四倍体棉花GAE基因家族的鉴定及其在棉纤维发育中的表达分析

【目的】通过对陆地棉及海岛棉GAE基因家族进行全基因组分析,为深入研究GAE基因家族在棉纤维发育中的功能提供理论依据。【方法】利用生物信息学分析软件,对GAE基因家族进行全基因组鉴定,根据转录组数据分析在纤维发育过程中的表达规律。【结果】陆地棉GhGAE家族包含21个成员,海岛棉GbGAE家族有22个成员,分为3个亚组,多数Gh GAEs和Gb GAEs基因没有内含子,共分布在12条染色体上。GAE氨基酸序列保守基序有4个,保守性较强,且GAE蛋白均定位于高尔基体膜。根据GAEs在陆地棉、海岛棉纤维发育不同时期的表达变化,将其分为纤维起始期高表达、纤维伸长期高表达、次生壁增厚期高表达、全时期低表达4类模式。其中GhGAE01、GhGAE02、Gh GAE11、Gh GAE12在陆地棉中高水平表达,GbGAE01、Gb GAE02、GbGAE11、Gb GAE12在海岛棉中高水平表达,推测这些基因可能在纤维发育过程中发挥着重要作用。【结论】上述结果为研究GAE基因家族在棉纤维发育中的功能提供了参考依据。     

亚洲棉NF-YA基因家族的全基因组鉴定及表达分析

NF-YA家族基因在植物生长发育过程中发挥重要作用,如调控种子发育和种子萌发,响应干旱和盐胁迫等。本研究利用生物信息学手段从亚洲棉全基因组鉴定NF-YA家族基因,并从理化性质、基因的内含子和外显子结构、氨基酸序列的功能结构域、系统进化发育特征、在染色体的分布和表达模式等方面分析了该家族基因的特征。结果表明:GaNF-YA包含15个成员,分布在9条染色体上,编码蛋白质长度为160～1 079个氨基酸,相对分子质量为17.92～120.30 kD,包含外显子4～6个,为碱性。亚洲棉NF-YA基因可分为三组,且三组NF-YA基因结构存在差异,保守基序分析其均含有A1和A2结构域。通过对启动子顺式作用元件和表达谱分析,推测GaNF-YA基因可能在棉花种子和纤维形成、种子萌发及环境胁迫等中具有重要作用。本研究为进一步解析亚洲棉NF-YA家族基因的功能提供理论依据。     

棉花WOX转录因子家族基因的全基因组鉴定与分析

为了挖掘可用于棉花花器官或纤维发育研究的候选基因,基于已发布的陆地棉全基因组数据,利用生物信息学的分析方法鉴定了陆地棉WOX(WUSCHEL-related homeobox,WOX)转录因子基因家族,并从染色体分布、基因及蛋白理化性质、蛋白结构、多重序列比对、系统进化树和基因表达模式等方面对该基因家族的特征进行了比较分析。结果表明,鉴定到37个陆地棉WOX转录因子家族基因,命名为GhWOX1~GhWOX37。亚基因组定位结果显示,37个陆地棉WOX转录因子家族基因分布在除了A04、A06、A09、D04、D06和D09号亚基因组以外的20个亚基因组,A亚组比D亚组多1个GhWOX转录因子家族基因。多重序列比对分析棉花WOX转录因子家族成员均具有高度保守的同源异型结构域;系统进化树分析发现棉花WOX转录因子家族可以分为3个亚家族(Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类),各亚类分别含有23,7,7个GhWOX转录因子家族基因成员。对NCBI中陆地棉的EST数据库比对分析,有11个GhWOX转录因子家族成员没有可匹配的EST序列,其他26个GhWOX转录因子家族成员在棉花的根、茎、叶、花、胚珠、纤维和种子等组织和器官中广泛表达。为深入研究棉花和其他植物中WOX家族的鉴定和功能研究奠定了基础。     

棉花赤霉素不敏感矮化GID1同源基因的克隆和表达分析

作为赤霉素(GA)受体,GID1是其重要的信号传导组分。为研究GA在棉花发育(特别是纤维发育)中的作用,本文在EST序列的基础上克隆了6个棉花GID1同源基因(GhGID1-1~6)。多重序列分析表明,棉花GID1同源蛋白GhGID1-1~6与拟南芥和水稻的GID1蛋白高度同源,具有多个与GA和DELLA蛋白的结合位点以及激素敏感酯酶家族保守域HGG和GXSXG。定量RT-PCR分析表明,GhGID1-1~6基因在棉花不同器官和组织中表达水平有差异,其中GhGID1-1和GhGID1-2在花器官中高表达,GhGID1-4基因在纤维和根中优势表达。胚珠体外培养基中外加GA使GID1同源基因表达水平发生变化,GhGID1-1和GhGID1-2基因的表达水平明显受GA抑制。比较发现,在胚珠和纤维中优势表达的GID1同源基因不同,GID1基因表达水平随发育时期变化的趋势也不相同,表明棉花胚珠和纤维具有相对独立的GA信号识别系统。     

