茄科植物甲基腐胺氧化酶基因进化路径分析

甲基腐胺氧化酶(MPO)是茄科植物中腐胺衍生的生物碱合成途径中重要基因。前人研究表明,MPO基因由DAO基因进化而来,然而其在植物中的完整进化图景未见报道。本研究在全基因组水平上全面鉴定MPO基因所属的CuAO基因的基础上,通过进化分析,构建了植物的MPO基因进化路径。首先,从已报道的MPO、CuAO及DAO基因中均鉴定得到了三个保守结构域;在此基础上,结合BLAST和HMMER,从6个植物基因组中鉴定得到了35个CuAO家族基因。系统发育分析表明,该家族基因分为4个亚家族。亚家族Ⅰ和Ⅱ均为AO基因;亚家族Ⅲ基因功能还未获鉴定,该亚家族基因在烟草属植物中不存在;亚家族Ⅳ基因仅在菊亚纲中发现,其在茄科中进一步分化成DAO基因和MPO基因。本研究表明,MPO基因的起源最早可追溯到AO基因,而其最近的祖先出现于菊亚纲,最终在茄科植物起源后进化得到具有MPO活性的基因,从而整合入尼古丁等腐胺衍生的生物碱生物合成途径。     

茄科植物Ca~(2+)-ATPase基因家族鉴定及分析

Ca~(2+)是响应发育和环境信号的重要信使,Ca~(2+)-ATPase对植物生长发育和抗逆功能具有重要的作用。本研究以茄科植物栽培番茄、潘那利番茄、马铃薯、烟草和辣椒的Ca~(2+)-ATPase为研究对象,鉴定了五个茄科植物共87个Ca~(2+)-ATPase基因家族成员,基因家族成员在茄科植物进化的过程中数量发生明显变化,但成员数与基因组大小和进化没有线性变化关系,同一物种的基因家族成员分布在多条染色体上。该基因家族中有许多成员具有与生长发育相关和抗逆功能相关的顺式作用元件,与抗逆功能相关的顺式作用元件主要存在于ACA亚家族。在番茄中,SLyACA1在冷胁迫和盐胁迫的逆境条件下均表达效果强烈、上调变化明显,SLyACA5和SLyACA6也在两种逆境条件下都产生表达变化,说明这三个基因特别是SLyACA1基因和冷胁迫和盐胁迫相关。本研究为阐明Ca~(2+)-ATPase基因家族在茄科物种中的进化及其功能提供了理论依据。     

陆地棉GRF基因家族的鉴定和生物信息学分析

为了揭示陆地棉生长调控因子(growth-regulating factors, GRF)家族的功能,本研究利用全基因组信息在陆地棉基因组中鉴定了 33个GRF蛋白,并对这些家族成员进行了保守结构域分析、蛋白的基本理化性质分析、进化分析、基因的结构分析、染色体定位、保守基序分析和组织表达模式分析。研究表明,陆地棉GRF均含有QLQ和WRC 2个保守结构域,系统进化分为4个亚家族,基因定位在19条染色体上,基因上有2~19个蛋白编码区域,大多数的基因在柱头、子房和20 d的种子中高量表达。本研究弄清了棉花GRF家族的基本信息,为进一步研究棉花GRF家族成员的功能提供了理论指导。     

菜豆TIFY基因的全基因组鉴定与系统进化分析

TIFY蛋白是植物特异性转录因子,在植物生长、发育和基因调控中具有重要作用。尽管部分菜豆TIFY基因被鉴定与研究,但从基因组水平剖析TIFY基因家族的研究未见报道。结合基因组和转录组学数据,本研究系统剖析了菜豆TIFY基因家族的序列、选择、表达及进化特征。结果显示:18个PvTIFY基因散落分布在9条染色体上,共线性鉴定出6对片段重复基因和1对串联重复基因,同时这些基因被分为6大类群;序列分析表明,菜豆TIFY基因有12种基因结构模式,但有5种保守基序组成模式,这说明保守基序模式更保守;选择压力检测显示,同源基因对均受到负选择作用,显示较高的保守性;表达分析揭示了菜豆TIFY家族基因具有多样化的表达模式,其中同源基因对表达模式发生趋异现象。这些结果为深入研究菜豆TIFY蛋白的生理功能提供了参考。     

大豆PHD家族蛋白的全基因组鉴定及表达特征分析

PHD（Plant Homeodomain Finger）基因家族编码一类锌指转录因子,广泛参与植物的生长发育和逆境应答过程。通过全基因组鉴定获得了95个大豆PHD家族蛋白。通过共线性分析、进化树构建、基因结构和功能结构域鉴定、GO注释分析、不同组织间和非生物胁迫下表达分析等,获得了大豆PHD家族基因复制、家族进化、保守结构域及基因表达等信息。结果表明,大豆PHD基因在家族进化、基因结构和保守结构域上存在较大变异,可能参与Zn ²⁺结合、DNA结合及表观遗传调控等分子过程,参与调控植物生长发育和逆境应答。这些结果为进一步研究大豆PHD家族在生长发育和逆境应答中的生物学功能提供重要线索。     

