水稻DUF966基因家族的生物信息学分析

DUF966基因家族是一类未知功能的基因家族,它们在水稻生长发育和逆境胁迫应答反应中可能起重要作用,为了研究这些基因的生物学功能,初步揭示它们对水稻生长发育和抗逆性的调控作用,本研究通过生物信息学方法,分析了水稻DUF966家族基因特征、系统进化、芯片表达谱、跨膜结构域、信号肽以及亚细胞定位。结果表明,水稻DUF966基因家族包含7个成员,几乎都具有转录活性,它们编码的蛋白质只包含1~2个保守的未知功能结构域(DUF966结构域);进化分析表明,该家族可分为4个亚群,其中Os DSR2、Os DSR4、Os DSR5和Os DSR6同属一个亚群,可能具有相似的生物学功能;芯片表达谱分析表明,该家族基因主要在幼苗、花序和茎中呈中、低度表达,Os DSR3和Os DSR7基因受盐和低温胁迫的诱导表达,其它基因受不同非生物胁迫的抑制表达,该家族多数基因还能被白叶枯病菌侵染诱导表达;蛋白预测表明,该家族蛋白不含跨膜结构域和信号肽序列,能够被定位在细胞质中。本研究为系统开展水稻DUF966基因家族的生物学功能研究提供了依据。     

锌铁转运蛋白基因OsZIP5和OsZIP9参与水稻Zn^2+和Cd^2+的吸收和转运

锌(Zn)和镉(Cd)在水稻中的积累与世界粮食营养健康与安全息息相关。锌和镉具有相似的化学和物理性质,但在高等生物中具有不同的生理效应。在植物中,通过不同基因家族的不同转运蛋白参与锌和镉的吸收或转运。本研究对水稻锌铁转运蛋白(zinc-regulated transporters, iron-regulated transporter-like proteins,ZIPs)基因家族的16个成员进行生物信息学分析,并在锌缺乏或加镉胁迫条件下开展其表达模式分析,探究ZIP基因家族成员在水稻锌和镉吸收及累积过程中可能的生物学功能。研究发现,Os ZIP5和Os ZIP9同时受锌缺乏和镉胁迫的诱导表达。通过异源酵母表达验证了Os ZIP5和Os ZIP9具有Zn^2+和Cd^2+的转运活性,并进一步通过不同时期不同组织的表达模式分析发掘Os ZIP5和Os ZIP9在水稻Zn^2+和Cd^2+吸收或转运中的作用。本研究为水稻ZIP基因家族成员参与Zn2+和Cd2+的吸收和累积的相关研究提供参考。     

水稻OsCCCH基因家族的组织表达谱及胁迫诱导表达特征研究

CCCH型锌指蛋白是一类生物体中广泛存在的转录因子,在多种植物生物学过程中起着关键的调控作用。在水稻全基因组中已发现67个CCCH基因,分为8个亚家族,而其中大部分基因的功能尚缺少研究。本研究通过荧光定量RT-PCR技术分析了水稻Os CCCH家族基因的组织表达模式以及盐、PEG、低温等非生物胁迫和脱落酸(ABA)对CCCH基因的诱导表达特征。结果表明,大部分Os CCCH基因在各组织中有不同的表达模式,约30%基因为低丰度表达,50%以上基因表现为中丰度表达,极少Os CCCH基因为高丰度表达,包括Os C3H2、Os C3H35、Os C3H41、Os C3H43、Os C3H58和Os C3H67这6个组织优势表达基因。多数Os CCCH基因都不同程度地受到盐、PEG、低温及ABA的诱导或抑制,表明这些CCCH锌指蛋白可能参与水稻的非生物胁迫响应;在四种胁迫下,有7个基因同时受到诱导,其中Os C3H17基因上调倍数高达17倍以上;有10个基因同时被抑制,其中Os C3H16基因下调倍数高达31倍以上。     

