病毒诱导的基因沉默在茄科植物基因功能研究中的应用进展

茄科植物中有许多重要的经济与药用植物,随着茄科植物基因组测序工作的陆续完成,急需对基因组中大量功能未知基因的生物学功能进行鉴定。病毒诱导的基因沉默(VIGS)是近20 a发展起来的一种研究植物基因功能的高效反向遗传学技术,在总结VIGS作用原理、VIGS载体开发和改良研究现状的基础上,就近年来VIGS在茄科植物品质性状、生长发育、植物-病原真菌互作以及代谢产物生物合成和调控相关重要基因功能分析等方面的国内外研究进展进行了综述,并讨论了VIGS技术应用于茄科植物存在的问题和前景展望。     

茄科植物比较基因组学研究进展

综述了茄科4种主要蔬菜作物番茄、马铃薯、辣椒和茄子比较基因组学的研究进展,包括其基因组大小、结构、基因重排及演化,R基因在茄科植物中的分布与共线性,花青素基因、果实相关性状QTLs的同源性比较等,并对比较基因组学的发展前景进行了展望。     

辣椒疫霉漆酶基因Pclac3克隆表达

辣椒疫霉是一种侵染性植物病原,能引起多种茄科及葫芦科植物的病害。利用同源克隆法从辣椒疫霉基因组内克隆了漆酶基因Pclac3,该基因全长1 881个核苷酸,编码626个氨基酸,与已知的真菌漆酶基因具有较高的同源性,并且具备漆酶基因的保守区域。利用PCR将该基因克隆于pPIC9K载体,并转化于毕赤酵母GS115,经过1%甲醇诱导表达获得其异源表达产物。将表达产物进行SDS-PAGE检测,获得分子量大约为90 kDa的特异蛋白。利用ABTS法对Pclac3的表达产物粗酶液进行酶活性分析发现,其活性在第11天时最大,达到45 U/mL。这为研究辣椒疫霉漆酶基因家族及探索卵菌漆酶生物活性及其潜在的应用提供了理论依据。     

异源表达菊芋HtHCT基因对受体植物木质素相关生理生化指标的影响

羟基肉桂酰辅酶A:莽草酸/奎宁酸羟基肉桂酰转移酶（HCT）是木质素合成过程中的关键酶之一。本研究构建了菊芋HtHCT基因的植物表达载体pCAMBIA1390-HtHCT,分别对拟南芥和本氏烟进行遗传转化,并对转基因植株进行生理生化指标测定。PCR和RT-PCR结果表明,HtHCT基因已经插入到受体植物基因组中,并能进行转录;转基因植株生理生化指标检测表明,HtHCT基因能够调节拟南芥和本氏烟中木质素的含量及组成,并对受体材料的类黄酮合成亦有一定的影响。     

马铃薯基因组计划研究进展

马铃薯是重要的茄科作物,在自然界中存在二倍体、三倍体、四倍体、五倍体和六倍体,同时是块茎形成、淀粉合成、对病原物应答研究的模式植物。由于茄科植物基因组存在高度的共线性,为此,开展番茄基因组计划及功能基因组学研究可以为其他蔬菜、水果等重要经济作物的研究提供理论和方法上的直接借鉴。从马铃薯的遗传图谱、物理图谱、序列图谱和转录图谱,以及已从马铃薯中克隆的重要基因等方面详细阐述了马铃薯基因组研究的最新进展。     

基因编辑CRISPR/Cas9技术在农业领域的应用

CRISPR/Cas9系统通过靶向突变对植物基因组进行编辑,是研究基因功能和作物改良的第三代基因编辑工具。本文介绍了CRISPR/Cas9打靶系统基本结构、工作原理,并展示了其在作物基因功能研究和品质改良中的应用前景。     

大白菜YUCCA基因家族的鉴定与生物信息学分析

生长素(IAA)是一种重要的植物内源激素,YUCCA基因作为IAA生物合成的限速酶编码基因,在植物生长发育过程中起着重要的调控作用。为深入研究大白菜YUCCA基因家族的功能,利用生物信息学分析对大白菜中YUCCA基因家族成员进行全基因组水平鉴定,并对其基因组信息、蛋白质生理生化特征、基因结构、保守结构域、系统进化树等方面进行研究。结果表明,在大白菜基因组中共鉴定出19个YUCCA基因,可以聚类到2个大的分支,CladeⅠ和CladeⅡ;YUCCA基因在大白菜10条染色体上呈不均匀分布,并有1对基因以串联重复现象在染色体上分布;基因结构分析表明大白菜YUCCA基因一般含有0～3个数量不等的内含子;对大白菜YUCCA蛋白质氨基酸序列多重比对的分析表明大白菜YUCCA蛋白质存在高度保守的FAD结合位点(一致序列为GAGPxG)和NADPH结合位点(一致序列为GxGNSG);通过MEME软件对大白菜YUCCA蛋白质模体(motif)的预测还发现12个比较保守的motif。上述研究结果为大白菜YUCCA基因功能的研究奠定了一定的基础。     

