大豆JAZ基因家族的鉴定及其对疫霉胁迫的响应

JAZ(Jasmonate ZIM-domain)蛋白是茉莉酸信号途径中重要的负调控因子,对植物的防御反应具有重要意义。然而,鲜有关于大豆JAZ基因的报道,为了揭示大豆中JAZ基因家族的特征和潜在功能,本研究利用生物信息学方法从大豆基因组中鉴定到24个JAZ基因,分别命名为GmJAZ1～GmJAZ24,并对这24个基因进行基因结构分析、保守基序分析、系统进化树构建、染色体定位、启动子顺式作用元件分析以及大豆疫霉菌胁迫下的响应分析。结果表明:(1)24个GmJAZs基因不均匀的分布在大豆的14条染色体上,其中9号染色体上分布的数目最多,为4个;(2)大豆、拟南芥和水稻的JAZ基因家族可分成5个亚组(C1～C5),其中大豆与拟南芥的JAZ基因亲缘关系最近;(3)该家族成员大多含有响应茉莉酸和脱落酸等激素的顺式作用元件,少数含有响应逆境胁迫的顺式作用元件;(4)大豆疫霉菌处理后,C4亚组成员显著上调表达,C1亚组成员微弱上调,而C2、C3和C5亚组成员下调表达,表明大豆JAZ基因家族成员对大豆疫霉菌的胁迫具有不同的响应模式。     

玉米BBR-BPC基因家族全基因组鉴定及表达分析

对玉米BBR-BPC基因家族进行全基因组鉴定,分析基因结构、染色体分布和启动子顺式作用元件结合位点、分布和数量情况以及编码蛋白的理化性质、保守基序和蛋白二级三级结构、进化关系,基于转录组的结果研究基因的组织表达模式和高温、干旱等非生物胁迫以及外源生长素等诱导表达模式。结果表明,玉米BBR-BPC家族共有4个成员,家族基因的结构存在较大的差异,且存在可变剪切,共编码9个蛋白。定位分析发现,BBR-BPC1.1和BBR-BPC4定位在细胞核,其余除定位在细胞核,叶绿体中也有分布。BBR-BPC启动子区存在多种逆境胁迫、植物激素、组织部位特异表达、光响应等顺式作用元件。BBR-BPC成员在玉米不同材料、不同组织部位中的表达水平差异较大且受热、干旱等胁迫调控。在B73和Mo17材料中,BBR-BPC受热胁迫诱导表达,与qRT-PCR验证结果一致。研究结果表明,ZmBBR-BPC基因家族不同成员会在特定部位激活或者抑制相关基因表达,响应非生物胁迫。     

甜菜小G蛋白BvRab基因家族的全基因组鉴定及生物信息学分析

【目的】在全基因组范围内鉴定甜菜小G蛋白BvRab基因家族成员,为研究甜菜小G蛋白BvRab基因家族功能奠定基础。【方法】本研究利用生物信息学手段对甜菜小G蛋白BvRab基因家族成员进行筛选鉴定并进行理化性质、基因结构、蛋白保守基序、系统进化、染色体定位及共线性、启动子顺式作用元件和蛋白质互作预测分析。【结果】共鉴定到58个甜菜小G蛋白BvRab基因家族成员。同一类型中的不同基因具有较为一致的外显子和内含子结构,家族成员共有5个蛋白保守基序;甜菜小G蛋白BvRab基因家族包含8个亚家族;家族成员不均匀地分布在甜菜的9条染色体上;BvRab基因家族成员与番茄、拟南芥中的小G蛋白Rab基因家族亲缘关系较近,与水稻中的小G蛋白Rab基因家族亲缘关系较远;BvRab基因家族成员启动子中含有多个激素应答元件和逆境应答元件;BvRab蛋白与参与植物生长发育及逆境应答相关的多种转录因子相互作用。【结论】本研究鉴定出58个BvRab基因家族成员,该基因家族成员可能在植物生长发育及逆境应答方面发挥重要作用。     