陆地棉MIKC~C基因家族的全基因组分析

【目的】MIKC~C是1类保守的转录因子家族,参与调控植物的开花时间和花器官发育。通过对MIKC~C家族进行全基因组学分析,为深入研究MIKC~C在棉花开花及花器官发育的分子调控机理提供基础。【方法】利用HMMER 3.0及pfam种子文件鉴定棉花全基因组MIKC~C基因,结合其表达量进行偏向表达及聚类分析。【结果】在陆地棉基因组中共鉴定发现100个MIKC~C基因,分为11个亚类。表达聚类分析显示,棉花MIKC~C基因的表达模式大致可分为4个不同的类群,说明这类基因在棉花进化中出现了功能分化。100个MIKC~C基因中,有12个基因具有miRNA靶位点。【结论】研究结果显示MIKC~C家族基因在棉花纤维中存在功能分化,而且可能受到miRNA的调控,这为进一步研究该家族基因的功能提供信息参考。     

陆地棉抗坏血酸过氧化物酶基因家族全基因组生物信息学分析

【目的】抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)是过氧化物酶家族中的1类成员,可以清除活性氧。APX家族的生物信息学分析有助于更好地了解该家族基因。【方法】利用生物信息学方法,从中国农业科学院棉花研究所提供的陆地棉序列中鉴定出14条APX基因家族序列,并对这14个成员的染色体定位、亚细胞定位、进化关系、理化性质、信号肽、保守基序以及其编码蛋白的结构特征进行了预测分析,并初步分析了部分基因的表达。【结果】APX基因分布广泛,分散在不同的染色体上;且大部分APX蛋白定位在细胞质,是亲水性脂溶蛋白;有3个保守基序,保守性较强;基因起源和进化比较复杂;二级结构的主要元件为α-螺旋和无规则卷曲。根据表达分析推测,第1亚组和第2亚组的基因在棉纤维发育的不同时期起作用。【结论】这些结果有望为APX家族成员的结构与功能挖掘提供参考。     

棉花酰基辅酶A结合蛋白(ACBP)家族基因的发掘及在非生物胁迫抗性中的功能鉴定

酰基辅酶A结合蛋白(ACBP)家族基因在植物正常生长发育、响应逆境胁迫及生物膜修复等方面具有重要作用。本研究基于陆地棉(Gossypium hirsutum)遗传标准系TM-1基因组序列信息,鉴定并获得21个棉花ACBP家族基因成员的全序列和染色体定位等信息。聚类分析表明这21个基因分属于I~IV类。依据与拟南芥的同源性,将棉花ACBP家族基因命名为GhACBP1~GhACBP6等6大亚类。转录组分析表明,该家族基因在不同组织、不同发育时期表达差异较大。不同逆境诱导分析表明,GhACBP1、GhACBP3和GhACBP6显著受盐、旱、低温、高温逆境胁迫诱导,而GhACBP4和GhACBP5对逆境胁迫响应不强烈。进一步分析表明,GhACBP3和GhACBP6的表达受过氧化氢(H2O2)、水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)、脱落酸(ABA)和乙烯(ET)的诱导。病毒诱导的基因沉默(VIGS)试验表明,沉默GhACBP3和GhACBP6亚类基因会降低棉花植株对干旱和盐的耐性。目标基因沉默后,植株干物质积累下降,株高变矮,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性降低,丙二醛(MDA)含量升高,表明GhACBP3和GhACBP6在棉花抗旱、耐盐中发挥作用。研究为利用ACBP家族基因进行棉花抗逆性研究及应用提供参考。     

雷蒙德氏棉KNOX基因家族全基因组鉴定及表达分析

为探究KNOX基因家族在棉花生长发育中的调控作用,本研究以雷蒙德氏棉为材料,利用生物信息学的方法全基因组鉴定KNOX家族成员,并对其保守结构域、进化模式、染色体定位、基因结构和基因表达情况进行分析。共鉴定到22个KNOX基因,分布于10条染色体上,其中13个基因发生了片段复制。除GrKNOX9和GrKNOX15外,其余GrKNOX蛋白均含有KNOX1,KNOX2,ELK和HOX四个典型结构域。Gr KNOX基因家族进化聚类成两组：ClassⅠ和ClassⅡ。ClassⅠ组包含13个基因,ClassⅡ组含有9个基因。GrKNOX基因在叶片、花瓣、开花后10、20、30和40 d的种子中的表达分析显示,ClassⅠ组成员表达模式差别较大,ClassⅡ组成员表达模式较相似。GrKNOX12、GrKNOX1、GrKNOX17、GrKNOX2、GrKNOX11、GrKNOX3和GrKNOX22在测定的组织中表达量均较高;GrKNOX6、GrKNOX16和GrKNOX19在开花后20、30和40 d的种子中表达量较高,推测这3个基因参与调控棉花种子发育过程。本研究为进一步探究KNOX基因家族在棉花...     

