7种作物叶绿体基因的密码子偏好性及聚类分析

研究作物叶绿体蛋白编码基因的编码特点,对指导农作物的叶绿体基因工程研究设计,促进外源基因在受体作物中的高效、稳定表达具有重要作用。为此,综合运用了多种分析软件,对7种大田作物的叶绿体蛋白编码基因进行分析。结果表明:叶绿体蛋白编码基因的总碱基构成在7种作物中差异不大,都是A含量最高,而G,C的含量较低;但在密码子第3位的碱基构成上却有明显差别,3种双子叶作物偏爱以C,T结尾的密码子,而禾本科的4种作物则偏爱以T,C结尾的密码子;RSCU(同义密码子的相对使用度)值显示出禾本科作物有26个密码子具有偏好性,而双子叶作物有25个密码子具有偏好性,但二者之间有22个相同的偏好性密码子。基于RSCU值的聚类结果显示,植物的密码子偏好性具有种族特征,表明基于叶绿体蛋白编码基因的密码子使用特性的聚类结果可以作为系统发育分析的重要补充。     

杏扁PaCBF1基因密码子偏好性分析

为了研究杏扁PaCBF1基因密码子偏好性,以及为其选择适合的受体,本研究利用CHIPS、CUSP在线程序以及Codon W1.4.2软件对杏扁PaCBF1基因密码子偏好性进行分析;利用SPSS 22.0软件、MEGA5.0软件对各树种CBF基因进行聚类分析。结果表明,杏扁PaCBF1基因ENc值和CAI值分别为54.053、0.163;编码区G+C含量高于A+T含量,并且偏向于G/C结尾的密码子;其他树种CBF基因也偏向于G/C结尾的密码子。聚类分析表明,杏扁与梅的密码子使用偏性的相似性较高。密码子使用频率比较分析,发现杏扁PaCBF1基因密码子使用频率与酵母、大肠杆菌、烟草、拟南芥基因组密码子之间存在一定的差异。因此,要使杏扁PaCBF1基因在4种模式生物中高效表达,需将杏扁PaCBF1基因改造成宿主基因组偏爱的密码子。此研究为PaCBF1基因选择适合的受体提供了依据,同时也为进一步研究杏扁PaCBF1基因的表达、功能以及对非生物逆境的抵抗机制提供理论依据。     

植物CPR基因密码子偏好性及聚类分析

细胞色素P450还原酶(cytochrome P450 reductase,CPR)在植物的生长、发育、天然产物的合成和抵御外界刺激的过程中发挥重要作用。本研究通过利用12种植物的36个CPR基因,运用Codon W软件分析密码子的偏好性指标,并分别运用SPSS和MEGA5.0软件进行密码子偏好性和基因聚类分析。结果显示,单子叶植物和双子叶植物CPR基因的有效密码子数(effective number of codons,ENC)范围分别为52.92~58.17和46.85~53.58,密码子偏好性较弱。全部CPR基因位点在ENC绘图中均偏离ENC期望曲线,其密码子偏好性主要是受自然选择压力的影响。单子叶植物和双子叶植物CPR基因对同义密码子的偏好性存在差异;同种植物不同CPR基因的密码子偏好性也不同。在基于基因同义密码子相对使用度(relative synonymous codon usage,RSCU)的聚类中,单子叶植物CPR基因和双子叶植物CPR基因分别聚为一支,更接近于12种植物的传统系统分类,反映了物种的进化关系,可以作为物种系统发育分析的重要补充。在基于基因编码序列(coding sequence,CDS)的系统进化树中,同种植物的CPR基因分别聚到两个支上,一定程度上反映了CPR基因的分类和功能。本研究结果从密码子偏好性和蛋白质水平上说明同种植物的不同CPR基因存在功能与进化差异,为植物CPR基因的分类与演化、功能预测与表达以及植物育种研究奠定了基础。     

