杨树CDPK基因家族的表达分析及功能预测

为探究CDPK基因在木材形成过程中的作用,本研究在基因组水平上对杨树CDPKs基因家族的成员进行分析,找到32个CDPKs及10个CRKs成员。对CDPK基因家族成员在杨树中表达特性进行了分析,发现其家族成员在不同组织、不同发育阶段以及毛白杨次生维管发育不同时期的表达特性不同。分析杨树CDPK基因家族中3个基因Pt CPK1、Pt CPK6、Pt CPK15,其蛋白质一级结构均存在1个跨膜区,其蛋白定位在细胞膜上。     

杨树miR393对FBL基因家族成员调控作用的鉴定

【目的】揭示ptc-miR393对杨树FBL基因家族不同成员的剪切调控作用。【方法】首先将杨树FBL基因家族成员与双子叶植物、单子叶植物和蕨类植物代表物种拟南芥、水稻和小立碗藓的FBL基因家族成员进行系统进化分析;再对杨树FBL家族成员的基因结构进行比较;最后通过ptc-miR393与杨树FBL基因家族成员的序列比对、ptc-miR393及FBL基因家族成员在杨树不同发育时期及不同组织中的表达模式以及5′-RACE检测等方面对杨树miR393与FBL基因家族成员的调控作用进行鉴定。【结果】杨树FBL基因家族共有8个不同成员,两两成员之间的同源性较高,通过基因结构和功能域分析,表明它们之间可能存在冗余的功能;PtFBL1-PtFBL4之间具有较高的同源性,位于一个进化分支上,而PtFBL5、PtFBL6和PtFBL7、PtFBL8分别位于不同的分支且与PtFBL1-PtFBL4的同源关系较远。杨树FBL基因的结构和结构域出现一定的变化,预示着它们之间可能出现了分化,在时空调控上的作用有所改变。ptc-miR393与PtFBL1-PtFBL4的互补配对率较高,而与PtFBL5-PtFBL8之间有5~7个碱基的差异,在杨树不同发育时期及不同组织中,PtFBL1-PtFBL4的表达与ptc-miR393呈相反的趋势,而PtFBL5-PtFBL8的表达不受ptc-miR393的影响,5′-RACE实验也检测出PtFBL1-PtFBL4受ptc-miR393的剪切,而PtFBL5-PtFBL8不受ptc-miR393的剪切。【结论】PtFBL1、PtFBL2、PtFBL3和PtFBL4是ptc-miR393的靶基因,而PtFBL5、PtFBL6、PtFBL7和PtFBL8不受ptc-miR393的剪切调控,这为进一步揭示ptc-miR393对杨树FBL基因的调控功能奠定理论基础。     

杏RPW8基因家族鉴定与表达量分析

RPW8(Resistance to powdery mildew 8)不但对拟南芥白粉菌有抗性作用,同时也对烟草白粉菌、拟南芥霜霉菌和烟草花叶病毒等多种植物寄生性病原体都表现出较高的抗性,具有广谱抗病性。以杏全基因组数据为基础,鉴定RPW8家族成员,分析基因家族特点及不同组织中表达量分析,有利于更加深入了解RPW8基因家族功能,为杏抗白粉病基因挖掘和抗白粉病育种提供理论参考。通过SMS、GSDS2.0、Expasy-protparam、MEME、MAGA6.0、TBtool等生物信息学工具对RPW8基因家族的核酸序列的特征、基因结构、蛋白质理化性质、蛋白保守结构域、家族系统进化关系、表达量等进行分析和预测。结果表明:从杏中共鉴定出16个RPW8家族基因,分别命名为LWMRPW8-1～LWMRPW8-16,内含子数量小于6个,16个基因的全长为360～4 864 bp,碱基G+C含量为37.39%～46.89%,碱基A+T的含量为53.11%～62.61%;杏RPW8基因家族编码的氨基酸分子量为13 653.93～92 617.92 Da,理论等电点为5.42～9.47,蛋白质不稳定性指数为22.94～61.18,氨基酸组成成分以亮氨酸(Leu)赖氨酸(Lys)为主;保守结构域分析结果显示杏RPW8家族主要含有10个Motify,其中Motif8、Motif9为特征结构域;系统进化树分析显示,蔷薇科植物RPW8家族基因聚为一类,LWMRPW8-7与拟南芥、杨树基因聚为一类。对杏RPW8基因在不同组织中的表达分析结果显示,16个基因在花、花芽、叶片、果肉、果仁中的表达量呈现较大差异。     

