植物CCCH型锌指蛋白研究进展

锌指蛋白是具有典型锌指结构特征的超蛋白家族,几乎参与了生物体生长发育的各个阶段,其中CCCH型锌指蛋白包含一个或多个由三个半胱氨酸和一个组氨酸组成的基序。本文综述了植物CCCH锌指蛋白的结构、作用方式、功能等方面的研究进展,并对其应用前景进行了展望。     

水稻CCCH型锌指蛋白亚家族Ⅰ基因的表达分析

CCCH型锌指蛋白是一类生物体中广泛存在的转录因子,与植物的抗逆性密切相关。水稻CCCH锌指蛋白家族包括67个成员,分为8个亚家族。本研究采用实时定量PCR技术分析水稻CCCH亚家族Ⅰ基因的组织表达模式以及盐、干旱、低温、高温等多种非生物胁迫和脱落酸(ABA)对CCCH基因表达水平的调节。结果表明,多数CCCH基因都不同程度地受到这些非生物胁迫及ABA的诱导或抑制,其中C3H10、C3H24、C3H33、C3H37和C3H67的表达量在不同胁迫处理后表现出不同程度的升高,C3H35、C3H50和C3H52在盐、干旱、ABA、低温和高温处理后表达水平呈下降趋势,表明这些CCCH锌指蛋白可能参与水稻的非生物胁迫响应。     

玉米BBX基因家族鉴定及表达分析

BBX(B-box)是一类光温响应转录因子家族参与植物光形态建成及逆境响应。为揭示ZmBBX家族基因功能,采用生物信息学方法在玉米基因组水平对该基因家族进行鉴定,并对其基本理化性质、基因结构、系统进化关系、启动子顺式作用元件和基因表达谱进行分析。ZmBBX基因家族共有34个成员,划分为5个亚族,编码蛋白氨基酸介于142～498 aa,预测大多数成员定位于细胞核内。ZmBBX基因启动子存在大量的光响应元件、胁迫响应元件、激素应答元件和生长发育相关的顺式作用元件。全生育期组织表达谱发现, ZmBBX7、 ZmBBX27和 ZmBBX28在玉米的全生育期均高表达, ZmBBX3、 ZmBBX5、 ZmBBX14、 ZmBBX15、 ZmBBX19和 ZmBBX20在玉米叶片中表达量较高, ZmBBX6、 ZmBBX11、 ZmBBX18和 ZmBBX32在玉米叶片和种子形成前期等时期表达量较高。同时,对实验室盐处理转录数据分析发现, ZmBBX1、 ZmBBX3、 ZmBBX9、 ZmBBX12、 ZmBBX13、 ZmBBX21、 ZmBBX25、 ZmBBX29和 ZmBBX33 9个基...     

玉米脱水素基因家族的鉴定与分析

脱水素(dehydrin,DHN)属于LEA蛋白第二家族成员,是一种植物中广泛存在的亲水性蛋白,在干旱、低温和高盐等非生物胁迫的环境中起到重要作用。通过生物信息学方法对玉米全基因组DHN家族成员进行了鉴定,并进一步对其系统发育、基因结构、染色体定位和基因复制以及表达模式进行了系统分析。结果显示,在玉米DHN基因家族中共有5个家族成员,多物种系统发育进化树分析、基因结构以及基序分析都表明DHN家族成员在进化上具有高度的保守性。基因复制和物种间微共线性分析表明,在5个玉米DHN基因中存在着1对片段复制基因(ZmDHN1-ZmDHN2),玉米、高粱和水稻3个物种间存在2对直系同源基因(ZmDHN2-Sb04g032250.1,ZmDHN2-Os02g44870.1)。通过转录组表达数据分析表明,玉米DHN家族基因在不同发育时期具有不同的组织表达模式;同时,诱导表达模式分析表明ZmDHN基因的表达受到盐和干旱胁迫的显著诱导。该研究结果将为进一步鉴定玉米DHN家族重要的基因成员并对其开展功能分析奠定基础。     