铁皮石斛咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)密码子偏好模式分析

咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)是木质素合成过程的关键酶,参与苯丙烷代谢。了解铁皮石斛COMT(Caffeic acid-O-methyltransferase)基因密码子的偏好性可为其功能和分子进化研究提供科学依据。采用Codon W、EMBOSS、SPSS、Origin等分析铁皮石斛COMT的密码子偏好参数,并通过ENC绘图、中性绘图和PR2-plot分析探讨COMT基因密码子偏好性形成的可能因素,同时使用SPSS19.0和MEGA6.0进行聚类分析。结果显示,铁皮石斛COMT基因ENC值、GC含量以及GC3分别为49、0.452和0.396,表明其密码子偏好性较弱,偏好使用A或T结尾的密码子;ENC、中性绘图分析显示突变压力是COMT密码子偏好性形成的主要作用力;铁皮石斛COMT基因和同为兰科植物的香味蝴蝶兰(Phalaenopsis bellina)的亲缘关系最近,两者的GC1s、GC2s、GC3s、GC、CAI和ENC也较为相近,表明物种进化关系上越相近其密码子偏好性也较为相似,但有些物种仍存在一些差异。此外,从密码子使用频率分析得出酵母菌真核表达系统适合铁皮石斛COMT基因的异源表达,模式植物烟草、番茄可以作为其遗传转化受体。本研究为COMT基因功能进一步研究提供参考。     

霍山石斛转录因子MYB1R1密码子选用偏好性分析

通过密码子选用偏好性分析确定霍山石斛转录因子MYB1R1(Dh MYB1R1)最优密码子,为基因表达寻找最适异源受体,从而为基因功能研究提供更理想的验证系统。本研究采用Codon W、SPSS软件及EMBOSS在线程序分析其密码子选用偏好性参数,并进行了物种间基因组的比较。结果显示,物种间MYB1R1密码子选用偏好性存在一定差异;Dh MYB1R1密码子偏好以A或U结尾,虽然该选用偏好性较弱,但显示其更偏向双子叶植物类群;基于MYB1R1编码序列聚类分析得到的进化树比密码子选用偏好性聚类更接近APGIII的分类结果。密码子使用频率比较结果显示:相比属于真核的酵母菌,属于原核生物的大肠杆菌更适宜作为Dh MYB1R1基因表达的异源受体,同时烟草比拟南芥及其他单子叶植物更适合作为Dh MYB1R1转基因研究的异源受体。本研究结果不仅对霍山石斛基因表达最适异源受体提供了理论依据,同时也对霍山石斛与双子叶植物在进化中较晚分离提供了证据。     

兰科植物FT基因的密码子偏性分析

为探讨兰科植物FT(FLOWERING LOCUS T)基因同义密码子使用偏好性,鉴定出该类基因的最优密码子,本研究以拟南芥FT基因为探针,从公共数据库(NCBI,Orchidbase,Orchidstra)筛选出24条兰科植物FT基因,并深入研究其密码子偏好性。结果表明,所有基因有效密码子数(effective number of codons,ENC)大于30,其中大于55的占41.7%,表明兰科植物FT基因的密码子偏好性较弱。中性绘图分析发现,密码子第3位GC含量(GC3)与前2位平均GC含量(GC12)的相关性较低,表明突变对密码子前两位和第三位碱基组成的影响不同,第三位密码子的偏性更多来自于自然选择。ENC与GC3的关联分析显示大部分基因的ENC值远低于预测值,小部分基因落在标准曲线附近,由此可见受到碱基突变影响,但很可能选择压力仍起主要作用。奇偶性分析发现,在目标基因密码子第三位上G/C和或者A/T不成比例分布,嘧啶含量要显著高于嘌呤含量,推测兰科植物FT基因密码子的使用模式除了碱基突变外,还受到其它因素的影响,例如自然选择压力等。鉴定出UUC等22个最优密码子,以G/C结尾的有20个,由此推断出基因偏好G/C结尾的密码子。     

滇重楼叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

为探究滇重楼叶绿体基因组功能、结构及密码子使用偏好性,本研究对滇重楼叶绿体基因组进行测序、组装,并对其结构、基因功能、密码子偏好性、影响因素、最优密码子进行分析.结果 显示,滇重楼叶绿体基因组具有典型的四分体结构,全长164130bp,平均GC含量为37.00％,LSC、IRs和SSC长度分别为84363、33433和12901 bp;注释得到133个功能基因,其中包括87个蛋白质编码基因,8个核糖体rRNA基因和38个tRNA基因.密码子偏好性分析结果显示,滇重楼叶绿体基因组密码子使用模式主要受到自然选择因素的影响,最优密码子多以A或U碱基结尾.本研究为进一步探讨滇重楼异源表达及基因功能提供了一定参考,也为在分子水平上研究重楼属植物的系统进化提供了相应的理论基础.     