杨树PtROP家族基因的表达分析与功能预测

[目的]为探究ROP基因在林木中的功能。[方法]本研究以杨树为模式,在全基因组水平上对ROP基因的家族成员、基因结构、保守结构域、氨基酸序列相似性及表达模式进行了分析。[结果]显示,杨树PtROP基因家族包含13个成员,不同成员间在进化上相对保守,均存在与GTP结合与水解相关的结构域。这些基因在不同组织、不同胁迫条件下的表达具有明显差异,说明它们参与不同的生物学过程。通过构建功能基因网络(functional gene network for poplar)发现PtROP基因主要参与了信号转导过程。[结论]杨树PtROP基因家族包含13个成员参与不同的生物学过程,可能主要参与了信号转导过程。     

基因组水平上杨树NAC基因家族的初步分析

利用其他物种的NAC蛋白,构建NAC结构域的位置特异得分矩阵(PSSM).用PSSM搜索整个杨树Populus L.基因组,获得编码杨树NAC结构域的DNA片段在基因组上的位置信息.然后运用Perl脚本语言从基因组相应位置提取包含基因全长的序列,推测NAC基因的全长、氨基酸序列及其结构特征,并对得到的杨树NAC基因家族进行了系谱发生分析.结果表明:杨树中至少存在132个非冗余的NAC基因,系谱分析表明这些NAC基因归属于14个亚家族,同一亚家族内各基因编码NAC结构域的外显子数量和结合位置的分布具有一定的相似性.     

两种兰科植物CaM及CML基因家族全基因组分析

[目的]探讨Ca M和CML基因家族在兰科植物不同组织和与菌根真菌建立共生关系过程中的潜在功能。[方法]依据已发表的拟南芥Ca M和CML基因家族蛋白序列,利用生物信息学方法对小兰屿蝴蝶兰和铁皮石斛全基因组进行搜索,通过多种生物软件或在线工具对Ca M和CML基因家族蛋白序列进行筛选及确定、蛋白结构分析、系统进化分析及结构域预测;利用转录组数据绘制heatmap图,对小兰屿蝴蝶兰不同组织(花、叶、茎、根)及石斛种子与美胞胶膜菌共生条件下Ca M和CML基因家族的表达情况进行分析。[结果]在小兰屿蝴蝶兰和铁皮石斛全基因组中均预测到4个Ca M蛋白和54个CML蛋白;小兰屿蝴蝶兰Ca M及CML家族基因中39个基因没有内含子,19个基因具有内含子;铁皮石斛Ca M及CML基因家族中有41个基因没有内含子,17个基因具有内含子;系统进化分析将小兰屿蝴蝶兰和铁皮石斛Ca M和CML蛋白家族各分为10个亚家族;小兰屿蝴蝶兰中9个基因在叶中的表达相对于花、茎、根为上调表达,2个基因在叶中的表达相对于花、茎、根却为下调表达; 3个基因在花中的表达相对于叶、茎、根为上调表达; 3个基因在花和叶中的表达相对于茎和根为上调表达;铁皮石斛中4个基因在与美胞胶膜菌共生萌发文库中的表达相对于非共生文库为上调表达; 4个基因在共生萌发文库中的表达相对于非共生文库为下调表达。[结论]Ca M及CML家族基因在兰科植物不同组织具有重要作用,且参与铁皮石斛种子与美孢胶膜菌共生萌发的生物学调控过程。     

