水稻(Oryza sativa L.)a-淀粉酶基因的进化及组织表达模式

α-淀粉酶在植物特别是谷类萌发种子淀粉降解中具有重要作用。水稻α-淀粉酶基因的结构、进化和表达研究已有报道,但是,多集中于OsAmy1和OsAmy3这两个亚族内基因间以及发芽种子中。不同亚族间的基因结构、进化及更多组织和时期的表达特点尚缺乏细致研究。本研究通过TblastN同源性比对及保守结构域分析揭示水稻基因组含有11个α-淀粉酶基因。生物信息学分析、系统进化树构建及半定量RT-PCR分析表明,该家族基因在结构上发生了明显的分化,具有清晰的进化层次,OsAmy5A和OsAmy4A是家族中较原始状态的基因;在表达和功能上也发生了明显分化,进化水平较高的基因发生了明显的时空表达特异性分化。OsAmy1A、OsAmy3A及OsAmy3D和OsAmy3E分别在保证种子植物世代传递、维持种子休眠过程中胚的微弱生命活动及保证种子萌发过程中能量的稳定持续供应上具有重要作用。     

水稻YABBY家族的全基因组鉴定与表达分析

YABBY转录因子家族广泛参与植物的生长发育,但在单子叶植物的作用机理有待进一步研究。本研究利用生物信息学方法系统分析了水稻YABBY家族成员。保守性分析表明,水稻基因组中共有8个YABBY成员,不均匀地分布在2、3、7、10和12染色体上,成员之间相对保守,分为四个亚族。进化分析表明,片段复制或全基因组复制是YABBY基因在进化过程中的主要扩张方式,且YABBY家族的分化可能晚于单双子叶植物的分化。启动子和表达分析表明,水稻YABBY家族成员可能在水稻的花器官的发育、多中激素的响应中具有重要的作用。本研究为水稻YABBY基因的功能鉴定提供了理论支持和参考依据。     

陆地棉KFB基因家族全基因组鉴定与表达分析

【目的】KFB(Kelch containing F-box protein)是普遍存在于各种生物体中含有F-box结构域的一类家族蛋白,参与众多生物过程。本研究旨在开展陆地棉KFB家族基因鉴定和表达分析。【方法】利用生物信息学方法从陆地棉(TM-1)基因组中鉴定KFB家族成员,与已知的拟南芥、水稻、大豆等KFB蛋白序列构建系统进化树;进一步针对第Ⅱ亚族进行基因结构、染色体定位和表达分析。【结果】从陆地棉基因组共鉴定出150个KFB家族成员,进化分析表明这些基因可分为7个亚族。陆地棉KFB第Ⅱ亚族24个基因分布在14条染色体上,有9对直系同源基因;该亚族基因结构简单,半数基因只有1个外显子;qRT-PCR结果表明,该亚族基因具有较为广泛的组织表达模式,但在不同组织的表达存在差异。【结论】这些结果显示陆地棉KFB第Ⅱ亚族基因在进化过程中出现了功能分化。     

