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。     

雷蒙德氏棉Plant U-box(GrPUBs)基因家族生物信息学分析

PUBs蛋白调控了作物的生长发育及响应非生物胁迫和生物胁迫的过程。为探讨棉花中U-box类型泛素连接酶家族,本研究利用生物信息学方法分析了二倍体雷蒙德氏棉中PUBs的数目、进化、基因结构、结构域分布及基因表达模式。结果表明,雷蒙德氏棉中有93个Gr PUBs基因家族成员,基因长度为1 101~11 191 bp。亚细胞定位预测结果表明,Gr PUBs编码产物大部分定位在细胞质和细胞核中,少数定位在胞外基质线粒体中。根据除U-box以外所含结构域将该家族成员分为7类,分别含有UFD2结构域、ARM结构域、激酶结构域、只含U-box、WD-40、TPR以及异构酶结构域。Gr PUBs基因家族染色体定位显示,基因在13条染色体上均有分布,但分布不均匀。在第5条染色体最多,有11条基因序列,第4、第12和Scaffold染色体上的基因最少,仅有2条。基因结构分析表明,基因内含子的数目变化较大,在0~17之间,且具有相似结构的基因,其编码蛋白聚为一类。基因表达模式分析发现。几乎1/3的基因在花中优势表达,个别基因在开花后10 d、20 d、30 d和40 d的种子中表达量高于在叶和花中的表达,如Gorai.006G251300。本试验为深入研究U-box类型泛素连接酶在棉花生长发育及抗逆的机理提供了理论指导。     

植物U-box蛋白在植物先天免疫反应中的作用及其研究进展

为了分析植物U-box蛋白在植物先天免疫反应中的作用及其机制,总结了U-box的结构特点及其与RING-finger结构的异同;归纳了植物U-box蛋白的分类及分类特点;并综述了SPL11、PUB12/PUB13、PUB17等U-box蛋白在植物PTI信号传导途径中的调控作用与调控机制,以及ACRE276、PUB17、CMPG1、MAC3A/MAC3B等U-box蛋白在植物ETI信号传导途径中的调控作用与调控机制。得出植物U-box蛋白的结构特点、生化功能及其在植物先天免疫反应中的作用与分子机制,并认为对植物U-box蛋白的研究可为植物抗病分子育种提供基因资源与参考信息。     

拟南芥U-box蛋白的研究进展

泛素-26s蛋白酶体途径（ubiquitin-26s proteosome pathway,UPP）是真核生物体内一种高度选择性的蛋白降解途径。U—box蛋白是该途径中决定底物特异性的一种泛素连接酶E3。U—box结构域大约由70个氨基酸残基构成,在酵母、植物和动物等真核生物中高度保守。植物U-box蛋白（plant U—box protein,PUB）的数目远多于其他生物,在植物的生长发育过程中起着重要作用。目前在拟南芥中已发现60多个PUB蛋白（Arabidopsis plant U-box protein,AtPUB）,成为近年来受到较多关注的一类蛋白。本文根据蛋白的结构特征和系统进化树比较,将61种AtPUB蛋白分为7大类。同时,对已报道AtPUB蛋白的功能进行了综述并提出了研究展望。     

番茄基因组中U-box基因家族的鉴定与分析

泛素蛋白质的降解途径是植物应答发育阶段信息、适应环境胁迫的重要信号途径调节机制。E3泛素连接酶基因是泛素蛋白质降解途径中决定蛋白质降解特异性的关键因子。本研究利用番茄的基因组和基因芯片数据,在番茄基因组中鉴定出56个U-box类基因。番茄U-box基因家族成员间大小、等电点、结构域等特征差异很大,并无显著的聚集特征。与此不同,番茄U-box基因的结构虽然同样差异巨大,但按照系统进化关系,大致分为三类:无内含子、有3~5个内含子、10个或更多内含子。番茄U-box基因的染色体分布位置也非常不均衡。在一号染色体上,5个U-box基因首尾相接连续分布在一起,这5个基因序列也非常相似,系统进化树分析表明这些基因亲缘关系非常接近。利用番茄功能基因组学数据库,观察发现番茄U-box基因成员不仅参与响应干旱、病菌侵染等外界胁迫。丛枝菌根真菌侵染也会导致番茄U-box基因Solyc01g00-7000.2.1在根部表达量显著上调。本研究团队计划对U-box基因Solyc01g007000.2.1在丛枝菌根真菌与番茄互作过程中的作用,进行进一步的分析。     