杨树PIF基因家族成员表达模式研究

[目的]为探究光敏色素相互作用因子(PIF)基因在杨树生长发育中的功能。[方法]利用生物信息学方法预测了杨树基因组中的PIF基因家族成员并对各成员的基因结构、保守基序进行了系统分析;在此基础上,采用实时荧光定量PCR技术检测了PIF成员在不同组织及低温、干旱和Na Cl胁迫下的表达模式。[结果]表明:杨树基因组中至少含有10个Pt PIF成员,这些成员在进化上相对保守,均具有典型的b HLH结构域。基因表达分析显示:Pt PIF基因在杨树不同组织及不同非生物胁迫条件下存在明显的表达差异。[结论]杨树Pt PIF基因家族包含10个成员参与不同的生物学过程,研究结果将为深入解析杨树Pt PIF基因的功能奠定了基础。     

杨树中I类KNOX基因结构、表达与功能分析

[目的]分生组织对器官发生和形态建成起到至关重要的作用,其活性受多种转录因子的调控。KNOTTEDlike homeobox(KNOX)基因家族由2个亚类即I类和II类KNOX组成,在模式植物拟南芥中I类KNOX成员主要在茎的顶端分生组织区域表达,对维持顶端分生组织分化及侧生器官的形态建成过程起关键作用。木本植物生长发育过程主要包含以顶端分生组织(Shoot apical meristem,SAM)为中心的初生生长与以形成层为中心的次生生长过程,本研究通过分析杨树I类KNOX基因在SAM、根顶端分生组织(Root apical meristem,RAM)的形成过程及形成层相关区域的表达,探讨I类KNOX基因在杨树分生组织形成与分化过程中的功能。[方法]以拟南芥I类KNOX基因STM的蛋白序列在毛果杨基因组中进行同源比对分析,获取杨树I类KNOX成员的核酸和氨基酸序列。根据核酸及氨基酸序列信息构建系统发育树,并绘制基因结构与蛋白质结构图谱。利用84K杨(Populus alba×P.glandulosa)不定芽与不定根诱导实验体系模拟顶端分生组织发育过程,通过实时定量PCR(RT-PCR)技术,对杨树I类KNOX成员在不定芽与不定根形成过程及形成层相关区域中的表达进行分析。[结果]本研究通过同源比对分析鉴定出10个杨树I类KNOX成员,根据进化关系与基因结构差异将其分为三组:组1、组2、组3,其中,组1为拟南芥KNAT2和KNAT6同源基因,组2为STM和BP同源基因,组3为杨树所特有的I类KNOX基因。杨树I类KNOX基因在不定芽与不定根发生过程中表达量均发生较大的变化,在不定芽发生过程中,组1基因在芽原基分化产生不定芽的关键期上调表达,而组2与组3基因多在分生组织分化产生芽原基阶段高表达;在不定根发生过程中,组1成员多在根原基分化产生不定根的过渡期上调表达,组2与组3基因则多在发育后期不定根形态建成阶段高表达。杨树I类KNOX成员在形成层相关区域均表达,组1中KNAT2/6与组2中STM、BP同源基因的表达量明显高于其他成员。[结论]以上结果说明,杨树I类KNOX除了与拟南芥同源的2个组外,还进化产生新的组别,分别参与分生组织形成和分化过程中不同阶段的调控,且Pt KNAT2/6b、ARK1与ARK2在形成层区域高表达,提示以上3个基因可在形成层功能维持以及木质部分化中发挥主要作用。     

巨桉纤维素合酶Ces家族的生物信息学分析

纤维素合酶(Cellulose synthase,Ces)基因家族成员负责催化纤维素的合成。利用Phytozome网站对巨桉(Eucalyptus grandis)全基因组序列进行检索,共发现31条蛋白质序列属于Ces家族,其中包括18个CesA亚族成员与13个CslD亚族成员。使用ClustalW、Protparam、TMHMM等生物学在线服务器,对巨桉31个Ces家族成员进行全面生物信息学分析预测,结果显示:31条蛋白质序列均具有Cellulose synthase特征性保守结构域,具有Ces家族成员特征;巨桉Ces家族与拟南芥Ces家族、杨树Ces家族在亚族种类、成员组成、蛋白理化性质方面存在变异性;蛋白结构域、二级结构、跨膜区预测、无序性、亚细胞定位分析结果存在保守性。     