陆地棉蔗糖磷酸合成酶基因家族的鉴定及表达分析

【目的】蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)是调控植物蔗糖代谢合成途径的关键酶,在植物光合产物的积累与分配方面发挥着重要作用,然而棉花中SPS基因的系统研究尚很少开展。本研究旨在对陆地棉SPS基因进行全基因组鉴定,并对它们的表达特性进行系统分析。【方法】基于已公布的陆地棉基因组序列,利用生物信息学和荧光定量聚合酶链式反应(Quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)等方法对陆地棉SPS家族基因的蛋白结构、进化关系、基因结构特征、染色体定位、基因复制和表达特性进行分析。【结果】(1)在陆地棉基因组中,共鉴定到10个Gh SPS基因(Gh SPS1-Gh SPS10);(2)Gh SPS蛋白具有植物SPS家族特有的两个保守的蛋白结构域和3个相对保守的蛋白磷酸化位点;(3)进化分析表明,Gh SPS蛋白可聚为A、B和C共3个亚族,其中A亚族成员最多,包含6个GhSPS蛋白;(4)位于同一亚族的GhSPS基因具有相似的外显子-内含子分布模式,但是外显子/内含子数目在不同亚族间差异很大;(5)GhSPS基因均匀地分布在陆地棉A亚组和D亚组的5条染色体上,片段复制可能导致了GhSPS基因在陆地棉基因组中的扩增;(6)转录组分析表明,不同亚族GhSPS基因具有不同的组织表达模式,A亚族Gh SPS基因在被检测的各个组织均有较高的表达,B亚族GhSPS基因主要在叶片中高表达,C亚族Gh SPS基因主要在纤维、叶片和花瓣中高表达;(7)进一步荧光定量PCR分析表明,GhSPS4在叶片中表达量很高,GhSPS1在叶片和花瓣中表达量较高,Gh SPS7和Gh SPS10在被检测的各个组织均有较高的表达,该结果与转录组分析结果相对一致。【结论】陆地棉SPS基因家族包含10个成员,分布在5条染色体上,可分为3个亚族,不同亚族成员呈现出不同的表达模式,为后续深入解析陆地棉SPS家族基因的功能奠定理论基础。     

甘蓝型油菜SnRK基因家族生物信息学分析及其与种子含油量的关系

蔗糖非发酵相关蛋白激酶(sucrose non-fermenting-1-related protein kinase,SnRK)是植物中广泛存在的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,它们参与调控植物的信号传导、逆境响应和种子生长等生物学过程。为了解析甘蓝型油菜(Brassica napus L.)中SnRK基因家族的性质及其对种子含油量的影响,本研究对BnSnRK基因家族的系统进化、基因结构、蛋白质理化性质、保守基序、蛋白质二级结构、顺式作用元件和亚细胞定位预测等进行分析,并通过候选基因关联分析、单倍型分析和qRT-PCR筛选影响种子含油量的BnSnRK基因。结果显示,鉴定得到92个BnSnRK成员,分为3个亚族,分布于甘蓝型油菜19条染色体上,亚族之间蛋白质理化性质差异显著。多数基因拥有7~14个外显子;同一亚族的motif分布情况更相似。BnSnRK家族主要在细胞质中表达,蛋白质二级结构主要以α-螺旋和不规则卷曲为主。关联分析筛选出与油菜种子含油量相关的12个家族成员,基因BnaC02g10730D可能负向调控甘蓝型油菜种子含油量,基因BnaA07g12290D、BnaA10g22850D、BnaA08g18050D、BnaC04g44390D可能正向调控甘蓝型油菜种子含油量。不同环境之间种子含油量差异显著,且与含油量相关的12个成员均含有MYB、MYC和ABA响应元件,环境特异的含油量关联基因可能与植物非生物胁迫响应相关。本研究为BnSnRK基因功能验证及育种工作提供了理论参考。     

陆地棉蔗糖磷酸合成酶基因家族的鉴定及表达分析

【目的】蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase, SPS)是调控植物蔗糖代谢合成途径的关键酶,在植物光合产物的积累与分配方面发挥着重要作用,然而棉花中SPS基因的系统研究尚很少开展。本研究旨在对陆地棉SPS基因进行全基因组鉴定,并对它们的表达特性进行系统分析。【方法】基于已公布的陆地棉基因组序列,利用生物信息学和荧光定量聚合酶链式反应(Quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR)等方法对陆地棉SPS家族基因的蛋白结构、进化关系、基因结构特征、染色体定位、基因复制和表达特性进行分析。【结果】(1)在陆地棉基因组中,共鉴定到10个Gh SPS基因(Gh SPS1-Gh SPS10);(2)Gh SPS蛋白具有植物SPS家族特有的两个保守的蛋白结构域和3个相对保守的蛋白磷酸化位点;(3)进化分析表明,Gh SPS蛋白可聚为A、B和C共3个亚族,其中A亚族成员最多,包含6个GhSPS蛋白;(4)位于同一亚族的GhSPS基因具有相似的外显子-内含子分布模式,但是外显子/内含子数目在不同亚族间差异很大;(5)GhSPS基因均匀地分布在陆地棉A亚组和D亚组的5条染色体上,片段复制可能导致了GhSPS基因在陆地棉基因组中的扩增;(6)转录组分析表明,不同亚族GhSPS基因具有不同的组织表达模式,A亚族Gh SPS基因在被检测的各个组织均有较高的表达,B亚族GhSPS基因主要在叶片中高表达,C亚族Gh SPS基因主要在纤维、叶片和花瓣中高表达;(7)进一步荧光定量PCR分析表明,GhSPS4在叶片中表达量很高,GhSPS1在叶片和花瓣中表达量较高,Gh SPS7和Gh SPS10在被检测的各个组织均有较高的表达,该结果与转录组分析结果相对一致。【结论】陆地棉SPS基因家族包含10个成员,分布在5条染色体上,可分为3个亚族,不同亚族成员呈现出不同的表达模式,为后续深入解析陆地棉SPS家族基因的功能奠定理论基础。     