番茄组蛋白修饰基因家族鉴定及表达分析

【目的】植物组蛋白的功能修饰包括乙酰化修饰和甲基化修饰,在植物生长发育及逆境响应的过程中发挥着重要作用。番茄组蛋白修饰（Histone modification,HM）基因家族的生物学功能及分子机制尚不清楚,该文旨在进一步明确番茄 HM 基因的生物学功能,为其分子机制研究及番茄遗传改良奠定基础。【方法】基于番茄基因组数据库鉴定番茄 HM 成员,利用生物信息学的方法系统分析其 HM 基因家族成员的系统进化、基因结构、染色体定位,通过在线转录组数据分析番茄 HM 基因家族时空表达模式。【结果】共鉴定到 148 个番茄 HM 基因,其中32 个编码组蛋白乙酰转移酶（Histone acetyltransferase,HAT）,11 个编码组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase,HDAC）,50 个编码组蛋白甲基转移酶（Histone methyltransferase,HMT）,55 个编码组蛋白去甲基化酶（Histone demethylase,HDM）。148 个基因不均匀地分布在 12 条染色体上,其中 3 号染色体上分布最多、有 21 个基因,12号染色体上分布最少、有 4 个基因。基因结构特征分析表明,番茄 HM 基因之间外显子的差异较大,最多可达 34 个、最少仅有 1 个。蛋白质结构域分析结果显示,Solyc07g064130、Solyc11g005670、Solyc10g006480 仅含有 Ubl 结构域,Solyc07g062100、Solyc10g077110 和 Solyc03g083310 仅含有 Zn-finger 结构域,另有 10 个成员含有 Bromo 结构域、48 个成员含有 SET 结构域,其他成员还包含 PLN02529、PRMT5 等结构域。此外,番茄 HM 与拟南芥和水稻中的同源蛋白关系均较远,且与水稻相比,番茄 HM 序列与拟南芥同源蛋白序列亲缘关系较近。根据聚类分析,将番茄HM 分成 HAT、HDAC、HMT、HDM 4 个家族。组织表达分析表明,HAT 家族在发芽后 30 d 的花（F30）、开花后10 d 的果实（10 DPA）、花（fr）、根（rr）、未成熟的果实（Plgfr）中高表达;HDAC 家族在发芽后 30 d 的花（F30）和未成熟果实（Plgfr）中高表达;HMT 家族在发芽后 30 d 的花（F30）、在全株 50% 的花开放时的花（F45）、花蕾（br）、3 cm 果实（3fr）、未成熟 5 cm 果实（PB+5fr）中高表达;HDM 家族在发芽后 30 d 的花（F30）、在全株 50% 的花开放时的花（F45）、花蕾（br）、花（fr）、根（rr）、3 cm 果实（3fr）、未成熟 5 cm 果实（PB+5fr）中高表达。【结论】不同番茄 HM 的基因结构差异较大,包含多种功能结构域。番茄 HM 与拟南芥、水稻 HM 的同源关系较远,且在植物不同生长发育阶段及不同器官组织中均有一定的表达,表明该类基因可能参与番茄多种生长发育过程。     

玉米XYLPs基因家族表达模式及其蛋白结构分析

通过生物信息学的方法对玉米木质形成素类阿拉伯半乳糖蛋白(xylogen-like arabinogalactan proteins,XYLPs)基因家族的表达模式和蛋白结构进行了分析。ZmXYLPs基因家族成员在染色体上的分布具有一定的偏好性。基因复制事件不仅在基因家族成员数量的扩张和进化中发挥重要作用,同时还可能引起基因表达部位的扩张。根据ZmXYLPs蛋白结构特点,可将其分为两大类。其中仅ZmXYLP10/13/14蛋白存在N连接的糖修饰位点,其余ZmXYLPs蛋白均为O连接糖修饰位点。结果显示,玉米ZmXYLPs的生物学功能可能与其糖基侧链有关,并且其作用并不局限于维管组织发生过程,可能也参与生殖发育过程。     

玉米CPK基因家族鉴定及干旱胁迫下表达分析

干旱严重影响玉米的产量和品质。钙依赖性蛋白激酶(Calcium-dependent protein kinase, CPK)是一种Ca2+结合蛋白,在植物非生物胁迫应答方面发挥重要作用。本研究对玉米37个ZmCPKs的染色体定位、系统进化、基因结构、保守结构域和理化性质进行了分析。其中,36个ZmCPK基因不均匀的分布在9条染色体上;通过系统进化分析将其分为4个亚组,同一亚组成员具有相似的基因结构和保守结构域;ZmCPKs启动子分析表明,ZmCPKs启动子区含有大量的逆境响应元件,包括MBS、DRE和ABRE等;qTeller数据库和转录组数据分析表明,ZmCPKs基因家族成员在营养生长和生殖生长期均有表达,其中,26个基因在干旱胁迫下表达量发生变化。综合启动子元件及转录组数据,共筛选出9个基因作为干旱响应候选基因。进一步qRT-PCR验证显示,这9个基因均受PEG诱导表达。本研究可为玉米耐旱性的遗传改良提供优异的基因资源。     