杨树BAG基因的鉴定及表达模式分析

【目的】杨树是我国人工林的重要组成部分,也是公认的模式木本植物。植物BAG蛋白作为保守的分子伴侣,在生长发育和抗逆性中起到关键作用。研究杨树BAG蛋白家族的进化与表达模式,鉴定BAG基因的生物学功能对于林木遗传改良具有重要的指导意义。【方法】以拟南芥7个BAG蛋白为诱饵,搜索毛果杨、水稻和小立碗藓在线数据库(https://phytozome.jgi.doe.gov)获得这3个物种同源的BAG蛋白。利用生物信息学构建毛果杨、拟南芥、水稻和小立碗藓BAG蛋白的系统进化树,分析这些蛋白的生化特性及进化关系。结合杨树芯片(http://bar.utoronto.ca)数据,利用qRT-PCR检测杨树BAG基因的组织和逆境(旱和热胁迫)表达模式。【结果】毛果杨包含14个BAG基因,按照国际命名法(以染色体位置进行排序),将其命名为PtrBAG1—PtrBAG14。系统进化树表明杨树、拟南芥、水稻和小立碗藓BAG蛋白相对保守,大体可以分为2个亚家族。第1个亚家族中,大部分BAG蛋白N端含有UBL结构域,可能作为分子桥梁参与降解某些蛋白;第2个亚家族的大部分BAG蛋白含有IQ结构域,意味着这些蛋白可能与Ca²⁺信号相关。杨树BAG基因在不同逆境处理(热胁迫和干旱胁迫)条件下有不同的表达模式。热处理诱导所有BAGs基因表达发生变化,其中BAG1、BAG4、BAG6、BAG7和BAG8表达被激活,而另9个BAG基因的表达被抑制;特别是,热诱导BAG4和BAG6表达上调超过90倍。干旱胁迫条件下,大部分BAG表达变化幅度很小。组织表达模式分析表明,大部分杨树BAG基因在根、叶、芽、小苗、雌花序、雄花序和木质部中表达量很低,只有BAG2和BAG12在木质部中大量表达。【结论】杨树BAG家族共有14个成员,大体分为2个亚家族,在进化上与本文选用的陆生植物拟南芥和水稻BAG蛋白有更高的相似性。杨树14个BAG基因可能都参与了热胁迫调控,但不同成员在抗热过程中起不同作用。相比而言,大部分杨树BAG基因可能并不参与抗旱。值得指出的是,杨树BAG4和BAG6可能在热胁迫中作用最明显,而BAG2和BAG12可能参与木材形成。     

杨树油菜素内酯合成基因DET2的克隆与功能分析

[目的]DET2基因编码一个5α-还原酶,是油菜素内酯(BRs)合成过程中的关键限速基因。研究DET2基因在杨树生长发育中的作用,对于进一步研究油菜素内酯在木本植物中的调控机制有重要意义。[方法]从银腺杨84K(Populus alba×P. glandulosa,‘84K’)克隆得到拟南芥AtDET2同源基因PagDET2,利用生物信息学对其进行序列比对、生化特征分析、构建系统发育进化树。通过RT-PCR分析其在杨树中的表达模式。构建由CaMV 35S强启动子驱动的过表达载体,通过农杆菌介导的叶盘转化法转化84K杨,得到PagDET2-OE转基因植株。分析过表达DET2基因对于转基因植株内源BRs含量、植株生长和抗逆的影响。[结果]克隆了包含全长编码区PagDET2基因全长,可编码一个长度为257个氨基酸的蛋白质。其蛋白序列与毛果杨、拟南芥、水稻、棉花、大豆、番茄DET2蛋白同源性较高,说明该基因在进化过程中相对保守。PagDET2在84K杨不同组织中均检测到表达,其在茎中的表达较高。通过ELISA检测植物BRs含量发现,过量表达DET2可以显著提高杨树内源BRs含量。过量表达DET2基因,可以导致转基因植株的高生长,但对盐胁迫更加敏感。[结论]DET2基因作为BRs合成的关键基因,在杨树中过量表达可以显著提高内源BRs含量,促进植株增高。DET2转基因植株的获得为进一步分析BR参与木本植物生长发育的调控机制奠定了基础。     

