蒺藜苜蓿和天蓝苜蓿热激因子(HSF)家族的筛选与功能分析

全球气候变化构成了对全球重要农作物和世界食品安全的主要威胁。植物生物学家和育种者迫切需要改善当前种质,开发出能够在胁迫条件下有高水平表现的新品种。热应激转录因子(Hsfs)是植物热激反应(Heat Shock Response)的中心环节,通过调节大量功能基因的转录来控制HSR的信号传导和代谢反应。利用蒺藜苜蓿基因组序列和基因芯片数据,我们筛选出蒺藜苜蓿HSFs转录因子基因家族,对蒺藜苜蓿HSFs基因家族进行基因结构、染色体位置和系统进化关系分析,并对蒺藜苜蓿HSFs基因响应生物和非生物胁迫过程中的功能进行预测。此外,我们还对天蓝苜蓿的叶片转录组进行高通量测序,并分析了天蓝苜蓿叶片中存在的HSFs基因序列。我们的结果显示,蒺藜苜蓿基因组中有23个HSF基因,这些基因参与蒺藜苜蓿对生物和非生物胁迫的响应,不仅对于苜蓿改良,对于农作物的改良也会有巨大的应用潜力。     

蒺藜苜蓿和天蓝苜蓿ARFs类转录因子的鉴定和特征分析

生长素应答因子(Auxin responsive factors)是植物内传导生长素信号、调控生长素响应的功能基因的表达过程中,起中心作用的重要转录因子,参与植物生长发育的各个方面的调控,包括组织分化、器官发生、顶端优势和根生成、趋向性等。我们利用豆科植物的模式作物,蒺藜苜蓿已有的全基因组序列数据,应用生物信息学的手段,对蒺藜苜蓿全基因组和天蓝苜蓿叶片转录组ARFs基因家族进行系统的分析和基因功能预测。共鉴定出34个完整的蒺藜苜蓿ARFs基因,其中27个基因有基因芯片的表达证据。天蓝苜蓿鉴定出11个完整的ARFs基因。染色体定位分析发现在蒺藜苜蓿第5染色体上聚集了6个基因结构和氨基酸序列均非常相似的ARFs。系统进化分析表明这6个基因在拟南芥中没有同源基因。拟南芥的部分ARFs在苜蓿中也没有同源基因。应用基因芯片数据进行基因表达分析表明蒺藜苜蓿的ARFs在不同器官特异性的表达。部分蒺藜苜蓿ARFs成员响应盐胁迫和菌根真菌侵染。Medtr8g100050不仅响应盐胁迫上调表达,菌根真菌侵染后也上调表达。     

蒺藜苜蓿转录因子MtMYB的克隆、表达分析及拟南芥转化

MYB转录因子家族基因具有保守的DNA结合域,是植物最大的转录因子家族之一,广泛参与植物的代谢调控,在植物生长发育和胁迫响应等方面发挥重要作用。为改良品种性状和提高生产实践能力,本研究采用RT-PCR法克隆蒺藜苜蓿MYB转录因子基因MtMYB,其编码区长255 bp,编码84个氨基酸。生物信息学分析表明,该基因编码蛋白与其他物种MYB蛋白具有很高的同源性,其中与红三叶同源性最高。荧光定量结果表明,MtMYB基因在蒺藜苜蓿叶片中的表达量最高。MtMYB基因在外源IAA、6-BA的诱导下,总体都呈现先上升后下降的趋势。同时本研究成功构建35S::MtMYB的植物表达载体,并通过转基因技术将其转化至拟南芥中,PCR检测表明,MtMYB已成功整合至转基因拟南芥基因组中。RT-PCR检测表明,MtMYB能够在转基因拟南芥中正常转录。本研究为进一步探明MtMYB基因的功能提供了数据参考和实验材料。     

