基于全长转录组的蚕豆WRKY基因家族分析及耐盐胁迫相关候选基因挖掘

WRKY基因是植物特有的转录因子基因,能够调控植物的生长发育和胁迫响应。为了鉴定蚕豆WRKY基因家族成员,揭示其进化关系并挖掘与盐胁迫相关的候选WRKY基因,本研究在完成蚕豆全长转录组测序(9个样品)和二代转录组测序(27个样品)的基础上,利用生物信息学方法对WRKY转录因子基因进行鉴定与分析,并通过拟南芥同源基因比对挖掘盐胁迫相关的候选VfWRKY基因。结果表明,蚕豆全长转录组测序共获得53.84 Gb数据量,通过比对和校正最终获得58 885条转录本序列信息;基于蚕豆全长转录组共鉴定出113个WRKY家族成员,氨基酸数目为153～737 aa,等电点为4.84～9.87,113个WRKY家族蛋白质全部定位于细胞核中;根据拟南芥WRKY家族系统发育特征,VfWRKY基因家族可分为3组,分别为group 1(38个VfWRKY)、group 2(61个VfWRKY)、group 3(14个VfWRKY);Motif 1和Motif 3是VfWRKY基因家族的特征基序,并对应WRKY保守结构域,在进化过程中较为保守;VfWRKY基因家族主要富集在植物MAPK信号通路、植物与病原菌相互作用...     

植物WRKY转录因子及其生物学功能研究进展

WRKY转录因子是一个大的植物转录因子家族。该转录因子家族最显著的特征是家族各成员至少包含一个WRKY结构域,该结构域的N-端有一个高度保守的WRKYGQK基序,C-端为一个锌指类似结构域(zinc-finger-like motif),一般组成为C-X_(4-5)-C-X_(22-23)-H-X-H。WRKY转录因子通过WRKY结构域与下游目标基因启动子区的W-box进行特异性结合从而调控目标基因的表达。研究表明,WRKY蛋白除了广泛参与植物种子萌发与休眠、叶片衰老、代谢、激素信号转导外,还参与生物和非生物胁迫等生理生化反应过程的调控等新功能。综述了国内外有关WRKY转录因子的研究进展,讨论了其在植物生长发育以及应对生物和非生物胁迫过程中发挥的调控功能,以期为全面研究WRKY转录因子家族的结构和功能提供新的观点。     

小麦IQM基因家族鉴定及非生物胁迫下表达分析

IQM基因是钙调素结合蛋白家族中的重要分支,在植物生长发育和应激反应中发挥重要作用。本研究利用生物信息学方法在小麦全基因组中鉴定出23个IQM基因家族成员,对其染色体位置、理化性质、系统进化关系、基因结构、蛋白保守结构域、启动子顺式作用元件和基因表达特性等进行了系统分析。结果表明,TaIQM基因家族成员随机分布在小麦18条染色体上,亚细胞定位结果显示所有基因均位于细胞核中,系统进化分析将其分为3个亚类,同一亚类间基因结构、蛋白保守结构域相似度较高,推测其功能相似;顺式作用元件分析表明,TaIQM基因家族成员启动子中含有多种与逆境胁迫及生长发育相关顺式作用元件;转录组数据分析显示,TaIQM基因家族成员在不同时期的根、茎、叶、穗和籽粒中表达量存在显著性差异;qRT-PCR分析显示,在小麦苗期地上部和地下部,TaIQM基因响应干旱、低温、高温、NaCl、ABA等多种胁迫,显示上调或下调表达。初步推断这些基因可能通过Ca²⁺信号通路参与非生物胁迫调控,研究结果为全面解析TaIQM基因结构与生物学功能、非生物胁迫响应分子机制提供依据。     

