陆地棉REM基因家族全基因组鉴定及表达分析

【目的】REM (Reproductive meristem)基因家族编码一类转录因子在植物生长发育过程中发挥重要作用,但在棉花中未见报道。【方法】基于陆地棉基因组数据和公共数据库中的转录组数据,运用生物信息学方法对陆地棉REM基因家族成员进行系统鉴定,并对该基因家族的理化性质、基因结构、组织表达特异性以及胁迫条件下的表达规律等进行分析。【结果】陆地棉REM基因家族包含79个成员,分布在25条染色体上,可分为5个亚组。每个成员编码的蛋白质至少含有1个B3结构域,大部分定位在细胞核。基因上游2 kb序列中存在激素及胁迫响应等顺式作用元件。组织表达特性分析结果显示,大部分REM基因在胚珠或纤维中的表达量较其他组织更高。逆境胁迫下的表达分析显示,29个基因响应棉花冷、热、盐或干旱胁迫。对6个基因在纤维不同发育时期表达量进行分析,发现这些基因的表达与已发表的转录组数据基本一致。【结论】明确了REM基因家族在基因组中的分布特征、结构特征以及系统进化特征,根据转录组数据初步揭示了该家族基因在生长发育和抗逆中的功能。     

陆地棉Dof基因家族的全基因组鉴定及分析

【目的】单锌指DNA结合蛋白(DNA binding with one finger, Dof)是1类植物特有的转录因子,在植物生长发育与非生物胁迫响应中发挥非常重要的作用。本研究旨在对陆地棉Dof转录因子家族进行全基因组分析,为深入研究Dof基因参与植物生长发育的调控机制提供参考。【方法】基于最新发布的陆地棉基因组数据,利用生物信息学手段对陆地棉Dof基因家族进行全基因组鉴定,并系统分析Dof基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达谱。【结果】陆地棉中一共鉴定出118个Dof基因。经聚类分析将其分成9个亚家族,同一亚家族的陆地棉Dof基因有相似的内含子/外显子和基序分布模式。基因复制分析表明,全基因组复制可能导致陆地棉Dof基因的扩增。陆地棉Dof基因启动子区域存在不同植物激素和逆境胁迫响应元件。转录组分析表明,陆地棉Dof基因在不同的组织、发育时期和逆境胁迫下聚为3个表达模式不同的类群,暗示了其功能多样性。【结论】陆地棉Dof基因家族的全基因组鉴定和分析,有助于了解其进化和功能,为后续研究提供重要参考。     

陆地棉Nudix基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】Nudix是一类能够催化各种核苷二磷酸衍生物水解的酶,具有维持遗传物质稳定,响应逆境胁迫等生物学功能。本研究旨在对陆地棉Nudix基因进行全基因组分析,为深入研究Nudix基因家族参与棉纤维生长发育调控机制提供参考。【方法】通过生物信息学方法对陆地棉基因组(ZJU_v2.1)的Nudix基因进行全基因组鉴定,并系统分析Nudix基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达情况。【结果】从陆地棉基因组中共鉴定到76个GhNudix基因,经聚类分析将其分为7个亚组(CladeⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)。基因复制分析表明,片段重复是陆地棉GhNudix基因家族成员扩增的主要原因。转录组数据表明GhNudix基因的表达不但有组织特异性而且有时间特异性。其中在纤维发育的起始和伸长阶段高调表达的GhNudix基因主要分布在CladeⅠ和Ⅱ;且大部分CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因启动子含有响应生长素和赤霉素的顺式作用元件,由此推测CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因在陆地棉纤维的起始和伸长阶段发挥作用。【结论】陆地棉GhNudix基因家族的全基因组鉴定和分析,为后续研究其在棉纤维发育中的作用机制提供参考。     

