蓝莓AP2/ERF基因家族鉴定及其在休眠解除过程中的表达分析研究

通过生物信息学鉴定蓝莓AP2/ERF基因家族成员,本研究在蓝莓中鉴定到160个AP2/ERF家族基因,通过进化树和基序分析,其家族成员可划分为AP2、ERF、RAV3个亚家族。氨基酸序列比对和保守结构域分析结果表明,蓝莓AP2/ERF家族成员均含有AP2结构域。启动子顺式作用元件分析表明,ERF基因启动子含有大量光反应、防御应激、脱落酸、赤霉素等响应元件。为了了解蓝莓ERF基因在花芽休眠中的功能,通过转录组表达谱分析发现,多数VcERF基因在蓝莓花芽休眠解除过程中均能表达,不同基因在冷积累下的表达量不同,在休眠解除过程中的表达模式同样存在差异。     

毛果杨ZHD家族全基因组水平鉴定及在干旱胁迫下的表达分析

  目的  对毛果杨Populus trichocarpa ZHD (PtrZHD)家族进行生物信息学以及干旱胁迫下表达特性分析,为研究PtrZHD在干旱胁迫中的功能提供参考。  方法  利用生物信息学方法从全基因组水平鉴定出毛果杨ZHD家族全部成员,并对其进化、理化性质、基因结构、保守基序、启动子顺式作用元件和表达特性进行分析。  结果  毛果杨ZHD家族包括21个成员,可分为7个亚家族;有8对同源基因,且非同义替换率(K_a)/同义替换率(K_s)值远小于1。该家族成员理化性质存在差异,但其结构较为保守,均含有Motif 1;启动子区含有数量不等的激素和非生物胁迫响应元件,不同基因之间响应元件的种类存在差异。在毛果杨PtrZHDs中,分别有1、7和13个基因在根、茎和叶组织中具有偏好性表达特征;PtrZHD家族成员对干旱胁迫的响应具有组织和时间表达特异性,在根、茎和叶部组织中各成员的表达量不同,但随着干旱胁迫时间的增加均呈先上升后下降的趋势。  结论  PtrZHD家族基因对干旱胁迫有不同程度的响应,可调控毛果杨对干旱胁迫的应答。图6表2参27     

荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析

  目的  鉴定荆芥Schizonepeta tenuifolia的HD-Zip基因家族，利用生物信息学方法分析其在全基因组中的分布和相关特征以及在不同时期中的表达规律，为该家族基因的进一步研究奠定基础。  方法  根据已经表征的HD-Zip基因，筛选荆芥基因组内的HD-Zip基因序列，利用MEME、PlantCARE、NCBI、MEGA X、MCScanX、Circos等在线网站及软件对蛋白序列进行基本理化性质分析、进化树构建、染色体定位、基因结构分析、共线性基因分析等。  结果  在荆芥全基因组中共鉴定到42条HD-Zip基因序列，它们可被分为4个亚家族，分别含有16、7、5、14个基因，亚家族之间的基因长度、结构及保守基序差异显著，但在亚家族内部保守，荆芥基因组与拟南芥Arabidopsis thaliana基因组共线性分析发现有37对基因，可能具有相似的生物学功能。荆芥的4个亚家族基因的顺式元件中均高频出现了光响应、脱落酸响应、MeJA响应等元件，在不同生长时期的叶片及部位的转录组数据中具有不同的表达趋势，Ⅰ亚家族主要在幼叶中表达，Ⅱ和Ⅲ亚家族主要在根中在表达，Ⅳ亚家族主要在叶中表达。  结论  在荆芥基因组中共获得42条HD-Zip基因序列，被分为4个亚家族(HD-ZipⅠ~Ⅳ)，亚家族内部高度保守，亚家族之间差异显著，其基因结构、保守结构域及表达模式不同。亚家族Ⅰ和Ⅱ，亚家族Ⅲ和Ⅳ亲缘关系更近，HD-Zip基因具有组织表达差异性，协同调控了荆芥的生长发育和次生代谢。图9表1参25     