马铃薯全基因组StbZIP基因家族的鉴定及在不同逆境中的表达分析

碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bZIP)是一种广泛存在于植物中的保守转录因子，其家族成员数目是植物中最丰富的转录因子家族之一。为了解马铃薯StbZIP基因家族的相关信息，本研究通过生物信息学的方法，在二倍体马铃薯‘DM’全基因组中鉴定64个马铃薯StbZIP家族成员，命名为StbZIP1～StbZIP64。通过分析发现，马铃薯StbZIP家族成员不均匀地分布在12条染色体上。生物信息学分析表明，家族成员蛋白长度为132～822 aa，分子量介于15.40～88.18 kD之间，等电点4.74～10.30。系统发育树分析显示，该基因家族可分为11个亚群，其基因主要分布在第1、4和10号染色体上。基因结构和保守基序分析发现，各亚族成员间具有相似的保守基序和进化的保守性。表达模式分析发现，11个亚族内部呈现出响应不同非生物胁迫的表达模式，其中有8个亚族基因都在ABA胁迫24 h时表达量发生显著升高。这些结果为阐明StbZIP基因家族的进化和进一步研究StbZIP基因的功能提供了理论指导。     

拟南芥、水稻和番茄SW EET/MtN3/saliva基因家族的分析

SWEET(sugars will eventually be exported transporters)基因家族是包含2个Mt N3/saliva跨膜结构域的膜整合糖转运蛋白,其结构域首次在苜蓿根部结瘤素发现,其后在高等真核生物、原生生物、后生动物、真菌、细菌和古生菌中也有发现。SWEET家族成员中基于Mt N3/saliva不同类型的基因多在模式植物拟南芥、水稻中有报道,但其确切的生物学功能与该跨膜结构域的分子功能仍有待研究。本研究利用拟南芥、水稻和番茄基因组数据库,通过生物信息学手段,鉴定了番茄SWEET基因家族成员,利用MAGE4.0软件进行系统发育树分析,并根据水稻、拟南芥等已有研究进一步介绍了各亚族成员的主要功能。通过全基因组分析番茄SWEET家族共有29个成员,在进化上将其划分2个大类4个亚族,其中A1、A2、A3亚族主要涉及单糖转运,B1亚族主要涉及单糖与多糖转运,可为番茄SWEETs家族基因的功能研究与利用奠定基础。     

茎瘤芥β-半乳糖苷酶家族基因鉴定及表达分析

植物β-半乳糖苷酶(β-D-galactosidases, BGAL, EC 3.2.1.23)是糖苷水解酶家族35(GH35),在植物细胞壁生成和组分修饰中具有重要作用。为探索BGAL家族基因在茎瘤芥的茎发育中的功能,本研究从茎瘤芥基因组中鉴定到39个BjuBGAL家族成员,并运用生物信息学对其进化关系、蛋白理化性质、基因结构及保守序列、染色体定位和在茎膨大过程中的表达等进行系统分析。结果表明,39个BjuBGAL家族成员,分为8个亚族,相同亚族具有类似基因结构和保守序列;有35个BjuBGAL分别定位于A和B亚基因组中的9和7条染色体上;BjuBGAL启动子具有光、植物激素和胁迫响应的顺式作用元件;转录组数据表明10个BjuBGAL在茎膨大过程中明显上调,进一步利用荧光定量PCR分析发现BjuBGAL4-2随着茎的膨大呈显著上调,且在茎的内髓区表达水平显著高于外髓区,可能参与茎内髓区的发育。本研究为进一步揭示茎瘤芥BGAL家族的功能提供参考。     