基于表达谱分析陆地棉DUF642基因家族抗逆功能

【目的】DUF642(Domain of unknown function 642 genes)是1个未知功能基因家族,在植物逆境胁迫响应中发挥重要作用。本研究旨在分析其在棉花抗逆反应中的功能。【方法】基于陆地棉基因组数据,系统地鉴定DUF642基因家族。利用生物信息学方法分析基因结构、理化性质、亚细胞定位、亲缘关系、启动子顺式作用元件等。应用转录组数据和实时定量聚合酶链式反应技术分析该家族基因在不同组织和多种逆境(冷、热、干旱、盐和黄萎病菌)胁迫下的表达规律。【结果】陆地棉基因组中包含23个DUF642基因,分布于14条染色体和1条Scaffold;编码的蛋白含有1～2个保守的DUF642结构域,多定位在细胞膜。DUF642家族基因可分成4个亚组,在进化上相对保守。DUF642基因具有较为广泛的组织表达类型,其中根和叶中表达较高。通过启动子和胁迫表达分析,推测Gh DUF642-09参与棉花抗盐胁迫;GhDUF642-08和GhDUF642-19参与棉花抗黄萎病;GhDUF642-02、GhDUF642-14和Gh DUF642-17参与棉花生长发育和抗逆胁迫。【结论】本研究结果为进一步研究DUF642基因家族功能和棉花抗逆分子机制提供了重要的理论依据。     

陆地棉Nudix基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】Nudix是一类能够催化各种核苷二磷酸衍生物水解的酶,具有维持遗传物质稳定,响应逆境胁迫等生物学功能。本研究旨在对陆地棉Nudix基因进行全基因组分析,为深入研究Nudix基因家族参与棉纤维生长发育调控机制提供参考。【方法】通过生物信息学方法对陆地棉基因组(ZJU＿v2.1)的Nudix基因进行全基因组鉴定,并系统分析Nudix基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达情况。【结果】从陆地棉基因组中共鉴定到76个Gh Nudix基因,经聚类分析将其分为7个亚组(CladeⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)。基因复制分析表明,片段重复是陆地棉Gh Nudix基因家族成员扩增的主要原因。转录组数据表明GhNudix基因的表达不但有组织特异性而且有时间特异性。其中在纤维发育的起始和伸长阶段高调表达的GhNudix基因主要分布在CladeⅠ和Ⅱ;且大部分CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因启动子含有响应生长素和赤霉素的顺式作用元件,由此推测CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因在陆地棉纤维的起始和伸长阶段发挥作用。【结论】陆地棉GhNudix基因家族的全基因组鉴定和分析,为后续研究其在棉纤维发育中的作用机制提供参考。     

棉花FAR1/FHY3基因家族的全基因组分析

【目的】FAR1/FHY3是1类起源于转座子酶的转录因子,在光敏色素A(phyA)信号通路的启动中起到非常重要的作用。通过对FAR1/FHY3家族进行全基因组学分析,为深入研究FAR1/FHY3在棉花光信号通路中的分子调控机理提供基础。【方法】利用生物信息学方法对亚洲棉(Gossypium arboreum L.)、雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii Ulbrich)和陆地棉(Gossypium hirsutum L.)中的FAR1/FHY3基因进行了全基因组鉴定和分析。【结果】共鉴定出88个FAR1/FHY3基因,其中陆地棉中数量最少。聚类分析将所有成员分为3个亚组。Ka/Ks值表明大部分基因都经历了负选择过程。转录组数据分析发现,大部分FAR1/FHY3基因在棉花叶片中表达,少数在茎、花瓣和花托中表达。陆地棉中的Gh FAR14在4种组织中均有较高水平的表达,且与拟南芥FHY3具有较高的同源性,推测其在陆地棉phyA信号通路的启动过程中可能起到关键作用。【结论】该研究结果有助于了解棉花FAR1/FHY3基因家族的进化与功能,为下一步深入研究该基因家族在棉花生长发育和响应红光信号通路中的分子调控机理提供基础。     