玉米LEC1基因家族的鉴定与生物信息学分析

LEC基因家族包含LEC1和LEC2,参与植物的生长发育及储藏物质的积累。LEC1（Leafy Cotyledon 1）是NF-YB9蛋白家族的成员,编码了CCAAT-box结合转录因子HAP3（Heme activated protein 3）亚单位。利用生物信息学方法,获得了16个玉米LEC1基因。分析发现,ZmLEC1蛋白大部分都是酸性的不稳定亲水蛋白,含有1个保守结构域CBFD_NFYB_HMF及10个保守基序。通过与拟南芥LEC1基因和水稻LEC1基因的聚类分析,将玉米LEC1基因家族分为4类:ClassⅠ、ClassⅡ、ClassⅢ、ClassⅣ。经RNA-seq等分析发现,玉米LEC1家族基因具有组织特异性,响应非生物胁迫。启动子分析发现,玉米LEC1基因启动子上含有响应激素和非生物胁迫的顺式作用元件。     

异源表达玉米ZmC3H54基因增强水稻的耐旱性

CCCH锌指蛋白是一类重要的转录调控因子。从玉米中分离得到一个受干旱和ABA诱导表达的CCCH型锌指蛋白基因ZmC3H54,通过构建过量表达载体并转化水稻来进一步研究其功能。 与对照组相比,转基因植株在干旱胁迫处理下具有更高的相对含水量与存活率以及较低的相对电导率,表明过量表达ZmC3H54基因可以提高转基因水稻的耐旱性。此外,转基因水稻幼苗对外源ABA敏感性更高。以上结果表明玉米ZmC3H54基因可能是通过ABA信号通路调控植物对干旱的耐受性。     

黄瓜TRM基因家族鉴定及分析

黄瓜是我国极为重要的一种经济作物,而果实大小是黄瓜最重要的性状之一。CsTRM5是已被定位到的控制黄瓜果形的少数基因之一,但是目前研究者对黄瓜中TRM (TONNEAU1 Recruiting Motif)家族的认识还比较少。本研究通过生物信息学技术对黄瓜TRM家族基因进行分析,从氨基酸序列的相似性、不同物种TRM的进化关系、结构域、亚细胞定位等方面进行了比较。黄瓜TRM家族共有28个成员,主要分布在1、2、3、5四条染色体上,都有细胞核定位信号。通过等电点分析我们发现,黄瓜中TRM一半偏酸性,一半偏碱性。表达特异性分析表明,大部分TRM在果实中的表达量较高,这说明TRM可能对于果实的生长发育有重要作用。     

玉米TCP家族基因生物信息学鉴定与分析

TCP家族是一类与植物器官三维形态发育或细胞周期调控相关的转录因子。本研究通过SeqHunter2软件,在玉米基因组范围内进行TCP家族基因的搜索和鉴定。共鉴定了7个玉米TCP家族基因,并根据进化树拓扑结构将其分为两大类:ClassⅠ和ClassⅡ。通过玉米、拟南芥和水稻TCP家族的进化分析推测,玉米发生了特有的TCP家族基因扩增事件,这些物种分化后进化出的基因可能参与了玉米特有的生命活动或与玉米特有的生物特征相关。玉米7个TCP转录因子的保守基序在组成上存在差异,但均含有TCP家族中最保守的两个基序。     

玉米全基因组中NAC基因家族的鉴定与分析

本试验利用生物信息学方法预测了玉米NAC基因家族成员、基因结构、染色体定位和系统进化关系。结果表明,玉米NAC基因家族包含128个成员,依据其在染色体上的位置系统命名为Zm NAC001~Zm NAC128;Zm NAC分布在10条染色体上,且分布不均;Zm NAC基因与拟南芥NAC基因具有一定相似性,可分为13个亚家族;基因结构分析发现绝大多数Zm NAC基因含有1~3个内含子;miRNA靶基因预测发现7个Zm NAC基因为miRNA164的靶基因。     