杜仲CONSTANS-like全基因组鉴定、系统进化及表达模式分析

  目的  揭示CONSTANS-like在杜仲Eucommia ulmoides基因组中的分布、结构特征及表达模式。  方法  利用生物信息学方法，对杜仲CONSTANS-like基因家族进行鉴定及理化性质、进化关系、基因结构、启动子元件和表达模式分析。  结果  杜仲基因组中共鉴定到8个EuCOLs基因，分别命名为EuCOL1~EuCOL8，氨基酸数目为315~469，理论等电点分布范围为5.10~6.47，分子量为35.21~52.65 kDa。亚细胞定位预测均定位在细胞核中，为亲水性蛋白，分布于8条染色体。系统进化分为2个亚家族(群组Ⅰ和群组 Ⅲ)，分别包含2和6个EuCOLs蛋白，同一亚家族基序具有相似性。EuCOLs基因结构简单，启动子中含有多个光周期响应元件。表达模式分析显示:EuCOLs在杜仲叶片发育中表达水平相对较低，EuCOL7在杜仲胶形成中表达量最高，各家族成员表达特征存在差异。蛋白互作预测显示:EuCOL7可与多个光周期响应蛋白互作。  结论  杜仲CONSTANS-like基因家族含有典型的CCT和B-box结构域，可能参与叶片发育及杜仲胶的形成。图8表1参56     

黄瓜AQP基因家族的鉴定与生物信息学分析

  目的  深入研究黄瓜Cucumis sativus水通道蛋白(aquaporin, AQP)基因家族(CsAQP)的相关功能。  方法  通过全基因组分析技术鉴定其家族成员,对其蛋白质理化性质、系统进化关系、选择压力、基因结构、保守基序、顺式作用元件、蛋白质互作进行分析。  结果  黄瓜基因组共有33个AQP基因,含有2~5个数量不等的外显子,在染色体上不均匀分布;根据物种进化关系将黄瓜AQP基因家族划分为5个亚家族;基因组重复序列分析表明:5号和6号染色体上各有2~3对基因串联重复;计算这些基因的同义替换(synonymous, K_s)和非同义替换(nonSynonymous, K_a)的比率,结果显示均小于1,表明其进化受纯化选择作用;顺式作用调控元件分析发现,大部分基因启动子区所含元件与激素调节、光响应、胁迫密切相关。  结论  通过黄瓜全基因组扫描,获得黄瓜基因组的33个AQP家族成员,分属于5个亚族,映射于7条染色体上。上游启动子区含逆境相关作用元件,且部分基因参与串联复制,历经纯化选择。图6表4参26     

旱胁迫相关绿豆VrERF家族基因发掘及表达分析

【目的】探究AP2/ERF转录因子在绿豆干旱胁迫响应中的应答机制。【方法】基于全基因组测序数据对绿豆VrERF家族基因的种间同源性、互作蛋白功能及顺式作用元件进行分析，通过转录组测序数据分析各VrERF基因的组织特异性表达、干旱胁迫下基因表达差异情况并用q RT-PCR进行验证。【结果】绿豆与豌豆、菜豆和大豆的ERF家族基因间不仅具有相同的进化起源，还存在明显的基因扩张现象。VrERF基因启动子区均具有多个与激素响应、胁迫响应以及生长发育相关的顺式作用元件。此外，不同的绿豆VrERF蛋白间存在广泛的互作关系，可能通过与b ZIP、RAP2.4和STZ等蛋白互作参与绿豆非生物胁迫的防御响应。基因表达分析显示，多数VrERF家族基因的表达具有较强的组织特异性，且在干旱胁迫下，VrERF7/62在绿豆VC1973A和JP226873叶片中均显著下调表达，qRTPCR检测也显示VrERF7/62的表达受干旱胁迫诱导显著下调。【结论】推测VrERF7/62可能在绿豆干旱胁迫响应过程中起负调控作用，结果也为绿豆AP2/ERF家族基因的抗逆性表达及基因功能研究奠定了基础。     