烟草NtAGPase基因家族的鉴定及功能解析

淀粉是重要的碳水化合物,其组成和性质直接影响着烟叶的经济价值。ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)是淀粉合成途径的关键性限速酶,但有关其基因特征、酶活性和代谢调控等在烟草中还未见详细报道。以拟南芥AtAGPase蛋白序列为索引序列,对烟草NtAGPase基因家族进行全基因组鉴定,通过Blast P比对及结构域分析,鉴定出烟草NtAGPase基因家族包含3个大亚基基因(NtLSU1、NtLSU2、NtLSU3)和一个小亚基基因(NtSSU);利用生物信息学工具对其编码蛋白序列进行解析。结果显示,Nt AGPase蛋白分子质量在57.03～58.43 ku,等电点在6.58～8.52;NtLSUs和NtSSU均定位于叶绿体上,属于质体型亚基;NtLSUs基因含有14～15个外显子,NtSSU基因仅含有9个外显子。三级结构预测结果显示,烟草Nt AGPase酶蛋白为异源四聚体,NtAGPase基因家族启动子区域含有多种与光、激素和逆境反应相关的响应元件,预示着其在光合作用、生长发育和逆境响应等过程中行使重要功能。系统进化树分析表明,烟草Nt AGPase蛋白与茄科植物马铃薯亲缘关系更近,而与模式植物拟南芥亲缘关系较远。研究结果可为进一步阐明烟草NtAGPase基因家族的功能及作用机制奠定基础。     

植物LTR类反转录转座子在植物基因组学研究中的应用

LTR类反转录转座子是植物基因组中的重要转座元件,对植物基因组的结构及功能有重要的影响。综述了近年来植物LTR类反转录转座子的类型和结构、在基因组中表达和调控,并探讨了它们在植物基因组学研究中的应用前景。     

一株牦牛源产细菌素植物乳杆菌SWUN5815全基因组测序及序列分析

旨在分析一株牦牛源植物乳杆菌SWUN5815的全基因组序列测序,并对该菌株的功能特性基因进行挖掘。基于PacBio RSII测序平台对乳杆菌SWUN5815进行全基因组测序分析和GO、KEGG、COG和NR数据库进行基因组基本功能注释。结果表明:1)植物乳杆菌SWUN5815的基因组大小为3.27 Mb,GC含量44.59%;2)预测到3 258个编码基因,编码基因总长度为2 814 147bp,平均长度为864bp;3)编码基因通过功能数据库对该菌株基因组基本功能注释和代谢通路基因信息注释得知,SWUN5815基因组中包括5个基因参与抗氧化活性过程,2个基因参与免疫过程;基因组中包含了抗生素、生物降解等代谢过程;可调控免疫和炎症的相关通路;基因组中含有18种已知细菌素基因;有4个合成ABC型细菌素转运系统的功能序列。综上,SWUN5815全基因组测序及分析挖掘其特异性功能基因有利于研究其益生特性提供基础,为菌株作为抗生素替代品的益生菌和饲料添加剂的应用研究提供了重要的参考数据。     

玉米大斑病菌MAPK超家族的全基因组鉴定及途径模型建立

【目的】从全基因组水平鉴定玉米大斑病菌（Setosphaeria turcica）的MAPK超家族基因,并对其进行系统进化、基因结构、多重序列比对及保守位点分析,构建玉米大斑病菌中的MAPK级联途径模型,为深入研究该植物病原菌中MAPK级联途径的功能奠定基础。【方法】利用玉米大斑病菌基因组数据库,通过基于隐马尔科夫模型的HMMER 3.0软件搜索基因组,鉴定并获得MAPK超家族成员序列、基因组定位信息;采用MEGA 5.0软件进行系统进化分析;通过GSDS工具进行基因结构分析;利用ClustalX、MEME工具分析MAPK蛋白激酶区的保守性及保守位点。【结果】在玉米大斑病菌基因组中发现了4个MAPK基因、3个MAPKK基因和3个MAPKKK基因。系统进化分析将MAPK分为Kss1/Fus3、Slt2、Hog1及Ime2 4类;MAPKK分为Pbs2、Ste7及Mkk1 3类;MAPKKK分为Ste11、Bck1及Ssk2 3类。基因组定位及基因结构分析表明,MAPK超家族散布在基因组中,且MAPK基因的结构最为复杂多样,MAPKK次之,MAPKKK结构最简单。多重序列比对与保守位点分析表明,玉米大斑病菌MAPK超家族的激酶结构域均高度保守,其中MAPK具有保守的“-TxY-”磷酸化位点,MAPKK含有保守的“-SD[V/I]WS-”磷酸化位点,MAPKKK含有“-G[S/T][V/P][F/M][W/Y]M[A/S]PEV-”特异性保守位点。【结论】全基因组分析表明,玉米大斑病菌中包括4个MAPK基因、3个MAPKK基因和3个MAPKKK基因。通过系统进化、基因结构及多重序列比对和保守位点分析,在玉米大斑病菌中构建了Fus3/Kss1-homolog、Slt2-homolog、Hog1-homolog和Ime2-homolog 4条MAPK级联途径,其中Ime2 homolog为一条新发现的MAPK级联途径。该信息为深入解析植物病原真菌MAPK超家族的功能奠定了基础。     

