辣椒HD-Zip基因家族鉴定、系统进化及表达分析

【目的】鉴定辣椒HD-Zip基因家族,并利用生物信息学方法系统分析其在基因组中的分布、基因结构、进化分化特征及在不同组织中的时空表达特异性,解析该家族的进化特征及生物学功能。【方法】根据已报道及PlantTFDB数据库中的拟南芥HD-Zip序列,利用本地BLAST工具在我国辣椒测序品种‘遵辣1号’基因组中比对,并利用Pfam、SMART工具进一步验证。采用EMBOSS Programs、MEGA、GSDS、MEME、MCScanX、OrthoMCL、Circos等软件预测辣椒HD-Zip基因家族成员蛋白理化性质,构建系统进化树,定位染色体,分析基因结构、基因复制类型及直系、旁系同源基因。基于GEO数据库,运用R软件、本地perl语言及Cytoscape分析辣椒HD-Zip组织表达差异并绘制共表达网络。【结果】本研究在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条辣椒HD-Zip,命名为CaHDZ01—CaHDZ42。CaHDZs长度跨度较大,70% CaHDZ蛋白的pI小于7.0。除CaHDZ42,其余基因不均匀地分布在12条染色体上,部分基因为片段复制。该基因家族可分为4个亚族,分别含有18、9、5、10个HD-Zip,基因结构及蛋白结构域差别显著。辣椒、番茄和拟南芥3个物种中的直系同源基因对数目大体相同,但同为茄科的辣椒和番茄之间的稍多;辣椒中的旁系同源基因少于番茄和拟南芥,说明辣椒基因组的倍增事件并没有使CaHDZs明显扩增。对无油樟、水稻、玉米、番茄、马铃薯、辣椒‘CM334’、辣椒‘Zunla-1’、毛果杨、葡萄以及拟南芥9个代表物种的HD-Zip进化特征分析结果表明,从被子植物开始,HD-Zip基因家族就稳定存在4个亚族。推测在形成4个亚族前,HD-Zip分为两组,其中一组分化成I和II亚族,而另一组则分化成为III和IV亚族。CaHDZs在根、茎、叶、花芽、花和果实不同发育时期的表达模式分析结果显示,4个亚族具有不同程度的表达趋势。其中I亚族基因在辣椒不同组织中的表达量均较高,且不同成员间表达模式不同,CaHDZ22在茎中的表达最高,表明该基因可能对辣椒茎的生长有重要作用。II、III和IV亚族基因在不同组织中的表达量相对较低,但部分基因在特定组织中具有较大的表达量。如CaHDZ34在辣椒果实成熟后期具有较大高的表达量,CaHDZ02和CaHDZ28在果实膨大时表达较高,CaHDZ04在果实成熟前期具有较高的表达量。CaHDZs表达网络中有33对基因表达趋势的相关系数（PCC）大于0.8,6对大于0.9,表明CaHDZs协同调控了辣椒的生长发育,不同亚族之间也具有协同性。【结论】在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条CaHDZs,可分为4个亚族,不同亚族的基因结构、蛋白保守结构域及表达模式不同。在进化过程中,辣椒HD-Zip保守性高,数目没有明显扩增,I和II亚族、III和IV亚族关系更近。CaHDZs具有组织表达差异性,协同调控了辣椒的生长发育。     