苜蓿钙依赖蛋白激酶家族的生物信息学分析

钙元素在植物体内具有重要的生物学作用,调控细胞壁形成、花粉管发育、生物和非生物胁迫信号传导等。钙依赖蛋白激酶(calcium dependent protein kinases,CDPKs)基因可以感知细胞内Ca2+浓度的变化并将它们转化为特异性磷酸化事件,启动下游信号传导过程。我们利用生物信息学数据和分析技术,鉴定出蒺藜苜蓿和天蓝苜蓿两个苜蓿品种中的CDPKs基因家族成员,并进行基因结构、进化和表达分析,初步预测了相关基因的功能。蒺藜苜蓿基因组中存在25个CDPKs基因,这些基因分成4个进化类群。蒺藜苜蓿CDPKs基因进化关系与拟南芥对应基因较近,与水稻较远。蒺藜苜蓿1号染色体上聚集的3个CDPKs基因Medtr1g041150、Medtr1g054865、Medtr1g055255序列高度相似,可能是1个基因扩增而来。利用已有的蒺藜苜蓿基因芯片表达数据,我们分析了蒺藜苜蓿CDPKs基因在不同器官以及不同处理下的表达情况,发现了多个与蒺藜苜蓿耐盐、抗根腐病菌侵染和根瘤生长过程相关的基因。     

蒺藜苜蓿全基因组发育调控重要基因WOX家族的鉴定和生物信息学分析

在拟南芥中的研究显示,WOX蛋白调节植物的关键发育,在植物发育中起着广泛作用。我们应用多种生物信息学手段,从蒺藜苜蓿全基因组中筛选、鉴定了WOX家族成员,并进行基本特征、染色体定位、系统进化、表达特征等分析。蒺藜苜蓿基因组中共存在17个WOX基因,这些基因的分子量和等电点分布范围较广,但是有一定的聚集特征。绝大多数蒺藜苜蓿WOX基因都是小于300个氨基酸,等电点位于pH 5~7之间,但是有个别例外。与拟南芥WOX基因家族相同,蒺藜苜蓿WOX基因可分为3个系统进化分枝,分别是WUS,中间进化枝和古代进化枝。在蒺藜苜蓿4号和7号染色体上,有WOX基因聚集的位点。而且这两个WOX基因聚集位点上的基因具有较近的亲缘关系。Medtr4g084550.1和Medtr7g060630.1同属于WUS亚家族,聚集在一个进化分枝上。Medtr4g088070.1、Medtr4g088080.1和Medtr7g025010.1同属于中间进化枝,序列相似度同样非常高。蒺藜苜蓿WOX基因在各个器官中表达特异性非常高。根部和根尖中表达的WOX基因完全不同。外界胁迫处理,包括盐处理和根腐病菌侵染,会引起蒺藜苜蓿WOX基因表达的变化。     

瓠瓜MYB家族成员鉴定及响应白粉病菌的表达分析

为了探讨瓠瓜(Lagenaria siceraria) MYB转录因子家族的功能,本研究基于瓠瓜的全基因组和白粉病菌侵染后的转录组数据,利用生物信息学软件对Ls MYB家族成员进行了鉴定、分析。结果表明：在瓠瓜全基因组中共鉴定到174个LsMYBs基因,其氨基酸数为103～1 673个,均为亲水性蛋白;亚细胞定位预测表明,118个LsMYB基因定位在细胞核中;根据MYB结构域重复数,可将瓠瓜MYB分为1R、2R (R2R3)、3R三个类型,其中2R类型和1R类型分别占比51.1%、47.7%;进化树分析显示,瓠瓜MYB基因家族可被分成31个亚组,推测相同亚组上的瓠瓜与拟南芥的MYB转录因子可能具有相似的功能;利用MEME软件预测得到15个motif元件,分析发现不同MYB的motif数量及分布存在一定差异,同一亚组MYB蛋白具有相似的结构特征;顺式作用元件表明,LsMYB基因启动子区域包含光响应、激素应答、生物及非生物胁迫等相关作用元件和结合位点,表明瓠瓜MYB基因家族可能广泛参与了瓠瓜的生长发育、激素调控、生物/非生物胁迫的响应;瓠瓜接种白粉病菌后MYB家族成员表达量分析表明,推测与...     