香果树种子萌发过程中生理生化变化的研究

研究测定了濒危珍稀植物香果树的种子在萌发过程中的可溶性糖含量及一些酶的活性变化。结果表明:种子在吸水萌发过程中,可溶性糖含量变化的趋势是先升后降,过氧化物酶、淀粉酶的活性呈逐渐增加的趋势;α-淀粉酶、β-淀粉酶的活性在种子萌发前一直呈上升的趋势,但在发芽发生后,α-淀粉酶的活性迅速大幅度上升,β-淀粉酶的活性反而缓慢下降。这些生理生化代谢的变化最终导致种子的萌发和幼苗生长。     

外源一氧化氮供体硝普钠对小麦种子萌发早期β-淀粉酶及其亚细胞分布的影响

采用药理学和生物化学实验技术, 研究了外源一氧化氮(nitric oxide, NO)供体硝普钠(sodium nitroprusside, SNP)处理对小麦种子萌发早期β-淀粉酶及其亚细胞分布的影响。β-淀粉酶的专一性抑制剂α-环糊精可以明显抑制0.5 mmol L^-1 SNP诱导的小麦种子萌发, SNP还能诱导自由型β-淀粉酶酶活性, 上调β-淀粉酶基因转录本的水平。Western blotting结果发现, SNP处理可以增加β-淀粉酶蛋白的表达; 运用NO专一性清除剂cPTIO及转录抑制剂放线菌素D可以逆转上述转录本和蛋白水平的变化。免疫电镜亚细胞定位证实小麦胚内的β-淀粉酶主要定位于蛋白储藏体内, 并可能附着在淀粉粒上, SNP处理增加了β-淀粉酶蛋白的分布。推测外源NO供体SNP在小麦种子萌发早期不仅提高了自由型β-淀粉酶的活性, 还可能诱导了β-淀粉酶的重新合成。     

小麦TaSPX1基因的克隆、表达及耐低氮逆境的功能研究

包含SPX、SPX-EXS、SPX-MFS和SPX-RING四个亚族的植物SPX基因家族在磷信号应答中发挥重要功能,但迄今对小麦的该家族基因成员功能了解尚少。本研究前期从小麦(Triticum aestivum)中鉴定得到一个SPX亚族成员基因TaSPX1 (GenBank No. Ak332300),亚细胞定位分析发现其定位于细胞核。对TaSPX1和来自小麦、拟南芥和水稻SPX家族的同源蛋白进行系统进化分析,结果表明,其与水稻SPX亚族的OsSPX1亲缘关系较近。应用RT-qPCR技术研究发现,TaSPX1的表达量在低氮胁迫下显著增加。构建烟草(Nicotianatabacum)过表达转基因系(overexpression lines, OE),应用MS营养液培养对野生型(WT)和OE株系OE3和OE4植株表型进行鉴定。发现在低氮胁迫下,OE3和OE4较WT表现明显的生长优势,植株鲜重、根重和叶面积显著增加;包括光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率在内的光合参数,以及氮含量、可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量也都较WT显著增加。对氮吸收和同化相关基因的表达和酶活性测定结果表明,...     