杨树AP2/ERF转录因子家族生物信息学分析

AP2/ERF基因家族是植物所特有的一类转录因子,该转录因子参与多种生物学过程,包括植物生长、花发育、果实发育、种子发育、损伤、病菌防御、高盐、干旱等环境胁迫响应等。从毛果杨基因组数据库中查找210个毛果杨AP2/ERF家族基因,根据其编码氨基酸序列的相似性和AP2/ERF结构域的数量可分为4类,分别为AP2、ERF、DREB和RAV亚家族及其他(Potri.002G246100)。利用生物信息学方法分析了毛果杨210条AP2/ERF蛋白序列的系统发生、基因组定位、氨基酸组成、理化性质及二级和三级结构等。研究结果可为杨树AP2/ERF家族基因的功能分析提供参考依据。     

毛竹磷转运蛋白Ⅰ家族基因鉴定及表达模式

  目的  鉴定毛竹Phyllostachys edulis磷转运蛋白Ⅰ (phosphate transporter 1, PHTⅠ)家族基因,分析其表达模式。  方法  利用生物信息学方法,鉴定毛竹PHTⅠ家族成员,分析基因启动子调控元件、编码蛋白的理化性质、基因结构、氨基酸保守基序、基因在染色体的位置、组织表达特异性、基因适应性进化及系统进化等。  结果  毛竹中共鉴定出20个PHTⅠ家族基因 (PePHTs),分布在10条染色体上,均定位于细胞膜。每个基因都含有1~2个内含子,PePHTs启动子序列中包含干旱、低温等非生物胁迫以及赤霉素等激素类响应元件。毛竹PHTⅠ大部分为碱性蛋白质,分子量为48.61~76.37 kDa,理论等电点为6.84~9.30,疏水性值均大于0,都属于疏水蛋白。基因适应性进化分析显示:大多数PePHTs的选择压力值小于0,说明多数基因受到负选择压力。转录组表达图谱表明:PePHTs在不同组织中的表达存在差异性,说明该基因家族在毛竹生长发育过程中发挥着不同的作用。系统进化树表明:PePHTs都聚类在第Ⅰ亚家族,并且优先和水稻Oryza sativa聚类在同一支上。  结论  PHTⅠ家族在植物吸收和转运磷的过程中扮演了重要作用。本研究结果为深入研究毛竹PHTⅠ家族基因的功能奠定了理论基础。图5表1参45     

黄瓜ERF基因家族鉴定及其在雌花芽分化中的表达分析

【目的】通过以黄瓜9930_V2版本基因组为参照进行生物信息学分析,对ERF基因家族在基因组中的数量、结构以及表达特征进行分析,为研究ERF转录因子在黄瓜雌花分化与发育中的作用提供数据支持。【方法】根据已报道的拟南芥ERF,利用黄瓜基因组数据库中9930_V2版本基因组进行BLAST比对,通过MEGA、MEME、TBtools、ExPASy等工具进行生物信息学分析。采用qRT-PCR方法检测不同性型黄瓜材料、雌花发育初期不同阶段中ERF基因家族成员的表达水平。采用酵母单杂交方法验证家族成员与乙烯响应元件GCC-box的互作。【结果】从黄瓜材料9930基因组中鉴定得到138个ERF基因家族成员,共分为10个亚族,编码氨基酸长度介于126—745。按照基因家族成员在染色体上的位置分布,将其命名为CsERF1-CsERF138。多序列比对和motif分析结果表明,黄瓜ERF基因家族均具有AP2/ERF结构域,其中4个成员具有B3结构域。表达分析结果显示,在不同性型材料中共有19个ERF家族成员差异表达,其中9个在FFMMAA基因型中高表达,10个在ffMMAA基因型中高表达。通过雌花芽发育初期ERF家族成员的表达趋势分析,发现31个ERF随子房发育表达上调,30个表达下调。初步证明CsERF9和CsERF31具有结合GCC-box元件的功能。【结论】从黄瓜基因组中鉴定出138个ERF基因家族成员,均拥有1个或多个AP2/ERF结构域;其中部分成员在不同性型材料中差异表达,并可能参与雌花分化初期的基因表达调控;部分成员具有结合保守元件GCC-box调控下游基因表达的功能。     