芍药查尔酮异构酶基因(CHI)克隆、密码子偏好性分析以及蛋白结构功能预测

为了丰富芍药CHI基因研究的基础数据,首先利用RACE技术对芍药CHI基因的CDS区进行克隆,并通过EMBOSS软件分析序列的密码子偏好性,其次利用生物信息学软件和在线数据库对芍药CHI进行蛋白结构与功能预测。结果表明,克隆获得芍药CHI基因c DNA序列长度为898 bp(Gen Bank序列号:JN119872),芍药CHI基因偏好使用以A/U结尾的密码子,28种偏好密码子(RSCU1),其中偏好性较强的有UUG、UGU、CAU、AGA、AGG、CGG(RSCU≥2),在密码子的使用频率上,芍药CHI基因与酵母、大肠杆菌等模式生物基因组的差异均大于拟南芥基因组。芍药CHI为非跨膜亲水的稳定蛋白,无信号肽,属于非分泌蛋白;主要分布在细胞质(45.0%)和微体(42.5%)中;无糖基化位点,14个磷酸化位点,其中第20位氨基酸处存在一个典型的磷酸激酶PKC,含有1个异构酶Chalcone保守结构域;二级结构包括α螺旋(39%)、延伸链(20%)、β-转角结构(13%)和无规则卷曲(27%);三级结构呈β-三明治折叠形成的倒置花束。发现了一个异构酶催化活性区域和一个重要的特异性蛋白质激酶PKC位点,为今后深入研究CHI基因功能提供有利的基础资料,此外,拟南芥真核表达更适合作为芍药CHI基因的外源表达系统。     

金鱼密码子用法特点分析

不同物种间的同义密码子使用偏性存在差异,开展密码子偏好性研究可深入了解基因表达特征,为分子育种提供依据。利用Illumina Hi Seq 2000高通量测序技术获得金鱼的转录组数据,筛选符合条件的编码基因序列(Coding DNAsequence,简称CDS),并通过Codon W软件和CUSP程序对金鱼蛋白质编码基因序列进行了分析,获得编码氨基酸的密码子使用频率,并与人、酵母、大肠杆菌、果蝇、斑马鱼等不同种类的模式生物进行比较。结果表明,金鱼8 143个基因在64个密码子中有28种偏爱密码子,有效密码子数为54.9,3个位置的平均GC含量为0.509,第3位密码子GC百分含量为0.564,金鱼偏向使用G或C结尾的密码子。金鱼密码子偏好性与模式生物有不同程度的差异,与酵母密码子使用频率差异最大,与斑马鱼的密码子偏好性一致。     

黄皮转录组密码子使用偏好性分析

为全面了解黄皮(Clausena lansium)表达基因的密码子使用特点,以转录组测序获得的12 696条编码蛋白基因序列为数据来源,利用CodonW 14.4软件对其密码子碱基组成以及有效密码子数(effective number of codon, ENC)、同义密码子相对使用频率(relative frequency of synonymous codon, RFSC)等密码子使用参数进行计算和统计,发现黄皮表达基因密码子的平均GC含量为0.448,同义密码子第3位核苷酸的平均GC含量(GC3S)为0.400。表达基因整体的ENC取值为56.5,其中绝大部分的ENC值大于35,说明黄皮表达基因密码子使用偏好性程度整体水平较低。通过高频密码子分析法确定了GCU、AGA、AAU、GAU、AUU、UUU、UCU、CAU、CUU、UUG和GUU 11个高频密码子。将黄皮的密码子使用频率与人、小鼠、果蝇、酵母、大肠杆菌5种模式生物以及拟南芥、水稻、葡萄、草莓4种不同类型植物进行比较,发现其与果蝇和大肠杆菌存在较大差异,而与拟南芥和葡萄基本一致。以上研究结果对黄皮基因合适表达系统的选择以及外源基因在黄皮中的高效表达具有重要指导意义。     

粳稻叶绿体基因组的密码子用法

基因组密码子使用受多种因素的影响，本试验通过对应分析探讨了若干重要因子对粳稻品种“日本晴”叶绿体全基因组序列密码子用法的效应，结果指出，在影响最大的第一条向量轴上，基因的位置坐标与该基因的表达水平（CAI）和GC3s极显著相关（r = 0.785**和－0.804**），而CAI与GC3s高度负相关（r = －0.917**）；说明基因表达     