谷子Ⅲ型PRX基因家族全基因组鉴定及干旱胁迫下表达分析

Ⅲ型过氧化物酶(Class Ⅲ peroxidase, PRX)是植物中特有的过氧化物酶家族,在植物生长发育以及非生物胁迫中发挥重要作用。谷子作为C4植物是禾本科抗逆研究的模式植物,然而目前对于谷子中Ⅲ型过氧化物酶家族基因功能鲜有报道。为探究谷子Ⅲ型过氧化物酶基因家族(SitPRXs)在干旱胁迫和ABA诱导下的表达模式,进行了全基因组表达分析。本研究利用生物信息学方法在谷子全基因组中鉴定出132个Ⅲ型PRX基因家族成员,并根据其在染色体上位置顺序依次命名为SitPRX1～SitPRX132。通过对谷子、拟南芥和水稻的系统进化分析将其分为5个亚家族,基因结构和保守基序分析表明同一亚家族具有较高的保守性。基因复制分析显示, 17个SitPRX基因(13%)存在片段复制,78个SitPRX基因(59%)存在串联复制,串联复制事件在SitPRX基因扩增中起重要作用。谷子与拟南芥、水稻和玉米的物种间同源性分析显示谷子中大多数SitPRXs是在双子叶植物和单子叶植物分化后形成的。转录组分析显示, SitPRX基因家族成员在谷子幼苗、根、茎、叶以及圆锥花序中表达存在差异。启动子顺式作用元件分析显示,...     

亚洲棉NF-YA基因家族的全基因组鉴定及表达分析

NF-YA家族基因在植物生长发育过程中发挥重要作用,如调控种子发育和种子萌发,响应干旱和盐胁迫等。本研究利用生物信息学手段从亚洲棉全基因组鉴定NF-YA家族基因,并从理化性质、基因的内含子和外显子结构、氨基酸序列的功能结构域、系统进化发育特征、在染色体的分布和表达模式等方面分析了该家族基因的特征。结果表明:GaNF-YA包含15个成员,分布在9条染色体上,编码蛋白质长度为160～1 079个氨基酸,相对分子质量为17.92～120.30 kD,包含外显子4～6个,为碱性。亚洲棉NF-YA基因可分为三组,且三组NF-YA基因结构存在差异,保守基序分析其均含有A1和A2结构域。通过对启动子顺式作用元件和表达谱分析,推测GaNF-YA基因可能在棉花种子和纤维形成、种子萌发及环境胁迫等中具有重要作用。本研究为进一步解析亚洲棉NF-YA家族基因的功能提供理论依据。     

五爪金龙提取物对水稻和小麦种子萌发的影响

采用种子萌发试验法在室内测定了外来入侵植物五爪金龙提取物对水稻和小麦种子萌发的影响.结果表明,在浓度为2.5～20mg/ml范围内,五爪金龙提取物对小麦种子的发芽有明显的抑制作用,但对水稻种子的发芽没有影响.对水稻和小麦幼苗根生长有明显的抑制作用,处理后根数量减少,鲜重降低.五爪金龙提取物各浓度对小麦芽生长有明显的抑制作用,但对水稻芽的生长没有影响.对小麦和水稻发芽过程中的α-淀粉酶、β-淀粉酶和总淀粉酶活性均有抑制作用,浓度为20mg/ml时,对小麦和水稻总淀粉酶活性的抑制率分别为56.20%和37.03%.     

陆地棉MIKC~C基因家族的全基因组分析

【目的】MIKC~C是1类保守的转录因子家族,参与调控植物的开花时间和花器官发育。通过对MIKC~C家族进行全基因组学分析,为深入研究MIKC~C在棉花开花及花器官发育的分子调控机理提供基础。【方法】利用HMMER 3.0及pfam种子文件鉴定棉花全基因组MIKC~C基因,结合其表达量进行偏向表达及聚类分析。【结果】在陆地棉基因组中共鉴定发现100个MIKC~C基因,分为11个亚类。表达聚类分析显示,棉花MIKC~C基因的表达模式大致可分为4个不同的类群,说明这类基因在棉花进化中出现了功能分化。100个MIKC~C基因中,有12个基因具有miRNA靶位点。【结论】研究结果显示MIKC~C家族基因在棉花纤维中存在功能分化,而且可能受到miRNA的调控,这为进一步研究该家族基因的功能提供信息参考。     

