玉米TCP转录因子家族的全基因组鉴定及表达模式分析

TCP (Teeosinte branched I, Cycloidea, Proliferating Cell Factors 1和2)是一类植物特有的转录因子家族,包含一个高度保守且非典型的螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域,在植物生长发育的不同阶段发挥着重要作用,但在玉米中该基因家族的相关研究报道较少。本研究利用生物信息学方法在玉米全基因组中鉴定TCP转录因子家族成员,并对该家族成员的理化性质、基因结构、染色体定位、进化关系、保守基序及表达模式等进行了分析。结果表明,玉米TCP转录因子家族共包含43个成员,根据系统发育分析可以将其划分为ClassⅠ和ClassⅡ两个亚家族,其中,ClassⅡ亚家族又可以分为CYC-TCP和CIN-TCP两个亚类。玉米TCP转录因子家族蛋白的氨基酸残基数为44～269aa,相对分子质量在5.20～29.54kD,等电点范围在5.04～11.55。基因染色体定位分析发现,玉米10条染色体上均含有TCP基因,且在4号染色体上最多,有8个基因。对该家族基因结构的分析表明,在玉米TCP家族中有66.8%的基因只含有一个外显子,低于拟南芥的82%,表明玉米TCP拥有更加丰富的基因结构。此外,本研究在玉米TCP家族蛋白中共鉴定到20个保守基序,其中有32个TCP蛋白包含motif 1,占总数的74.4%。玉米籽粒RNA-Seq数据分析表明,玉米TCP转录因子家族有26个成员在玉米籽粒中表达,ZmTCP37等基因在不同部位、不同时期均有表达,ZmTCP8等基因在特异部位、特异时期表达。本研究在玉米中鉴定了TCP基因家族基因数量、系统进化关系、保守结构域、在染色体上的定位及玉米籽粒中TCP基因表达模式,为揭示玉米TCP基因家族在玉米籽粒中的功能奠定了基础。     

花生SWEET基因全基因组鉴定及表达分析

SWEET (sugars will eventually be exported transporter)蛋白是一类结构保守、不依赖能量的糖转运蛋白,在植物生长发育、响应生物/非生物逆境胁迫等生理过程发挥重要作用。目前,尚未见花生SWEET基因相关报道。本研究首次全基因组挖掘了花生SWEET基因,对其分子特征及表达模式进行了细致分析。结果表明,栽培种花生和2个祖先野生种基因组分别存在55、25、28个SWEET基因,随机不均匀分布在各染色体上。来源于野生种和栽培种的同源基因在染色体位置相近,但也存在个别缺失,这验证了花生野生种和栽培种的进化关系,也暗示了基因组复制加倍过程中存在同源基因的丢失或扩张。基因内含子-外显子数目和位置以及启动子中顺式作用元件种类和数量均存在差异,暗示了花生SWEET基因生物学功能的多样性。系统进化分析将花生SWEET基因分为4个亚家族Clade I～Clade IV,同一亚家族同一分支的基因具有相似的外显子-内含子结构。分析Clevenger等组织表达谱发现部分基因表现为组织优势表达,这为深入了解SWEET基因行使功能部位提供了参考。此外,基于课题组前期发表...     

雷蒙德氏棉和亚洲棉TCP基因家族的生物信息学分析

TCP基因家族是植物中特有的一类转录因子家族,涉及了植物的多种生长途径以及各种生理生化反应的信号传导。为了更好地了解TCP基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数量和分布情况等,通过生物信息学方法,在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出37个TCP基因家族成员,并对TCP家族成员进行基因结构、染色体定位、保守域、进化关系等分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉全基因组分别编码37个TCP转录因子成员。雷蒙德氏棉30个成员基因分布在10条染色体上,亚洲棉37个成员基因分布在13条染色体上;内含子/外显子结构分析表明,TCP基因结构较为简单,大部分不含内含子;功能结构域分析,发现所有TCP转录因子具有高度保守的TCP结构域;根据结构域差异和系统发育分析的结果,将TCP基因家族分成2个亚族,进一步划分为PCF、CIN、CYC/TB1三个亚类。以上结果为进一步研究棉花TCP基因家族各成员的功能奠定一定的理论基础。     