玉米SBP转录因子全基因组鉴定与功能分析

SBP基因家族是一类植物基因组特有的转录因子,参与植物生长发育及多种生理生化过程。近来,大量研究已在多种植物中鉴定出SBP转录因子,但关于玉米(Zea mays L.) SBP转录因子家族的系统分析报道尚少。本研究通过对拟南芥、水稻等植物已知的转录因子与玉米基因组数据比对,并设置一系列严格的筛选标准从玉米基因组中挖掘SBP转录因子,系统发育分析显示单子叶植物玉米和水稻的SBP基因保守性更强、亲缘关系更近;共鉴定37个SBP基因,分布在9条染色体上;通过基因分析注释以及启动子功能预测,进一步发现SBP家族基因参与植物生长发育、形态建成、逆境胁迫响应、花器官发育以及植物光反应等过程。并且,玉米SBP转录因子可通过参与赤霉素、生长素、脱落酸、水杨酸等多条激素信号调控途径来调节植物的生长发育。     

森林草莓bZIP转录因子全基因组鉴定及在花药中的表达分析

碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP)转录因子主要参与植物的生长发育及响应生物和非生物胁迫应答等过程。通过草莓基因组数据库,鉴定分析森林草莓bZIP转录因子家族,并对该家族成员的蛋白质特征、基因组分布、以及基因表达进行分析。结果表明,森林草莓中至少存在52个bZIP基因家族成员,不均地分布在7条染色体上。根据蛋白质模体组成与蛋白质序列的分析将整个家族分为10个亚类。44个基因家族成员以4种表达模式参与雄蕊器官发育进程。研究结果表明,森林草莓bZIP基因家族结构高度保守,并参与花器官发育过程。试验结果将为在草莓中进一步研究该基因家族成员功能提供参考。     

茶树CsADH基因家族的鉴定和表达模式分析

ADH转录因子在植物的生长发育和非生物胁迫响应中起重要的调控作用。本研究基于全基因组数据,从茶树基因组中鉴定到51个ADH基因,对其基因结构、进化关系、保守域、染色体定位进行分析,同时分析它们在PEG诱导的干旱胁迫、盐胁迫和冷处理中的转录组数据。结果表明:51个茶树CSADH基因在茶树染色体上分布不均;根据进化关系将茶树ADH基因分为Ⅱ类;基因结构和保守基序分析发现相同亚家族的基因结构和保守结构域基本一致;基因表达分析显示,CSADH基因在花和果实组织中具有较高的表达水平,部分基因随着叶片成熟度的增加,表达水平升高;不同的CSADH基因在PEG诱导的干旱胁迫和冷处理下存在差异表达,说明CSADH基因广泛参与茶树生长发育和响应非生物胁迫中发挥重要作用。茶树ADH基因家族的鉴定与表达分析,为深入解析ADH基因响应茶树生长发育和非生物胁迫中的功能及分子机制提供理论依据,进一步为茶树抗逆育种提供更多基因资源。     

番茄SBP基因家族的全基因组鉴定、结构特征及表达分析

SBP基因家族是植物中一类特有的转录因子家族,广泛参与植物的生长发育以及各种生理生化反应的信号传导。为了揭示番茄SBP基因家族的功能,本研究利用全基因组信息鉴定番茄SBP转录因子家族,分析其结构特征,系统发育关系以及表达模式。结果表明,番茄全基因组共编码17个SBP转录因子成员,分布在8条染色体上;系统发育关系表明SBP基因家族的结构特征变异发生在番茄、拟南芥和水稻分化之前;且它们在番茄、拟南芥和水稻中按照物种特异性的方式进行了扩张。不同芯片分析发现,SlSBP03基因在番茄叶片、子叶和下胚轴中表达量较高,SlSBP13基因果肉中表达量较高,这两个基因在果皮和根中表达量都较低;在大多数非生物胁迫处理条件下,SlSBP11、SlSBP13和SlSBP16的表达量均较低;而SlSBP01基因在干旱和热处理条件下有较高的表达量。     

