二穗短柄草GRFs基因家族的鉴定及表达模式分析

GRFs基因家族在植物生长发育及逆境响应中起着重要的调控作用。为了探明二穗短柄草GRFs基因家族的基本特征及其进化关系,本研究利用生物信息学方法在全基因组水平上对二穗短柄草GRFs基因家族成员进行鉴定与分析。结果表明,二穗短柄草GRFs基因家族包括12个家族成员,蛋白质序列长度在238~577个氨基酸之间;序列比对发现二穗短柄草GRFs家族基因包括2个保守的QLQ和WRC结构域及广泛的保守基序;染色体定位发现,12个家族成员在二穗短柄草的5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体分布最多;系统发育关系比较分析表明,这些GRFs基因家族成员存在4对直系同源基因。RT-qPCR分析表明,全部GRFs基因家族成员在二穗短柄草幼嫩组织中表达量较高,而在根系和衰老组织中表达量较低,外源激素特别是GA₃诱导了二穗短柄草大部分GRFs基因家族成员的上调表达,表明GRFs基因家族广泛地参与了二穗短柄草分生组织功能和器官形成的生命进程。本研究结果为二穗短柄草GRFs家族蛋白功能的研究奠定了理论基础。     

谷子SBP蛋白基因家族的鉴定及表达分析

为了深入分析SBP基因家族在谷子中的功能作用,本研究在谷子全基因组水平,通过NCBI blast及HMMER search等生物信息学方法进行了谷子SBP基因家族鉴定,分析了SBP蛋白理化性质及系统发育,利用RT-qPCR分析了谷子SBP基因在PEG和ABA胁迫下的表达情况。结果表明,谷子SBP基因家族有19个成员,位于9条染色体上,编码的氨基酸序列长度为199~1 118 aa。谷子SBP蛋白系统发育树结果显示,该蛋白家族可分为两大类:第一类分为六个亚类,第二类仅有一个SBP蛋白。谷子SBP蛋白家族成员的外显子数从2~11个不等,且均为亲水性蛋白。亚细胞定位预测结果显示,除SBP7外,所有的SBP蛋白在细胞核中均有信号。谷子SBP蛋白与拟南芥SBP蛋白在进化关系上较远,而与高粱、水稻SBP蛋白进化关系较近。谷子SBP基因家族启动子区域的顺式作用元件主要为植物激素、干旱、光照及病原菌、创伤类的响应元件。RT-qPCR分析结果显示,PEG和ABA胁迫诱导下,SBP基因在叶和茎中的表达均上调,表达量增幅表现为:叶>茎。PEG胁迫后SBP基因的表达增长量显著高于外源ABA诱导;其中,SiSBP13的表达量增幅最大,PEG胁迫4 h叶和茎中的表达量分别达到未胁迫时的180倍和15倍,ABA诱导4 h茎中的表达量最高达到未胁迫时的8倍,而叶中的表达量持续升高,24 h时达到未胁迫时的28倍。本研究为下一步深入研究SiSBPs基因在谷子生长发育阶段中的功能奠定了基础,也为谷子功能基因的挖掘利用提供了候选基因。     

花椰菜AP2/ERF转录因子家族成员BobERF17响应逆境胁迫的表达及功能研究

AP2/ERF为植物特有的一类转录因子超家族,其中ERF家族成员被证实在植物逆境胁迫响应中发挥重要作用。为研究花椰菜中不同ERF转录因子的功能,本研究对花椰菜ERF家族中的一个成员BobERF17进行了克隆、表达及功能探究。序列分析显示,BobERF17编码区全长576 bp,编码一个由191个氨基酸组成的蛋白。聚类分析表明,BobERF17与双子叶植物,特别是芸薹属植物中的ERF17序列具有较高相似性,但与单子叶植物中该转录因子序列差异很大。不同逆境胁迫处理条件下的表达谱分析证实,BobERF17在干旱及高温胁迫条件下均呈现显著上调表达,但对盐及低温胁迫响应不敏感。将构建的BobERF17过表达载体转化入拟南芥,获得过表达BobERF17拟南芥纯合株系。功能分析显示,在拟南芥中过表达BobERF17对转化株的生长发育无明显影响,但可以显著提高转化株对干旱及高温胁迫的耐受。本研究结果证实,BobERF17在花椰菜干旱及高温胁迫中可能发挥重要的正向调控作用,为进一步探究BobERF17的功能及调控机制奠定了基础。     