辣椒抗坏血酸生物合成酶GME基因家族的鉴定和表达分析

GDP-甘露糖-3′,5′-异构酶基因(GME)是抗坏血酸途径中的关键限速酶,该基因可以调节AsA合成。为了解辣椒中GME基因家族功能及在非生物胁迫下的表达情况,通过生物信息学方法对辣椒GME基因家族进行鉴定,并对基因结构、结构域、系统进化关系、基因表达模式和非生物胁迫表达情况进行分析。结果表明,在辣椒中有2个GME家族成员,CaGME1和CaGME2,分别分布在3号和8号染色体上,都有6个外显子;CaGME1和CaGME2蛋白均具有NADB Rossmann家族中高度保守的NADPH结合位点、底物特异性结合位点,均不具有信号肽,为亲水性蛋白,定位在细胞质粒的可能性最高,均不具有跨膜结构,二级结构主要以不规则卷曲和α-螺旋为主;系统进化树分析表明,该基因编码的氨基酸序列与番茄和马铃薯的亲缘关系最近;qRT-PCR分析结果表明,在低温、茉莉酸甲酯和盐胁迫下CaGME1和CaGME2均被诱导上调,在赤霉素下均被诱导下调。综上可知,CaGME1和CaGME2基因在胁迫下不同的表达情况表明其在非生物胁迫中发挥作用,可为辣椒逆境胁迫机制研究提供参考。     

番茄NAC基因家族的系统进化及表达分析

本研究挖掘番茄(Solanum lycopersicum)中NAC转录因子家族成员104个,为研究番茄NAC转录因子在响应生物及非生物胁迫中的调控作用提供理论基础,也为番茄NAC转录因子的全基因组分析提供了依据。通过SOL数据库下载番茄NAC、NAM基因及蛋白序列,根据NAC保守域序列号PF01849、PF02365,利用HMMER 3.0软件鉴定番茄NAC基因。再利用保守结构域预测软件Pfam和SMART对候选序列进行筛选鉴定。使用DNAMAN5.0、Web Logo、MEGA5.2、GSDS2.0、Map Inspect、Ex Pasy和Swiss-Model等软件对获选番茄NAC转录因子进行生物信息学分析。通过RT-PCR技术检测番茄NAC转录因子在不同组织中的表达情况。本实验通过生物信息学方法对番茄中NAC基因家族成员进行了预测及分析。预测及分析结果显示,番茄NAC基因家族包含104个蛋白质,通过分组鉴定和进化树分析将番茄NAC基因家族分为12个亚族,番茄特有的TNAC亚族成员最多为28个。本实验对挖掘到的104个NAC转录因子的分子量、等电点、保守结构域及蛋白质二、三级结构进行了预测及分析。本实验选取12个NAC转录因子家族成员进行RT-PCR技术检测,获得其在根、茎、叶、花、果中的表达情况,半定量结果显示,7个Sl NAC基因在根、茎、叶、花、果(红熟)中均有表达,并呈现出多种表达模式。番茄NAC转录因子家族在结构上高度保守,并参与番茄生长发育、生物及非生物胁迫的调控过程。     

水稻干扰素相关发育调节因子的生物信息学分析

干扰素相关发育调节因子(interferon-related developmental regulator factor, IFRD)在动物中有较深入研究,参与动物细胞发育和分化及多种疾病的发生,但是在植物中研究较少。为了挖掘植物IFRD基因的功能,本研究对禾本科模式作物水稻IFRD基因家族成员进行了系统的生物信息学分析。本研究鉴定得到5个水稻IFRD基因家族成员,分布在4条染色体上,根据进化树把它们分为2个亚家族,不同亚家族成员具有不同的基因组结构、蛋白质保守基序和表达模式。高温、盐胁迫处理后的转录组测序分析结果显示,该基因家族成员(OsIFRD3, OsIFRD4)对逆境的响应变化差异显著;蛋白质相互作用分析结果显示水稻IFRDs可能与mRNA可变剪接因子、甲硫氨酰t RNA合成酶、rRNA加工蛋白相互作用;启动子分析显示水稻IFRD启动子具有非生物胁迫和植物激素响应元件。综上表明水稻IFRD基因家族可能通过调控m RNA可变剪接和蛋白质的合成参与高温、盐胁迫逆境响应途径。本研究为深入解析水稻IFRD基因功能提供了重要信息。     

烟草SnRK2基因家族的克隆及表达分析

农作物生产过程中会面临多种非生物胁迫的影响,会极大地影响作物的产量以及品质。非生物胁迫形式多种多样,干旱胁迫是其中一种主要形式。烟草是重要的经济作物,主要在中国西南地区种植,但经常会遭受极端干旱胁迫。Sn RK2基因家族参与植物抗旱过程,能够受逆境胁迫诱导表达,这种表达是SnRK2基因家族功能的重要体现。为了进一步研究烟草SnRK2家族基因的功能,本研究克隆了烟草SnRK2基因家族GroupⅠ的基因,并检测了烟草SnRK2基因家族的组织表达特异性及诱导表达特异性。结果表明,烟草SnRK2基因中Ntab0922420基因的表达量最高,同时烟草SnRK2基因家族成员更容易在茎与叶中表达。烟草经过低温、盐、干旱胁迫以及ABA处理后,部分SnRK2基因成员表现出受胁迫诱导,其中ID为Ntab0894060的基因受干旱显著诱导。这些工作将为研究烟草SnRK2基因家族功能鉴定基础,并为培育抗逆烟草品种提供遗传资源。     