闽楠PLR基因家族鉴定及响应激素的表达分析

  目的  解析闽楠Phoebe bournei木脂素合成途径关键酶基因Pinoresinol-lariciresinol reductase (PLR)特征及不同激素处理下的表达模式，探索闽楠PLR基因家族的生物学功能。  方法  利用生物信息学方法鉴定闽楠基因组中的PLR基因家族成员，分析基因结构、保守基序、染色体定位、系统进化、启动子顺式作用元件和激素响应。  结果  从闽楠全基因组内共鉴定出8个闽楠PLR (PbPLR)成员，不均匀地分布于第1、2、5和10号染色体。系统进化分析表明:PbPLR功能可能与底物立体选择性有关。启动子元件分析发现:PbPLRs启动子区域存在脱落酸、水杨酸和茉莉酸甲酯等激素响应元件；基因表达分析表明:PbPLRs基因的表达具有组织特异性和激素响应特征，其中PbPLRs基因在根中表达量最高，其次茎，叶中表达量较低；3种激素处理时，PbPLR2表达诱导最强。  结论  从闽楠基因组中鉴定出的8个PbPLRs基因，其基因特征和不同成员可能具有不同催化酶立体选择性，成员表达模式多样化，可能受多种激素诱导，具有组织特异性。图6表2参25     

细叶百合DREB转录因子生物信息学及胁迫应答表达分析

DREB转录因子是AP2/ERF家族的主要成员，在植物应对非生物胁迫中发挥重要作用。目前还没有针对细叶百合DREB转录因子家族的系统分析。本研究基于细叶百合(根、茎、叶)转录组数据筛选出12个DREB转录因子，命名为LpDREB1-LpDREB12,并对其进行生物信息学及不同组织在胁迫下的表达模式分析。结果表明，细叶百合DREB蛋白多为不稳定蛋白且具有一定亲水性，α螺旋和无规则卷曲是蛋白二级结构的主要组成部分。系统进化分析显示，12个细叶百合DREB转录因子同61个拟南芥DREB转录因子聚类到一起，说明细叶百合和拟南芥DREB家族成员具有较高的保守性。表达模式分析表明，在干旱、盐、低温及脱落酸胁迫下12个细叶百合DREB基因的表达均有组织特异性。研究结果丰富了细叶百合DREB基因数据库，为挑选优质抗逆基因提供了理论依据。     

一个麻疯树AP2/ERF家族基因的克隆和植物表达载体的构建

[目的]克隆1个麻疯树AP2/EFR家族的基因,并构建其植物表达载体。[方法]利用麻疯树EST数据库中的AP2/ERF相关信息设计引物,通过RT-PCR克隆麻疯树AP2/EFR家族的基因,用生物信息学方法对其序列进行分析,并构建其植物表达载体。[结果]试验克隆到1个AP2/EFR家族基因JcERF;从cDNA序列、氨基酸序列、保守域序列、功能组成、理化性质、进化树等方面进行分析,结果显示JcERF属于AP2/EFR家族中的ERF亚家族;将JcERF连接至pCAMBIA1301载体上,构建了以35S为启动子的植物表达载体。[结论]该研究为麻疯树中JcERF的功能研究及提高麻疯树的抗逆性奠定了基础。     

2023 年 1 期目次

  目的  Wuschel (WUS)相关的同源异型盒(Wuschel-related homeobox,WOX)转录因子家族在植物生长发育中发挥重要作用。本研究旨在探索WOX转录因子在杜仲Eucommia ulmoides中的分布及表达特征。  方法  以杜仲基因组数据库为基础,利用生物信息学方法对杜仲WOX家族进行全基因组鉴定;基于转录组数据分析EuWOXs在叶片发育及杜仲胶形成中的表达特征,通过实时荧光定量PCR (RT-qPCR)检测EuWOXs在‘紫叶’杜仲‘Ziye’叶片不同发育时期的表达模式。  结果  杜仲基因组中共鉴定出8条EuWOXs,分布于8条染色体;EuWOXs蛋白质长度为182~352个氨基酸,理论等电点为5.10~6.47,分子量为20.7~40.4 kDa;亚细胞定位预测EuWOXs均定位在细胞核中,均为亲水性蛋白。根据系统进化关系,杜仲WOX家族包括3个亚家族,分别含2、1和5个EuWOXs基因。EuWOXs均含有内含子,并包含多个基序,启动子中富含激素、胁迫和光周期响应元件。大部分EuWOXs在杜仲叶片中表达量较低,EuWOX13-1随叶片发育表达量逐渐降低,EuWOX13-2在生长叶中表达量最高。  结论  杜仲中有8个EuWOXs基因,EuWOX13-1和EuWOX13-2可能在杜仲叶片发育中发挥重要作用。图10表2参50     