植物NAC转录因子的结构及功能研究进展

NAC(NAM、ATAF1/2、CUC1/2)转录因子是植物特有的一类转录因子家族,在植物生长发育、生物及非生物胁迫反应中具有重要的调控作用。NAC蛋白的N端均存在1个高度保守的NAC结构域,而C端是变化的转录调控区。通过总结前人的研究进展,综述NAC转录因子在植物分生组织和器官边界的形成、根的发育、植物细胞次生壁的生长、植物衰老、激素调控和胁迫反应等过程中的重要调控作用,指出今后NAC转录因子的研究方向。     

水稻SUPERNUMERARY BRACT(OsSNB)基因应答非生物胁迫和激素的表达特性

AP2转录因子家族普遍存在于植物中,在调控植物发育过程中起到非常重要的作用。前期研究表明,SUPERNUMERARY BRACT(OsSNB)属于AP2转录因子亚家族成员,含有两个保守的AP2结构域,主要参与调控小穗分生组织向花分生组织的转换以及花器官的发育。利用RAP-DB水稻数据库搜索到基因OsSNB,通过序列分析发现 OsSNB启动子序列中含有GCC-box、ABRE、DRE、WRKY等应答非生物胁迫及激素信号的元件;基因表达分析表明,OsSNB基因的表达受NaCl、干旱胁迫和激素ABA以及乙烯前体ACC的诱导。这些结果表明水稻OsSNB基因可能参与调控逆境胁迫反应,在植物生长发育和非生物胁迫的应答中均具有重要功能。     

植物CDF转录因子功能研究进展

CDF(cycling dof factors)蛋白是植物DOF家族中一类特有的转录因子,在植物生长发育中扮演重要角色。CDF蛋白在N-末端有一个由52个氨基酸残基组成的高度保守的C_2-C_2单锌指结构域,能够特异性地识别植物启动子序列中的AAAG/CTTT作用元件;在C-末端包含有21、22和33个氨基酸组成的3个保守序列,这是与其他蛋白发生相互作用的关键位点。研究发现,CDF基因具有生物钟节律且表达量受光周期调控,其编码的蛋白在调控植物生长发育和响应逆境胁迫方面起着重要作用,就CDF转录因子的序列特点和开花、产量以及响应非生物胁迫方面的功能进行了综述。     

番茄WRKY转录因子功能的研究进展

WRKY转录因子是近20多年来发现的植物特有的最大的转录因子家族之一。WRKY的名称来源于基因中最显著的氨基酸序列特征WRKY结构域。WRKY结构域是一个高度保守的区域,由60个氨基酸组成,在其N端有1个保守的七肽段WRKYGQK,然后是1个分子式为C₂H₂或C₂HC的锌指基序。目的基因中保守的WRKY结构域同源结合位点称为W box(C/TTGACT/C),几乎所有WRKY转录因子都优先结合该位点。越来越多的研究证实,WRKY转录因子在植物生长发育过程中扮演着重要角色。本文简要介绍了WRKY转录因子家族的分子结构特征及分类,并综述了番茄WRKY转录因子在响应生物与非生物逆境胁迫、调控生长发育、激素信号转导等方面的生物学功能,以期为进一步研究番茄WRKY基因家族的调控机制提供理论基础与研究思路。     

HD-ZIP转录因子响应病菌与非生物胁迫研究进展

逆境条件通常影响植物生长发育,间接或直接导致作物减产甚至植物死亡。HD-ZIP转录因子则参与植物对不利环境条件的响应。Homeodomain-Leucine Zipper(HD-ZIP)转录因子是植物中特有的一类转录因子,属于同源异形盒(homeobox, HB)蛋白家族,由高度保守的同源异形结构域(Homeodomain)和亮氨酸拉链结构域(ZIP)紧密连接而成。通过LZ结构域介导的蛋白二聚体的形成使HD结构域与靶DNA结合,调控靶基因的表达。HD-ZIP转录因子不仅对植物生长发育发挥重要调控作用,并且对逆境抵抗中起关键作用。本文基于近年来HD-ZIP转录因子的最新研究成果,着重归纳HD-ZIP四个亚家族(Ⅰ-Ⅳ)对不同病菌和非生物胁迫例如干旱、高盐、极端温度、弱光、机械损伤、重金属胁迫做出的响应机制,以期揭示HD-ZIP转录因子如何通过整合激素和环境信号来改良植物生长特性的内在分子机制,从而为提升植物抗逆性奠定基础。     