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。     

杜仲U-box基因家族鉴定及分析

植物U-box蛋白是编码含有U-box结构域的基因家族,其编码蛋白大多是泛素系统中特异性识别底物的泛素连接酶E 3,在植物的生长发育、生物及非生物胁迫中起着广泛的调控作用。目前对杜仲的U-box基因了解较少,本研究通过生物信息学和荧光定量PCR技术,对杜仲U-box基因进行鉴定和表达分析。结果表明,杜仲基因组中含有40个U-box基因,根据蛋白结构域将其分为7类,并分析了基因家族成员的基因结构、系统发育、保守结构域和基序等。此外,U-box-Arm结构家族成员的基因表达分析发现,该家族成员的表达具有一定的组织特异性。     

梭梭NAC家族基因转录组鉴定及干旱和盐胁迫下的表达分析

NAC转录因子在超旱生C4植物梭梭中的成员数量、序列结构特征及调控形态建成和应答生物、非生物胁迫等过程的分子机理亟待明确。本研究以模式植物NAC基因为种子序列,在已有的梭梭转录组测序数据中比对并发掘可能编码NAC的转录本,利用生物信息学方法预测梭梭NAC家族成员基因结构、保守结构域、亚细胞定位等信息,分析梭梭和模式植物NAC基因家族的进化关系。采用实时荧光定量PCR技术检测Ha NACs在模拟干旱及盐胁迫下的表达规律。本研究共鉴定得到49个梭梭NAC家族成员;21个编码150个以上氨基酸的unigene中17个具有NAM结构域,预测等电点在4.51~9.47之间,15个Ha NACs蛋白预测定位在细胞核中,N端序列中包含与模式植物类似的5个亚结构域和核定位信号序列;NAM/CUC3、SENU5、TIP、NAP、ATAF和TERN组均包含与之进化关系较近的Ha NACs。干旱和盐胁迫处理下,21个Ha NACs的表达模式具有多样性,表达量间具有显著差异性,暗示着它们可能与盐和干旱胁迫应答过程相关。研究结果表明,梭梭NAC家族基因的序列结构具有较高的保守性,家族成员在应答、调节干旱和盐胁迫等方面表现出多样性。本研究为解析梭梭NAC基因的功能提供了基础数据。     

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。     

辣椒NHX基因家族的鉴定和表达分析

为了解辣椒中NHX基因家族生物信息学功能,探究其在非生物胁迫下基因表达特性,进而为辣椒CaNHX基因的功能开发以及辣椒耐盐抗旱育种基因提供基础。通过生物信息学方法对辣椒NHX基因家族进行鉴定,并对基因结构、结构域、系统进化关系、基因表达模式和非生物胁迫表达情况进行分析。结果表明,在辣椒中有7个GME家族成员,可分为3个亚组,同时均包含Na~+/H~+ exchange保守结构域;主要分布在5条染色体上,其基因大小之间差异明显,氨基酸数目维持在198～952个,外显子含量在7～21个。除CaNHX5外其余蛋白均不具有信号肽,为疏水性蛋白,定位在液泡的可能性最高,都属于跨膜蛋白;Motif分析发现,N端含有CXC24XC的锌指结构,C端含有Trp(W)-24和TrKA-N,在序列中高度保守,二级结构主要以不规则卷曲和α-螺旋为主。进化树分析表明,该基因编码的氨基酸序列与番茄亲缘关系最近。qRT-PCR分析结果表明,在渗透和盐胁迫下,CaNHX6的基因表达量显著增加,分别是0 h时的13.5,13.6倍;在茉莉酸甲酯和赤霉素处理后,CaNHX5和CaNHX6在辣椒叶片中表达量均呈显著上调趋势,其余则相反。不同的表达情况表明其在非生物胁迫中发挥作用。     