辣椒全基因组TCP转录因子家族生物信息学分析

利用生物信息学方法对辣椒TCP转录因子家族成员、基因分类、基因结构、染色体定位、系统进化关系和结构域序列保守性进行了预测和分析。结果表明,辣椒TCP基因家族包含30个成员,Ca TCP蛋白含有95~550个氨基酸,等电点为6.30~10.91。进化树分析将其分为11个不同的亚族。辣椒TCP家族进化树以及基因结构的进一步分析,显示辣椒TCP家族可分为两大类,即Class I类和Class II类,而Class II类可分为两个不同的亚类,即CIN和CYC/TB1亚类。位于同一亚家族的大多数TCP基因具有相似的内含子和外显子结构。此外,染色体定位分析表明,辣椒TCP基因不均衡的分布于辣椒的10条染色体上,其中3号染色体上最多,有7个。     

番茄WRKY转录因子in silico鉴定及表达分析

WRKY蛋白是植物中最大的转录因子家族之一,对植物的生长发育具有重要调控作用。本研究利用番茄全基因组测序结果鉴定了WRKY基因,分析了其系统发育关系,内含子-外显子结构,染色体上的分布及其表达方式。研究表明:番茄中存在81个WRKY转录因子,分为三类(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ),第Ⅰ和Ⅱ类分别细分为2和5个亚类,这些基因不均匀分布在番茄的11条染色体上;基因结构分析表明番茄WRKY转录因子进化过程中可能发生内含子的缺失/获得事件;不同芯片表达分析表明WRKY基因不仅参与了番茄根、子叶和真叶等不同组织类型的生长发育,而且还参与了一些生物胁迫(盐)和非生物胁迫(真菌激活子)的反应。     

番茄WRKY基因家族的生物信息学分析

通过生物信息学的方法对番茄WRKY转录因子家族成员、理化性质、基因分类、染色体定位、系统进化关系和结构域序列保守性进行了预测。从番茄WRKY转录因子家族分类及进化结果显示,番茄Sl WRKY家族包含81个成员,按其WRKY结构域及锌指结构分为3族,第二族按其氨基酸顺序又可以分为5个亚族。染色体定位结果显示,除番茄的11号染色体没有WRKY转录因子,其他染色体上均有分布。基因结构分析表明,仅Sl WRKY19、Sl WRKY20家族成员不含内含子,其他成员都含有2~5个内含子。保守域分析表明,番茄WRKY结构域是高度保守的,仅有10个WRKYGQK发生了变异,占WRKY家族的10%。     

茶树CsADH基因家族的鉴定和表达模式分析

ADH转录因子在植物的生长发育和非生物胁迫响应中起重要的调控作用。本研究基于全基因组数据,从茶树基因组中鉴定到51个ADH基因,对其基因结构、进化关系、保守域、染色体定位进行分析,同时分析它们在PEG诱导的干旱胁迫、盐胁迫和冷处理中的转录组数据。结果表明:51个茶树CSADH基因在茶树染色体上分布不均;根据进化关系将茶树ADH基因分为Ⅱ类;基因结构和保守基序分析发现相同亚家族的基因结构和保守结构域基本一致;基因表达分析显示,CSADH基因在花和果实组织中具有较高的表达水平,部分基因随着叶片成熟度的增加,表达水平升高;不同的CSADH基因在PEG诱导的干旱胁迫和冷处理下存在差异表达,说明CSADH基因广泛参与茶树生长发育和响应非生物胁迫中发挥重要作用。茶树ADH基因家族的鉴定与表达分析,为深入解析ADH基因响应茶树生长发育和非生物胁迫中的功能及分子机制提供理论依据,进一步为茶树抗逆育种提供更多基因资源。     

谷子miR169家族及其靶基因的鉴定与功能分析

microRNA广泛参与植物中多个生长发育过程,miR169家族是最保守的miRNA家族之一。对谷子miR169（sit-miR169）家族进行生物信息学分析,包括染色体分布、系统进化、碱基保守性、二级结构和sit-miR169及其靶基因的表达。鉴定了15个sit-miR169,分布于7条染色体上。系统进化分析显示,sit-miR169家族前体sit-MIR169大致可以分为2簇,部分sit-MIR169成员与水稻osa-MIR169家族成员亲缘关系较近。sit-miR169的前体均可形成稳定的二级茎环结构,成熟体均产生于前体的5′端臂上,且成熟序列的碱基保守性很强。sit-miR169在花、叶和根中均有表达,具有明显组织表达特异性。sit-miR169的靶基因主要是NF-YA转录因子基因,此外还有L型凝集素类受体蛋白激酶、ω-6脂肪酸去饱和酶、转运蛋白Sec1a、SDG40蛋白、环指跨膜蛋白和核糖体大亚基假尿苷合酶SVR1基因等。miR169通过调控靶基因,尤其是NF-YA的表达量来影响植物的生长发育和对环境的应答。谷子NF-YA基因主要在根和穗中表达,表现出明显的组织表达特异性。此外,sit-miR169靶基因的表达受环境诱导,如干旱条件能进一步诱导Seita.9G521100基因在根中的表达。     

