玉米SRO基因家族的鉴定及表达分析

【目的】SRO(similar to rcd one)是植物所特有的一类小蛋白家族,其在植物的生长发育,及应对非生物胁迫中发挥着重要功能。基于玉米全基因组数据库,鉴定玉米SRO家族基因,分析其序列、基因定位、蛋白结构及其系统进化关系,同时解析Zm SROs在玉米组织表达特异性及其在高盐和干旱胁迫下的表达变化,为阐明SRO基因在玉米生长和逆境响应中的功能研究奠定基础。【方法】利用拟南芥SRO家族基因为探针,在玉米全基因组查找并下载玉米SRO基因序列,并从Maize GDB中获取玉米SRO基因相关信息,包括CDS、氨基酸序列及染色体位置等。通过生物信息学工具(GSDS2.0、Expasy-protparam、SOPMA、Plant-m PLoc、EMBL-EBI、MEME)对获得序列的基因结构、蛋白质分子量、等电点、二级结构、亚细胞定位、保守结构域、保守基序原件等进行预测和分析。同时利用Clustalx(1.83)和MEGA 6.0软件进行同源序列比对并构建系统进化树。运用实时荧光定量PCR技术分析玉米SRO组织表达特异性及其在高盐和干旱胁迫下SRO的表达变化情况。【结果】从玉米全基因组共鉴定6个SRO家族基因,分别命名为Zm SRO1a—Zm SRO1f。Zm SROs分布于第1、4、5和9染色体,包含2—5个内含子。序列分析发现CDS序列长度在1 215—1 791 bp;编码氨基酸数目为404—596 aa;分子量为45.23—66.78 k D;等电点为7.01—9.17。亚细胞定位分析发现Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1c/Zm SRO1d定位于叶绿体,Zm SRO1e则定位于过氧化氢酶体,Zm SRO1f定位于细胞核。系统进化树分析发现Zm SROs分为3个亚类,Ⅰa亚类包括Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1c,Ⅰb亚类包括Zm SRO1f,Ⅰc亚类包括Zm SRO1d/Zm SRO1e。保守结构域分析结果显示Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1c/Zm SRO1d/Zm SRO1e包含PARP和RST结构域,缺少WWE结构域,Zm SRO1f包含WWE和PARP催化中心,RST结构域缺失。Zm SROs蛋白共找到5个保守基序,命名为基序1—5。Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1c包含所有保守基序,Zm SRO1d/Zm SRO1e缺少保守基序3,Zm SRO1f缺少保守基序5。组织表达分析发现Zm SROs在根系特异性表达。高盐胁迫下,玉米根系中Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1c/Zm SRO1d/Zm SRO1e在1 h时显著上调表达,地上部中Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1d/Zm SRO1e均下调表达,而Zm SRO1f在处理6 h显著上调表达。干旱胁迫下,玉米根系Zm SRO1e在1 h显著上调表达,Zm SRO1f在24 h显著上调表达;地上部中Zm SRO1a/Zm SRO1b/Zm SRO1d/Zm SRO1e均下调表达。【结论】玉米SRO家族基因包含6个成员,被划分为3个亚类,6个Zm SROs在玉米根系中特异性表达,且可以不同程度地响应干旱和高盐胁迫。     

玉米抗病相关基因NPR1的同源克隆及表达分析

NPR1是植物系统获得性(systemic acquired resistance,SAR)抗病反应中的关键基因,对植物的广谱抗性起重要调控作用。以玉米自交系"齐319"为材料,通过PCR方法克隆到一个玉米NPR1基因(命名为Zm NPR1)。序列分析结果显示Zm NPR1包含两个保守结构域POZ/BTB位点和Ankyrin repeat锚蛋白重复位点。蛋白质聚类分析表明Zm NPR1与水稻Os NPR2的同源性最高。亚细胞定位结果显示Zm NPR1定位于洋葱表皮细胞的细胞核中。半定量PCR结果显示,Zm NPR1和玉米防卫基因PAL(编码苯丙氨酸解氨酶)响应水杨酸、玉米矮花叶病毒和玉米小斑病原菌的诱导并显著上调表达;而Zm NPR1和PAL的表达水平受到茉莉酸甲酯的明显抑制。这表明Zm NPR1在玉米中参与到水杨酸介导的抗病反应通路。     