马铃薯NCED基因家族全基因组鉴定与表达分析

脱落酸(ABA)在植物响应生物胁迫和非生物胁迫过程中具有重要调节作用。9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)是ABA合成限速酶,位于ABA生物合成通路上游。为明确马铃薯NCED基因家族成员以及NCED基因表达特性,本研究在全基因组水平鉴定马铃薯NCED基因家族成员,并通过染色体定位、理化性质表征、系统发育树构建、基因结构分析以及启动子顺式作用元件鉴定对该基因家族成员进行系统研究。基于马铃薯参考基因组,共鉴定到10个马铃薯NCED基因,染色体定位分析显示这些基因分布在4条染色体上;基因理化性质分析表明,该基因家族蛋白分子量介于50～70 kD之间,等电点介于5.48～8.71之间;启动子序列分析显示该基因家族具有大量与多种植物激素相关的顺式作用元件;最后通过实时荧光定量PCR明确接种茄链格孢(Alternaria solani)后马铃薯NCED基因家族的表达模式。本研究为深入挖掘NCED基因家族在马铃薯与茄链格孢互作中的作用提供了理论基础。     

水稻DUF760基因家族的全基因组鉴定与表达谱分析

为了探索DUF760基因家族在水稻生长发育中的潜在功能,对水稻DUF760基因家族进行了全基因组鉴定、分类、启动子序列分析和表达谱分析。通过生物信息学技术在水稻和拟南芥中分别鉴定了6,8个DUF760家族成员。系统进化树分析将这些家族成员分成2个亚家族,二者在蛋白保守基序和基因结构上也存在一些特征差别。水稻DUF760家族基因启动子区域存在多个响应逆境胁迫和植物激素的顺式作用元件,ABRE(脱落酸响应)元件存在于家族所有成员的启动子序列中,OsDUF760-1启动子区域拥有9个脱落酸(ABA)相关的响应元件。在ABA处理水稻后,OsDUF760-1的转录表达水平显著下调,而OsDUF760-3显著上调,二者在干旱胁迫处理水稻后的表达变化模式与ABA处理水稻后的表达变化模式一致,说明这2个基因可能通过ABA信号途径参与水稻干旱胁迫响应,并且扮演不同的角色。除对ABA和干旱胁迫处理具有较强响应外,水稻DUF760家族成员还对JA(茉莉素)、低温及稻瘟菌处理具有较强的响应表达变化。     

辣椒转录因子CaNAC23基因的克隆与表达分析

为分析NAC转录因子在辣椒发育及非生物胁迫中的功能,本研究以‘晋尖椒22’为试验材料,克隆获得CaNAC23基因全长,该基因全长1 899 bp,编码632个氨基酸,预测分子量约为72.54 kD,等电点为6.26,无序化区域有7个。二级结构预测和亚细胞定位预测表明CaNAC23含有一个保守的NAC结构域,定位于细胞核。氨基酸序列比对和进化树分析表明CaNAC23和拟南芥AT3G03200 (NAC045)同源性较高,进化上在同一分支。CaNAC23基因的组织表达特异性和非生物胁迫下的表达模式结果表明:CaNAC23在叶片中表达量最高,其次是根,暗示CaNAC23基因可能参与辣椒叶片或根发育相关。CaNAC23能够被干旱和盐胁迫诱导表达,推测其参与调控辣椒的非生物胁迫调控。本研究结果为研究NAC转录因子在辣椒发育及非生物胁迫应答中的功能提供了参考依据。     

水稻CNGCs家族的鉴定及非生物胁迫诱导表达模式分析

为了解水稻CNGCs家族成员的基因结构、进化特征、亚细胞定位、启动子顺式作用元件和生物学功能,本研究利用生物信息学的手段对水稻CNGCs家族进行鉴定,运用RT-qPCR的方法分析OsCNGCs在非生物胁迫下的诱导表达模式。结果表明,水稻共有16个CNGCs,分布在1、2、3、4、5、6、9和12号染色体上。进化树分析显示OsCNGCs可分为4个大组(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ),而Ⅳ组可以细分为Ⅳ-A和Ⅳ-B 2个亚组。OsCNGCs启动子区域存在多种顺式调控元件,包括各种类型的光响应元件、厌氧诱导响应元件、逆境相关转录因子结合元件、防御和逆境响应元件、低温响应元件以及各种植物激素响应元件等,暗示OsCNGCs在响应多种激素和非生物胁迫中可能存在重要调控作用。多种非生物胁迫诱导表达分析表明,大多数OsCNGCs基因表现出明显的差异表达。本研究为解析CNGCs家族基因在水稻应对非生物胁迫中的功能提供了参考。     