毛竹4-香豆酸辅酶A连接酶基因家族鉴定及表达分析

4-香豆酸:辅酶A连接酶(4-coumarate: CoA ligase,4CL)基因是植物木质素、类黄酮和其他次生代谢产物合成的关键基因之一。为探究毛竹(Phyllostachys edulis)4CL基因的分子特征和表达模式,利用生物信息学方法对毛竹4CL同源基因进行鉴定,并对其基因结构、保守结构域和系统进化等进行全面分析,应用实时荧光定量PCR(qPCR)技术对基因表达模式进行研究。结果表明,在毛竹中共鉴定出15个4CL同源基因(Pe4CL1 ~ Pe4CL15),均含有内含子,数量为2 ~ 5个。Pe4CLs编码蛋白长度为520 ~ 671 aa,分子量为55 ~ 72 kDa。Pe4CLs均含有2个4CL家族高度保守的结构域,保守基序数量为6 ~ 10个,且均定位在过氧化酶体上。系统进化分析显示,毛竹、水稻、二穗短柄草、拟南芥、大豆和毛果杨的4CL家族成员分为2个亚家族(A和B),其中亚家族A又分为3个类型(Type Ⅰ ~ Type Ⅲ)。基于转录组数据的基因组织特异性表达分析发现,15个Pe4CLs在毛竹不同组织和不同生长时期中的表达量均存在明显差异。qPCR结果显示,除Pe4CL6的表达下调外,其他基因均随着竹笋高度增加呈上调趋势。组织化学染色结果表明,随着笋高度的增加,其木质化程度加深,与大多数Pe4CLs表达上调相一致。本研究为进一步探究毛竹中4CL的功能提供了参考依据。     

高粱KNOX基因家族鉴定及SbKNOX22基因表达分析

KNOX基因家族是植物生长发育过程中所特有的一类转录因子,其在植物的形态建成方面发挥着重要的作用。为研究高粱KNOX基因家族特征及SbKNOX22的表达特性,本研究利用生物信息学和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)的分析方法,对高粱KNOX基因家族进行了鉴定和表达分析。结果表明,在高粱中共鉴定到23个KNOX基因(SbKNOX1~SbKNOX23),亚细胞定位显示均定位于细胞核中,氨基酸序列长度介于184~802 aa之间,分子量大小介于20.23~86.14 kDa之间,理论等电点介于7.28~4.76之间,高粱KNOX基因家族蛋白均属亲水性蛋白,分布在8条染色体上。系统进化结果显示,高粱KNOX基因家族分为Class Ⅰ和Class Ⅱ两类;基因结构分析表明,Class Ⅱ类中各亚类家族成员之间的外显子和内含子数量存在较大差异;Motif分析显示,Homeobox KN结构域最为保守。qRT-PCR分析表明,SbKNOX22在高粱叶片中表达,水杨酸处理6 h时表达量最高,PEG 6000和甘露醇模拟干旱胁迫处理0.5 h后表达量开始降低,NaCl胁迫处理9 h时表达量最高。本研究结果为进一步探索KNOX家族在调节高粱生长发育、信号转导和植物激素调控等过程中的作用提供了基础。     