石榴等陆生植物Actin1基因密码子偏向性与进化分析

肌动蛋白Actin1基因参与构成植物细胞骨架,功能域高度保守,在植物系统演化中具有特殊作用,是重要的管家基因。本研究选取石榴等63种具有重要经济价值或生态价值的陆生植物Actin1基因,分析其密码子使用偏好性和进化。研究结果表明:石榴Actin1基因有效密码子值为46.809,密码子使用偏性较弱。石榴Actin1基因同义密码子相对使用度大于1的密码子大部分偏向于使用以G/C结尾,其偏性主要是由于自然选择压力影响。石榴等陆生植物的Actin1基因偏向使用AAC、GAU、CAG、GAG密码子,这种偏向性在陆生植物之间属于趋同进化模式,亲缘关系相近的物种对Actin1基因密码子使用模式相似。由63种陆生植物的Actin1基因密码子偏性分析证实与物种密码子偏性与其进化及亲缘关系相关。本研究通过对石榴等陆生植物Actin1基因密码子偏向性与进化分析为Actin1基因家族的后续研究提供理论参考。     

基于采后转录组的香菇密码子偏好性分析

以香菇基因组数据为基础,对其细胞核基因组的密码子偏好性及偏好性形成因素进行分析。香菇细胞核编码基因的GC含量为48.66%,同义密码子第3位中碱基T（T3s）的出现频率最高（36.07%）,同时高表达基因的GC、GC3以及GC3s含量均显著高于基因组水平;相关性分析结果显示基因表达与序列C3s含量、GC3、GC3s、GC含量、C含量以及CAI呈显著正相关;香菇基因组编码序列中共29个高频密码子,结合转录组筛选高表达和低表达基因的基础上鉴定出16个最优密码子;偏好性形成影响因素分析表明,香菇基因组密码子偏好性形成受中性突变和选择压力影响。本研究可以为采后香菇关键基因功能解析,开展香菇采后品质劣变机制研究提供参考。     

双软件多参数联合对草鱼同义密码子偏性的分析

密码子偏性分析数据有助于被用来构建高效表达载体,提高外源基因在宿主体内的表达效率。为了解草鱼密码子使用情况,以便在草鱼中高效表达外源目标蛋白来预防草鱼疾病的发生,应用Codon W及CAIcal软件分析了草鱼(Ctenopharyngodon idella)基因组中的208个蛋白质的编码序列。通过分别计算密码子中各个位置的 G C 含量、密码子适应指数（CAI）、有效密码子数（ENc）、密码子偏爱指数(CBI)、同义密码子的使用频率、最优密码子使用频率（FOP）等,分析了草鱼的密码子使用偏性,确定了草鱼的最优密码子。结果显示,草鱼密码子第 2位的G C 含量明显低于第 1、3 位,第3位表现出对以 G 或 C 碱基结尾的密码子偏向使用;所确定的23个最优密码子中,除终止密码子是以碱基A结尾外,有18个以碱基G或 C结尾,4个以碱基U结尾。所分析结果既可用于分析草鱼基因的组成结构,了解草鱼的分子进化状态,又可以通过所获的结果来指导对外源基因进行分子改造,提高外源基因在草鱼中的表达效率。     

胡萝卜(Daucus carota var. sativa)密码子偏好性及属内质体基因组核苷酸多样性分析

核苷酸多样性作为衡量物种遗传变异水平的重要指标,对于研究物种遗传多态性的高低、进化历史和系统位置具有重要的科学意义,密码子偏好性则跟基因表达和自然选择压力等密切相关。本研究通过计算胡萝卜属(Daucus L.) 17种植物的叶绿体基因组片段的核苷酸多样性,开发出了可用于系统学和群体遗传学等研究的叶绿体基因分子标记;并且基于Codon W和CUSP统计数据,通过相关性分析、中性绘图分析、ENC-plot分析以及PR2-plot分析,探究了胡萝卜(Daucus carota var. sativa)密码子使用偏好性。结果表明,有效密码子数(ENC)与最优密码子使用频率(FOP)、密码子适应指数(CAI)、密码子偏好指数(CBI)具有显著的相关性,胡萝卜叶绿体基因的密码子偏好性主要受到突变和自然选择的作用,其中,突变的影响更大。此外,本研究确定了5个高表达基因和18个最优密码子。这些研究结果有助于探究胡萝卜的进化历史和基因的表达,从而为品种改良和提高产量提供理论支持。     