苹果HD-ZipⅠ家族基因序列特征及其在果实中的激素响应

【目的】对苹果基因组中挖掘得到的HD-Zip I（Homeodomain leucine zipper I）家族基因进行生物信息预测,结合生理生化数据为苹果果实发育的激素调控网络研究提供最佳候选基因。【方法】应用ExPASy进行HD-Zip I家族蛋白基本理化性质分析,采用MEME和PLACE软件预测各成员启动子含有的顺式作用元件及其功能,利用GSDS绘制基因内含子/外显子结构示意图;通过内源乙烯浓度、可溶性固形物、可滴定酸、硬度等品质指标检测‘皇家嘎啦’苹果果实在不同激素处理条件下的后熟进程;运用半定量RT-PCR分析HD-Zip I家族各成员对外源激素的响应。【结果】鉴定完整的22个HD-Zip I基因可以细分为5个亚类,同一亚类基因的内含子/外显子结构相似,但仍有差异;各基因起始密码子上游-600 bp区域内广泛分布多个响应赤霉素、细胞分裂素、茉莉酸、乙烯和脱落酸的顺式作用元件,以（GA/TC）8重复序列最为保守和丰富。乙烯和脱落酸两种激素处理后,果实内源乙烯浓度及硬度等各指标变化表现出极高的相似度,均加快了‘皇家嘎啦’果实的后熟进程;不同于其他各家族成员,MdHZ1和MdHZ17两个基因的转录水平在乙烯和脱落酸处理后48 h均被不同程度的上调,而在有延缓果实衰老效果的腐胺（PUT）和赤霉素（GA4）处理组中表现为下调,表明MdHZ1和MdHZ17可能与果实的后熟进程有较为紧密的联系。MdHZ16在成熟果实组织中未检测到表达,其他家族成员的激素响应特性未表现出一定的规律性,表明同一家族内即使结构相似的基因也并不一定呈现相似的表达模式,家族基因上游调控机制有一定的复杂性。【结论】通过苹果基因组扫描获得22个HD-Zip I基因,这些基因编码的蛋白结构相似度较高;基因启动子区域含有多个参与不同激素交互作用的顺式作用元件,这或许为家族成员差异响应各外源激素处理的原因;MdHZ1和MdHZ17两个基因与果实的后熟进程表现出较为紧密的联系,可以作为候选基因进行果实后熟相关方面的深入研究。     

大豆GmHAT5的克隆及其转基因百脉根的抗盐分析

【目的】从大豆盐胁迫基因表达谱中筛选并克隆得到同源异型域亮氨酸拉链蛋白(HD-Zip)家族基因GmHAT5,将其转化豆科模式植物百脉根并进一步探究其抗盐调控机制。【方法】使用多种生物信息学软件对GmHAT5的开放读码框(ORF)、编码蛋白的分子量、等电点、序列结构和蛋白定位等进行预测,同时将大豆GmHAT5蛋白与其他10个物种的同源蛋白进行比对分析,并对GmHAT5在大豆不同器官及盐胁迫下的表达特性进行分析。此外,构建GmHAT5的植物超表达载体,通过对发根农杆菌LBA1334的转化,得到"复合体"百脉根植株,并在盐胁迫条件下对其进行抗盐表型分析;通过对根癌农杆菌EHA105的转化,获得百脉根的稳定转化株系,并对其进行抗盐表型分析及相关生理指标检测。【结果】多种生物信息学软件分析表明,该片段包含1个1 038 bp的ORF,编码345个氨基酸。GmHAT5的理论分子量和等电点分别为39.17 k D和4.63。GmHAT5蛋白定位于细胞核,与其他HD-Zip家族蛋白一样,属于典型的核蛋白。序列分析表明,GmHAT5包含一个同源异型结构域和一个亮氨酸拉链结构域,属于第I类同源异型域亮氨酸拉链蛋白。同源蛋白比对表明其与野生大豆GsHAT5同源性最高。基因表达特性分析表明,GmHAT5在大豆植株的各个不同器官中均有表达,是一个受盐诱导上调表达的HD-Zip类转录因子。发状根转化的结果表明,使用200 mmol·L~(-1) NaCl处理植株7 d后,"复合体"植株生长状态良好,对照组植株叶片明显萎蔫、失绿;不同NaCl浓度处理离体转基因发状根14 d后,对照组较试验组发状根明显干枯、生长受到抑制。稳定转化结果显示,不同盐浓度处理14 d后,转GmHAT5百脉根与两组对照植株相比生长状态更好。相关生理指标检测结果显示,与两组对照相比,转基因百脉根植株中丙二醛含量和相对质膜透性明显降低(P0.05),而叶绿素含量和根系活力则显著升高(P0.05)。测定不同植株阳离子含量的结果表明,转基因百脉根株系与两组对照相比,Na~+在叶片和根中含量显著下降,K~+和Ca~(2+)在叶片和根中含量显著升高。【结论】从大豆中克隆得到一个编码HD-ZipⅠ类同源异型域亮氨酸拉链蛋白基因GmHAT5,该基因在大豆中受盐胁迫诱导表达量显著升高。超量表达GmHAT5显著增强百脉根的耐盐能力,发状根转化法可以作为一种快速有效筛选抗盐候选基因的手段。推测GmHAT5在大豆盐胁迫应激调控中扮演重要角色。     