棉花GR基因家族的全基因组鉴定及分析

【目的】谷胱甘肽还原酶基因(Glutathione reductase gene,GR)家族参与植物生长发育和非生物胁迫响应等生物进程,但其在棉花中的特性及功能尚不清楚。本研究通过在异源四倍体陆地棉(Gossypium hirsutum)、海岛棉(G. barbadense)及其可能的二倍体祖先种亚洲棉(G. arboreum)和雷蒙德氏棉(G. raimondii)中对GR基因家族全基因组鉴定与特性分析,分析棉种分化及异源四倍体棉花形成过程中GR基因的进化历程,探讨其在非生物胁迫响应中的作用,为后续相关研究提供理论基础。【方法】利用生物信息学方法鉴定陆地棉、海岛棉、雷蒙德氏棉、亚洲棉的GR基因家族成员;解析GR基因家族成员的理化性质、序列特征、染色体位置、系统发育及表达模式。【结果】共鉴定到18个GR基因家族成员,陆地棉、海岛棉、雷蒙德氏棉和亚洲棉中GR基因数目分别为6、6、3和3个。系统发育分析发现GR基因分为2个亚组,同一亚组基因具有相似的外显子数目和基因结构。对同源基因的非同义突变率(Ka)及同义突变率(Ks)分析发现Ka/Ks值均小于1,表明在进化过程中GR基因经历了较强的纯化选择作用。陆地棉GR基因的表达模式分析表明,所有的GR基因均积极响应胁迫环境,但在不同的非生物胁迫下,基因的表达模式有明显差别。【结论】本研究探讨了GR基因家族在亚洲棉、雷蒙德氏棉、海岛棉和陆地棉基因组中的进化及功能,可为棉花GR基因后续研究提供理论基础。     

陆地棉LTPG基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】从陆地棉全基因组范围内鉴定糖基磷脂酰肌醇锚定的脂质转运蛋白(glycosylphosphatidylinositolanchored lipid transfer protein,LTPG)基因，为后续研究提供支撑。【方法】利用生物信息学方法从陆地棉TM-1基因组中筛选鉴定LTPG基因家族成员，并对其编码蛋白的理化性质、系统进化关系、基因复制、基因结构和启动子区的顺式作用元件等进行预测分析。利用转录组数据结合实时定量聚合酶链式反应(quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)分析LTPG基因在不同组织器官和非生物胁迫下的表达模式。在烟草叶片中采用瞬时转化法检测目标蛋白的亚细胞定位情况。【结果】在陆地棉基因组中共鉴定到95个GhLTPG基因，系统发育分析将这些GhLTPG蛋白聚为5类。片段复制是GhLTPG基因家族扩张的主要原因。K_a/K_s分析表明GhLTPG基因经历了强烈的纯化选择。转录组数据分析表明，部分GhLTPG基因响应低温、高温、盐和干旱胁迫。表达分析结果显...     

棉花WOX转录因子家族基因的全基因组鉴定与分析

为了挖掘可用于棉花花器官或纤维发育研究的候选基因,基于已发布的陆地棉全基因组数据,利用生物信息学的分析方法鉴定了陆地棉WOX(WUSCHEL-related homeobox,WOX)转录因子基因家族,并从染色体分布、基因及蛋白理化性质、蛋白结构、多重序列比对、系统进化树和基因表达模式等方面对该基因家族的特征进行了比较分析。结果表明,鉴定到37个陆地棉WOX转录因子家族基因,命名为GhWOX1~GhWOX37。亚基因组定位结果显示,37个陆地棉WOX转录因子家族基因分布在除了A04、A06、A09、D04、D06和D09号亚基因组以外的20个亚基因组,A亚组比D亚组多1个GhWOX转录因子家族基因。多重序列比对分析棉花WOX转录因子家族成员均具有高度保守的同源异型结构域;系统进化树分析发现棉花WOX转录因子家族可以分为3个亚家族(Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类),各亚类分别含有23,7,7个GhWOX转录因子家族基因成员。对NCBI中陆地棉的EST数据库比对分析,有11个GhWOX转录因子家族成员没有可匹配的EST序列,其他26个GhWOX转录因子家族成员在棉花的根、茎、叶、花、胚珠、纤维和种子等组织和器官中广泛表达。为深入研究棉花和其他植物中WOX家族的鉴定和功能研究奠定了基础。     

Genome-Wide Identification and Functional Prediction of Phytochelatin Synthase Gene in Upland Cotton