油菜GRF基因家族的鉴定和基本特征分析

GRF(growth regulating factor)因子是存在于植物中的转录因子,它在调控植物的生长发育、渗透胁迫等方面具有重要的作用。为了揭示油菜GRF基因家族的功能,本研究利用全基因组生物信息鉴定油菜GRF基因家族,并从蛋白质的理化性质、基因结构和系统进化等方面进行了分析研究。分析表明,油菜GRF基因家族共有34个成员,分成五个组,基因上有3~10个不等的蛋白质编码区,这些基因分布在13个染色体上,都含有QLQ和WRC保守结构域,各基因上游含有较多的热胁迫、低温胁迫和干旱胁迫元件。这些研究为进一步研究油菜GRF基因家族成员的功能提供了理论指导。     

甘薯基因组R2R3-MYB转录因子鉴定与分析

MYB是植物中数量众多且功能重要的转录因子家族.本研究通过生物信息学方法从未经注释的甘薯全基因组序列中筛选鉴定出MYB家族基因,分析了R2R3-MYB类基因的结构与功能.结果 发现,甘薯基因组中含有R2R3-MYB转录因子基因88个,均含有完整的R2、R3保守结构域,且R2、R3保守结构域中分别含有8个和9个高度保守的碱性氨基酸.MEME分析结果表明,甘薯R2R3-MYB蛋白序列中含有10个保守基序,其中80％以上的R2R3-MYB序列中含有motif 1、motif2、motif3、motif4、motif5以及motif7;利用circos软件定位R2R3-MYB序列在染色体上的分布情况,发现甘薯88个R2R3-MYB基因不均匀分布在15条染色体上,其中5号染色体上数量最多,达15个,4号和13号数量最少,仅2个,经序列比对分析,发现它们在染色体内和染色体间均存在复制关系,其中存在于染色体间潜在复制关系的基因有6对,染色体内有20对,且这20个基因对中有19对在染色体上成簇状分布.经序列功能预测与归类,有44个R2R3-MYB转录因子基因可归入拟南芥R2R3-MYB基因分类的13个亚组中,分别参与响应生物与非生物胁迫、花青素合成、花药发育等途径.进一步分析发现,甘薯中有36个R2R3-MYB转录因子基因可能在响应生物和非生物胁迫上发挥重要功能,其中9个基因在尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum f.sp.batatas,Fob)胁迫下表达量出现明显上调/下调变化,27个在低温胁迫下表达量出现明显上调/下调变化.甘薯R2R3-MYB转录因子结构域高度保守,R2和R3结构域中均含有较高的保守基序;进化树及转录组测序分析显示部分基因可能参与植物生长发育、代谢调控以及生物与非生物胁迫等途径,可为甘薯抗性育种提供参考.     

紫花苜蓿GLKG34转录因子的生物信息学和表达分析

GLK基因家族是植物特有的转录因子,在调节叶绿体发育中起着重要作用。为了进一步研究GLK基因家族中GLKG34转录因子的基本特征以及在胁迫下的响应情况,本研究在基因组范围内,利用生物信息学方法对苜蓿的GLKG34转录因子分布、结构和功能等进行分析。结果预测表明:苜蓿GLKG34转录因子位于苜蓿第六条染色体,编码384个氨基酸残基,有亲水性,定位于细胞核。在蛋白质二级结构预测中,无规则卷曲与α螺旋占比较大。同源比对结果显示:与菜豆亲缘关系最近,与玉米等禾本科亲缘关系较远。通过顺势作用元件预测发现:该基因2 000 bp启动子序列中存在许多非生物胁迫响应元件,推测其对逆境胁迫有调节作用。对干旱、盐、碱及冷胁迫下的荧光定量分析表明:GLKG34对盐碱有明显响应。本研究为紫花苜蓿中GLKG34转录因子的功能解析及耐性基因的挖掘提供了一定的参考依据。     