一个棉花液泡转化酶基因的克隆与功能分析

棉纤维正常发育需要大量的蔗糖供应。转化酶是生物体内蔗糖代谢途径中的关键酶之一, 对转化酶基因的结构和功能研究将有助于揭示复杂的棉纤维发育分子机制, 并为纤维品质改良提供优良的基因资源。本研究以棉纤维突变体im和遗传标准系TM-1纤维发育中显著差异表达的EST序列(GenBank登录号为EY196825)为探针, 通过电子克隆方法, 结合cDNA及基因组全长基因PCR扩增、测序验证, 克隆到一个棉花液泡转化酶基因GhVacInv2a (GenBank登录号为KF305322)。该基因ORF全长1857 bp, 编码618个氨基酸, 与已登录的陆地棉GhVacInv2基因(GenBank登录号为FJ864677)序列一致性为99%(E=0)。基因组序列分析表明, GhVacInv2a在二倍体棉种非洲棉和雷蒙德氏棉中含1个拷贝, 在四倍体陆地棉和海岛棉中存在2个拷贝, 其中GhVacInv2a和GhVacInv2分属于A、D亚组同源基因。该同源基因含7个外显子, 6个内含子。Q-PCR分析表明, 该基因在花药中表达量最高, 在快速伸长的纤维组织中优势表达。在13~19 DPA的纤维中, 其在TM-1中的表达水平极显著地高于im突变体。开发SNP标记, 将GhVacInv2a基因定位在异源四倍体棉花第3染色体上。标记与性状的关联分析显示, GhVacInv2a与纤维强度存在显著相关(P=0.0087), 表明GhVacInv2a在棉花纤维品质形成中可能发挥重要功能。     

cDNA芯片检测棉花纤维发育相关基因的表达

利用cDNA芯片技术分析E6、Lipid transfer protein(LTP)、Proline-rich protein(PRP）、Expansin、Tubulin、Annexin等家族的63个棉花纤维发育相关基因,在陆地棉徐州-142开花后10d纤维组织及其无长绒无短绒突变体开花后10d胚珠中的表达差异,发现属于E6、LTP、PRP、Expansin家族的基因在两种组织中存在显著的表达差异,符合前人的报道。其中E6、LTP家族的基因在两种组织中的表达差异最大,个别基因表达差异甚至达到15倍之多。而Tubulin家族的基因在两种组织中的表达差异不大,检测的24个Tubulin家族基因中,仅2个基因在纤维组织和胚珠中存在显著表达差异。cDNA芯片技术可以高通量鉴定棉花纤维相关基因以及研究棉花发育相关基因的表达谱。     

Genome-Wide Selection of MAPKKK Gene Family in Gossypium raimondii and the Expression of Orthologs in Gossypium hirsutum

[Objective] The MAPKKK gene family plays an important regulating role in response to multiple abiotic stresses and the development of plant. This study aims to identify MAPKKK genes of Gossypium raimondii and analyze their functions. [Method] In this study, based on G. raimondii genome database and bioinformatics method, G. raimondii MAPKKK family genes were identified and analyzed. Using the MEGA5, GSDS and Mapchart program, the phylogenetic tree, gene structure and chromosomes location analyses were accomplished. Based on the existing microarray data in cotton and comparative profiles of these MAPKKK genes, different expression of them in multiple abiotic stresses and the expression at different cotton fiber developmental stages were analyzed. [Result] A sum of 114 MAPKKK genes were identified systematically in G. raimondii and classified into 3 subfamilies (Raf, ZIK and MEKK) according to the gene stucture and phylogenetic tree analyses. They were distributed on all the 13 chromosomes of G. raimondii, and segmental duplication and tandem duplication events may have occurred. Compared with the recently released 78 genes of G. raimondii MAPKKK family genes, 47 sequences are exactly the same ones. [Conclusion] The results are helpful to understand the evolution and function of MAPKKK gene family. Our results provide a foundation for future functional characterizations of MAPKKK genes in cotton and probably other Gossypium plants.     