玉米CYP基因家族全基因组鉴定及进化与表达分析

利用NCBI中多物种基因组信息以及多种生物软件或在线工具,对玉米CYP基因进行生物信息学分析。结果表明,共鉴定得到23个玉米CYP基因,这些基因不均衡的分布在玉米1～8号染色体上。亚细胞定位分析表明,23个ZmCYPs定位于细胞的不同部位。多物种CYP蛋白进化树将CYP家族蛋白分为9个分支,玉米与高粱中的CYP蛋白多聚类在一支。基因家族内系统进化树联合基因模式图分析表明,处于同一进化分支上的ZmCYPs基因存在基因结构相似而组织表达模式不一致的现象,说明ZmCYPs基因在玉米中功能既存在保守性也存在分歧。对玉米CYP家族蛋白进行motif分析,结合蛋白多序列比对后发现,只有部分ZmCYPs保留了完整的活性位点。启动子顺式作用元件的分析表明,ZmCYPs可能参与光响应及多种非生物胁迫信号通路。对ZmCYPs进行高光强表达谱分析发现,部分ZmCYPs基因表达在高光强环境下受到诱导,表明部分ZmCYPs可能参与玉米在高光强下的适应过程。     

大豆GmNCED5基因非生物胁迫响应及生物信息学分析

为探究大豆9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)基因GmNCED5对非生物胁迫的响应及原理,为植物基因工程及大豆抗逆育种提供理论基础,本研究检测GmNCED5在非生物胁迫下的表达量,并对该基因及其启动子序列进行生物信息学分析.实时荧光定量PCR结果显示,干旱、高盐、高温、低温及外源脱落酸(ABA)处理均可以不同程度地诱导GmNCED5在大豆幼苗中表达.GmNCED5基因开放阅读框(ORF)全长1 686 bp,编码561个氨基酸.亚细胞定位预测结果显示,GmNCED5蛋白主要定位于细胞质中.系统进化分析表明GmNCED5蛋白与豇豆VuNCED蛋白的亲缘关系最近.启动子预测分析结果显示,GmNCED5启动子区域含有5种激素响应相关顺式作用元件和3种胁迫响应相关顺式作用元件.由此推测GmNCED5可能通过启动子区域的顺式作用元件响应非生物胁迫.     

粗山羊草和二穗短柄草SOD基因成员的鉴定与比较分析

为给超氧化物歧化酶(SOD)基因克隆和功能研究奠定基础,以粗山羊草和二穗短柄草的基因组序列为材料,利用生物信息学手段对SOD基因家族成员进行鉴定和分析。结果表明,两种植物总共鉴定出12个SOD基因,其中二穗短柄草7个,粗山羊草5个;它们的编码区全长327~2 145bp,编码108~714个氨基酸,保守基序数量1~4个,等电点4.84~9.25;Cu/Zn-SOD、Fe-SOD与Mn-SOD的数量分别为8、3和1个,在粗山羊草基因组中没有鉴定到Mn-SOD基因;3种不同类型的SOD在进化树上处于不同分支。除Bradi2g30580.2和Bradi1g50550.1外,其他二穗短柄草的SOD基因在粗山羊草中均有同源基因。     

巴西橡胶树YABBY基因家族鉴定及表达分析

YABBY基因家族是一类植物特有的转录因子,在植物叶片和花器官的发育以及非生物胁迫应答中起重要的调控作用。本研究从橡胶树基因组中鉴定得到11个HbYABBY家族成员,并从基因结构、启动子顺式作用元件、染色体定位、系统进化及基因表达等方面进行分析。结果显示11个橡胶树HbYABBY基因分布在9条染色体上,编码蛋白的长度在132~241个氨基酸,分子量在14.75~26.41 kDa,启动子区域含有丰富的光响应元件。该基因家族具有显著的组织表达特异性,叶片和花中高表达,而在胶乳和根中基本不表达。叶片的发育过程中,除HbCRC1上调表达,另外9个HbYABBY基因均显著持续下调表达,表明HbYABBY深度参与橡胶树叶片发育调控。转录组测序和荧光定量检测均发现所有HbYABBY成员受高温诱导持续下调表达,但不受低温胁迫诱导,暗示了HbYABBY在橡胶树的高温胁迫中发挥调控作用。本研究以热带经济林木巴西橡胶树为研究对象,对YABBY转录因子基因家族的理化特征、表达及功能进行了初步分析,为该基因家族功能的深度研究提供了理论依据和参考。     