紫花苜蓿(Medicago sativa)YABBY基因家族的生物信息学分析及其对逆境胁迫的响应

YABBY转录因子家族是植物特有转录因子,与植物形态有关,在植物响应胁迫方面也有重要的调控作用。为了研究YABBY基因家族在苜蓿抗逆性中的作用,本研究利用生物信息学对苜蓿的YABBY转录因子家族成员、分布及结构等进行分析。对苜蓿、大豆、水稻和拟南芥进行系统进化树的分析,表明该家族基因在植物中具有同源性。理化性质和结构分析表明,苜蓿中YABBY基因主要分布在第2、4、5条染色体上,苜蓿YABBY家族基因中包含5个保守结构域,其蛋白质主要以无规则卷曲的形式构成,α-螺旋、β-折叠和β-转角含量较少,启动子序列分析发现该家族存在ABRE顺式反应元件,能够响应盐胁迫及ABA(Ascisic acid)胁迫,通过基因表达模式分析,发现MsYABBY2基因响应盐、碱、干旱等逆境胁迫,推测其在抗逆境胁迫中起到关键调节作用。本研究为后续研究MsYABBY基因的抗逆机制及调控机理提供了理论基础。     

香蕉TCP家族的全基因组鉴定及对低氮胁迫的响应

TCP(Teeosinte branchedⅠ,Cycloidea,Proliferating cell fatcors 1和2)是含有一个高度保守非典型的bHLH(basic-Helix-Loop-Helix)保守结构域的植物特有转录因子基因家族之一,参与调控植物生长发育和非生物胁迫响应等生理过程。为了探究香蕉(Musa acuminata)TCP基因家族对低氮胁迫的响应,本研究从全基因组的分布、蛋白质理化性质、保守结构域等生物信息学方面阐述了香蕉MaTCPs基因家族成员的基本特征,并且对香蕉叶片和根在低氮胁迫下的MaTCPs基因家族成员的表达模式进行了分析。结果表明,香蕉TCP转录因子家族共包含48个成员,可分为ClassⅠ(PCF)和ClassⅡ(CYC/TB1和CIN)两个亚家族,所有成员均定位于除Chr.09和chrUn_random以外的染色体上,且存在多个串联重复基因对。在低氮胁迫下,香蕉MaTCPs基因家族大部分基因表达量上调,且在不同的组织中表达模式不同。同一亚家族基因在根和叶中表现出一致的表达模式。这些结果表明Ma TCPs家族成员可能参与了香蕉对于低氮胁迫的响应。本研究将为香蕉低氮胁迫的机制研究和香蕉TCP转录因子家族的功能分析提供理论基础,为香蕉抗逆育种提供参考。     

生物信息学手段鉴定和分析蒺藜苜蓿基因组中水孔蛋白基因家族

植物水孔蛋白不仅调控水分运输,同时还可以在植物细胞间传递气体如CO2,和营养物质如硼(B)、硅(Si和活性氧(ROS)),是多功能的蛋白质。植物水孔蛋白的功能对于植物生长和非生物胁迫的反应也起到重要的作用。对蒺藜苜蓿基因组序列进行检索和筛选,共鉴定出46个水孔蛋白基因。蒺藜苜蓿水孔蛋白基因大小较为集中均一(绝大多数由200~400个氨基酸编码)。等电点的分布则较为分散,从最小pH 4.80(Medtr5g-012810.1)到最大pH 9.83(Medtr4g049340.1),均有分布,并无明显的集群特征。蒺藜苜蓿水孔蛋白基因的结构较为一致(2~4个内含子)。结合染色体定位和系统进化分析,蒺藜苜蓿二号染色体上同一位点的两对基因,分别是Medtr2g017570.1和Medtr2g017610.1,Medtr2g017590.1和Medtr2g017620.1,基因序列几乎完全一致。应该是由于基因扩增产生的。而Medtr2g017590.1和Medtr2g017620.1两个基因的表达模式,虽然有差别,但是聚集在一个表达模式聚类分枝上。这两个基因功能上的相互关系,很值得进一步的研究。     