谷子MDH基因非生物逆境响应特性研究

为揭示谷子MDH基因对逆境胁迫的响应,本研究通过序列比对得到2个谷子苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase, MDH)基因SiMDH1、SiMDH2,并对SiMDH1和SiMDH2的编码蛋白特征、基因结构、功能、进化等性状进行了系统的分析和预测,用荧光实时定量PCR(qPCR)检测了SiMDH1和SiMDH2在苗期不同逆境及关键生育期干旱胁迫和不同光照强度下的表达。蛋白特征参数和序列分析表明,SiMDH1和SiMDH2蛋白特征参数相似度很高,序列非常保守,都含有MDH基因的特征功能域苹果酸酶NAD结合域和苹果酸酶C端功能域。亚细胞定位预测显示,SiMDH1和SiMDH2主要定位于叶绿体、细胞质和线粒体。启动子区域顺式元件分析发现,在SiMDH1和SiMDH2启动子区域含有大量光应答、激素类和其他类应答元件。苗期逆境qPCR表达谱分析发现,SiMDH1和SiMDH2受脱落酸(ABA)、聚乙二醇(PEG)、高盐和低温不同程度诱导,揭示SiMDH1和SiMDH2参与了谷子苗期非生物逆境胁迫应答。进一步分析发现,SiMDH1和SiMDH2参与了谷子在拔节、抽穗、灌浆期的干旱应答,而光照强度会显著影响SiMDH1和SiMDH2基因在不同生育期的表达。本研究为进一步分析MDH逆境应答机制以及利用基因工程方法改善作物抗逆性提供了试验和理论支持。     

药用植物金银花Dof基因家族的筛选及表达分析

Dof(DNA-binding one zinc finger)蛋白是一类植物所特有的转录因子,N-末端具有高度保守的C₂-C₂单锌指结构域,C-末端的转录调控区的氨基酸具有高度多样性,其在植物光合、细胞周期及逆境响应等过程中发挥着重要的作用。本研究基于金银花测序数据,利用生物信息学的方法筛选了候选的LjDof基因,并对其理化性质、亚细胞定位、同源序列比对、保守基序、系统进化发育和表达模式进行了深入分析。结果表明,金银花Dof转录因子家族包含11个基因,编码的氨基酸的个数为157~492,理论等电点为5.45~9.48,均为不稳定亲水性蛋白。亚细胞定位显示,LjDof基因都在细胞核中有定位,个别在其他部位也有定位。同源比对和Motif分析发现,11个LjDof基因都含有完整的C₂-C₂单锌指结构。系统进化发育分析表明,金银花Dof蛋白分为五个亚类。实时荧光定量PCR及表达模式分析表明,LjDof基因在金银花低温胁迫不同时间下有着不同的表达规律。本研究结果为进一步研究金银花Dof基因在逆境胁迫下的功能提供了理论基础。     

独行菜LaBBX基因低温表达响应与密码子偏性分析

BBX是调控植物非生物胁迫相关基因表达,响应植物逆境胁迫的重要锌指蛋白类转录因子。为探究BBX在独行菜(Lepidium apetalum)幼苗耐受低温生长中的表达响应及其密码子偏好性,本研究基于独行菜转录组数据,筛选独行菜BBX编码基因的cDNA序列,并从独行菜幼苗中克隆获得全长733 bp的基因编码区序列,命名为LaBBX。序列分析表明,LaBBX由242个氨基酸组成,包含2个B-box锌指蛋白结构域,蛋白分子量为61.66 kDa,等电点为5.09,无信号肽和跨膜区。独行菜幼苗受低温胁迫时,LaBBX基因显著上调表达,6 h上调表达至21倍,且24 h内均呈现高水平表达,说明该转录因子可能在独行菜幼苗受低温胁迫时起重要作用。偏好性分析结果显示,独行菜LaBBX基因的ENc、CAI值和GC含量分别为55.453、0.244和46.78%,其密码子使用偏性较弱,相对偏好使用AT,高频密码子有8个,CDS序列及RSCU聚类分析中与十字花科植物最相近;其偏好性的形成与突变和自然选择等诸多因素相关,酵母菌表达系统更适合作为LaBBX基因的异源表达受体,拟南芥是适宜LaBBX基因的遗传转化受体。本研究为了解独行菜LaBBX基因的异源表达及基因功能提供了重要参考。     

