栽培型与野生型辣椒HAK/KUP/KT基因家族的进化分析

HAK/KUP/KT家族是一类重要的钾转运蛋白家族。利用生物信息学手段对栽培型及墨西哥野生型辣椒全基因组范围内的HAK/KUP/KT基因成员进行鉴定及分析,比较两者在数目、复制类型及组织表达模式等方面的差异。发现2种辣椒中HAK/KUP/KT家族成员分别为24和22个,且在染色体上呈不均衡分布。基因复制类型分析发现,HAK/KUP/KT家族成员中存在片段重复和串联重复,且纯化选择是该家族进化的主要动力。组织表达分析显示,辣椒HAK/KUP/KT基因间的表达模式存在差异,暗示辣椒HAK/KUP/KT家族成员在功能上的多样性,并为后续发掘有益的钾转运基因提供了重要的理论依据。     

小麦KUP/HAK/KT基因家族的全基因组鉴定、系统进化和表达模式分析

为深入发掘小麦KUP/HAK/KT基因的功能,利用小麦最新基因组数据,通过生物信息学手段,对小麦KUP/HAK/KT基因家族进行基因组水平的鉴定,并对其系统进化及表达模式进行分析。鉴定结果表明,本研究在小麦中鉴定到98个KUP/HAK/KT基因,根据系统进化分析结果,可将其分为ClusterⅠ、ClusterⅡ、ClusterⅢ和ClusterⅣ4个进化簇,不同进化簇具有特异的基因结构。染色体定位结果表明,小麦21条染色体上均含有KUP/HAK/KT基因,每条染色体上有2～9个KUP/HAK/KT基因。通过对小麦KUP/HAK/KT基因复制事件的分析发现小麦KUP/HAK/KT基因共产生92个基因复制。此外,转录组数据分析发现小麦KUP/HAK/KT基因在逆境胁迫下存在差异表达,多个胁迫响应相关的KUP/HAK/KT基因被鉴定到,为小麦KUP/HAK/KT基因功能的研究提供了初步的理论依据。     

甘蓝型油菜钾离子转运载体HAK/KUP/KT家族的全基因组鉴定与分析

钾离子转运载体HAK/KUP/KT(high-affinity K~+/K~+uptake permease/K~+ transporter)家族成员在植物对钾(K)的吸收和转运以及植物生长发育、耐盐性和渗透势的调节中起着重要作用。本研究以甘蓝型油菜(Brassica napus L.)为材料,共鉴定出45个HAK/KUP/KT基因,分别命名为BnHAK1～BnHAK45,并对油菜中的HAK/KUP/KT基因家族进行基因结构、进化和表达以及染色体定位分析。结果表明,甘蓝型油菜中的HAK/KUP/KT基因家族在染色体上呈现不均匀分布,其中在A01号染色体上分布最多,有5个BnHAKs基因。根据不同物种HAK/KUP/KT蛋白构建系统进化树,将其分为2个组群,其中双子叶植物中的拟南芥、甘蓝、白菜和甘蓝型油菜基因的保守性更强,亲缘关系更近。在表达量分析中,尽管HAK/KUP/KT基因家族的表达模式各不相同,但是总体而言,它们在根中的表达量最高,在角果中的表达量最低,这说明不同HAK/KUP/KT基因家族成员的分工是不同的。BnHAK4、BnHAK9基因在叶中特异性高表达,BnHAK11、BnHAK18和BnHAK23在根中特异性高表达,BnHAK7和BnHAK17在花中的表达量最高,说明该基因家族的表达具有组织特异性。本研究为进一步揭示甘蓝型油菜HAK/KUP/KT基因家族的功能机制提供了相应的参考依据。     