茶树OSCA基因家族的鉴定及表达分析

钙通透性阳离子通道蛋白（OSCA）在植物调节高渗胁迫中发挥着重要作用。为了解OSCA基因家族在茶树响应干旱胁迫中的作用,本研究基于茶树全基因组数据对OSCA基因家族进行鉴定,分析CsOSCAs基因和蛋白结构以及启动子顺式作用元件,并对CsOSCAs在茶树不同组织、不同抗旱性品种间和干旱胁迫下的表达模式进行分析。结果表明：茶树基因组包含12个OSCA基因家族成员,分别命名为CsOSCA1～CsOSCA12;CsOSCAs基因编码的氨基酸序列长度为667～831 bp,蛋白分子量在76 630.55～93 563.99 kDa之间,等电点在6.15～9.33之间,含有9～12个跨膜结构域,均含有特征保守结构域DUF221,根据系统进化关系可以分为4个亚族;10个CsOSCAs基因定位于茶树7条染色体上,2个CsOSCAs基因定位于未锚定染色体的contig上;CsOSCAs基因编码的蛋白二级结构含有32%～38%的跨膜结构和60%～68%的α-螺旋;CsOSCAs基因具有组织表达特异性,CsOSCA2、CsOSCA3、CsOSCA11、CsOSCA12基因在干旱敏感的品种CN98中的表达量...     

小麦ph1b、ph2a、ph2b基因系染色体配对作用研究

首次在相同条件下全面系统研究了ph1b、ph2a、ph2b基因系与近缘植物F_1杂种染色体配对,3个基因系染色体配对作用有4种类型:(1)小麦与易变山羊草F_1中,ph1b>ph2b>ph2a。(2)在小麦与中间偃麦草F_1中,ph1b≥ph2b≥ph2a。(3)在小麦与卵穗山羊草、小伞山羊草F_1中,ph1b>ph2b、ph2a。(4)在小麦与离果山羊草F_1中,ph1b>ph2b≥ph2a。ph1b基因能诱导小麦染色体与易变山羊草、中间偃麦草、卵穗山羊草、小伞山羊草染色体间的配对,ph2b、ph2a基因能诱导小麦染色体与易变山羊草,中间偃麦草、离果山羊草染色体间的配对,利用它们可以将上述近缘植物中的有益基因以易位方式遗传转移给小麦。易变山羊草一定程度地促进配对,中间偃麦草一定程度地抑制配对。卵穗山羊草、小伞山羊草染色体组上可能存在类似小麦3DS上的ph_2位点,离果山羊草染色体组上可能存在类似小麦5BL上的ph_1位点。中间偃麦草与小麦不具有同源染色体组,可能是部分同源关系,或中间偃麦草本身含有部分同源染色体组。     

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。     

粗山羊草叶绿体基因RNA编辑位点的鉴定与分析

RNA编辑是高等植物叶绿体基因转录后表达调控的一种重要方式。本研究利用生物信息学方法,预测出粗山羊草叶绿体基因组分布于15个蛋白编码基因的34个RNA编辑位点,均为C到U的转换,其中以ndhB最多,有9个编辑位点。通过与数据库中EST和高通量测序数据(SRA)进行比对分析,检测到分布于20个基因的29个编辑位点。综合上述研究结果,最终确定分布于9个基因的10个RNA编辑位点是真实存在的。分析这些位点RNA编辑现象对蛋白质结构的影响,发现ndhB编辑后β-折叠数增加,跨膜结构增加。这是首次有关粗山羊草叶绿体蛋白编码基因RNA编辑位点的报道。与禾本科水稻、玉米、大麦、黑麦和甘蔗的叶绿体RNA编辑位点进行比较,表明粗山羊草与黑麦、大麦的亲缘关系较近。本研究结果可为解析粗山羊草叶绿体基因的表达调控和探讨禾本科物种的起源进化提供理论依据。     

节节麦大穗大粒相关农艺性状的遗传分析

节节麦(Aegilops tauschii,DD)是六倍体普通小麦D基因组的祖先,其自然类群中含有丰富的抗逆、高产基因,利用其与四倍体硬粒小麦合成的六倍体小麦在现代小麦育种中得到了愈来愈多的应用。本课题在野生节节麦类群中发现了大穗、大粒材料AT462,利用其作母本与节节麦材料AT18(强分蘖)杂交;构建了F2、F3群体,通过调查亲本和群体单株的穗长、小穗数、粒长、粒宽和粒重等表型,对这些穗部性状进行了相关性分析和遗传分析。结果表明:(1)在F2和F3群体中,粒重、粒长与穗长之间不存在显著相关性,而且穗长与粒宽之间在两个群体中的平均相关系数绝对值小于0.1,粒重与小穗数之间的相关系数绝对值小于0.2,表明节节麦大粒相关性状不受穗长的影响,受小穗数影响也较小;(2)采用F2单世代分离分析的方法对节节麦AT462×AT18的F2群体大穗、大粒相关性状进行遗传分析,其中穗长受2对具有加性效应的主效基因控制;粒重和小穗数均同时受2对基因的加性效应、显性效应以及互作效应控制,其中加性效应占主导地位;粒长、粒宽均受2对基因的加性效应、显性效应以及互作效应控制,且三种效应较为均衡。这说明控制节节麦粒重、穗长、小穗数等产量性状相关基因的加性效应在遗传中占主导地位,在育种中较易利用,且其主效基因的遗传力达0.9。     