植物泛素基因研究进展

笔者通过已有研究总结了泛素蛋白酶体系统的组成成分,单泛素、多聚泛素、类泛素基因结构及泛素系统在植物生长发育中的作用,并对E3连接酶在应对生物及非生物胁迫应激反应方面的功能取得的进展进行综述。针对现有的相关研究,提出了靶蛋白研究较少、E3连接酶的HECT家族报道不多及E3调控网络、泛素化的时间位点仍不清楚等问题。对加强克隆相关基因及基因之间互作的研究、加强靶蛋白信息研究及E3分子机制等未来泛素研究做出展望,以期为植物泛素系统、泛素基因结构及功能方面的研究提供参考。     

甜菜组蛋白去乙酰化酶(HDACs)基因家族鉴定及功能预测

为了鉴定甜菜基因组中春化作用相关的组蛋白去乙酰化酶(HDACs)。本研究利用HMMsearch和Blastp鉴定BvHDACs基因家族成员,并采用iqtree程序构建最大似然进化树。利用TBtools分析BvHDACs染色体定位、基因结构。通过转录组测序分析春化过程中BvHDACs表达模式。结果表明,甜菜共有16个的BvHDACs基因分别位于5条染色体。它们可分为RPD3/HDA1、SIR2、HD2三个亚家族,亚家族内各成员功能结构域高度相似。转录组测序表明多个RPD3/HDA1、SIR2和HD2成员在春化过程中发生显著变化。尤其是,BvHDT1和BvHDT2变化趋势与抽薹表型变化具有相关性。蛋白互作预测表明BvHDT1、BvHDT2具有与BvFLD、BvJMJ11、BvJMJ12等抽薹开花相关蛋白相互作用的潜力。综上,推测BvHDT1和BvHDT2可能参与甜菜春化作用。     

西瓜TPS家族基因的鉴定、分类与分析

海藻糖-6-磷酸合成酶(TPS)是海藻糖合成过程的关键酶,与植物抗逆性密切相关。本研究利用西瓜基因组数据库,通过生物信息学对西瓜TPS家族基因进行鉴定分类,基因结构,染色体位置,蛋白结构域、系统进化、基因表达进行分析。研究结果表明:西瓜中TPS家族基因共有7个成员;7个TPS基因分为ClassⅠ和ClassⅡ两类,ClassⅠ包含有2个基因(ClTPS2,ClTPS7),其余为ClassⅡ;染色体定位分析发现,西瓜TPS家族基因成员均单个分布在7条染色体上;蛋白结构域分析显示,西瓜中TPS家族基因具有典型的TPS结构域和TPP结构域;系统进化显示,TPS家族蛋白分为四个类群,西瓜TPS蛋白在三个类群中都有分布,暗示了西瓜TPS蛋白家族成员起源的多样性;表达分析显示,西瓜TPS家族基因对渗透胁迫有不同程度的应答模式。这些研究结果为进一步解析西瓜TPS家族基因的生物学功能以及利用基因工程提高西瓜抗逆性提供了理论指导。     

彩色棉多药和有毒化合物输出蛋白MATE家族基因的鉴定及表达分析

植物多药和有毒化合物输出家族(multidrug and toxic compound extrusion, MATE)是一类可转运阳离子染料、氨基葡糖、多种抗生素与药物等次生代谢产物的转运蛋白家族。本研究利用生物信息学手段从陆地棉基因组数据库中鉴定了MATE家族基因, 并从基因的系统进化关系、染色体分布、基因结构和表达模式等方面对该基因家族特征进行了比较分析。共鉴定出91个陆地棉MATE基因, 命名为GhMATE1~GhMATE91。陆地棉MATE蛋白与拟南芥MATE蛋白均可分为A、B、C、D、E、F和G 7个亚家族, 其中84个GhMATE蛋白具有12个典型的跨膜结构域。染色体定位显示, GhMATE家族成员定位在不同的25条染色体上, 共形成5个基因簇。qRT-PCR分析发现, GhMATE家族基因在棉花各组织中均有表达, 但表达模式各不相同, 其中GhMATE13和GhMATE23在棕色棉纤维中的表达量明显高于在白色棉中, 表明它们可能与棕色棉纤维的颜色形成相关。本研究为进一步解析棉花MATE家族基因的功能和作用机制积累了有价值的资料。     