杨树KT、HAK、KUP基因家族鉴定及钾肥处理对杨树生长的影响

KT、HAK、KUP基因家族是植物进行K⁺转运的最大蛋白系统。以毛果杨(Populus trichocarpa Torr.&Gray)全基因组数据为基础,利用生物信息学方法对杨树KT、HAK、KUP家族进行了全基因组鉴定,并在毛果杨全基因组中鉴定出20个KT、HAK、KUP家族成员。理化性质预测分析表明：KT、HAK、KUP基因家族成员均为疏水性蛋白,等电点在5.30～9.16;亚细胞定位预测显示家族成员蛋白集中在细胞质膜上。应用拟南芥和杨树构建系统进化树显示,KT、HAK、KUP基因家族可分为5个亚家族。基因结构及基序(motif)分析表明,KT、HAK、KUP基因进化过程相对保守。顺式作用元件分析表明,KT、HAK、KUP基因家族成员含有诸多与激素、逆境胁迫的响应元件。杨树不同钾离子浓度处理下,植株的净生长情况呈现了显著的差异,说明钾元素对杨树生长影响较大。     

商陆PaHAK1与拟南芥HAK/KUP/KT家族基因的比较分析

为探明商陆高亲和性K+转运体基因(Pa HAK1)的结构、功能及商陆耐低钾的原因,分析比较了商陆Pa HAK1和拟南芥HAK/KUP/KT家族基因中15个基因编码的高亲和性钾离子转运体氨基酸序列、蛋白质结构及其理化性质。结果表明:HAK基因家族编码蛋白均定位于细胞膜上,含有多个跨膜结构且跨膜结构域是蛋白质的保守结构域;Pa HAK1与At KUP3的跨膜结构十分相似,低钾胁迫下Pa HAK1和At KUP3的高表达与其高亲和钾转运吸收功能密切相关。系统进化树分析结果表明,Pa HAK1与拟南芥HAK基因家族中At KUP8亲缘关系最近,其氨基酸序列相似度为76.98%,推测Pa HAK1还可能通过维持细胞内高水平钾量在水分胁迫下发挥重要的调节作用。     

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。     

林烟草KUP/HAK/KT钾转运体基因NsHAK11的亚细胞定位与表达

【目的】应用生物信息学方法,分离和克隆烟草钾转运体KUP/HAK/KT家族新基因,对其进行亚细胞定位和表达分析,为开展烟草KUP/HAK/KT钾转运体的研究提供借鉴。【方法】通过生物信息学方法,搜索林烟草（Nicotiana sylvestris）和绒毛状烟草（N.tomentosiformis）基因组数据库,预测两种烟草中的钾转运体KUP/HAK/KT家族成员,构建系统进化树。根据所获结果,从林烟草中获得一个新的烟草KUP/HAK/KT家族基因。采用Wolf PSORT对蛋白的亚细胞定位进行预测,并利用农杆菌浸润法注射本生烟（N.benthamiana）叶片后激光共聚焦显微镜下观察,依据融合荧光蛋白在细胞内产生荧光的位置确定蛋白的亚细胞定位,用以验证预测结果;采用PLACE网站对基因的表达模式进行预测,并用荧光定量PCR分别研究其在盛花期林烟草不同器官的表达差异及低温、高温和低钾胁迫下苗期林烟草叶片中NsHAK11的表达变化,用以验证预测结果。【结果】预测出林烟草和绒毛状烟草KUP/HAK/KT钾转运体家族均含有19个成员,进化上分为4个Cluster（簇）。根据预测序列结果,从林烟草中克隆得到一个ClusterⅢ中的基因,其编码蛋白与拟南芥（Arabidopsis thaliana）中AtKUP11的相似性最高,因此,将其命名为NsHAK11,其编码蛋白与已获得的2个烟草NrHAK1和NtHAK1的相似性仅为48%和49%,所以NsHAK11是一个新的烟草KUP/HAK/KT基因。Wolf PSORT预测显示NsHAK11主要定位于细胞质膜中。亚细胞定位试验中NsHAK11与GFP和DsRed2两种报告蛋白融合的定位结果均表明NsHAK11定位于细胞质膜中,与预测结果相符。利用PLACE网站对NsHAK11启动子分析得到,NsHAK11可表达与定位于根、花和胚芽组织中,受到低温、高温、干旱和激素等因素的影响。实时荧光定量PCR分析结果与预测结果基本一致：NsHAK11在盛花期林烟草各组织器官中均有表达,但表达水平存在强弱差异,其在主根中的表达量最高,在侧根中的表达量次之,而在叶片中的表达量最低;NsHAK11在苗期林烟草叶片中受低温、高温和低钾胁迫时呈现不同类型的上调表达,其中,低温处理时NsHAK11的表达上调程度最大且响应时间最早,高温处理时其表达上调程度次之,但在前期会出现明显抑制,低钾处理时其表达量可上调表达,但并不显著。【结论】获得了一个烟草KUP/HAK/KT基因家族新成员NsHAK11,其编码蛋白为主要定位于细胞质膜中的钾转运体,该蛋白广泛存在于各组织器官中,参与叶片响应低温、高温和低钾胁迫的应对机制。     

