不含内含子。选择压分析表明,DUF1685基因家族在进化过程中相关位点受到正向选择,这可能是导致部分基因发生功能变化的原因。共线性分析表明,片段复制事件可能是玉米DUF1685基因扩增和进化的潜在驱动力。基因启动子区域顺式元件分析结果表明,玉米DUF1685基因启动子区域含有光响应元件、ABA和非生物胁迫相关的顺式作用元件,推测这些基因可能参与玉米对非生物胁迫的响应。转录组数据分析表明,玉米DUF1685基因与特定组织（成熟花粉）的生长发育相关。本研究从多方面探究了玉米DUF1685基因家族的功能和进化情况,以期为今后深入研究玉米DUF1685基因生物学功能和进化关系提供理论参考。     

甘蓝型油菜BnDMC1.A01基因的分离及序列分析

人工合成甘蓝型油菜是进行基因组学研究和种质资源创新的重要材料，但其减数分裂过程中经常出现异常，导致基因组遗传的不稳定和花粉育性的下降。DNA meiotic recombinase 1 （DMC1）是植物中控制减数分裂的重要基因，为了解油菜DMC1同源基因的序列及表达变异，本研究利用拟南芥和芸薹属作物DMC1同源基因的外显子保守序列设计引物，分离了常规和合成甘蓝型油菜（Brassica napus L.）A01染色体上的DMC1全长序列。氨基酸序列比对发现，BnDMC1.A01编码的蛋白具有植物中已报道的DMC1典型的保守结构域。分离了19个不同品系中BnDMC1.A01的基因序列，共划分为六种单倍型，发现第二外显子内存在两个导致氨基酸残基变异的SNP位点，该SNP位点在3种类型的油菜中均有分布。基因表达量分析发现，BnDMC1.A01在合成甘蓝型油菜中的表达量较常规油菜高，这些变异是否同人工合成甘蓝型油菜减数分裂异常有关还需进一步的研究验证。     

基于转录组的剑麻ARF基因家族的鉴定及表达分析

生长素反应因子（Auxin Response Factors, ARFs）是植物特有的多基因转录因子家族,参与植物生长发育过程的调节。本研究基于转录组数据,通过生物信息学方法鉴定剑麻ARF基因家族成员,同时对其进行相关生物信息学分析。结果表明：在剑麻中共鉴定得到15个ARF基因,并依次命名为AhARF 1~15。其编码的蛋白质含有409~1011个氨基酸,分子量约为45.17~112.13 ku,等电点为5.17~9.34。亚细胞定位预测结果显示,13个AhARFs定位于细胞核,2个AhARFs定位于叶绿体。保守结构域分析结果表明,AhARFs基因家族有8个成员同时含有B3、ARF和Aux/IAA这3个相对保守的结构域,其他成员仅含有B3和ARF这2个结构域。进化树分析表明,剑麻AhARFs蛋白可分为5个亚家族。15个剑麻AhARFs基因在剑麻紫色卷叶病不同发病时期呈现不同的表达规律。本研究为进一步深入探索剑麻ARF基因家族的功能奠定了重要理论基础。