谷子TCP基因家族成员序列特征及表达模式分析

为深入解析谷子TCP基因家族的功能,通过生物信息学方法对谷子TCP转录因子家族基因成员序列特征、基因结构、染色体定位、系统进化关系及表达模式进行分析。结果表明:除第8染色体之外,从谷子基因组上其余8条染色体中共鉴定出26个TCP家族成员,并根据其在染色体的顺序和位置先后进行命名,其中分布在第3和第5染色体上的TCP家族成员数量最多,高达5个。不同家族成员其编码的氨基酸残基数目具有明显差异,范围为95 aa^451 aa。其中SiTCP21基因编码氨基酸残基数目最少为95个氨基酸;而SiTCP15最多为451个氨基酸残基。26个TCP家族成员的蛋白结构中均含有bHLH保守结构域。基因表达分析结果表明,31%的成员在穗中的表达量明显高于其他组织,因此推测该基因家族可能对谷子穗部生长发育的调控起关键作用。本研究对深入研究Si TCPs家族基因的功能奠定了基础,也为谷子生长发育的调控机制提供了新的思路。     

栽培花生Aux/IAA家族鉴定与生物信息学分析

Aux/IAA(Auxin/Indole-3-Acetic Acid)家族是生长素(Auxin)信号的早期响应基因家族之一,广泛参与调控植物的生长发育。然而目前对于栽培花生(Arachis hypogaea)Aux/IAA家族的研究还未见相关报道。本研究在栽培花生中共鉴定到了34个Aux/IAA基因,分布在15条不同的染色上。多重序列比对分析发现花生Aux/IAAs具有4个保守结构域,分别为Ⅰ-Ⅳ。聚类分析将花生Aux/IAAs分为Ⅰ-Ⅷ,8个亚家族。各个亚家族内部基因具有相似的保守基序,而基因之间的内含子/外显子结构存在差异。基于基因表达模式分析将栽培花生分为A和B两组基因,A组基因在花生各个组织的表达量都相对较高,而B组基因的表达具有组织特异性。基于以上结果,本研究将为进一步对Aux/IAA家族的基因功能研究提供科学依据。     

辣椒HD-Zip转录因子家族鉴定与生物信息学分析

从辣椒基因组数据库中鉴定HD-Zip转录因子,并对其进行生物信息学分析。对鉴定到的转录因子的基本理化性质、染色体定位、系统进化、保守基序和基因结构进行分析。共鉴定到45个辣椒HD-Zip转录因子;该家族成员均含有高度保守的HD-Zip结构域;45个HD-Zip基因以不均匀的方式分布在12条染色体上。根据拟南芥HD-Zip家族分类关系,在结合辣椒HD-Zip基因结构的特点分为GroupⅠ、GroupⅡ、GroupⅢ和GroupⅣ。辣椒HD-Zip转录因子在同一亚族中含有相同的保守基序和基因结构。本研究初步明确了辣椒HD-Zip转录因子家族成员进化关系和结构特点,为进一步研究辣椒HD-Zip转录因子家族的系统发育以及生物学功能提供了依据,为辣椒的分子育种提供科学依据。     

花生膜联蛋白基因家族成员的结构和表达分析

植物膜联蛋白(annexin)是一类钙依赖性磷脂结合蛋白,参与调控植物代谢和生长发育并协同调节抗旱、耐盐等多种抗逆反应,其结构在不同植物中具有物种特异性。为系统分析花生膜蛋白基因家族,对30个花生annexin(annexinof Arachis hypogaea, AnnAh)基因进行了生物信息学分析。结果表明30个AnnAhs不均匀分布在13条染色体上,其中A、B基因组中各有13个和17个。AnnAhs含有2～8个内含子,但大多数含有5～6个内含子。聚类分析表明,植物annexin聚类关系比较复杂,低等植物、单子叶、双子叶植物annexin间隔分布, AnnAhs穿插其中,分布于各个分支中;但在各个小分支中,AnnAhs基本上都与双子叶植物annexin聚在一起,其中与大豆、苜蓿、向日葵亲缘关系较近,其次是拟南芥;但个别AnnAhs与单子叶植物和低等植物annexin聚在一起。30个AnnAhs均无跨膜结构域,其中有16个AnnAhs定位于细胞质,其余定位不明确。对AnnAhs可变剪切分析显示,仅有11个发生可变剪切事件,占38%;根中发生的最多,其次是叶中,种子中最少。根据表达谱数据分析发现, AnnAhs在seed2和根中表达量较高,其次是seed1,在叶中表达量较低。本文可为花生抗性育种提供一定的理论支撑。     