玉米锌指蛋白基因ZmAN11的序列分析及在非生物胁迫下的表达研究

对玉米锌指蛋白基因Zm AN11进行序列分析,结果表明Zm AN11开放阅读框长度为510 bp,编码一个含169个氨基酸的蛋白,预测分子量为18.06 k D,等电点是8.48。Zm AN11与水稻Osi SAP8同源性最高。在非生物胁迫下的表达研究发现,在盐、冷和热激胁迫下,Zm AN11表达量上调;而在干旱胁迫下,Zm AN11表达量下调。器官特异性分析发现,该基因在玉米叶片及胚芽鞘中表达量较高。Zm AN11基因的序列分析及表达研究为进一步研究其生物学功能和应用奠定了基础。     

洋葱AcPME基因的克隆及序列分析

以洋葱花蕾为试材,通过RACE试验获得了Ac PME基因的全长c DNA序列,Gen Bank登录号为JF913196.1。该基因DNA序列包含2 786个碱基,4个外显子,3个内含子,c DNA序列长度为2 228 bp,编码序列长度为2 001 bp,编码666个氨基酸。生物信息学分析显示Ac PME蛋白存在明显的信号肽和跨膜区域(SP/TM)、PMEI结构域和PME结构域,在PME家族分类中属于第Ⅰ类,即含有一个长的N末端前区域(PRO-region)。氨基酸同源比对与系统进化分析表明,Ac PME蛋白与水稻、玉米、高粱等单子叶植物的同源蛋白具有较高的一致性。三维结构模式图显示该蛋白具有一个明显的凹沟,4个果胶结合位点氨基酸残基(T423、Q453、R565和W567),2个活性位点氨基酸残基(D476和D497)。本研究为洋葱Ac PME基因的结构域蛋白互作及功能研究奠定了基础。     

水稻CCCH型锌指蛋白亚家族Ⅰ基因的表达分析

CCCH型锌指蛋白是一类生物体中广泛存在的转录因子,与植物的抗逆性密切相关。水稻CCCH锌指蛋白家族包括67个成员,分为8个亚家族。本研究采用实时定量PCR技术分析水稻CCCH亚家族Ⅰ基因的组织表达模式以及盐、干旱、低温、高温等多种非生物胁迫和脱落酸(ABA)对CCCH基因表达水平的调节。结果表明,多数CCCH基因都不同程度地受到这些非生物胁迫及ABA的诱导或抑制,其中C3H10、C3H24、C3H33、C3H37和C3H67的表达量在不同胁迫处理后表现出不同程度的升高,C3H35、C3H50和C3H52在盐、干旱、ABA、低温和高温处理后表达水平呈下降趋势,表明这些CCCH锌指蛋白可能参与水稻的非生物胁迫响应。     