烟草YABBY基因家族的全基因组鉴定与分析

YABBY基因家族是种子植物特有的一类转录因子，具有C₂C₂锌指结构域和YABBY结构域，该家族在植物的发育过程中起重要调控作用。为研究烟草YABBY基因家族的成员及其作用，利用生物信息学技术从烟草基因组数据库中鉴定YABBY基因，并分析其蛋白理化性质、构建系统发育树、分析启动子顺势作用元件等。结果表明：在烟草基因组中一共鉴定到7个NtYABBYs基因，分为5个亚家族，均无跨膜结构，定位于细胞核内，启动子顺式作用分析表明NtYABBY基因含有与植物生长发育、植物激素、防御与胁迫等相关的顺势作用元件。该结果可为烟草NtYABBYs基因家族的进一步研究提供理论基础。     

西洋参bHLH转录因子家族生物信息学分析

bHLH是真核生物中一类编码转录调控因子的基因家族,在植物生长发育中具有重要的调控作用。通过对西洋参根、叶、花蕾样品进行转录组测序,筛选其中的bHLH家族基因,利用生物信息学方法对筛选到的基因进行表达模式、蛋白结构、细胞定位及系统进化分析。结果显示:从西洋参转录组中共鉴定得到62个西洋参bHLH家族基因,这些bHLH在根、叶、花蕾中具有4种表达模式。西洋参bHLH亚细胞定位预测主要在细胞核内,所有表达产物均包含HLH结构域。进化分析显示,西洋参中62个bHLH基因可分为18个亚类,其中第Ⅺ亚族中包含最多的bHLH成员,共包含11个bHLH蛋白;第Ⅲf、Ⅳa、Ⅲ(a+c)、Ⅰb(2)、Orphans、Ⅳb亚族中的成员数量均为1个,其他亚族为2～9个。     

油菜素内酯参与调控植物生长发育与抗逆性的机制及其育种应用研究

油菜素内酯（brassinosteroids,BRs）是一类重要的植物促生激素,参与调控植物生长发育。最近的研究表明,BRs能增加作物产量和增强作物抗逆性。在BRs信号转导过程中,蛋白激酶的磷酸化功能与转录因子的磷酸化和脱磷酸化过程是BRs信号重要的生化调控机制,其中起始BRs信号由胞外向胞内转导的蛋白激酶BRI1和 BAK1,以及BRs信号下游调控不同性状基因表达的转录因子BZR1和BZR2/BES1,是BRs信号途径中关键的功能基因。基于重要蛋白激酶和转录因子的蛋白结构和功能分析,通过不同氨基酸功能位点的基因定点突变和修饰技术,能实现BRs信号途径的功能研究与植物性状改良,从而提高植物对环境的适应性。综述了BRs信号途径与植物生长发育和环境胁迫的研究,期望为植物分子育种提供很好的借鉴。     

植物MAPK级联途径应答的非生物胁迫研究进展

促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）是一种高度保守的蛋白激酶，广泛存在于真核生物中。MAPK级联途径是一种重要的高度保守的细胞信号转导途径，主要包括MAPKKK、MAPKK和MAPK三种蛋白激酶，通过磷酸化顺序被激活。MAPK级联途径参与了植物生长发育、激素调节、生物胁迫以及非生物胁迫的应答响应。从植物MAPK级联途径成员的分类、结构特征及对非生物胁迫的响应等方面进行了综述，将为系统的理解植物MAPK级联途径及其在非生物逆境胁迫下的表达调控等提供参考。     