玉米Dof转录因子家族的全基因组鉴定与分析

【目的】全基因组水平鉴定并解析玉米Dof（DNA binding with one finger）基因家族。【方法】基于玉米V3基因组数据鉴定玉米Dof基因家族,并从基因的结构、系统发育关系、染色体的位置分布、玉米不同组织和不同生理发育阶段基因的表达谱以及在充足氮（sufficient nitrogen,SN）和低氮（limiting nitrogen,LN）条件下V3期叶组织基因的差异表达5个方面分析玉米Dof基因家族。【结果】玉米参考基因组中存在46个Dof结构域基因,命名为ZmV3Dof1-ZmV3Dof46。通过系统发育关系和序列相似性将该基因家族分为8个亚类（Subgroup）S1-S8,每个亚类有3-8个Dof基因。通过分析该家族染色体分布,发现玉米10条染色体,除Chr.9外,均有Dof基因的分布,其中,在Chr.1上分布最为密集,有12个ZmV3Dofs;在Chr.5和Chr.3上分布次之,分别为8和7个ZmV3Dofs;在其他染色体上则分布较少,此外,Dofs在Chr.1的底部、Chr.5的顶部和底部分布密度相对较高。表达谱分析结果表明,Dof基因家族成员在不同组织及不同发育阶段均有差异表达,预示不同Dof基因功能的多样性以及在植物发育过程中扮演着不同角色,且同一亚类Dof基因表达模式存在一定程度的相似性。此外,玉米Dof基因家族对氮响应较为敏感,充足氮（SN）和低氮（LN）条件下,V3期叶组织基因的RNAseq表达结果显示35个Dof基因在2种氮处理下表达量存在差异,其中13个基因表达量差异较大。值得注意的是21个Dof基因在低氮处理下表达量上调,其中8个基因只在低氮条件下表达。【结论】基于最新版基因组数据鉴定玉米在自交系B73基因组中存在46个Dof基因,Dof基因家族成员参与玉米不同生理发育过程中,部分基因可能在氮代谢调控中发挥积极作用。     

玉米Glyco-hydro-16糖苷酶家族全基因组的鉴定及其遗传分化

【目的】全基因组水平鉴定玉米Glyco-hydro-16家族,分析该家族基因在不同组织中的表达模式以及在不同玉米杂种优势群中的遗传分化。【方法】根据Glyco-hydro-16家族相对保守的序列及结构域,构建Glyco-hydro-16家族的隐马尔科夫模型文件（Glyco-hydro-16.hmm）,利用hmmersearch程序在玉米全基因组中进行比对,获得玉米中含有该家族保守结构域的所有序列。通过Blast2GO进行功能注释,利用蛋白质序列构建该家族的系统发育进化树。使用玉米自交系B73不同组织及不同发育时期的RNA-seq数据库分析该家族基因的表达模式。根据该家族基因在染色体上的位置筛选SNP标记,计算其在不同玉米杂种优势群间的群间遗传分化系数（genetic differentiation coefficient,Fst）,分析其遗传分化。【结果】根据该家族相对保守的序列及结构域,在全基因组水平共鉴定出34个玉米Glyco-hydro-16家族成员,注释表明所有基因都是木葡聚糖转移酶/水解酶基因,3个保守性较高的Motif区段存在于该家族所有成员中。通过系统发育关系和序列相似性将该家族分为8个亚家族,每个亚家族有2-8个基因,分布在除第3和第6染色体外的其他8条染色体上,在第2、第5及第10染色体上成簇分布。该家族在禾本科作物中同源性较高,与拟南芥分属不同的分支,但只有3个玉米成员（AC210669.3、GRMZM2G413006和GRMZM2G166944）被划分到禾本科分支中,其他玉米成员被划分到单独的分支中。通过表达谱分析表明该家族成员在玉米中均有表达,但在不同组织中的表达水平有差异。为解析该家族基因在不同玉米种质资源中等位基因的变异,根据玉米Glyco-hydro-16家族基因在染色体上的位置筛选SNP标记,计算其在玉米杂种优势群SS及NSS间的群间遗传分化系数。结果显示,共有10个该家族基因所处位点的Fst值高于阈值0.15,达到高度分化水平,分别位于第1、第2、第4、第5、第7以及第9染色体上。其中,位于第2染色体上的GRMZM2G091118相应位点的Fst值为0.52,表明该位点在SS群和NSS群间的群间遗传分化度极大。【结论】通过全基因组扫描在玉米中鉴定出34个Glyco-hydro-16家族成员,均为木葡聚糖转移酶/水解酶基因,在不同组织中,其表达模式不同,可能参与不同生理发育过程。部分该家族成员所处位点在玉米杂种优势群SS和NSS间的等位基因分化极大。     