梨CDPK基因家族全基因组序列鉴定分析

CDPK是植物特有的一类丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶,在介导植物生育信号和逆境信号转导中具有重要作用。为揭示CDPK基因在梨生长发育与抗逆防御机制中的作用,本研究通过生物信息学手段,结合梨基因组注释信息,鉴定梨基因组中CDPK家族基因成员,利用MEGA6.0程序进行多序列比对、分类并构建系统进化树;利用per1程序以及GSDS工具进行基因结构与保守性分析,为植物CDPK基因功能分析与利用提供依据。结果表明,本研究成功鉴定出26个CDPK家族成员,根据系统发育树分析,所有Pb CDPK被分为4类;基因结构预测结果表明,大多数Pb CDPK均含有6~7个内含子;且预测的Pb CDPK氨基酸序列绝大多数含4个EF-hand功能域;为了深入分析梨与其他物种的同源进化关系,构建了梨与拟南芥、水稻的CDPK基因系统进化树,进化树聚类分析结果将所有的CDPK蛋白分为四类。综上所述,目前已初步获得26个梨CDPK基因,为在基因组范围内研究CDPK基因在梨生长发育与逆境响应中的功能奠定了基础。     

花生VAMP基因家族全基因组鉴定及表达分析

植物囊泡结合膜蛋白(VAMP)是定位在囊泡上的运输蛋白,在植物发育以及响应生物和非生物胁迫中发挥重要作用。本研究对花生VAMP基因进行了全基因组鉴定与分析,并对它们在22个组织中的表达模式进行了分析。结果表明,二倍体野生种花生Arachis duranensis基因组有18个VAMP基因,Arachisi paensis基因组有21个,栽培种有41个,剔除假基因后花生VAMP基因家族有62个成员;表达模式分析表明AdVAMP17与AiVAMP1在大部分组织中均有表达,AdVAMP18与AiVAMP21在雌蕊中表达量最高,可能有特异性表达。本研究为进一步分析VAMP家族成员,并深入探讨其在花生中的生物学功能和进化模式奠定了基础。     

代谢组学在植物研究中的应用

对代谢组学的概念、分析技术及原理进行了介绍,重点对核磁共振技术、色谱-质谱联用技术进行了阐述,并对其在植物生理、植物鉴定与转基因植物鉴别、植物代谢途径、功能基因组及基因工程中的应用进行了阐述,最后对其发展前景进行了分析.     

4种薯蓣属植物GBSS基因的电子克隆与生物信息学分析

多种薯蓣属植物全基因组测序工作的完成,为利用生物信息学手段对薯蓣属植物的基因进行电子克隆、结构与功能分析以及分子进化分析提供了便利。淀粉是薯蓣属植物地下块茎的重要组成成分,颗粒结合淀粉合成酶(GBSS)是淀粉合成过程中控制直链淀粉合成的关键酶。本研究以文成糯米山药GBSS基因序列为探针,电子克隆方法获得参薯、几内亚白山药、灌丛薯蓣和盾叶薯蓣4种薯蓣属植物的GBSS基因序列。通过生物信息学分析方法,比较分析4种薯蓣属植物GBSS基因结构、蛋白质结构及系统发育特点。结果可为进一步研究薯蓣属植物GBSS基因及其编码蛋白调控淀粉合成的分子机制提供科学依据。     

桃PME基因家族的鉴定与分析

果胶甲酯酶属于碳水化合物酯酶家族CE-8,是调节果胶甲酯化程度的一种普遍存在的酶,是植物细胞壁的主要成分。为深入研究桃PME基因家族的功能,利用生物信息学方法对桃基因组中PME基因家族成员进行鉴定,并对其基因组信息、蛋白生理生化特征、基因结构、保守结构域和系统进化树等方面进行了研究。结果表明:在桃基因组中共鉴定出69个PME基因,可以分为GroupⅠ、GroupⅡ两大类,GroupⅡ又可以进一步分成3个分支;PME基因在桃的8条染色体上呈现不均匀分布,并存在明显的串联重复现象,共发现18个串联重复基因簇,包含47个基因,串联重复是桃PME基因扩增的主要方式。对桃PME基因结构的分析表明,PME基因在进化上存在着一定的保守性;对桃PME蛋白氨基酸序列的多重比对发现了PME蛋白5个典型的保守结构区域;通过MEME软件对桃PME蛋白保守基序的分析发现了12个比较保守的基序。     