2个玉米光敏色素C基因的转录丰度对多种光质处理的响应

【目的】通过NCBI数据库获得2个玉米PHYC及相关数据,并进行相关生物信息学分析。利用实时荧光定量PCR(q RT-PCR)分析2个玉米PHYC在玉米各器官的转录丰度,以及其转录丰度对多种光质处理、黑暗到各种光质转换和光周期处理(长日照和短日照)的响应,为研究玉米PHYC在玉米幼苗去黄化与开花期的调控机制奠定基础。【方法】采用玉米B73自交系为研究材料,通过RT-PCR分别对Zm PHYC1和Zm PHYC2的全长ORF序列进行克隆;借助相关软件对其进行生物信息学分析,利用q RT-PCR分析这两个基因在玉米各器官中的转录丰度,及其转录丰度对各种光照处理的响应。【结果】Zm PHYC1和Zm PHYC2的全长ORF均为3 408 bp,编码1 135个氨基酸基序,分子量分别为126.14和126.07 k D。生物信息学分析表明,玉米phy C蛋白可以分为6个功能区段:节奏周期蛋白—Ah核转运接受蛋白—专一蛋白区段(Per-Arnt-Sim,PAS)、c GMP受激磷酸二酯酶区段(GAF)、色素区段(PHY)和PAS相关区段(PRD,包含2个PAS区段)、组氨酸激酶A区段和组氨酸激酶ATP酶区段,但是Zmphy C2在PRD区段仅有一个PAS区段。氨基酸水平的系统发育树分析表明,Zmphy C1和Zmphy C2与禾本科物种phy C有很高的一致性,且与甘蔗和高粱phy C的亲缘关系较近。q RT-PCR分析表明,Zm PHYC1和Zm PHYC2的表达在根和叶中的转录丰度均较高,同时对持续蓝光和白光响应强烈;在黑暗到各种光质转换处理中,这两个PHYC的表达模式相似。在黑暗转到远红光、红光、蓝光和白光的0.5 h,Zm PHYC1和Zm PHYC2的转录表达均急剧上升,随后迅速下降到自身起始黑暗时的水平以下,并上下波动。这两个基因对长日照和短日照的光周期处理也能积极响应,在长日照条件下,2个Zm PHYC出现了极其相似的表达模式,均在光照和黑暗阶段各出现1个峰值;在短日照条件下,这两个基因的表达模式差异较大,Zm PHYC1的峰值出现在进入黑暗后6 h,而Zm PHYC2的峰值出现在进入光照阶段2 h。【结论】玉米phy C蛋白可以分成6个功能区段,但是Zmphy C2在PRD区段仅具有一个PAS相关区段。2个玉米PHYC转录丰度具有组织特异性。在各种光质处理中,Zm PHYC1和Zm PHYC2的表达模式相近,可能二者存在功能冗余,在转录水平上前者的丰度高于后者,推测Zm PHYC1在玉米中起更重要的作用,并且可能二者在功能上存在分工。Zm PHYC1和Zm PHYC2对各种光质和光周期处理均有较强的响应,推测二者在调控玉米光形态建成和开花中具有重要作用。     

玉米邻甲基转移酶基因bx12-ZaC546的克隆及其生物信息学分析

邻甲基转移酶是与玉米抗虫性密切相关的苯并噁嗪类化合物生物合成中的关键酶之一,由bx12基因编码。为深入研究bx12基因的表达与调控机理,该研究从我国玉米自交系ZaC546中克隆出了含有目的基因bx12的目标DNA片段Zm3325-ZaC546。测序结果证明:从ZaC546基因组中分离的目标DNA序列长度为1 010bp,含有完整的开放阅读框(ORF)。与玉米基因组数据库上的参考序列相比,目标DNA序列在其ORF的内部,从起始密码子的第1个碱基开始,下游第204个碱基位置上存在1个碱基突变,由G突变为A,遗传密码由AAG变为AAA,但氨基酸不变,都编码赖氨酸(Lysine,K)。虽然,目标DNA序列在其ORF的下游,第883个碱基G发生缺失,第905个碱基由T突变为C,但因这2个突变位于ORF的下游,并不影响目的基因的编码活性。目标DNA序列Zm3325-ZaC546与参考序列的一致性为99.70%,阅读框序列的一致性为99.87%;而由目的基因编码的蛋白质氨基酸序列与参考序列的一致性为100%。生物信息学分析结果表明:本研究中克隆的基因所编码的邻甲基转移酶蛋白属于邻甲基转移酶基因超级家族2。该酶是一种多功能酶,具有2个大的结构域,一个位于N-末端一侧,具有甲基转移酶蛋白二聚化功能;另一个位于C-末端一侧,具有甲基转移酶功能和邻甲基转移酶功能。     