茶树CsDREB-A2转录因子基因的克隆与非生物胁迫响应分析

干旱应答元件结合蛋白(DREB)类转录因子在植物逆境信号转导途径中具有重要的调控作用。为了解AP2/ERF转录因子在茶树逆境胁迫的分子调控机理,本研究从茶树龙井43叶片的cDNA中克隆得到一个编码CsDREB-A2转录因子的基因;对CsDREB-A2基因及其编码蛋白序列特征进行分析,并利用实时荧光定量PCR法检测该基因在茶树不同非生物胁迫处理下的表达水平。结果表明,CsDREB-A2基因开放阅读框为1 056 bp,编码351个氨基酸,其编码氨基酸序列具有AP2保守结构域,包含典型的YRG元件和WLG基序。AP2结构域第14、第19位氨基酸分别为缬氨酸和谷氨酸。拟南芥AP2/ERF家族转录因子的进化分析表明,该转录因子属于DREB亚族的A2组。CsDREB-A2相对分子质量为39 080 Da,理论等电点为5.32,属于亲水性蛋白,主要由α-螺旋和随机卷曲组成,无序化特征明显且存在一个LM无序区域;可能定位于细胞核,不存在信号肽和跨膜结构,属于非分泌蛋白。CsDREB-A2基因在高温(38℃)和干旱(200 g·L^-1 PEG)胁迫下均能快速诱导表达,并显著高于对照,分别在处理4、2 h达到最大值,为对照的20.70和42.90倍,植物在渗透胁迫下,可能通过ABA信号途径调节该基因对干旱的耐受性。高盐(200 mmol·L^-1 NaCl)胁迫下CsDREB-A2基因的表达受抑制,推测其可能存在负调控结构域降低该基因在盐胁迫下的表达量。本试验结果为研究DREB类转录因子在茶树抗逆胁迫的分子调控机制提供了一定的理论参考。     

蓖麻WOX转录因子家族成员的全基因组分析及逆境胁迫响应

WOX是植物中特有的一类转录因子,参与植物发育和应激反应。为探究蓖麻基因组WOX转录因子信息,本研究通过生物信息学方法鉴定出11个蓖麻WOX转录因子家族成员,并对其系统发育、基因结构、保守基序及理化性质等基本信息进行鉴定与分析。结果显示,11个WOX成员被分为三个进化支,在古代进化支、中间进化支和现在进化支分别有2、2和7个成员,同一进化支成员的外显子、基因结构具有相似性,但理化性质差异较大。利用RT-qPCR检测根、茎、叶不同组织中5个蓖麻RcWOXs基因在干旱与盐胁迫下表达情况,结果表明,RcWOXs在不同组织中的表达具有特异性;除RcWOX10受干旱胁迫抑制外,RcWOX2、RcWOX4、RcWOX8和RcWOX9在干旱和盐胁迫下均被诱导表达,表明RcWOX转录因子在蓖麻逆境胁迫中起调控作用。本研究结果为进一步探究蓖麻WOX转录因子家族在逆境胁迫中的功能提供了一定的理论参考。     

三月李及其红肉突变体Aux/IAA家族基因鉴定及分析

为了解Aux/IAA家族基因在李果实成熟过程中的生物学功能,通过生物信息学鉴定三月李及其红肉突变体果实转录组中的Aux/IAA家族基因,并分析其在果实成熟过程中的表达模式。结果表明,三月李及其红肉突变体果实转录组中共有26个Aux/IAA家族成员,大部分为位于细胞核的不稳定亲水蛋白质。系统进化树分析表明,Aux/IAA家族成员可分为A、B 两组,共9个亚组。大部分Aux/IAA蛋白质含有4个高度保守的结构域。16个Aux/IAA家族基因在三月李及其红肉突变体果实成熟过程中差异表达。PsIAA11、PsIAA13、PsIAA14、PsIAA18、PsIAA19和PsIAA25在三月李及其红肉突变体果实成熟过程中的表达模式存在显著差异。上述结果表明,Aux/IAA家族基因与李果实成熟密切相关,这为深入研究Aux/IAA家族基因在李果实成熟过程中的功能奠定了基础。     