杨树维管组织特异启动子的克隆与启动活性分析

启动子在基因表达调控中起关键性作用,它在很大程度上决定所控基因表达的时间、空间和强度。依据拟南芥ATH1芯片分析杨树维管形成时期特异表达基因的结果,选取了差异表达基因NST3,通过BLAST比对在杨树EST数据库(PopulusDB)中找到同源性较高的基因NAC068。以毛白杨为材料,在其基因组中克隆得到该基因5'侧翼区901 bp长的片段,命名为pProNAC068,将该片段置换pBI121载体中的CaMV35S启动子,并在84K杨中检测报告基因GUS的表达情况。经过GUS活性检测分析发现:该启动子可以控制外源基因在次生维管组织中特异表达,从而为基因工程中有目的的控制外源基因在维管组织中的表达奠定基础。     

利用拟南芥基因芯片和突变体对木材形成相关基因的初步分析

木材形成是木本植物特有的生物学过程,拟南芥在适当的诱导条件下也能形成类似“木材”的维管组织,因而可以借助拟南芥丰富的基因资源研究木材形成的分子机制.利用前期建立的毛白杨次生维管系统再生实验体系,通过拟南芥表达谱芯片分析再生过程中的基因表达变化,获得149个差异表达基因.选择其中转录因子等调控基因及功能未知基因共89个基因的总计151个拟南芥突变体,经次生诱导培养发现,20个突变体的发芽率或成活率降低,10个突变体表型变化明显,出现维管系统次生生长发育受到抑制、生长速度减慢等,推测这些基因参与调控拟南芥的次生生长.将木本植物与草本植物的研究体系相结合,利用拟南芥次生生长诱导体系研究木材发育相关基因功能,为木材发育的基因功能研究提供一条可行、有效,快速解析基因功能的新途径.     

烟草和毛白杨次生维管发育相关MYB转录因子分析

[目的]为探讨额河杨和银灰杨天然杂种的起源机制,[方法]应用18对SSR标记,从分子水平上对新疆额尔齐斯河流域杨属植物的种间关系进行分析研究。[结果]表明:(1)SSR系统发育树将整个流域天然杨属植物分为两大类群,即黑杨派和青杨派为一类,白杨派为一类;(2)白杨派派内系统聚类图显示,银白杨、欧洲山杨、银灰杨三个树种均有较大的遗传分化,特别是杂种银灰杨似乎更大;(3)黑杨派和青杨派的UPGMA分类图显示,青杨派和黑杨派分属于2个分支,其中,青杨派内部分化相对简单,分为2支,均为典型的苦杨;黑杨派内部的分化较为复杂,可分为4类,包括典型的欧洲黑杨、额河杨和回交子代。[结论]杂种额河杨具有更多的欧洲黑杨的遗传成分,因此,将额河杨放到黑杨派是正确的。     