胁迫相关蛋白激酶基因OsSAPK2调控水稻抗白叶枯病反应

水稻蔗糖非酵解型蛋白激酶Sn RK2,又称胁迫相关蛋白激酶(stress-activated protein kinase genes in rice,Os SAPKs),在调控水稻非生物胁迫信号传导中起着重要作用。本研究对Os SAPK2的结构及其在水稻抗白叶枯病反应中的功能进行了初步研究。结果表明Os SAPK2被定位于细胞核和细胞质内,与Os SAPK1、Os SAPK3同属于Kulik’s II组。Os SAPK2-RNAi转基因水稻中Os SAPK2下调表达,人工接种水稻白叶枯病菌后,转基因水稻比受体对照的病斑长度显著增长,抗病相关基因Os LRR1、Os HIR1表达水平下降,感病相关基因Os MAPK5表达水平升高。此外,Os SAPK2具有自激活活性,可能与Os MAPK5等胁迫相关蛋白互作。上述结果为进一步研究Os SAPK2调控水稻抗白叶枯病的分子机制提供了信息。     

菊花AP2/ERF家族全基因组分析

作为植物的转录因子家族之一,AP2/ERF基因家族在植物的发育调控、激素响应以及调控植物应对各种胁迫的生命过程中发挥关键作用。本研究基于菊花脑(Chrysanthemum nankingense)基因组,筛选到菊花AP2/ERF基因家族,并对该家族的成员进行基因与蛋白结构、蛋白理化性质、保守基序、启动子顺式元件、组织和胁迫条件下的表达特征等进行了相关分析。此外,结合现有的公共数据库的60个菊花转录组测序数据,通过WGCNA分析对该基因家族成员进行了初步的功能分类。研究结果表明：菊花AP2/ERF基因家族共筛选229个成员,分别将其命名为CnAP2001～CnAP2229。系统进化分析发现菊花AP2/ERF家族成员属于4个亚家族(AP2, ERF, DREB, RAV)以及3个Soloist (未分类)序列。通过WGCNA的方法,将筛选的39 508个表达的基因划分为36个模块。分析发现有31个AP2/ERF家族成员在花发育相关的7个模块,20个成员在胁迫相关的3个模块。综上所述,AP2/ERF家族成员在菊花花发育过程以及非生物胁迫过程中发挥着重要功能,本研究为菊花分子育种提供了新的思路...     

水稻类甜蛋白基因家族鉴定及表达的初步分析

本研究鉴定水稻基因组中类甜蛋白(TLP)家族基因,并对部分基因的组织表达特异性进行研究,为开展水稻类甜蛋白基因功能及分子进化机制研究提供基础。基于水稻基因组数据库,通过生物信息学方法对候选的47个水稻类甜蛋白基因家族成员进行鉴定、聚类及结构功能分析,通过q RT-PCR技术,检测14个Os TLP基因在LTH及其近等系水稻幼苗的叶片、根、叶鞘和花穗中的时空表达水平。基因和蛋白结构分析表明,Os TLP基因有5种结构类型,蛋白保守氨基酸基序高度一致。聚类分析显示,水稻类甜蛋白基因归属10个进化组,分布于12条染色体上,其中成员最多的进化组Ⅴ中的基因主要来自3号和12号染色体。q RT-PCR结果显示,14个Os TLP在6个品种水稻根、叶鞘、叶片和花穗中相对表达水平不同,多个基因在根中有较高的基础表达。本研究为进一步研究TLP家族在水稻生长发育和对抗胁迫中的作用提供了理论基础。     

毛果杨MGT基因家族全基因组水平鉴定及表达分析

为探究MGT基因家族在毛果杨生长发育及响应胁迫中的作用,本研究在毛果杨全基因组范围,通过生物信息学分析PtrMGT基因家族成员的数量、进化关系、染色体位置、基因结构、编码蛋白基本特征、启动子顺式作用元件,并对各成员的组织表达特异性以及对NaCl胁迫与ABA处理的响应特性进行了分析。结果表明：PtrMGT家族共含有10个基因,可分为4个亚族;有2对同源基因且Ka/Ks值均小于1;家族成员启动子区含有数量不等的非生物胁迫响应元件,共12种、146个元件;PtrMGT家族编码的蛋白均含有GMN序列,同一亚族基因编码蛋白的序列相对保守;PtrMGT家族成员在毛果杨根、茎和叶表达量具有差异;NaCl胁迫下,PtrMGT家族基因在根、茎和叶中表达量在0～48 h内均表现为先上升后下降的变化趋势;ABA处理下,大部分成员表达量先升后降,小部分成员表达量持续下降,表明PtrMGT家族基因对NaCl胁迫与ABA处理产生响应且响应模式出现分化。本研究为深入研究PtrMGT基因家族功能提供理论基础。