植物体内Na/K转运体研究进展

综述了目前发现的植物体内Na/K转运蛋白主要是HAK和HKT家族基因,其中HAK家族基因主要负责高亲合K的吸收和运输,而HKT家族基因不仅具有高亲合K的吸收和转运的功能,而且还具有大量吸收和转运Na的功能,同时在植物抗盐性上具有一定的作用。     

植物营养元素运输载体的功能及其调控机制研究进展

植物营养必需元素包括氮(N)、磷(P)、钾(K)和锌(Zn)等,它们参与调控植物许多生理、生化过程,是直接影响作物产量和品质的关键因子,但其过度积累也会对植物细胞或个体造成毒害。因此,这些营养元素的吸收和转运过程在细胞水平上必须被严格调控。本文以模式植物拟南芥和水稻为对象,简要总结了高等植物中这些元素转运蛋白的类型及理化性质,阐述了其生物学功能及其作用机制,如N转运蛋白家族(NPF、NRT2、CLC、SLAC/SLAH和AMTs)、P转运蛋白家族(PHT1、PHT2、PHT3、PHT4和PHT5)、K转运蛋白家族(KT/HAK/KUP、HKT、CHX和KEA)和Zn转运蛋白家族(ZIP、CDF和P1_B型ATP酶)。由于细胞质膜内吞是胞外物质吸收、质膜受体或转运蛋白丰度调控的重要途径,因此,本文还分析了转运蛋白内吞调控在植物细胞营养元素吸收与转运中的功能。最后,对未来转运蛋白的功能及其调控机制研究进行了展望,为作物养分高效利用和品质遗传改良提供新的研究思路和策略。     