玉米自交系B73全基因组cystatin抗虫基因家族分析

半胱氨酸蛋白酶抑制剂(cystatin)基因具有cystatin结构特征的蛋白结构域,广泛存在于植物或动物体内。此类基因在植物或动物蛋白质组中具有多个功能各异的家族成员,并在抗虫中扮演重要角色。通过利用玉米B73全基因组的基因表达序列数据,对12个cystatin基因的结构组成、染色体分布、系统进化等进行了分析。鉴定了该基因家族在蛋白序列间3个高度保守基序,构建了基因家族系统进化树,为该重要基因家族的进化提供了依据的同时也为克隆和分离该类抗虫基因提供参考。     

4个物种CCT结构域基因家族的序列进化分析

通过分析4个完成测序和注释的植物基因组,系统地分离鉴定了97个水稻、玉米、高粱和拟南芥的CCT结构域基因,并对相应蛋白质的结构和基因之间的系统演化关系进行了分析。结果表明:CCT结构域基因的蛋白质结构和特性在不同物种之间具有广泛的变异;不同基因组中CCT结构域基因通过染色体复制扩展了基因家族成员。根据其CCT结构域分为4组,其中1个亚组集中了绝大部分的禾本科CCT结构域基因,该亚组基因可能特异参与了禾本科作物开花时间的调控。基因家族成员的扩展,蛋白质结构的改变以及基因表达模式的变异共同导致了CCT结构域基因家族成员在物种间和物种内的功能分化。     

陆地棉CRK基因家族的鉴定及其表达分析

【目的】富含半胱氨酸类受体激酶（CRK）是植物中最大的类受体激酶家族之一,在植物生长发育、激素信号传导和抗逆境胁迫中发挥重要作用。从全基因组水平鉴定陆地棉CRK基因家族并进行生物信息学和表达模式分析,为研究和利用陆地棉CRK基因家族奠定基础。【方法】从Pfam数据库下载stress-antifung结构域氨基酸序列,应用BLASTp程序搜索棉花基因组数据库,鉴定棉花CRK基因家族;利用Compute pI/Mw tool、SignalP、TMHMM Server V2.0、WoLF POSRT等在线工具预测陆地棉CRK家族蛋白的分子量、信号肽、跨膜结构域和亚细胞定位等;用ClustalX1.8软件对棉花和拟南芥CRK蛋白质进行氨基酸序列比对,MEGA5.0分析棉花和拟南芥CRK蛋白的系统进化关系;使用TBtools制作陆地棉CRK基因家族的染色体定位、基因结构和蛋白质结构域示意图;应用植物顺式调控元件数据库PlantCARE分析棉花启动子序列;通过植物磷酸化位点数据库PlantPhos预测陆地棉CRK家族蛋白的磷酸化位点;从NCBI数据库下载RNA-Seq数据,利用转录组定量工具Kallisto计算TPM值,通过在线工具Morpheus绘制陆地棉CRK家族基因表达热图。【结果】陆地棉基因组中有70个CRK基因,分布于14条染色体,其中52个基因（74.3%）集中串联成簇分布于A6/D6、A9/D9、A10/D10染色体,且在A/D染色体组之间呈现高度共线性关系。编码302-901个氨基酸,58个蛋白质（82.9%）具有跨膜结构域,主要定位于叶绿体、质膜和胞外。磷酸化位点预测结果表明,陆地棉和拟南芥CRK有5个相同的磷酸化位点基序,包括3种丝氨酸磷酸化位点基序和2种苏氨酸磷酸化位点基序。65个陆地棉CRK基因的启动子区（92.9%）至少含有一种逆境激素响应元件,69个基因启动子区（98.6%）至少含有一种生物或非生物胁迫响应元件。根据RNA-Seq数据分析结果,陆地棉CRK基因可分为3种不同的组织表达特征类型;盐、干旱、冷、热胁迫以及接种大丽轮枝菌均可以导致部分陆地棉CRK基因表达水平的改变。GhCRK25在根、茎、叶和胚珠中优势表达,在纤维中几乎不表达,ABA、GA3、SA、PEG-6000、氯化钠和大丽轮枝菌Vd991处理均能刺激GhCRK25迅速上调表达。应用病毒诱导的基因沉默技术（VIGS）沉默GhCRK25可导致棉花对大丽轮枝菌Vd991更为敏感。【结论】陆地棉CRK基因家族有70个成员,具有保守的基因结构和功能结构域,多样化的组织表达特征,大多数基因受激素和逆境调控。