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。     

甜菜TIFY基因家族的全基因组鉴定与生物信息学分析

TIFY转录因子对植物体生长发育和胁迫响应有重要调控作用,本研究目的在于鉴定分析甜菜(Beta vulgaris L.)中的TIFY转录因子。试验以甜菜基因组数据为基础,利用生物信息学技术在全基因组水平鉴定并分析甜菜TIFY家族成员。结果表明：甜菜中共有21条TIFY基因,基因间序列相似性较低;共线性分析发现只有BvTIFY15与BvTIFY18之间存在基因复制事件;BvTIFY转录因子家族包括2个TIFY蛋白、8个JAZ蛋白、6个ZML蛋白、5个PPD蛋白;蛋白互作预测发现,JAZ家族成员对JA信号有重要的调控作用。本研究对BvTIFY基因的结构与功能进行分析,发掘出甜菜根中应答盐胁迫基因BvTIFY13与BvTIFY15,为后续BvTIFY基因的功能研究提供一定理论基础。     

能源甜菜BvHIPP24基因的特性及在酵母中的镉耐受功能分析

为了进一步研究重金属相关异戊二烯化植物蛋白在重金属逆境下的解毒机制,本研究克隆了能源甜菜BvHIPP24基因并分析了其在镉逆境下酵母中的功能。本研究以能源甜菜为实验材料,利用RT-PCR的方法克隆获得能源甜菜BvHIPP24基因,并对BvHIPP24基因进行生物信息学分析;利用酵母表达载体构建pYES2-BvHIPP24重组质粒并转化到酵母InVSc1,在真核酵母细胞中进行BvHIPP24基因应答镉胁迫的研究。生物信息学分析显示BvHIPP24基因的CDS全长444 bp,编码147个氨基酸,氨基酸序列的分子量为16377.34 Da,理论等电点为9.39,为亲水蛋白,不含有跨膜区域,定位于叶绿体。保守结构域分析该基因具有一个HMA结构域。构建进化树分析表明,能源甜菜BvHIPP24蛋白与BvHIPP23蛋白质具有较近的亲缘关系。当施加0.5 mmol/L CdCl₂胁迫后,适量表达BvHIPP24的重组菌与对照菌株相比,其生长趋势明显优于后者,并发挥着相对更高的Cd耐受性。这说明,能源甜菜BvHIPP24基因在镉逆境胁迫下发挥着重要的解毒作用,并有可能直接或间接参与细胞重金属离子吸收、转运及代谢平衡等过程。     

甜菜M14品系BvM14-Tpx基因克隆及原核表达体系下应答氧化胁迫功能的初步研究

为了研究甜菜M14品系BvM14-Tpx基因的抗氧化功能,本试验以带有野生白花甜菜第9号染色体的单体附加系M14品系为试验材料,利用RACE技术获得甜菜M14品系硫氧还蛋白过氧化物酶基因(BvM14-Tpx) cDNA全长,对其进行生物信息学分析,利用Real-time PCR和半定量RT-PCR技术对该基因进行组织特异性表达分析,在原核表达体系下进行BvM14-Tpx基因应答氧化胁迫研究。生物信息学分析结果表明,BvM14-Tpx基因cDNA全长为1044 bp,包含最大的ORF为489 bp,编码162个氨基酸;含有过氧化物酶Ⅱ(PrxⅡ)型的保守结构域;BvM14-Tpx蛋白与豌豆(Pisum sativum L.)和苜蓿(Medicago truncatula L.)中Tpx蛋白的亲缘性较高。组织特异性表达分析结果表明,BvM14-Tpx基因在甜菜M14品系各组织表达量从高到低的顺序是根、茎、叶、花。通过原核表达体系下BvM14-Tpx基因应答氧化胁迫的研究,表明BvM14-Tpx基因能够提高大肠杆菌对于环境中氧化胁迫的适应能力,减轻H₂O₂对细菌生长的抑制。本研究对挖掘甜菜M14品系优质基因,提高甜菜对于非生物胁迫的抗性以及开展甜菜遗传改良工作具有重要意义。     