葡萄KEA家族基因的克隆、鉴定及表达分析

【目的】从葡萄中克隆并鉴定KEA家族基因,在转录水平探索其组织特异性表达特征及对缺钾、脱落酸(ABA)、氯化钠(NaCl)与山梨糖醇(sorbitol)等胁迫的响应情况,明确主效基因。【方法】通过同源克隆法,在葡萄基因组中筛选并鉴定KEA家族基因;利用MEGA 7.0软件中的邻接法建立9种不同植物(葡萄、拟南芥、水稻、玉米、高粱、短柄草、白杨、梨和苹果)KEA家族成员的系统进化树;借助多种生物信息学软件分析葡萄KEA家族基因及其编码蛋白的详细特征;检索EST数据库,分析葡萄KEA家族基因的表达谱;利用实时荧光定量PCR分析KEA家族基因在葡萄不同组织部位的表达模式及对缺钾、ABA、NaCl与sorbitol等胁迫的响应情况,明确主效基因。【结果】在葡萄基因组中检索并克隆获得4个KEA家族基因,命名为VvKEA1—VvKEA4,均含有典型的K/H交换结构域(K/H exchanger domain)和TrkA-N domain功能结构域,属于典型的植物K+/H+逆向转运体;9种不同植物的KEA家族蛋白在氨基酸水平具有33.10%的一致性,并可分为2个亚族(GroupⅠ和GroupⅡ),其中,葡萄VvKEA1和VvKEA2属于GroupⅠ,均含有7个Motif基序,而VvKEA3和VvKEA4属于GroupⅡ,只含有4个Motif基序;系统进化树表明葡萄VvKEA1、VvKEA2和VvKEA4成员分别与拟南芥AtKEA2、AtKEA3和AtKEA5紧密聚在一起,而葡萄VvKEA3则与梨PbrKEA5和苹果MdoKEA7紧密聚在一起,水稻、玉米、高粱和短柄草4种禾本科植物KEA家族成员更倾向于聚在一起,而木本植物白杨、苹果、梨KEA家族成员紧密聚在一起;葡萄KEA家族蛋白拥有相似的三级结构,主要定位于细胞质膜,均含有12—13个跨膜区,均为稳定蛋白,等电点pI均小于7.00,且只有VvKEA3具有信号肽;在葡萄VvKEA启动子区域鉴定到至少15种的顺式作用元件,主要包括胁迫响应、营养和发育、激素响应、昼夜规律等不同生命活动相关的调控元件;EST表达谱结果表明葡萄KEA家族基因在多种组织或器官中均有表达,在果实中的表达水平最高,其次是叶、种子、根和雌蕊;实时荧光定量PCR分析表明VvKEA3在8年生‘白罗莎里奥’葡萄树不同组织中的整体表达水平最高,在幼果中的表达量最为突出,而其他3个VvKEA的整体表达水平相对较低,且较为接近;幼苗中,VvKEA1—VvKEA4在转录水平对NaCl处理没有响应,但对ABA处理最为敏感,VvKEA1—VvKEA4的表达量在检测幼苗的地上部和根部均被显著诱导,VvKEA3在检测幼苗的地上部和根部及VvKEA1在地上部的表达量受缺钾处理诱导而显著增强,VvKEA3在检测幼苗的地上部和根部及VvKEA4在根部的表达量受sorbitol渗透处理诱导而显著上升。【结论】从葡萄中克隆并鉴定了4个KEA家族基因,主要在葡萄果实、叶片和种子中表达,其成员与拟南芥KEA成员在遗传距离上较近;VvKEA3在成年葡萄树中的整体表达水平最为丰富(幼果中最高),幼苗中VvKEA3受缺钾、ABA和sorbitol渗透胁迫的调控;VvKEA3是葡萄果实中重要的K+/H+逆向转运体。     