小麦PHO基因家族全基因组鉴定及表达分析

PHO基因家族主要参与磷酸盐的转运,在植物生长发育中起重要作用。为研究小麦PHO基因家族成员的潜在功能,本研究从小麦全基因组中鉴定PHO基因家族成员,并利用生物信息学手段对其基因结构特征、蛋白结构域、系统进化、顺式作用元件及表达特性进行分析。结果在小麦全基因组中共鉴定到12个PHO基因家族成员,所有成员均含有SPX和EXS结构域。系统进化、保守结构域和基因结构分析发现,小麦PHO蛋白与拟南芥PHO1-H1蛋白以及水稻PHO1蛋白亲缘关系较近;除TaPHO7、TaPHO10、TaPHO11和TaPHO12蛋白缺少部分基序外,其余小麦PHO蛋白均具有完整基序,且同一亚组内的成员具有相似的蛋白保守结构域和基因结构,说明PHO亚家族成员间高度保守。顺式作用元件分析发现,小麦PHO基因启动子区域含有与磷调控相关的激素诱导、光响应、低温响应等元件。基于RNA＿seq数据的组织特异性分析发现,大部分PHO基因在根中的表达量较高。qRT-PCR分析发现,低磷胁迫处理下磷高效小麦品种小偃54地下部分(根) TaPHO7和 TaPHO8基因的表达量显著高于对照。     

普通小麦D染色体组上psy基因位点的分子证据

为检测普通小麦D染色体组是否存在psy基因,以扩增普通小麦(2X=AABBDD=42)psy基因的相同引物psy02和psy06在节节麦(2X=DD=14)中进行PCR反应。结果表明,引物psy02在节节麦基因组DNA中的扩增产物长206 bp,与普通小麦中扩增的196 bp序列同源率为93.0%,对应的第2外显子区域内仅有1 SNP;引物psy06在节节麦基因组DNA中的PCR产物长305 bp,与普通小麦中扩增的302 bp序列同源率达95.77%,对应的第6外显子区域内无SNP,说明在小麦D染色体组中存在psy基因,且psy基因部分外显子序列在D染色体组的进化过程中相对保守。     

小麦EPF/EPFL基因家族的全基因组鉴定及 TaEPF1-2B与气孔性状的关系分析

表皮模式因子EPF/EPFL基因家族编码一类植物中特有的分泌类蛋白,在植物生长发育特别是形态建成过程中发挥着重要作用。为挖掘和利用小麦EPF/EPFL家族基因,对小麦该家族基因进行了系统鉴定,并利用生物信息学技术对其基因结构、蛋白质结构域、系统进化及表达特性进行分析。结果表明,在小麦全基因组水平共鉴定到35个TaEPF/EPFL基因家族成员,含有1~4个外显子,分布在除1A、5B外的19条染色体上,全基因组复制事件是导致该基因家族扩张的主要原因。蛋白结构分析显示,其编码蛋白的C端包含6个相对保守的半胱氨酸残基,N端存在信号肽剪切位点,且亚细胞定位在胞外基质中,属于一类胞外分泌蛋白。系统进化分析发现,TaEPF/EPFL基因在单子叶和双子叶植物分化之前就已形成。表达模式分析发现,大多数TaEPF/EPFL基因在小麦幼嫩组织和穗部表达量较高,部分TaEPF/EPFL基因响应干旱、高温等非生物胁迫。进一步分析 TaEPF1-2B不同单倍型与气孔性状的相关性,发现TaEPF1-2B不同单倍型的气孔密度、气孔长度、气孔宽度和气孔面积均存在极显著差异,净光合速率存在显著差异,其中单倍型Hap A具有较低的气孔密度和较高的光合速率,是优势单倍型。本研究结果为进一步改良小麦的抗旱性和光合效率提供了候选基因。     