拟南芥PUB10和PUB11基因抵抗丁香假单胞杆菌番茄致病变种DC3000株的功能分析

丁香假单胞杆菌Pseudomonas syringae pv tomato(Pst)DC3000是研究植物免疫机制的常用病原菌。为分析拟南芥E3泛素连接酶PUB10、PUB11在免疫中的功能,本研究构建了pub10/pub11双突变体。在分析拟南芥PUB10、PUB11序列相似性和进化关系的基础上,比较了pub10/pub11双突变体和Col-0对Pst DC3000的敏感性、MAPK磷酸化水平、ROS产生的影响,并检测JA信号响应途径和免疫防御相关的部分代表性基因的表达量。结果表明PUB10、PUB11氨基酸序列高度保守,pub10/pub11双突变体对Pst DC3000的侵染更敏感,侵染后叶片病原菌数目明显增多,MAPK磷酸化水平迅速下降,ROS释放量降低,JA信号响应基因(LOX3,JR2)、免疫防御负调控基因(NIMIN1,WRKY38,WRKY62,RIN4)表达量上升显著高于Col-0,而免疫防御正调控基因(AZI1,EDS1,PAD4,EDS5,FMO1,NPR1)表达量显著低于Col-0。由此推断,AtPUB10、AtPUB11在防御Pst DC3000中起正调控作用,并且存在功能冗余。研究结果为进一步探索PUB10、PUB11调控植物防御的分子作用机制和分子育种提供了依据。     

U-box蛋白质的结构及其功能研究进展

泛素系统是选择性降解细胞内蛋白质的重要系统之一,U-box蛋白质是此系统中决定底物特异性识别的一种新型E3蛋白质,部分U-box蛋白质属于泛素链聚集因子-E4。U-box结构域大约由70个氨基酸残基构成,在酵母、植物和动物等真核生物中保守存在,但植物中的数目远多于动物中。该蛋白质在细胞内异常蛋白质的降解及质量控制方面具有重要的作用,了解U-box蛋白质的功能对疾病的发生控制机理有重要意义。     

能源甜菜转录因子BvMYB44基因响应镉胁迫的表达特性及生物信息学分析

为了解析BvMYB44在能源甜菜重金属胁迫中的调控作用,本研究以‘780016B/12优’为材料,通过qRT-PCR研究BvMYB44响应镉胁迫的表达模式,并利用生物信息学分析其功能。研究表明,BvMYB44基因cDNA全长942 bp,编码313个氨基酸,蛋白分子量为33935.01 Da,理论等电点为7.57。BvMYB44定位于细胞核中,具有39个磷酸化位点,为仅有1个外显子的不稳定碱性亲水蛋白。BvMYB44为R2R3-MYB亚家族成员,与藜麦CqMYB44-like和菠菜SoMYB44-like的亲缘关系最近。在该基因启动子区预测到多个与非生物胁迫相关的顺式作用元件,推测其可能参与多种非生物胁迫响应。qRT-PCR表明,在0.5 mmol/L镉胁迫处理下,BvMYB44在能源甜菜叶和根中均有不同程度的显著上调表达。因此,可以推断BvMYB44与镉胁迫存在着一定的应答关系。本研究将为抗重金属能源甜菜的种质创新以及拓展植物修复提供候选基因和理论基础。     

甜菜热激蛋白基因BvHSP18.2的克隆和生物信息学分析

旨在通过基因克隆及生物信息学分析,预测甜菜小分子热激蛋白BvHSP18.2 (LOC104903994)的功能。以甜菜‘780016B/12优’为试验材料克隆BvHSP18.2,获得BvHSP18.2基因全长;通过ProtParam tool、SWISS-MODEL、MEGA11等对BvHSP18.2的理化性质、蛋白结构、多序列比对等信息进行分析。RT-PCR扩增得到的BvHSP18.2基因全长为962 bp,编码158个氨基酸,分子式为C₉₂₈H₁₄₆₆N₂₆₆O₂₈₄S₆,属亲水性不稳定的小分子热激蛋白家族;该基因编码蛋白含13个磷酸化位点,α螺旋和无规则卷曲等主要构件。进化关系发现BvHSP18.2与藜麦、菠菜的sHSP同源性相似。同时,BvHSP18.2基因启动子区域具有参与防御和应激反应等顺式作用元件,推测其在甜菜生长发育和胁迫应答中发挥重要作用。本结果为进一步开展该基因的功能和遗传调控机制研究奠定了基础。