植物TGA转录因子研究进展

TGA基因家族是bZIP转录因子家族中十分重要的一组,其能够与靶基因启动子上的as-1区域相结合,激活或抑制下游靶标基因的转录,从而调控植株抗性或花器官发育。自烟草中首个TGA基因被鉴定以来,从拟南芥、水稻和苹果等多个物种中均有该家族基因被分离和鉴定出来。拟南芥基因组中共有10个TGA转录因子,依据其序列相似性可将其分为5组（Ⅰ组包含TGA1与TGA4;TGA2、TGA5与TGA6组成第Ⅱ组;TGA3与TGA7组成第Ⅲ组;TGA9和TGA10构成第Ⅳ组;PAN为第Ⅴ组）。其中Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ组成员广泛参与植株的抗病反应。酵母双杂交和pull-down等结果显示,TGA1-TGA7均可与水杨酸信号途径关键调节因子NPR1相互作用。EMSA结果表明,这种相互作用能够促进TGA对下游PR1启动子的结合并上调其表达,提高植株抗病性。但这3组基因在植物基础抗性与系统获得抗性中的作用有所不同：tga3突变体对病菌的基础抗性存在缺陷,但植株诱导抗性却并不受影响;TGA1与TGA4对基础抗性和系统抗性均有一定影响;TGA2、TGA5与TGA6之间存在功能冗余,仅tga2/5/6三突变体才表现出与npr1突变体类似的系统获得性抗性缺乏的表型。酵母双杂交筛选发现：Ⅱ组TGA能够与谷氧还蛋白GRX480相互作用并介导SA对JA途径标记基因的抑制作用,同时,该组蛋白还能够与GRAS家族蛋白SCL14相互作用,增强下游CYP81D11与GSTU7等解毒相关基因的表达,以一种不依赖于NPR1的信号途径提高植物对外源化学物质毒害的耐性。此外,tga1/4双突变体与nrt2.1/2.2双突变体的初生根和侧生根生长在低氮条件下较野生型显著下降,ChIP和酵母单杂交结果显示,TGA1能够与硝酸盐转运蛋白基因NRT2.1及NRT2.2的启动子相互结合,通过调节这两个基因的表达来调节植物的氮响应。而TGA3在镉长距离运输中发挥重要作用。Ⅳ与Ⅴ组成员在调控花器官发育中具有重要作用。tga9/10表现出与roxy1/2双突变体类似的花药发育缺陷的表型;PAN能够与NPR1类蛋白BOP1和BOP2相互作用,并且pan与bop1/2双突变体均可表现出5枚萼片的表型,暗示花发育与抗病可能具有类似的信号调节机制。在文章最后介绍了翻译后修饰对TGA功能的影响,并对TGA未来的研究方向进行了探讨,以期为该领域研究者提供参考。     

植物富含半胱氨酸类受体激酶家族研究进展

在植物生长发育过程中,富含半胱氨酸类受体激酶(cysteine-rich receptor-like kinases,CRKs)作为上游信号分子,在感知胁迫信号和诱发免疫应答中起着重要作用。CRK主要由信号肽、DUF26(PF01657)、跨膜结构域和胞内激酶结构域组成,其中DUF26和激酶结构域在不同植物中高度保守。生物信息学分析发现,在单子叶和双子叶植物中含有37~170个CRK成员,它们在植物生长发育和胁迫应答中发挥不同的功能。文章综述了近年来国内外植物CRK基因结构及其在生长发育、胁迫应答中的功能研究进展,对于提高农作物抗逆境能力具有重要意义。     