陆地棉Pht1家族成员的全基因组鉴定及表达分析

【目的】磷是植物三大必需矿质元素之一,对植物的生长发育至关重要。Pht1家族的磷酸盐转运蛋白在植物磷吸收和转运方面具有重要作用,然而关于该基因的系统研究工作尚很少开展。本研究旨在进行Pht1家族成员全基因组鉴定和表达模式分析。【方法】通过生物信息学的方法对陆地棉Pht1家族成员的基因结构、编码蛋白质的结构、染色体定位、基因复制和表达情况等进行全面分析。【结果】(1)在陆地棉的基因组中共鉴定到17个磷酸盐转运蛋白基因(GhPT),其中A亚组包含8个GhPT,D亚组包含9个GhPT;(2)棉花GhPT蛋白之间序列相似性很高,并均具有12个疏水的跨膜区域;(3)进化分析表明这些GhPT蛋白主要聚为2大组(GroupⅠ和GroupⅡ),位于同一组的GhPT的编码基因大部分具有相似的内含子/外显子分布模式;(4)17个GhPT基因不均匀分布在A亚组和D亚组中的5条染色体上,串联复制和片段复制可能导致GhPT基因在陆地棉中的扩增;(5)表达模式分析表明,GhPT6和GhPT14在根中表达量最高,且同时响应低磷和低钾胁迫诱导并上调表达。【结论】这些结果将有助于深入了解Pht1家族基因的功能及离子信号途径相互作用的分子机制。     

水稻抗坏血酸氧化酶基因家族生物信息学分析

抗坏血酸氧化酶(ascorbic acid oxidase,AAO)是多铜氧化酶家族中的一员,在植物生长发育过程中起重要作用。为深入研究水稻AAO基因家族的功能特征及表达模式,采用生物信息学从Phytozome的水稻数据库鉴定出14个AAO成员,并对其染色体定位、蛋白理化性质及二级结构、基因结构、保守基序、系统发生树和表达模式等方面进行预测分析。结果显示,14个OsAAO不均匀地分布在8条染色体上,多为碱性蛋白;蛋白二级结构以无规则卷曲为主要组成部分;基因结构和保守基序分析表明,OsAAO内含子数目变化差异较大,但氨基酸序列具有较强的保守性;系统发生树可分为3个亚家族,OsAAOs与玉米、高粱簇在一起,亲缘关系较近;另外表达模式分析发现,OsAAO在不同的组织部位表达水平具有差异,这表明其行使功能不同。这些结果为今后研究该基因家族的生物学功能和培育耐旱品种提供理论依据。     

甘蓝型油菜光敏色素互作因子4(BnaPIF4)基因克隆和功能分析

光敏色素互作因子4 (phytochrome interacting factor 4, PIF4)是光信号途径关键转录因子, PIF4与BZR互作介导光信号与油菜素内酯信号互作,参与植物光响应。本文在甘蓝型油菜湘油15号中克隆到2个PIF4基因,分别定位于A03号染色体和C03号染色体,命名为BnaPIF4_A03和BnaPIF4_C03,全长编码序列(coding sequence, CDS)、全长mRNA和全长基因分别为1242 bp和1245 bp、1701 bp和1731 bp、2527 bp和2665 bp,各自编码413和414个氨基酸。BnaPIF4_A03具有7个外显子和6个内含子, BnaPIF4_C03具有8个外显子和7个内含子,与测序品种中双11号相比, BnaPIF4_A03基因第1内含子存在单碱基插入突变,第4和第6内含子存在缺失突变,且具有更长的3'-UTR,两基因其他序列在湘油15号和中双11号之间无差别。BnaPIF4_A03和BnaPIF4_C03基因编码蛋白具有典型的植物bHLH结构域,亚细胞定位于细胞核,是典型的植物PIF4蛋白。多序列比对和进化分析表明, BnaPIF4蛋白与白菜、拟南芥、亚麻芥等PIF4蛋白高度同源。PIF4蛋白进化关系与物种进化关系一致,近缘物种中的PIF4蛋白在进化树中高度聚类,大量植物中可见PIF4蛋白重复且低等植物中分化程度明显低于高等植物中,表明PIF4蛋白是一个晚期进化事件且可能存在功能冗余。酵母杂交实验表明BnaPIF4与BnaBZR蛋白存在互作,但BnaPIF4不能与BnaBZR基因的启动子互作,表明BnaPIF4与BnaBZR在蛋白水平而非转录水平发生互作。湘油15号中BnaPIF4_A03和BnaPIF4_C03基因表达规律一致,BnaPIF4基因主要表达于油菜茎表皮、未成熟角果和叶中,在花和根中表达较低,且其表达随油菜生育进程逐渐降低。     