拟南芥和大白菜YABBY蛋白家族的生物信息学分析

YABBY基因家族是一类含有C2C2锌指结构域和YABBY结构域的转录因子,在植物叶器官发育过程中起到重要的调控作用。本研究利用生物信息学的方法对拟南芥和大白菜YABBY基因家族的结构、系统进化、序列保守性以及顺式反应元件进行了分析。主要结果如下:YABBY基因在拟南芥和大白菜染色体上呈不均匀分布;基因的结构以含有6个内含子为主要形式;所有拟南芥和大白菜YABBY基因都具有保守的C2C2锌指结构域和YABBY结构域;YABBY蛋白家族在进化上可分为4个不同的亚组;YABBY基因的启动子序列中存在多个能够响应不同激素和逆境信号的顺式反应元件。本文为进一步研究YABBY基因在大白菜叶球发育中的调控作用和逆境响应中的功能奠定了基础。     

割手密谷胱甘肽硫转移酶基因SsGST 的克隆与生物信息学分析

为克隆割手密谷胱甘肽硫转移酶基因,采用电子克隆和RT-PCR技术获得了1个割手密GST基因,命名为Ss GST,并对其进行生物信息学分析。序列分析表明,割手密Ss GST基因c DNA全长702 bp,编码224个氨基酸,蛋白分子式为C1119H1756N300O327S5,预测蛋白质分子量为24.8 ku,等电点为6.21。蛋白疏水性分析表明Ss GST蛋白为亲水性蛋白。保守结构域预测表明Ss GST蛋白具有GST-N和GST-C结构域。Ss GST蛋白序列与玉米、高粱、谷子和甘蔗等植物的GST蛋白序列相似性较高,系统进化树分析表明,Ss GST蛋白与玉米GST蛋白亲缘关系最近。     

一个水稻CCCH型锌指蛋白基因的表达模式分析

利用RT-PCR、生物信息学及其启动区与GUS基因的融合表达分析等方法,分析了一个水稻CCCH型锌指基因OsZF77的表达模式。OsZF77开放阅读框包含843个核苷酸,编码280个氨基酸,含有2个CCCH锌指结构域。RT-PCR分析表明该基因在水稻种子的胚乳中具有较高丰度的表达而在胚中不表达。对OsZF77上游2．5kb左右的启动子区段进行分析发现含有种子特异性表达必需的序列元件RY（CATGCATG）。进一步分析了该基因启动子区段与GUS基因融合表达载体的转基因水稻植株,结果表明GUS在种子胚乳特别是靠种皮的外围胚乳中具强表达,而在胚中检测不到GUS活性。以上结果说明该基因是一个胚乳优势表达基因。     

异源表达玉米ZmC3H54基因增强水稻的耐旱性

CCCH锌指蛋白是一类重要的转录调控因子。从玉米中分离得到一个受干旱和ABA诱导表达的CCCH型锌指蛋白基因ZmC3H54，通过构建过量表达载体并转化水稻来进一步研究其功能。 与对照组相比，转基因植株在干旱胁迫处理下具有更高的相对含水量与存活率以及较低的相对电导率，表明过量表达ZmC3H54基因可以提高转基因水稻的耐旱性。此外，转基因水稻幼苗对外源ABA敏感性更高。以上结果表明玉米ZmC3H54基因可能是通过ABA信号通路调控植物对干旱的耐受性。     