KT/HAK/KUP家族基因在桃开花期的表达及对钾肥施用的响应

【目的】从转录水平探索KT/HAK/KUP家族基因在桃花发育不同时期的表达模式及对钾肥施用的响应特征,明确关键基因并验证其功能。旨在揭示钾素营养状况与桃花开放之间的直接关系,为果树施钾及高效园艺作物的遗传改良与育种提供理论依据。【方法】以‘霞晖6号’桃树为研究对象,通过钾肥施用分析其对桃花生长发育、钾素含量及花朵开放时期的影响;通过HNO₃-HClO₄ 法消化样品,利用ICP-AES设备测定桃花开放不同时期的钾离子含量;利用荧光实时定量qRT-PCR技术,分析KT/HAK/KUP家族基因在桃花开放不同时期的表达水平,确定主效基因;进一步通过qRT-PCR技术分析KT/HAK/KUP家族基因在桃花开放不同时期对钾肥施用的差异响应;利用异源细菌缺失功能互补法验证主效基因的功能,将KUP11的CDS序列克隆到pPAB404中形成重组表达载体pPAB404-KUP11,测序验证的重组载体转化到大肠杆菌功能缺失突变菌株TK2420中,分析重组载体pPAB404-KUP11恢复TK2420突变细菌吸收外界K⁺（KCl或K₂SO₄）的功能。【结果】钾肥施用使‘霞晖6号’桃花提前2 d开放,并显著促进了盛开期桃花的发育,花朵鲜重增加21.5%。此外,盛开期桃花K⁺含量也最高,其次是初开期和花蕾期,败落期则最低。因此,钾肥施用显著增强了桃花开放过程中花朵K⁺的富集水平,在花蕾期、初开期、盛开期和败落期分别提高了24.3%、27.4%、29.1%和26.2%。KUP1-13在桃花开放不同时期的表达水平存在差异,但在盛开期的表达水平均达到最高,且在转录水平对钾肥施用的响应不同。KUP1和KUP5基因对钾肥施用最为敏感,其表达水平从花蕾期至桃花盛开期是持续被诱导的;KUP11在桃花开放的整个过程中表达量最高,钾肥处理显著诱导了其在花蕾形成初期的表达并抑制了其在桃花败落期的表达量。表达载体pPAB404-KUP11能恢复TK2420细菌重新吸收K⁺,且对外界KCl和K₂SO₄均有吸收,说明KUP11的表达水平与K⁺的吸收呈正相关性。【结论】钾肥施用促进桃花发育,改善钾营养状况,催使桃花提前开放,并对KUP家族基因在开花不同时期转录水平的调控有差异;KUP11转运体具有吸收外界K⁺的功能,在桃花开放过程中起重要作用。     

小麦PIN基因家族的鉴定及表达分析

【目的】PIN（puroindoline）是植物所特有的一类蛋白家族,对控制小麦籽粒硬度有重要功能。分析小麦PIN家族成员在全基因组的分布、结构及进化,研究其在不同组织的表达特异性以及在不同硬度种子的表达模式,为阐明小麦PIN基因家族的生物学功能奠定基础。【方法】根据已报道的小麦PIN基因和大麦HIN基因,利用BLASTP和HMM方法,在最新发布的小麦中国春参考序列中鉴定小麦PIN基因家族成员。利用UniProt、URGI、PFAM、CDD、expVIP等数据库,采用Clustal X、MEGA 7.0、ExPASy、MEME、GSDS、TB tools、GraphPad Prism5等软件进行生物信息学分析。采用qRT-PCR方法检测TaPIN基因家族在不同籽粒硬度小麦样品中的表达情况。【结果】共鉴定出19个小麦PIN基因,集中成簇分布于第1、5和7染色体同源群,编码148—327个氨基酸,编码蛋白相对分子量为16.39—37.19 kD,等电点为6.35—9.34。通过结构域和系统发育分析,可将19个TaPIN基因分为A和B两大类。大部分TaPINs基因仅有1个外显子,没有内含子,顺式作用元件分析发现其上游序列包含大量抗逆和种子发育相关的调控元件。转录组分析表明该基因家族在小麦籽粒中相对表达量很高,而在根茎叶等其他组织几乎不表达。实时荧光定量PCR表明,各基因间相对表达量差异显著,TaPIN9和TaPIN10表达量较高。随着小麦籽粒硬度降低,TaPIN9和TaPIN10表达上调,且表达比例增加,而TaPIN16和TaPIN6则呈现相反的趋势。【结论】小麦籽粒硬度的调节以Pina和Pinb为主,该基因家族其他成员也具有相同结构域,推测也具有相似功能,但受表达量低的限制,对籽粒硬度影响较小。从该基因的进化关系看,粗山羊草与小麦亲缘关系最近,其次是燕麦、黑麦和大麦。     