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。     

葡萄糖和ABA对小麦胚萌发过程中α-淀粉酶表达的调控

为了探讨种子的萌发特性与胚对ABA的敏感性和α-淀粉酶表达之间的关系,比较了葡萄糖和ABA 对不同生理状态的小麦离体胚萌发过程中α-淀粉酶表达的调控作用.结果表明,葡萄糖对未成熟胚、休眠成熟胚和不休眠成熟胚的萌发均有促进作用;葡萄糖能够抵消ABA对胚萌发的抑制作用,对于不休眠成熟胚,葡萄糖可以减轻ABA对胚根发生的抑制作用,但对随后的形态发生无影响.葡萄糖可以抑制小麦胚萌发过程中α-淀粉酶的表达;ABA可以抑制未成熟胚与休眠成熟胚中α-Amy-1的表达,但在不休眠成熟胚中则诱导α-Amy-1表达.因此,小麦离体胚的萌发特性、胚对ABA敏感性和α-淀粉酶的表达均与生理状态有密切关系.     

马铃薯StCYP85A3促进萌芽及根系伸长的功能解析

油菜素内酯(BR)是一类植物甾醇类激素,对植物生长发育及胁迫应答具有显著的调控作用,马铃薯中StCYP85A3作为BR合成酶的编码基因,功能仍待进一步探究。本研究从‘川芋10号’马铃薯中克隆出该基因,生物信息学分析表明该蛋白具有催化BR合成的典型亲氧结合域,属于CYP85As家族成员。通过组织表达分析发现该基因在块茎芽眼及根中表达量最高,且芽眼中的表达量随着储藏时间的延长而增加,在块茎芽眼休眠解除时表达迅速升高。同时发现外源BR可诱导马铃薯芽眼及根中StCYP85A3表达量升高,从而显著促进了种薯萌芽及幼苗根的伸长。通过在拟南芥野生型及cyp85a2突变体中过表达StCYP85A3发现,过表达株系种子萌发及根系伸长都早于野生型,同时回补株系弥补了突变体种子萌发、植株根系生长迟缓的缺陷。此外,外源BR对过表达株系种子萌发、根系伸长无显著促进作用,但显著促进了野生型、突变体及回补株系种子萌发、根系伸长。上述马铃薯及拟南芥试验结果表明, StCYP85A3具有促进萌芽及根系伸长的功能。     

水稻3-磷脂酰肌醇激酶FAB1/PIKfyve基因家族的鉴定及功能分析

FAB1/PIKfyve是催化3-磷酸磷脂酰肌醇(PtdIns3P)形成3,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PtdIns(3,5)P2)过程的关键酶,其产物PtdIns(3,5)P2在真核细胞发育中发挥重要功能.为探寻PtdIns(3,5)P2在水稻生殖发育过程中的功能,本研究结合生物信息学和遗传学方法,对水稻FAB1/PIKfyve基因进行鉴定,分析其理化性质、基因结构、保守结构域、系统进化、顺式作用元件和组织表达模式并利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得osfab1b突变体.生物信息学分析结果显示,水稻基因组中共鉴定到9个FAB1基因家族成员;基因结构分析显示FAB1家族基因结构存在差异,外显子数量为8～12个;保守结构域分析表明仅OsFAB1A和OsFAB1B含有N端FYVE结构域,其余成员具有Cpn60_TCP1结构域和PIPKc激酶结构域;系统进化分析提示FAB1家族功能在单双子叶植物中具有高度保守性;FAB1基因上游调控区域顺式元件预测发现多种生长发育相关、光响应以及激素和胁迫响应顺式元件;组织表达模式分析显示大多数FAB1基因为泛表达,其中FAB1C亚类基因在内外稃中的高表达提示其可能参与花器官发育.最后通过CRISPR/Cas9系统得到osfab1b突变体,经碘染观察花粉活力无明显异常,暗示FAB1家族在水稻生殖发育调控中存在功能冗余.本研究结果为单子叶模式植物水稻中磷脂酰肌醇调控网络及其生物学功能的研究提供了理论参考.