渗透胁迫下烟草根系基因的表达谱分析

 【目的】了解干旱胁迫下烟草的抗旱机制。【方法】采用拟南芥基因芯片检测PEG渗透胁迫（-1.2 MPa）48 h后烟草根系中基因表达的变化。【结果】在31 182个基因微矩阵点中,有效差异表达（ratio 值≥2或≤0.5）的基因有126个,其中上调79个,下调47个。上调基因主要是根系中一些受渗透胁迫诱导参与信号转导的激素（主要是ABA）响应蛋白基因、钙信号响应蛋白基因及蛋白激酶基因。而下调表达的基因则主要是一些与烟株生长发育相关的赤霉素响应蛋白类基因和根系中参与蛋白质降解的泛素连接酶类基因。【结论】通过分析这些特异表达基因,揭示出烟草植株体在非生物环境胁迫条件下的一些响应机制,为阐明烟草抗旱的分子生物学机理提供了有价值的信息。     

Proapoptotic BAX and BAK modulate the unfolded protein response by a direct interaction with IRE1alpha

Accumulation of misfolded protein in the endoplasmic reticulum (ER) triggers an adaptive stress response-termed the unfolded protein response (UPR)-mediated by the ER transmembrane protein kinase and endoribonuclease inositol-requiring enzyme-1alpha (IRE1alpha). We investigated UPR signaling events in mice in the absence of the proapoptotic BCL-2 family members BAX and BAK [double knockout (DKO)]. DKO mice responded abnormally to tunicamycin-induced ER stress in the liver, with extensive tissue damage and decreased expression of the IRE1 substrate X-box-binding protein 1 and its target genes. ER-stressed DKO cells showed deficient IRE1alpha signaling. BAX and BAK formed a protein complex with the cytosolic domain of IRE1alpha that was essential for IRE1alpha activation. Thus, BAX and BAK function at the ER membrane to activate IRE1alpha signaling and to provide a physical link between members of the core apoptotic pathway and the UPR.     

利用WGCNA鉴定谷子内源脱落酸响应禾生指梗霉胁迫的共表达基因

【目的】脱落酸（ABA）作为一类逆境激素,在植物生长发育、生物胁迫和非生物胁迫中发挥着重要作用。脱落酸受体蛋白PYR/PYL/PCAR及SNF1相关的蛋白激酶（SnRK2）是介导脱落酸信号转导的重要调控因子。本研究通过预测脱落酸及其信号转导途径中关键基因在谷子白发病致病菌禾生指梗霉（Sclerospora graminicola）中的调控作用,为谷子内源脱落酸响应禾生指梗霉侵染的互作研究提供参考。【方法】通过对禾生指梗霉侵染的晋谷21号谷子进行转录组测序和脱落酸含量测定,基于谷子全基因组对脱落酸信号转导通路上的PYL和SnRK2家族基因进行鉴定、分析,利用测定的转录组构建加权基因共表达网络（WGCNA）,并与禾生指梗霉侵染引起的寄主内源脱落酸含量进行关联,预测脱落酸及其下游信号转导基因PYL和SnRK2在谷子与禾生指梗霉互作调控中的关键核心基因;利用qRT-PCR技术对候选基因进行验证。【结果】谷子中存在禾本科中较为保守的PYL和SnRK2家族基因各11个,且在PYL和SnRK2家族基因的启动子上均预测到脱落酸响应元件。在禾生指梗霉侵染后,寄主内源脱落酸在第一、第二时期大量积累,含量显著高于对照组,分别为22.50和18.08 ng·mL^-1,而在第三、第四和第五时期脱落酸含量下降,低于对照组。在基因共表达网络分析中,利用18 535个基因共构建了34个基因共表达模块。通过对脱落酸含量和PYL、SnRK2家族基因的关联分析,预测到MEpaleturquoise和MEbrown模块为核心候选模块。利用GO功能富集和模块关键基因的挖掘共预测到1个PYL家族基因Seita.1G030500和2个SnRK2家族基因Seita.2G394500、Seita.3G03200,以及3个核心基因Seita.4G105600、Seita.6G218100和Seita.9G138400,共6个基因可能在脱落酸及其信号转导调控过程中参与谷子与禾生指梗霉的互作。对预测到的3个核心基因在水稻和拟南芥数据中进行比对,鉴定到Seita.4G105600为转导蛋白/WD40重复超家族蛋白、Seita.6G218100为WRKY57转录因子、Seita.9G138400为TIFY转录因子。qRT-PCR分析表明Seita.2G394500、Seita.4G105600和Seita.6G218100基因在谷子白发病早期表达均上调。【结论】谷子在受到禾生指梗霉侵染后脱落酸会在体内大量积累,预测到1个PYL家族基因、2个SnRK2家族基因、2个转录因子基因和1个WD40家族蛋白基因参与谷子内源脱落酸响应禾生指梗霉侵染过程。qRT-PCR结果表明1个SnRK2家族基因、1个WD40家族蛋白基因和1个WRKY57转录因子基因共3个基因可能在谷子脱落酸响应禾生指梗霉侵染过程中发挥重要作用。     