RNAi沉默CsHB1降低茶树叶片愈伤组织咖啡碱积累

以‘英红9号’茶树叶片为材料，克隆HD-Zip转录因子基因CsHB1，原核表达CsHB1重组蛋白，利用本氏烟草进行CsHB1表达蛋白的亚细胞定位；构建CsHB1的RNAi转基因载体，经农杆菌介导转化‘英红9号’茶树叶片愈伤组织，并对沉默CsHB1愈伤组织系进行基因表达分析和咖啡碱含量测定。结果表明，克隆基因与NCBI登记的‘龙井43’茶树CsHB1（MF033534）有6个碱基差异，但编码相同的氨基酸序列；原核诱导表达获得CsHB1的49 kD不可溶蛋白；将CsHB1蛋白亚细胞定位于细胞核和细胞质。在沉默表达CsHB1愈伤组织中，CsHB1表达显著下降，催化茶叶咖啡碱合成的N–甲基转移酶基因yhNMT1表达下调，愈伤组织中咖啡碱含量显著降低。推测转录因子基因CsHB1的沉默抑制了靶基因yhNMT1的表达，进而降低‘英红9号’愈伤组织中咖啡碱的合成积累。     

白三叶HD-Zip类转录因子TrATHB-12的克隆及表达分析

HD-Zip转录因子是高等植物中特有的一类转录因子,在高等植物的生长发育以及生物和非生物胁迫等逆境应答中起着重要的调控作用。本试验以白三叶品种‘拉丁诺’（Trifolium repens ‘Ladino’）为试验材料,通过同源获取和cDNA末端快速扩增技术（Rapid amplification of cDNA ends,RACE）得到白三叶HD-Zip类转录因子TrATHB-12全长序列,并利用相关软件分析其生物信息学特性,使用荧光定量的方法研究其对非生物胁迫、信号分子和激素的响应,从而为后续构建载体转染白三叶以研究其在各种胁迫下的响应提供一定的基础。试验结果表明,TrATHB-12全长cDNA为1 175 bp,开放阅读框（Open Reading Frame,ORF）包括744个核苷酸序列,编码248个氨基酸,有2个保守结构域,仅包含HD和LZ,属于HD-Zip I类转录因子。同源分析和进化树结果显示,TrATHB-12基因核苷酸和蛋白质序列与其他豆科植物相似度较高,是较为保守的基因。生物信息学分析发现TrATHB-12编码的蛋白理论分子量为28 738,等电点为5.18,无信号肽和跨膜结构,是不稳定亲水蛋白。表达模式结果显示,TrATHB-12基因在根系和叶片中的表达量有所差异。其中,干旱可以显著诱导叶片中TrATHB-12基因的表达,盐胁迫则可以显著诱导根系中TrATHB-12基因的表达,TrATHB-12对其他逆境均有不同程度的响应;脱落酸（Abscisic acid,ABA）和吲哚乙酸（Indole acetic acid,IAA）处理下叶片中TrATHB-12的表达量显著上升;TrATHB-12对于H₂O₂和NO信号分子有较明显的响应。综上,本试验可为继续深入研究TrATHB-12基因,从而提高白三叶抗逆性奠定一定的基础。     

长白落叶松HD-Zip基因对外源激素的响应模式

长白落叶松LoHDZ1和LoHDZ3,其分别属于HD-Zip I和HD-Zip II亚家族,在长白落叶松(Larixolgensis Henry)幼苗施加外源激素后的不同组织部位中(根、茎、叶)基因表达量不同。经GA3及ABA处理之后,LoHDZ1与LoHDZ3基因基本呈现下调表达趋势,在IAA处理后与对照相比表达量增加。根据基因表达量的变化,初步分析LoHDZ1可能参与调控植物生长发育,LoHDZ3可能参与调控植物对胁迫的应答并调节生长发育部分过程。     