普通烟草CDPK基因家族的克隆及表达分析

 【目的】从烟草中分离更多CDPK基因,分析该基因家族的序列特征、进化关系和表达谱,为全面揭示其功能奠定基础。【方法】采用RT-PCR、RACE和生物信息学的方法,分离普通烟草CDPK基因;采用MEGA4.0软件构建系统进化树;利用RT-PCR研究普通烟草全长基因的表达谱。【结果】分离到普通烟草CDPK基因8个,其中3个可以找到完整的开放读码框;系统进化树分析显示,烟草属11个全长CDPK基因位于4个亚家族,预测的2对普通烟草和拟南芥的直系同源基因在功能上可能非常保守;3个普通烟草全长基因虽然在所有的组织中都能检测到,但是它们的表达谱在不同的组织间存在明显差异。【结论】分离到8个未报道的普通烟草CDPK基因,结合已有的报道,目前在普通烟草中获得了15个CDPK基因,为在基因组范围内研究普通烟草CDPK基因家族的功能奠定了基础。     

高亲和钾转运体在植物抗盐中的作用

土壤盐渍化是导致作物减产的一项重要原因,Na+对大多数作物是有害的,而钾是植物不可缺少的营养成分,植物根系在外界低钾条件下主要通过高亲和性系统吸收K+.介绍了高亲和钾转运体Trk/HKT和KUP/HAK/KT 2大家族的结构和功能.主要讨论了当植物处于K+饥饿及盐胁迫下,2大家族在改善植物钾营养、提高植物耐盐性方面的作用.     

玉米钙依赖蛋白激酶全基因组鉴定及抗旱表达分析

【目的】分析研究玉米钙依赖蛋白激酶全基因组鉴定及抗旱表达。【方法】使用NCBI Blast、DNAMAN和MotifScan等程序分析玉米钙依赖蛋白激酶CDPK的蛋白结构域和系统发育。采用Real-time RT-PCR方法分析CDPK基因在干旱胁迫处理玉米幼苗中的表达,评价CDPK基因对玉米干旱胁迫反应能力。【结果】鉴定出了在玉米中含有39个CDPK基因。将CDPK基因分为4个组。每个群体中的成员有共同的蛋白质基序和外显子及内含子结构,共同的进化起源。39个玉米CDPK基因根据它们的系统发育关系分组,并锚定在特定的玉米染色体上。多数CDPK基因在玉米干旱胁迫中的表达水平发生改变,CDPK基因参与对干旱胁迫的响应。【结论】从玉米基因组数据库中鉴定出了39个CDPK基因,大多数玉米CDPK基因在不同组织和不同发育阶段表现出不同的表达水平,CDPK基因在玉米发育中发挥不同的作用。多数CDPK基因在干旱胁迫下的表达量均发生变化。     

打顶对烤烟植株钾素代谢和钾离子通道基因表达的影响

 【目的】定量检测打顶对烟株钾离子通道基因表达的影响,为从分子水平上研究打顶对烟草钾素营养调控机理提供理论依据。【方法】在盆栽基质培养条件下,利用实时荧光定量PCR技术检测了打顶后（1 h、5 h、24 h和14 d）烟株钾离子通道基因表达的变化,并通过酶联免疫法分析烟株内源激素的含量。【结果】与不打顶处理比较,打顶能够降低整株钾累积量,有利于钾素向叶和根中分配;能够抑制NKT1和NTORK1基因在叶中表达,诱导其在根中表达。NKT1叶中表达量高于根,NTORK1在打顶后24 h内叶中表达量高于根,打顶后14 d根中表达量高于叶。根中钾离子通道基因表达是调控根系钾素累积和决定地上部K+浓度的关键。打顶有利于K+从根系细胞质膜中流出,导致由根系向地上部运输的K+减少,从而使烟叶中钾累积量降低。打顶对钾离子通道基因表达的调控作用与烟株内源激素水平变化有关,打顶后叶中IAA含量降低,根中IAA含量增加,其中14d时根中IAA比不打顶处理增加了140.7%。【结论】打顶后烟株内源激素水平变化可能是调控钾离子通道基因表达的主要原因,而钾离子通道基因表达的变化直接影响着烟株体内钾素累积和分配。