植物KUP/HAK/KT家族钾转运体研究进展

钾是植物必不可缺的大量元素,作为细胞内的主要溶质,参与植物的生长发育过程。植物通过钾通道和钾转运体两种方式吸收钾营养。钾转运体包括4个家族,其中KUP/HAK/KT家族成员最多,且研究最为深入。其成员是广泛存在于植物细胞质膜和液泡膜上的一种跨膜蛋白,多具有高亲和性钾吸收功能的转运体。KUP/HAK/KT转运体不仅在植物对K+的吸收与转运过程中发挥作用,也参与调节植物的生长发育。综述了植物KUP/HAK/KT家族的分类、组织定位、功能和表达调控等方面的研究进展,以期为研究植物的钾营养吸收机制提供理论参考。     

大麦TIFY基因家族成员鉴定及表达分析

【目的】对大麦TIFY基因家族成员进行鉴定及表达分析,为进一步探究TIFY基因家族在大麦生长发育与胁迫响应中的作用机理打下基础。【方法】基于TIFY家族蛋白的保守域特征,利用HMMER从大麦中鉴定TIFY基因家族成员,利用采用生物信息学软件对其理化性质、保守基序、特征结构域、顺式作用元件、基因结构、系统进化及表达模式进行预测分析。【结果】从大麦中鉴定出15个HvTIFYs基因（HvTIFY1～HvTIFY15）,分布于5条染色体上,且大多数基因在染色体上成簇分布。15个HvTIFYs蛋白均具有TIFY家族蛋白的特征结构域（TIFY）,根据所含保守结构域的不同,可分为ZML（4个）和JAZ亚族（11个）,且亲水性蛋白（14个）和偏碱性蛋白（11个）居多,但均定位于细胞核;二级结构相似度较高,均由α-螺旋、β-转角和无规则卷曲组成,除HvTIFY7蛋白外,其余蛋白二级结构所占比排序:无规则卷曲>α-螺旋>β-转角。HvTIFYs基因结构存在明显差异,其中,JAZ亚族11个基因的内含子数为0~6; ZML亚族4个基因的内含子数为6～7个,系统发育进化树上相邻分支的基因具有较相似的基因结构。HvTIFYs基因启动子区域富含光、激素和胁迫等顺式作用元件,种类及分布均呈多样性。5个物种的79条TIFY蛋白分为4个组,恰好与TIFY家族的4个亚族对应,其中,ZML、TIFY和JAZ亚族包含单、双子叶植物的TIFY蛋白,而PPD亚族仅含有双子叶植物的TIFY蛋白。15个HvTIFYs基因在不同组织器官中的表达量存在明显差异,其中HvTIFY1、HvTIFY2和HvTIFY8基因在8个组织中的表达量均较高,HvTIFY10和HvTIFY15基因表达量中等,HvTIFY6基因表达量较低; HvTIFY11基因不表达。15个基因在根的不同组织中对盐胁迫的敏感程度不同。【结论】从大麦中鉴定出的15个HvTIFYs基因存在一定的功能分化,具有明显的组织和时空特异性,推测其在大麦逆境响应和激素调节中具有重要调控作用。