雷蒙德氏棉扩展蛋白基因家族的鉴定和特征分析

扩展蛋白具有松驰细胞壁和增加细胞壁柔韧性的功能。为了弄清该基因家族在雷蒙德氏棉中的特征,利用隐马尔科夫模型(HMM)在雷蒙德氏棉基因组中进行扩展蛋白家族基因成员的鉴定,获得了39个扩展蛋白基因家族成员,分布在12条染色体上。系统发育分析将其归入EXPA、EXPB、EXLA和EXLB共4个亚家族,分别含有26,4,3,6个基因。各亚家族中扩展蛋白基因具有相对多样化的基因结构;扩展蛋白基因家族在进化中经历了3次扩张;染色体片段重复是该基因家族扩张的主要方式;扩张后纯化选择占主导地位。比较棉纤维发育不同时期及叶片、花瓣的深度测序和基因芯片表达谱,发现大部分扩展蛋白基因参与了雷蒙德氏棉纤维、叶片和花瓣的生长发育,在不同的时空范围均表现出表达多样性。Gr EXLA1、Gr EXLA2和Gr EXPA16在花瓣中优势表达,Gr EXPA23和Gr EXPA24在叶片中表达水平较高,推测这些基因的表达分别参与了花瓣和叶片的发育进程;其余的基因,在纤维的不同发育阶段,表现出不同的表达丰度。研究结果有助于了解棉属扩展蛋白基因家族的特征及功能,为深入剖析棉纤维发育过程中的分子调控机理提供了基础。     

植物LPATs基因研究进展

植物溶血磷脂酸酰基转移酶(lysophosphatidic acid acyltransferase, LPAT)是三酰甘油(triglycerides,TAG)生物合成的重要限速酶,在脂质合成、种子发育及生物膜合成等方面具有重要的作用。目前,LPAT基因已在多种植物中被克隆,其编码的蛋白根据亚细胞定位大致可分为质体和微体两大类。文章综述了近年来国内外植物LPAT基因,包括拟南芥LPAT基因的染色体定位和基因结构,植物LPAT酶的底物选择性、表达调节及其生理功能,并对其在TAG生物合成的研究进行分析和展望。     

棉花4个脂肪酸合成相关基因的克隆和表达特征分析

脂肪酸合成相关代谢在控制油的合成和抗非生物胁迫中均起着重要作用。其脂肪酸合成相关基因的时空表达水平直接影响油的含量和脂肪酸合成相关酶的活性。本研究克隆了4个脂肪酸合成相关基因,分别命名为GhKASII、GhKASIII、GhFAD和GhGPAT,其中GhKASIII、GhFAD和GhGPAT基因cDNA全长通过电子克隆和同源克隆得到。而GhKASII通过筛库和5'-RACE途径得到。组织表达分析表明, 上述4个基因在根、茎、叶及纤维发育不同时期均有表达,属于组成性表达基因。其中GhKASII、GhKASIII在25 DPA种子中表达量最高,GhGPAT在0 DPA胚珠和15 DPA纤维中表达量很高,GhFAD在0DPA胚珠, 15 DPA种子,20 DPA纤维中表达量均很高。不同非生物胁迫的诱导表达分析表明,上述4个基因均不同程度被茉莉酸甲酯,ABA,创伤和冷害等逆境诱导表达。     

棉花MAPKs家族成员的聚类分析

MAP激酶(促分裂原活化蛋白激酶)级联信号通路(MAPKs)由3种级联磷酸化的蛋白激酶MAPKKK、MAPKK和MAPK组成,在调控植物的生长发育、胁迫响应及抗病反应等过程中都起重要作用。为了全面了解棉花MAPK、MAPKK、MAPKKK家族各成员间的关系,进而研究和揭示MAPKs在棉花抗病、抗逆中的作用,利用已公布的雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组数据,并从NCBI数据库中收集陆地棉的MAPKs氨基酸序列,运用生物信息学的方法对棉花(陆地棉、雷蒙德氏棉、亚洲棉)MAPK、MAPKK和MAPKKK家族的氨基酸序列进行了同源比对和聚类分析。结果表明:棉花MAPK家族具有特征性结构TEY磷酸化位点或TDY磷酸化位点,依据其氨基酸序列可划分为A、B、C和D族,其中TEY类包含A、B和C族,TDY类只包含D族;棉花MAPKK家族具有特征性保守区域S/T-X5-S/T和活性部位基序D(I/L/V)K,并依据其氨基酸序列也可将其划分为A、B、C和D族;棉花MAPKKK家族具有MEKK特征性保守区域G(T/S)PX(W/Y)MAPEV和Raf特征性保守区域GTXX(W/Y)MAPE(L/V),进而分为MEKK类和Raf类2组亚群。本研究梳理了棉花MAPKs中的MAPK、MAPKK、MAPKKK家族各成员间的关系,为进一步研究棉花MAPKs信号传导途径和揭示其在棉花抗病、抗逆中的作用提供了基础信息。