小麦耐冷相关基因TaCTR的克隆及其表达特性分析

低温冷害是小麦生长发育过程中面临的重要非生物逆境因素。为了挖掘小麦耐冷功能基因，本研究采用同源克隆的方法从普通小麦品种小偃22中分离到一个耐冷相关基因TaCTR，该基因序列全长2 192 bp，含有12个外显子、11个内含子，编码区全长为1 407 bp，编码468个氨基酸，分子量约为53.43 kDa；系统进化树分析表明，该基因在进化关系上与山羊草最近；亚细胞定位结果显示，该基因编码的蛋白为膜蛋白；实时荧光定量PCR（RT-PCR）结果表明，TaCTR在不同品种、不同组织和不同发育阶段低温特异表达；在干旱、高盐及GA处理下，TaCTR的表达量显著上升，说明该基因可能参与调控小麦的抗逆反应。     

粗山羊草苗期抗叶锈性离体鉴定及抗叶锈基因推导

为明确来自加拿大的17份粗山羊草含有的苗期抗叶锈病基因,选用15个小麦叶锈菌菌株和42个小麦叶锈病近等基因系,采用苗期离体叶片对其抗叶锈性进行鉴定和抗叶锈基因推导。结果表明,17份粗山羊草材料中,30942对15个菌株均表现免疫,30941对13个菌株表现免疫,说明这两个材料抗锈谱广,含有效的抗叶锈基因。经基因推导,这些粗山羊草材料中可能含有Lr1、LrB、Lr2b、Lr18、Lr21、Lr32、Lr33及未知抗叶锈基因。     

节节麦pbf基因的克隆、序列分析及原核表达

醇溶蛋白盒结合因子(prolamin-box binding factor,PBF)通过调控籽粒蛋白的表达效率进而影响面粉的加工品质。为给深入研究小麦籽粒PBF对籽粒蛋白质表达调控的分子基础提供参考依据,进而为小麦面粉加工品质的改良提供候选基因资源,利用特异引物组合pbfF1/pbf R1分别从两份节节麦(AS90、AS2386)中克隆出pbf基因后进行序列分析,并进一步构建pbf基因的原核表达体系。结果表明,从两份节节麦中克隆得到了2个不同类型的pbf基因(GenBank登录号分别为KJ544771和KJ544772),其中来源于AS2386的KJ544772与来源于普通六倍体小麦的1个pbf基因序列完全相同。推导的氨基酸序列分析表明,KJ544771和KJ544772所编码的蛋白质均为弱碱性的亲水蛋白,具有典型的DOF蛋白结构域。与其他远缘物种来源的PBF比对结果表明,该类蛋白在NLS核心、DOF结构域及Ser铰链区相对保守,而在C-端调控区变异较大,说明PBF蛋白具有种属特异性。同时,系统演化树显示,来源于节节麦AS2386的pbf基因与迄今已知的全部普通小麦的pbf基因具有高度的相似性,因此推测该种类型的节节麦很可能参与了最初的普通六倍体小麦的形成。此外,本研究成功构建了pbf基因的原核表达体系,可为后续功能验证的开展奠定基础。     

小麦G6PDH基因家族的鉴定与表达分析

葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PDH)是磷酸戊糖途径中的关键限速酶,在植物生长发育及非生物胁迫响应中发挥重要作用。本研究利用生物信息学对小麦 G6PDH基因家族成员进行鉴定,并对该家族基因编码蛋白的理化性质、进化关系、亚细胞定位、基因复制事件以及在不同组织和不同胁迫下的表达模式进行分析。结果表明,在小麦基因组中共鉴定到14个 G6PDH基因家族成员,分布在小麦2A、2B、2D、4A、4B、4D、6A、6B和6D染色体上,其中5个基因编码的蛋白为胞质型,9个为质体型。亚细胞定位预测表明,胞质型G6PDH蛋白主要定位于细胞质上,而质体型G6PDH蛋白主要定位于叶绿体上。根据系统进化和保守结构域特征,可将14个小麦G6PDH蛋白分为Cy、P0、P1和P2四个亚组。共线性分析表明,小麦 G6PDH基因家族成员存在17对片段重复基因。RNA-seq分析结果表明,小麦 G6PDH基因家族成员在不同组织中存在明显的表达差异,其中 TaG6PDH1-2A/2B/2D基因在根中的表达量最高; TaG6PDH2-2A和 TaG6PDH2-2B基因在干旱胁迫后1 h以及热胁迫后6 h均上调表达。进一步利用qRT-PCR检测6个小麦 G6PDH基因在干旱和盐胁迫下的表达模式,发现分别有5个基因在小麦根中均上调表达,推测小麦 G6PDH基因在非生物胁迫响应过程中发挥着重要功能。