DREB转录因子的表达调控

植物DREB转录因子属于AP2/ERF转录因子家族,能够特异性地结合启动子区的DRE/CRT顺式作用元件,调控下游逆境应答基因的表达,从而在植物应对低温、干旱、高盐等非生物胁迫中发挥重要作用。围绕对DREB转录因子的调控,重点介绍了其表达、功能、降解等过程中涉及的调控机理方面的研究成果,并对DREB转录因子未来的研究方向进行了展望。     

欧洲千里光SvAPETALA1基因的克隆及功能分析

  目的  花器官发育是影响花观赏价值的重要因素,AP1类基因调控植物花器官的形成。研究菊科Asteraceae欧洲千里光Senecio vulgaris的SvAP1基因在花器官形成中的重要作用,旨在探究菊科复杂花序结构产生的调控机制。  方法  以欧洲千里光为材料克隆获得了SvAP1基因,通过多序列比对、构建系统进化树、实时荧光定量PCR (qRT-PCR)反应、构建超表达载体、组织学染色观察等方法与技术,对SvAP1基因进行功能预测与分析。  结果  SvAP1基因开放阅读框长度为705 bp,编码234个氨基酸。多序列比对与系统进化分析显示:SvAP1基因属于MADS-box基因AP1类亚家族,C末端具有paleoAP1保守基序(motif)。欧洲千里光组织特异性表达分析表明:SvAP1基因在营养器官和花序中都有表达。转基因龙葵Solanum nigrum的形态学观察和石蜡切片技术分析显示:与野生型龙葵相比,转基因龙葵雌蕊发育异常,表现为子房膨大且雌蕊状组织增多。  结论  欧洲千里光SvAP1基因在龙葵中的超表达影响雌蕊发育,与ABC模型中A类基因超表达对植物花器官发育造成的影响存在差异,即转基因龙葵雄蕊无明显变化且雌蕊未转变为萼片状或叶片状器官。这可能与欧洲千里光花器官调节机制和花序结构的复杂性有关。由此可知,欧洲千里光SvAP1基因可能作为花器官特征基因在花器官形成中具有重要作用。图6表1参35     

毛竹Ph-TElncRNA1的鉴定及对靶基因的调控

  目的  旨在探究毛竹Phyllostachys edulis Ph-TElncRNA1及靶基因的表达模式，初步分析lncRNA的功能。  方法  基于高温、低温、紫外、高盐胁迫处理毛竹实生苗全转录组测序数据，筛选在胁迫下差异表达的lncRNA。通过CNCI、Pfam、CPC2、PLEK等4个软件对lncRNA的编码特性进行分析，用LncRNATar软件鉴定lncRNA的靶基因，通过实时荧光定量PCR分析lncRNA和靶基因在紫外胁迫下和叶片着色过程中的表达模式。  结果  筛选到1个在紫外胁迫下差异表达的lncRNA，此lncRNA来源于LARD转座子序列(large retrotransposons derivatives)，命名为Ph-TElncRNA1 (Phyllostachys edulis transposable element derived lncRNA1)。Ph-TElncRNA1是一个典型的非编码RNA，全长为342 bp，其中，185个碱基来源于外显子，157个碱基来源于内含子。Ph-TElncRNA1的靶基因为psbA，编码photosystem Ⅱprotein D1。实时荧光定量结果表明:Ph-TElncRNA1与psbA的相对表达量呈完全相同的趋势，说明在紫外胁迫下Ph-TElncRNA1与psbA呈正相关。通过Ph-TElncRNA1和psbA在不同着色时期的毛竹叶片的相对表达量分析，发现在叶绿体形成期，Ph-TElncRNA1和psbA表达量达到峰值。  结论  Ph-TElncRNA1和psbA在紫外胁迫下协同表达，Ph-TElncRNA1可以通过调控靶基因psbA参与毛竹叶片发育。图7参33