甘蓝型油菜PIN家族基因的鉴定与生物信息学分析

PIN家族基因是一类调控植物生长素极性运输的重要载体元件, PIN基因编码生长素输出蛋白, 介导生长素在植物体的运输, 然而在基因组较复杂的甘蓝型油菜中缺乏系统研究。本研究运用生物信息学方法在甘蓝型油菜全基因组数据库筛选甘蓝型油菜PIN家族基因, 对鉴定出的29个BnPINs基因开展拷贝数变异、分子特征、跨膜结构域、保守基序、染色体定位、系统进化树构建、PIN蛋白二级结构及三级结构预测等研究, 结合高通量转录组测序进行低氮胁迫下的转录水平分析。结果表明, 甘蓝型油菜PIN家族基因拷贝数明显多于拟南芥、甘蓝和白菜所具有的PIN家族基因数量; BnPINs蛋白多属于由碱性氨基酸组成的稳定蛋白, 含有保守的N末端结构域, 二级结构与拟南芥PIN蛋白相似; 系统进化选择能力分析表明, BnPINs基因与甘蓝和白菜PIN家族基因进化关系相近。转录组测序表明, BnPIN1s、BnPIN2s、BnPIN3s基因主要在甘蓝型油菜根部表达且受长期低氮(72 h)诱导, BnPIN6s和BnPIN8s基因主要在地上部表达, 低氮会抑制BnPIN6s表达。本研究结果为进一步研究甘蓝型油菜PIN家族基因生物学功能尤其是在响应低氮胁迫中的功能奠定基础, 为已知大量数据的其他物种家族基因生物信息学研究提供参考。     

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。     

玉米HSP90基因家族的全基因组鉴定与分析

热激蛋白90（HSP90）广泛参与生物体的生长发育,且积极响应多种非生物胁迫。为全面解析玉米HSP90基因家族信息,对HSP90基因家族进化树、基因结构、保守基序（motif）、GO富集和组织表达模式等进行分析,并进一步分析ZmHSP90-1基因响应干旱胁迫的表达模式及蛋白互作关系。结果显示,从玉米全基因组水平共鉴定到11个ZmHSP90家族基因,被划分为5个亚族（I~V）;相邻进化树分支上的ZmHSP90基因具有相似的motif和基因结构;GO富集分析显示,11个ZmHSP90基因均参与了蛋白质折叠过程;表达模式分析显示,11个ZmHSP90基因在不同组织或器官中均有表达,其中ZmHSP90-1基因的表达量相对较高;ZmHSP90-1基因在耐旱性强的玉米自交系中具有更高的表达量,且积极响应干旱和复水过程;蛋白互作预测显示,ZmHSP90-1可能与其互作蛋白协同响应非生物胁迫,发挥生物学功能。     

陆地棉漆酶基因家族鉴定及在黄萎病菌胁迫下的表达分析

黄萎病是降低棉花产量和品质较为严重的维管束病害。棉花在抵抗病原菌的过程中,抗病基因起着尤为重要的作用。漆酶是一种多功能氧化酶,在植物木质素合成和提高植株抗逆性等方面发挥着重要作用。高质量版本的基因组是提升基因家族分析准确性的必要条件。本研究以目前最新的陆地棉TM-1高质量版本基因组为参考,通过生物信息学分析鉴定了陆地棉基因组中的Laccase(GhirLAC)基因家族,并对其进行了理化性质、基因结构、染色体定位以及在黄萎病胁迫下的表达模式分析。结果表明,陆地棉TM-1基因组中共包含83个GhirLAC家族成员,分布在24条染色体上,所有GhirLAC蛋白均定位在胞外,且具有相同/相似的保守基序。系统发育树分析显示,GhirLAC基因家族成员可分为7个亚组。结合黄萎病胁迫下棉花转录组数据,将GhirLAC基因家族各成员的表达分为3种模式,其中第1类和第2类GhirLAC基因在黄萎病菌胁迫下分别呈现有规律的表达量升高和降低,推测这些基因在棉花抗黄萎病反应中发挥重要功能。荧光定量PCR结果表明,GhirLAC02(GhLAC4)、GhirLAC38(GhLAC11)和GhirLAC20(GhLAC12)3个候选基因均受黄萎病菌诱导表达,其表达趋势与转录组数据相吻合。本研究为以后深入解析棉花GhirLAC基因的抗病功能及分子机制奠定基础。