野生大豆转录因子GsNAC20基因的分离及胁迫耐性分析

NAC (NAM, ATAF1/2, CUC2)转录因子作为一类新型转录因子已成为非生物胁迫基因工程领域的研究热点。本研究以野生大豆(Glycine soja)为材料,利用酵母单杂交的方法筛选到一个能够与MYB1AT元件(核心序列为AAACCA)结合的转录因子基因,该基因与大豆NAC20 (EU440353.1)基因具有99%的相似性,命名为GsNAC20。GsNAC20蛋白含有典型的NAC结构域和转录激活区。酵母试验表明,GsNAC20转录因子能够与耐逆相关顺式元件MYB1AT特异结合,但不具有自激活功能。细胞定位分析证明该基因位于细胞核中,符合转录因子的特征。GsNAC20能够响应高盐、干旱和低温胁迫,并且在根和叶中具有不同的表达模式。超量表达GsNAC20基因的拟南芥对盐胁迫的敏感性提高。以上结果表明GsNAC20参与植物非生物胁迫反应过程,该基因在非生物胁迫基因工程研究领域具有良好的理论研究和实际应用价值。     

辣椒Trihelix转录因子家族的生物信息学分析

Trihelix转录因子在调控植物生长发育以及响应逆境胁迫等多方面发挥着重要作用,属于一个小家族。通过系统地阐述辣椒Trihelix转录因子家族成员特征和进化关系,进一步为研究辣椒Trihelix转录因子的生物学功能提供理论基础。本研究在辣椒基因组范围内,通过HMMER 3.0软件鉴定Trihelix基因家族成员,应用CDD验证其蛋白的功能结构域;采用MEGA5.2软件进行系统进化树分析;利用MEME和Map Inspect工具对其蛋白序列进行基序和染色体定位分析。利用功能已知的拟南芥Trihelix蛋白家族为参考序列,系统分析鉴定了28个辣椒Trihelix家族基因,并将其分为GT-1、GT-2、GTγ、SIP1和SH4 5个亚族。基因定位表明,辣椒Trihelix家族成员不均匀的分布在12条染色体上,其中7号和11号染色体上没有辣椒Trihelix成员的分布。保守元件显示辣椒Trihelix基因家族成员部分是高度保守的,各个家族均具有特殊的结构域。辣椒Trihelix基因家族大部分成员结构是保守的,保守基序与聚类分析具有高度的一致性,有可能参与调控辣椒生长发育及逆境胁迫等多种过程。     

甘蓝型油菜BES1转录因子家族的鉴定及比较基因组学分析

BES1转录因子家族对调节植物的生长发育和逆境胁迫具有非常重要的作用。本研究在甘蓝型油菜基因组测序完成的基础上,对芸薹属作物BES1转录因子家族的进化及表达进行了系统深入研究。本研究在甘蓝型油菜、白菜、甘蓝和拟南芥全基因组中分别鉴定到29条、15条、14条和8条BES1转录因子。通过系统发育、基因结构和保守基序的分析,这些转录因子被分为三组,即Group A、Group B和Group C。在甘蓝型油菜与白菜、甘蓝和拟南芥间分别鉴定出30对、32对和23对直系同源基因。甘蓝型油菜中含有15对旁系同源BES1基因,显著的高于其它3个物种。大多数BES1基因在根和叶中都具有较高的表达水平,表明这些基因在甘蓝型油菜生长发育过程中起到重要的作用。本研究对进一步探索该家族调控植物的生长及逆境适应的分子机制奠定了基础,同时为其它基因家族的研究提供了指导。     

在低氮肥胁迫下马铃薯MYB转录因子的特征分析

MYB转录因子对调控植物生长发育和抗逆等多种生理反应发挥着重要作用。为探究MYB转录因子对马铃薯低氮肥胁迫的调控作用,对马铃薯苗期进行了低氮肥胁迫处理后,分别取根和叶片进行转录组测序,进而对有差异表达的MYB转录因子家族基因进行生物信息学分析。结果表明,36个MYB转录因子基因在根和叶片中显著性差异表达,且对应启动子区域的激素相关调控元件也呈现出差异的组成与分布;其中6个候选的响应低氮肥胁迫MYB转录因子与拟南芥中主要参与抗逆的MYB转录因子存在较近亲缘关系。基于对马铃薯MYB转录因子的研究,推测这6个表达差异的MYB类转录因子基因可作为马铃薯响应低氮肥胁迫的重要候选基因,可为后续研究氮高效马铃薯新品种提供理论依据。