枣果胶甲酯酶基因家族鉴定及基于RNA-Seq表达分析

  目的  果胶是植物细胞壁的主要成分和结构多糖。果胶甲酯酶（PME）是一种重要的果胶修饰酶,具有调节细胞壁弹性和通透性的作用,在植物的生长发育过程中发挥作用。本研究探讨枣果胶甲酯酶基因家族的基本信息和特点,为进一步阐明ZjPMEs基因的功能、筛选果实质地密切相关基因奠定基础。  方法  本研究基于‘冬枣’基因组,鉴定枣基因组中的果胶甲酯酶基因;基于RNA-Seq数据,分析枣果胶甲酯酶基因家族的特征以及表达模式。  结果  共鉴定出46个枣果胶甲酯酶基因,不均匀分布在10条染色体上。系统演化分析表明这些基因包含29个Type- Ⅰ型和17个Type- Ⅱ型成员,进一步可以划分为4个亚家族。在每个亚家族中,基因共享保守的基因结构和基序组成。基因表达分析显示该家族基因在花中表达丰度较高,可能在枣的生殖发育过程起重要作用。通过分析该家族基因在不同质地的‘冬枣’（酥脆）和‘P15’（硬质）以及在不同用途的‘冬枣’（鲜食）和‘骏枣’（制干）果实发育过程中的表达模式,筛选出与枣果实质地关系密切的基因ZjPME 18,该基因在‘P15’和‘骏枣’果实中表达量较高。  结论  枣果胶甲酯酶基因家族具有特定的结构特征及表达模式,ZjPME 18的表达与调控可能与枣果实质地密切相关。      

林木功能基因组学及其研究策略

随着杨树等树木基因组测序的完成,林木育种进入了功能基因组学时代,林木功能基因组学研究面临的挑战是系统地对基因组中的所有预测基因进行注释和功能验证。林木功能基因组分析已经进入了高通量阶段,但要识别未知基因的确切功能,有必要了解每个基因在植物细胞所有基因活动网络中发挥的作用。因此,就必须了解各个基因在时间和空间上的表达模式。功能基因组学研究策略已经发展到能对这些成分细胞中基因的活性和浓度同时进行快速的测量。林木功能基因组学技术的最新研究进展能从全基因组进行功能分析,从而打开了林木未知基因功能研究的新途径。目前,广泛应用的林木功能基因组学研究策略有插入突变、FOX系统、蛋白质组学等。     

甜瓜CBL基因的鉴定和特征分析

CBL基因在植物逆境应答和生长发育中具有重要功能,但有关甜瓜CBL基因的研究尚未见报道。本文利用比较基因组学的方法,从甜瓜基因组中鉴定出7个CBL基因,并对其基因组分布、基因结构、系统进化和顺式调控元件进行了分析。结果显示,7个甜瓜CBL基因分布在不同的染色体上,均含有8个外显子,编码区在642~738 bp,编码的蛋白均含有3个结合钙离子的EF手结构和能够与CIPK互作的FPSF位点。而且,在它们的上游基因序列中存在多个环境应答元件,且各不相同,暗示它们可能具有多种生物学功能。本文为进一步研究甜瓜CBL基因的功能奠定了基础。     

陆地棉膜结合脂肪酸去饱和酶基因家族的全基因组鉴定及表达分析

膜结合脂肪酸去饱和酶(fatty acid desaturase, FAD)是生物合成不饱和脂肪酸的关键酶。本研究以陆地棉基因组数据为基础，利用生物信息学方法对棉花FAD基因家族进行全基因组鉴定和进化分析。结果表明，陆地棉基因组中共含有37个FAD基因，进化分析发现这些基因分为4个亚家族，各亚家族成员数量不一，但相同亚家族成员含有相似的基因结构和保守基序。共线性分析发现28对复制基因全为片段复制基因，且都经历了严格的纯化选择作用。此外，在陆地棉FAD基因的启动子区域，发现了丰富的响应植物激素信号和逆境胁迫的顺式作用元件。转录组分析表明，陆地棉FAD基因家族响应干旱和盐胁迫，定量PCR分析表明施加外源褪黑素显著影响了FAD基因的表达。本研究结果为进一步解析FAD家族基因的功能奠定了基础。