毛白杨干细胞决定基因Wuschel的克隆及其单核苷酸多态性分析

Wuschel(Wus)转录因子基因在维持干细胞群数量上具有关键性的调控作用.以模式植物拟南芥Wus为信息探针,在杨树基因组中共检测到2个Wus候选基因,并设计了基因特异的引物,从毛白杨形成层cDNA中分离得到长度分别为922 bp和956 bp的2个cDNA,其分别含有编码258个和264个氨基酸残基的完整开放阅读框.所推导的蛋白质氨基酸序列在结构功能域区域分别与拟南芥Wus蛋白的同源性为76.O%和74.9%,故将其命名为PtWus1和PtWus2.在此基础上,组合利用MEGA3.1和DnaSP4.0软件对毛白杨36株基因型个体的PtWus1和PtWus2序列进行比对和分析,分别检测到58个和51个单核苷酸多态性(SNP)位点,多样性分别为1/27 bp和1/30 bp.对于PtWus1,共检测到24个常见SNPs和34个罕见SNPs,其中43个属于转换,15个属于颠换;在外显子区域,共检测到21个SNP位点,其中16个为同义突变,4个为错义突变,1个为无义突变.而对于PtWus2,基因内部含有28个常见SNPs和23个罕见SNP,其中36个属于转换,15个属于颠换;在编码区域检测到的26个SNPs中,同义突变和错义突变均为13个.对PtWus,和PtWus2基因内SNPs进行的连锁不平衡分析结果显示,随着核苷酸序列长度的增加,SNPs的连锁不平衡在基因内部迅速衰退,因此,在毛白杨中,基于候选基因的连锁不平衡作图是可行的,而基于整个杨树基因组的连锁不平衡作图是不可行的,也是不必要的.本研究为毛白杨Wus蛋白转录因子基因的连锁不平衡作图及其基因辅助毛白杨木材纤维性状的分子育种提供了理论依据.     

杨树抗黑斑病相关基因表达谱分析

利用黑斑病的高抗无性系美洲黑杨I-69及黑斑病的高感无性系欧美杨I-45为材料建立的2个cDNA文库,随机挑取cDNA克隆进行5'端EST序列测序,共获得有效序列20 023条.序列经聚类分析和拼接后,共获得10 816个Unigene,其中包括3 734个Contig,7 082个独立的Singleton.被注释的8 853个具有同源性匹配序列基因中,按照GO的分子功能、生物过程和细胞组分3个不同分类角度进行分类.在具有功能注释的8 853个Unigene中,选出330个与完成全基因组测序的毛果杨序列进行BLAST分析,结果发现有177个抗病相关候选基因出现在282个Unigene中,其中135个分布于杨树的18个不同连锁群上,其他42个基因位于还没定位的scaffolds上.所测定的这些EST序列为后期在基因组水平上研究杨树黑斑病的水平抗性遗传机制及进一步的相关基因发现奠定基础.

Abstract：

In an attempt to elucidate the molecular mechanism for resistance of black spot disease in poplar,gene expression profiles in leaves of Populus deltoides'Lus'(I-69/55)and P.euramericana'I-45/51',which were inoculated with the pathogen Marssonina brunnea f.sp.brunnea,were analyzed based on expressed sequence tags (ESTs).A total of 20 023 valid ESTs from the 5'terminal ends derived from corresponding cDNA libraries of the two poplar species were sequenced.Cluster analysis of the 20 023 sequences yielded 10 816 tentative unigenes,including 3 734 contigs and 7 082 singletons.All tentative unigenes were classified by Gene Ontology functional categories.To find resistance-associated candidate genes and locate them on poplar genome,330 unigenes was chosen from 8 853 annotated tentative unigenes,and their BLAST alignment was conducted with Populus trichocarpa assembly,1 77 related candidate resistant genes were found,and they presented in 282 unigenes.Among these genes,there were 1 35 genes located on 18 different linkage groups of poplar genome,and 42 genes located on the different scaffolds.This study supplied a resource of candidate genes for further exploring the genetic mechanism for the host horizontal resistance to the pathogen Marssonina brunnea at the whole genome range,and provided important information for further gene discovery.     

杨树叶枯病生防菌株HD006的多相分类

放线菌HD006分离自黑龙江省安达地区土壤,该放线菌对杨树叶枯病菌的抑菌效果显著,抑菌圈直径可达16mm。采用多相分类方法对HD006进行鉴定的结果表明,HD006与Kitasatospora phosalacinea北里孢属的相似性可达到95．98％,是该菌种的黑龙江变种（K.phosalacinea var．Heilongjiang）。