竹类植物中CYP85A1基因的克隆及表达分析

油菜素内酯(BRs)是一种促进植物茎秆伸长的甾类植物激素,CYP85A1基因参与了BRs合成中重要的催化反应步骤。为阐明CYP85A1基因在竹类植物节间伸长中的作用,本研究以20个竹类植物为试验材料,利用生物信息学分析了CYP85A1基因的特点,并利用实时荧光定量PCR技术分析了该基因在孝顺竹及其变种凤尾竹的不同组织和不同发育阶段的相对表达量。结果表明, 20个竹种中CYP85A1基因序列在DNA水平上的同源性为92.23%,cDNA序列的同源性为98.79%,氨基酸序列的同源性为97.86%;这些基因均含有9个外显子和8个内含子,编码465~480个氨基酸,蛋白分子量约为54 kDa,理论等电点均约为9.2。氨基酸序列中均含有细胞色素P450家族保守的血红素结合域、富含脯氨酸和氧的结构域及Glu-X-X-Arg结构域;CYP85A1基因孝顺竹和凤尾竹母竹的叶中表达量均最高,茎中次之,在根中的表达量最低。孝顺竹和凤尾竹幼竹中,该基因在顶部的表达量明显高于第2、第4、第5节间中的表达量;CYP85A1基因在快速伸长阶段的表达量明显高于生长缓慢时期,节间伸长速率越快该基因的表达量越高。综上,CYP85A1基因在竹类植物茎秆及节间伸长发育过程中具有促进作用。本研究结果为阐明CYP85A1在竹类植物中的生物学功能奠定了一定的理论基础。     

低氮胁迫对不同光皮桦基因型苗期生长及生理生化特征的影响

为探讨低氮胁迫对不同基因型光皮桦(Betula luminifera)生长及生理生化响应特性,本研究采用裂区设计,以光皮桦G49-3、G50-1和优3组培苗为材料,通过水培培养研究其在正常供氮(CK,15 mmol·L^-1 $NO_{3}^{-}$)和低氮胁迫(LN,0.03 mmol·L^-1 $NO_{3}^{-}$)条件下的苗期生长及生理生化响应。结果表明,低氮胁迫处理21 d后,3个光皮桦基因型的叶绿素含量、株高、地上部干重、地上氮含量和氮积累量均显著降低,其中G49-3降幅最大,G50-1降幅最小;3个光皮桦基因型根冠比、根系总根长、总表面积和平均直径均增加;叶片过氧化物酶(POD)、超氧化物岐化酶(SOD)和硝酸还原酶(NR)活性降低,G50-1降幅最低。实时荧光定量PCR(RT-qPCR)分析表明,相较于CK,低氮胁迫处理下3个光皮桦基因型叶和根中NRT1.1和NRT1.2均下调表达,而NRT2.1在根中上调表达,说明根中NRT2.1在低氮胁迫下的硝酸盐转运过程中发挥主要作用。综合隶属函数分析显示,G50-1平均隶属函数值(0.73)高于优3(0.44)和G49-3(0.34),表明G50-1耐低氮能力最强,而G49-3对低氮胁迫最敏感。本研究结果揭示了光皮桦响应低氮环境的生理机制,同时表明运用常规遗传改良手段筛选和培育耐低氮、氮高效利用的光皮桦良种是可行的。     

西葫芦9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶CpNCED2基因的克隆及其干旱响应模式研究

为探究9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)在西葫芦干旱胁迫环境中的调控作用,本研究基于前期构建的转录组数据库从西葫芦中分离到1条1 941 bp的cDNA,该序列包含一个完整的开放阅读框(ORF),命名为CpNCED2;基因预测编码588个氨基酸,其理论分子量(Mw)为65.73 kDa、等电点(pⅠ) 为6.89。CpNCED2与同为南瓜属的中国南瓜和印度南瓜中同源蛋白的相似性均为99%,显示出高度的保守性。Pfam分析发现,CpNCED2具有NCED家族的典型特征,即含有4个保守组氨酸位点(His284、His333、His398和His575)和2个NCED蛋白保守结构域(281~289和333~340位)。利用光合仪对干旱胁迫后1、2、3、4 d西葫芦的幼苗进行测量,结果表明,随着干旱胁迫时间的延长,叶片净光合速率(Pn)、光系统Ⅱ最大光化学效率(F_v/F_m)、非光化学淬灭系数(NPQ)和光化学电子传递效率(ETR)显著降低。同时发现,干旱胁迫后1、2、3、4 d西葫芦叶片中水势逐渐降低,脱落酸(ABA)含量逐渐升高,CpNCED2基因显著上调表达。本试验为进一步研究CpNCED2在西葫芦干旱胁迫应答以及ABA的代谢合成过程的功能提供了理论依据。