[Objective] Heavy metal stress rise advertise effects on growth and development in plant, from which phytochelatin synthase (PCS) plays key roles to protect plant cells. This article will present studies on the gene amount, structure, distribution and features. [Method] PCS gene family in cotton are analyzed based on completely global genome sequence cotton species including Gossypium hirsutum ((AD)1), G. raimondii (D5) and G. arboreum (A2), for further understanding of those genes and protein family features. In this study, we conducted the analysis involving in identification on PCS family members, special protein domain comparison, polygenetic analysis, gene structure prediction and Cysteine survey. [Result] 2, 2 and 4 PCS genes were identified out in G. raimondii (D5), G. arboreum (A2) and G. hirsutum ((AD)1), respectively. All these 8 PCS genes had phytochelatin and phytochelatin_C domains and strictly conserved amino acid residues related to catalytic activity. Cotton PCS protein family members could be divided into 2 sub-group, and these members belongs to sub-group I or sub-group II are close todicotyledon or nematode, respectively. What’s more, there are some difference in both gene structure and Cys distribution between those 2 sub-groups. Less integrity of exons in PCS genes in G. raimondii, comparing to G. hirsutum and G. arboreum. [Conclusion] Comparing to sub-group II, the PCS genes from sub-group I should be higher catalytic activity. G. hirsutum and its donor G. arboreum probably are more heavy metal tolerant than G. raimondii. Based on the results, this research will provide some insights on further functional study.     

Genome-Wide Identification and Analysis ofGRGene Family in Cotton

[Objective] Glutathione reductase (GR) gene family is involved in biological processes such as plant growth and abiotic stress response, but its characteristics and functions in cotton have not been known yet. This study aims to explore the role of GR genes in cotton genome evolution and abiotic stress response through the whole genome identification and characterization of GR genes, thus providing a theoretical basis for future studies on the roles of the GR genes in enhancing abiotic stress tolerance in cotton. [Method] The GR genes in Gossypium hirsutum, G. barbadense, G. raimondii and G. arboreum were all identified using bioinformatics software. The physicochemical properties, sequence characteristics, chromosomal location, phylogeny and expression patterns were analyzed. [Result] A total of 18 GR genes were identified. The number of GR genes in G. hirsutum, G. barbadense, G. raimondii and G. arboreum was 6, 6, 3 and 3, respectively. Phylogenetic analysis revealed that GR genes were divided into two sub-groups. The genes in the same subgroup exhibited similar gene structure in relation to exon-intron ratios. The ratios of the non-synonymous mutations (K_a) and homologous mutations (K_s) were all less than 1, indicating that the GR genes underwent strong purification selection during their evolution process. The analysis of the expression patterns of GR genes in upland cotton indicated that all the GR genes responded actively to the stress environment; but under different abiotic stresses, the gene expression patterns were significantly different. [Conclusion] The study explored the evolution and function of the GR gene family in the four cotton genomes, providing a theoretical basis for future studies of cotton GR genes.     

棉花苯丙氨酸解氨酶基因家族的生物信息学分析

【目的】苯丙氨酸解氨酶是苯丙烷类代谢的关键酶,对调节植物生长和抗逆有重要作用。从全基因组层次了解棉花苯丙氨酸解氨酶基因家族的进化和功能,可为相关研究提供数据支撑。【方法】利用HMMER和BLASTP从棉花基因组筛选苯丙氨酸解氨酶基因家族,利用MEGA-X进行进化分析,利用MCScanX进行共线性分析,并利用NCBI SRA的数据进行表达分析。【结果】本研究分别从陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉基因组中筛选到12、13、7、8个苯丙氨酸解氨酶基因,依据进化分析和共线性关系数据,我们推测四种棉花的二倍体祖先起初应有6个苯丙氨酸解氨酶基因。顺式作用元件分析结果表明,苯丙氨酸解氨酶基因家族含有较多的光响应、激素响应、胁迫响应和生长发育相关的元件。苯丙氨酸解氨酶的蛋白序列具有保守的基序。陆地棉的12个苯丙氨酸解氨酶在低温、高温、盐和PEG胁迫下有不同的表达方式。【结论】本研究明确了苯丙氨酸解氨酶在棉花基因组中的数量、理化性质、进化和表达特征,为苯丙氨酸解氨酶的深入研究提供了参考。