水稻OsCERK2转基因植株的获得及初步分析

以水稻粳稻品种日本晴为研究材料,利用拟南芥CERK1的蛋白质序列检索,在水稻基因组候选了与拟南芥CERK1同源的水稻基因OsCERK2,通过RT-PCR分离了该基因的全长cDNA。生物信息学分析显示,OsCERK2是一种含有信号肽的质膜蛋白,胞外结构域含有LsyM基序,激酶结构域含有酪氨酸蛋白激酶结构域。构建了由35S启动子驱动该基因的过表达遗传转化载体和由玉米的泛素基因的启动子驱动的RNA干涉（RNAi）的遗传转化载体,利用农杆菌介导的遗传转化技术,将OsCERK2基因导入水稻,得到T0代转基因植株。对T0代植株进行了PCR检测和半定量RT-PCR检测,获得了OsCERK2有效表达的转基因植株。     

水稻抽穗期性状QTL的全基因组关联定位分析

以253份水稻种质为材料,评价了群体材料的抽穗期特性,利用全基因组关联分析法对水稻抽穗期相关数量性状位点(QTL)进行定位。结果表明：种质群体抽穗期为45～100 d,变异系数为13.12%～13.39%,广义遗传率为50.94%;全基因组关联分析定位了29个与抽穗期相关的QTL,共60个显著关联SNP;预测15个QTL有23个与抽穗期调控相关的候选基因,分别编码类似于成花素的磷脂酰乙醇胺结合蛋白、C2H2/CCCH/B–box类锌指蛋白和MYB/MADS/PHD–finger/AP2类转录因子。     

玉米脱水素基因家族的鉴定与分析

脱水素(dehydrin,DHN)属于LEA蛋白第二家族成员,是一种植物中广泛存在的亲水性蛋白,在干旱、低温和高盐等非生物胁迫的环境中起到重要作用。通过生物信息学方法对玉米全基因组DHN家族成员进行了鉴定,并进一步对其系统发育、基因结构、染色体定位和基因复制以及表达模式进行了系统分析。结果显示,在玉米DHN基因家族中共有5个家族成员,多物种系统发育进化树分析、基因结构以及基序分析都表明DHN家族成员在进化上具有高度的保守性。基因复制和物种间微共线性分析表明,在5个玉米DHN基因中存在着1对片段复制基因(ZmDHN1-ZmDHN2),玉米、高粱和水稻3个物种间存在2对直系同源基因(ZmDHN2-Sb04g032250.1,ZmDHN2-Os02g44870.1)。通过转录组表达数据分析表明,玉米DHN家族基因在不同发育时期具有不同的组织表达模式;同时,诱导表达模式分析表明ZmDHN基因的表达受到盐和干旱胁迫的显著诱导。该研究结果将为进一步鉴定玉米DHN家族重要的基因成员并对其开展功能分析奠定基础。     

玉米SNAC转录因子的基因结构特征与逆境调控预测

NAC蛋白是植物特有的转录因子,在植物发育和各种非生物逆境应答中发挥着重要作用。为更好地揭示玉米SNAC(stress-responsive NAM,ATAF1/2,CUC2)家族的耐逆境胁迫功能,对其基因的结构特征及可能的调控机理进行了预测。利用生物信息学方法,鉴定了玉米16个SNAC家族基因,并对该基因家族各编码蛋白的理化性质、基因结构、潜在的磷酸化位点、蛋白质二级结构、基因进化关系、基因组序列结构和启动子结合元件等信息进行分析。分析结果表明：玉米16个SNACs不具有跨膜结构,且均具有N-末端保守结构域和高度可变的C-末端结构域。系统发育分析表明,同一亚群中密切相关的成员具有相似的基因结构,推测在不同植物中会具有类似的耐逆功能。磷酸化位点分析表明,玉米SNAC家族存在着大量的磷酸化位点。二级结构预测表明,玉米SNAC的转录调控区具有高度的内在灵活性。启动子分析表明,玉米SNAC家族基因启动子区域均含有大量的逆境胁迫应答顺式作用元件。这些结果为玉米耐逆境研究提供了候选基因,对促进玉米SNAC家族功能分析的进展具有重要意义。     