蒙古韭叶绿体基因组密码子使用偏好性分析

为分析蒙古韭叶绿体基因组密码子的使用模式,本研究通过高通量测序获得了蒙古韭叶绿体基因组序列,从中筛选出52条蛋白编码序列(coding sequence,CDS),利用CodonW 1.4.2和在线软件CUSP进行密码子使用模式及偏好性成因分析。结果显示,蒙古韭叶绿体基因组的有效密码子数(effective number of codons,ENC)范围为36.94~52.61,表明密码子偏好性较弱;第3位的GC平均含量(GC₃)为27.63%,表明密码子第3位偏好于A和U结尾,与该植物叶绿体基因组同义密码子相对使用度(relative synonymous codon usage,RSCU)的研究结果相一致;相关性分析显示ENC与GC₃呈极显著正相关,表明第3位的GC含量对密码子偏好性影响较大;此外,7个密码子(UUG,GGA,CCA,UAU,AAU,CGA和UCA)被确定为蒙古韭叶绿体基因组的最优密码子。中性绘图分析、ENC-plot分析和PR2-plot分析表明蒙古韭叶绿体基因组密码子偏好性受到突变压力和选择压力的综合作用,其中选择压力的影响更大。     

红藻rbcL基因密码子偏爱性分析

红藻是我们日常生活中一类非常重要的海洋生物资源。为探究红藻rbcL基因密码子的偏爱性,确定该类基因的最优密码子,本研究通过使用CodonW 1.4.4、CUSP和SPSS 20.0软件对20条红藻rbcL基因进行了多元统计和密码子偏爱性分析,最终获得了红藻rbcL基因三个位置的GC碱基含量、ENC值和RSCU值。结果显示,红藻rbcL基因AT碱基含量高于GC碱基,ENC值为41.89,说明红藻rbcL基因密码子偏爱于A/T碱基结尾。ENC绘图分析,PR2-plot分析和中性绘图分析表明自然选择是影响rbcL基因密码子偏爱性的主要因素。通过与拟南芥等五个物种的密码子使用频率比较,发现红藻rbcL基因和它们均有较大的差异性。最后筛选得到了UUU、UUA、AUU等18个最优密码子,均偏向于以A/U碱基结尾。研究结果对红藻资源的开发利用和rbcL基因的表达研究具有重要意义。     

植酸酶phyA基因的密码子优化及其在大豆中的表达

植酸是植物源食品中的主要抗营养成分, 降低植酸含量可有效提高大豆的营养利用率。本文根据大豆密码子使用偏好性, 对无花果曲霉植酸酶phyA基因进行密码子优化, 人工合成了适合在大豆中表达的phyA(b)基因。以pCAMBIA3301为骨架, 构建由大豆凝集素基因启动子和信号肽序列调控的植物表达载体pCBPS-phyA(b)。用农杆菌介导法遗传转化吉林35大豆子叶节。PCR检测表明目的基因已初步整合至大豆基因组中; bar试纸条表明所有阳性植株中均能检测到bar基因的蛋白产物; 除草剂叶片涂抹显示野生型的叶片出现黄化或枯萎现象, 而转基因植株叶片表现正常, 具除草剂抗性; 以半定量RT-PCR共筛选到13株转phyA和19株转phyA(b)阳性转基因大豆植株。通过对转基因大豆T3种子中植酸酶活性、无机磷和植酸磷含量等检测, 证明人工基因phyA(b)比phyA在大豆种子中所表达的植酸酶具有更高的活性, 说明密码子优化有利于提高外源基因的表达。     

茶树密码子使用偏性分析方法及其研究进展

茶是含有多种生物活性物质而具有抑菌、抗病毒、防癌抗癌等多种保健功效的健康饮品。近年来由于传统茶树育种与繁殖技术自身的局限性以及消费者对茶叶产品品质需求的日益提高,许多用传统茶叶技术无法解决的问题需要用到现代茶树生物技术去解决。其中,探究茶树基因密码子使用偏性对指导后续茶树研究工作,如茶树遗传转化所需的高效异源表达系统的选择及对目的基因加以修饰后提高在茶树上的转化效率有重要意义。本综述对衡量密码子使用偏性的绘图分析方法及常用参数进行介绍并概述了在茶树相关基因密码子使用偏性上的研究进展,提出茶树相关基因密码子使用偏性研究可多样化使用不同的衡量参数和分析方法以得到更加全面客观的研究结果,以及了解茶树基因密码子使用偏性以提高茶树原位转化效率将成为的新的研究方向。