甘蔗HD-Zip Ⅰ亚家族转录因子基因ScGT1的克隆和生物信息学分析

Grassy Tiller1(GT1)属于植物HD-Zip Ⅰ亚家族转录因子,通过抑制侧芽萌动和侧枝伸长调控植物分蘖性状。本研究使用RT-PCR和RACE技术从甘蔗品种ROC22中克隆出甘蔗GT1同源基因ScGT1 (MK318528)。生物信息学分析发现该基因cDNA序列包含一个长度为723 bp的开放阅读框,可编码一个含240个氨基酸的蛋白。该蛋白具有一个Homeodomain保守结构域,分子量为26.44kD,理化等电点pI为6.04,属于亲水蛋白,无跨膜结构,不存在信号肽,可能定位于细胞核,参与氨基酸生物合成的可能性较高。蛋白结构及同源性分析表明该蛋白空间结构与高粱和玉米较为相似,Homeodomain结构域高度保守,变异较少。系统发育树分析表明该蛋白属于HD-Zip I亚家族中的gt1 Clade类群,与高粱和玉米GT1亲缘关系较近,初步推测ScGT1可能通过腋芽分生组织发育的调控来影响分蘖表现。该研究可为后续该基因更深入的功能鉴定和分子辅助育种奠定重要的前期基础。     

苜蓿转录因子基因Mfhb-1的生物学功能初探

以苜蓿转化植株为材料,利用苜蓿的直接体细胞胚胎发生体系,对苜蓿HD-Zip转录因子基因Mfhb-1的生物学功能进行了初步研究。结果发现,正义转化植株F4(转入基因编码区序列)产生体细胞胚胎时期较对照47/1-5反义转化植株D3(转入编码区的反向序列)和C5(转入编码区+uORF)早,且形成的体细胞胚胎数量远高于对照47/1-5;D3植株产生的体细胞数量较对照少;C5植株产生的体细胞数量较对照少,但比D3稍多。从以上结果可以推测,属于HD-Zip转录因子的Mfhb-1基因能够促进苜蓿体细胞胚胎的发育,并能够提高苜蓿体细胞胚胎发生的数量。     

同源域-亮氨酸拉链蛋白ATHB6的研究进展?

同源域—亮氨酸拉链蛋白(HD-Zip)是高等植物中特有的一类转录因子,包含高度保守的同源异型域(HD),HD羧基末端与亮氨酸拉链域(LZ)紧密相连。同源域—亮氨酸拉链蛋白ATHB6是蛋白磷酸酶ABI1的靶蛋白,与发育中器官的细胞分裂和分化有关,是特异的ABA反应的负调控因子。ATHB6的表达受缺水、高渗、外源ABA及光的特异性调控。综述了ATHB6的相关结构、功能的新进展。     

辣椒HD-Zip转录因子家族鉴定与生物信息学分析

从辣椒基因组数据库中鉴定HD-Zip转录因子,并对其进行生物信息学分析。对鉴定到的转录因子的基本理化性质、染色体定位、系统进化、保守基序和基因结构进行分析。共鉴定到45个辣椒HD-Zip转录因子;该家族成员均含有高度保守的HD-Zip结构域;45个HD-Zip基因以不均匀的方式分布在12条染色体上。根据拟南芥HD-Zip家族分类关系,在结合辣椒HD-Zip基因结构的特点分为GroupⅠ、GroupⅡ、GroupⅢ和GroupⅣ。辣椒HD-Zip转录因子在同一亚族中含有相同的保守基序和基因结构。本研究初步明确了辣椒HD-Zip转录因子家族成员进化关系和结构特点,为进一步研究辣椒HD-Zip转录因子家族的系统发育以及生物学功能提供了依据,为辣椒的分子育种提供科学依据。