利用CRISPR/Cas9技术编辑BADH2-1/BADH2-2创制香米味道玉米新种质

【目的】香味是作物的重要食味品质之一。2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline,2-AP）是主要香味物。BADH2是控制水稻等作物香味性状的关键基因,敲除该基因可以产生香味稻米。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在北京市农林科学院自育的玉米骨干亲本京724上敲除BADH2同源基因,以期获得有香米味道的玉米新种质材料。【方法】利用Ensembl数据库在线BLAST工具,将水稻OsBADH2蛋白序列在拟南芥、水稻和玉米蛋白序列数据库中进行序列比对,获得上述3个物种的BADH基因家族成员,并利用UniProt蛋白数据库中的结构域信息进行验证。进一步使用MEGA软件进行系统进化分析,获得玉米BADH2同源基因作为候选编辑靶标。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的原理,在候选基因的外显子处设计特异性靶点,并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体。再以玉米自交系京724为受体,利用农杆菌介导的遗传转化方法,通过磷酸甘露糖异构酶基因（phosphomannose isomerase,PMI）抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在靶基因中产生的突变类型。利用气相色谱质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）检测基因编辑株系T₁籽粒中香米主要香味物质2-AP的含量,以确认京724在基因编辑前后2-AP含量的变化。【结果】系统进化分析发现,玉米中存在2个BADH2同源基因,分别命名为ZmBADH2-1和ZmBADH2-2。ZmBADH2-1位于第4染色体,ZmBADH2-2位于第1染色体。2个基因均包含15个外显子和14个内含子,第4外显子间的核苷酸序列高度同源。在2个基因的第4外显子区域设计靶点并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体,通过遗传转化获得28株转基因株系。PCR扩增及测序分析结果显示,其中10株材料的2个ZmBADH2s在靶点区域均发生突变,突变基因型包括双等位突变和多等位突变,突变类型为不同数量的碱基缺失和插入。质谱检测结果显示玉米ZmBADH2双基因突变体籽粒中存在与香稻同样成分的2-AP。随机选取的4个T₁代基因编辑株系籽粒中,2-AP平均含量分别为438.29、404.63、348.65和161.82 μg·kg^-1,而未经过编辑的京724中未检测到2-AP。【结论】利用CRISPR/Cas9技术对玉米ZmBADH2-1和ZmBADH2-2同时进行定点敲除,创制出籽粒中具有香米味道的玉米骨干亲本新种质材料。     

一个新的玉米WRKY基因识别及其生物信息学分析

利用电子克隆技术从玉米EST库中发现了一个新的玉米WRKY基因ZmWRKY。生物信息学分析表明,该基因编码一个由302个氨基酸组成的、相对分子质量为32.5 kD的蛋白,具有一个由60个氨基酸组成的WRKY结构域（155～214）,定位于细胞核,具有转录调控功能。序列分析表明,该蛋白与同科植物水稻OsWRKY76基因具有较高的同源性,推测其可能参与植物病害防御信号的传导过程,在植物生物胁迫防御中发挥作用。     

Isolation and Analysis of Drought-Induced Genes in Maize Roots

Maize roots are important component for plant adaptation to soil water deficits because they are supposed to take up water and necessary solutes from the soil. In the present study, the drought-induced genes were isolated in maize roots. A suppression subtractive hybridization protocol was applied to construct a forward subtractive cDNA library from CN165 for drought-stressed maize roots and a number of drought-induced genes were isolated. Totally, 126 uniESTs （containing 82 singlets and 44 contigs） were obtained from 503 available ESTs sequences after macroarray hybridization. UniESTs were analyzed using BLASTN and BLASTX and the results showed that 92% of the uniESTs had homolgous sequences in maize nr database by BLASTN. About 89% of uniESTs appeared the homlogous amino acid sequences in rice protein database but not in maize protein database by BLASTX, implying that those genes are likely new functional genes in maize. Function analysis showed that those genes were involved in a broad spectrum of biological pathways, mainly in signaling and regulatory pathways related to stress tolerance.