番茄与马铃薯TIFY家族基因的鉴定与比较分析

TIFY蛋白是一类植物特有的转录因子,在植物的生长发育、信号传导以及胁迫反应中起重要作用。尽管一些模式植物TIFY家族基因已经被鉴定,但在茄科植物中有关TIFY家族基因的研究却很少。本研究利用生物信息学手段分别从番茄与马铃薯中挖掘到21个Sl TIFY和21个St TIFY基因,并系统性分析这些TIFY基因的序列、表达以及进化特性。染色体定位与扩增模式分析显示,番茄和马铃薯的TIFY基因散落分布在不同染色体上,家族成员扩增主要由串联和片段重复产生。序列分析表明:番茄TIFY基因结构被分为12种,马铃薯TIFY基因结构被分为8种;番茄和马铃薯TIFY蛋白共享了保守基序1,其它保守基序显示不同程度基因特异性,保守基序组成模式表现出高度多样化。系统进化分析显示,番茄和马铃薯TIFY蛋白被分为7大类群,同类群内结构与序列相似性较高。选择压力检测表明,番茄的10对同源基因和马铃薯的19对同源基因均受到负选择作用。表达谱结果表明,番茄和马铃薯TIFY基因的表达呈现较高的多样性,这可能与多样化的功能相关。这些研究结果为功能解析番茄和马铃薯TIFY基因提供理论指导。     

烟草NtNCED基因的鉴定分析

脱落酸(abscisic acid,ABA)是植物生长、发育所需的重要植物激素,ABA在植物应对干旱、盐、病原菌等胁迫过程中也起到重要作用。烟草是一种重要的经济作物,尤其对于边远地区更为重要。目前国内外极端气候多发,在烟叶生产中,面临着干旱的影响,NCED基因家族是ABA合成路径上的关键基因。本研究在基因组范围内鉴定了栽培烟草的18个Nt NCED基因。基于系统进化相似性及保守结构域,将18个栽培烟草Nt NCED蛋白分为4组,组Ⅰ含有9个成员,组Ⅱ含有5个成员,组Ⅲ含有3个成员,组Ⅳ含有2个成员。本研究还获得了Nt NCED基因在基因组染色体上的分布情况,分析了Nt NCED基因家族成员进化关系、基因结构及结构域。本研究的结果将为进一步研究栽培烟草中Nt NCED家族的功能提供有价值的分析基础。     

桃TCP转录因子家族的鉴定与分析

TCP基因家族是含有bHLH基序的植物特有转录因子,广泛参与植物的多种生物过程。为了解桃(Prunus persica)中TCP家族的成员和特征,本研究基于其全基因组组装及注释数据,首次在桃基因组中对TCP基因进行了系统鉴定,并进行了染色体定位、蛋白特征、基因结构、进化关系、启动子区域顺式元件分析。结果显示:桃基因组中共有20个TCP家族成员,在7条染色体上均有分布,其推导蛋白的长度、分子量和等电点差异较大。大部分TCP基因不含有内含子,基因结构较为简单。桃TCP基因家族含有植物TCP家族的所有类别,每一类别均含有保守的且能明显区别于其他类别的特征。TCP基因家族的启动子区域含大量光应答、激素响应等顺式作用元件,与该基因家族功能的多样性一致。本研究初步探索了桃基因组中TCP基因家族的特征,为后期该基因家族在桃中的功能验证提供了理论支撑。     

玉米TPP家族基因生物信息学及表达分析

TPP是合成海藻糖的关键酶,广泛存在于各种植株中,可通过影响海藻糖的合成参与调控植株的抗逆体系。分析玉米中TPP家族基因的性质和进化有利于进一步为玉米在逆境中的产量品质提高的研究奠定基础。本研究利用拟南芥的9个TPP家族基因,结合BLAST、Pfam、ExPASy、MEGA 6.0、MEME、TBtools等软件和网站,对玉米TPP家族成员的基因位置、基因结构、蛋白质理化性质、保守基序、系统进化和基因表达模式进行分析。结果显示,根据B73的完整基因组数据,在玉米基因组中共鉴定了26个TPP基因,氨基酸数介于243和1 391之间,均为亲水性蛋白,且64.5%的成员属酸性蛋白。除第10号染色体外,玉米TPP家族基因在其余染色体上均有分布。鉴定了3个保守结构域,结合基因进化和基因结构分析,具有相同motif的基因在进化和基因结构上相对一致。根据基因启动子顺式作用元件分析,ZmTPP11可能与提高植株低温抗性有关,ZmTPP15可能与加速玉米机械损伤愈合有关。通过对玉米TPP基因表达模式分析,发现有5个TPP基因在各组织和发育时期均高表达,而共表达分析和GO富集分析显示与ZmTPPs共表达的基因主要参与应激反应、信号传导、发育过程和生物调节等生物过程。研究结果为进一步研究玉米对逆境胁迫的响应和生长发育提供参考。     

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。     

玉米TCP转录因子家族的全基因组鉴定及表达模式分析

TCP (Teeosinte branched I, Cycloidea, Proliferating Cell Factors 1和2)是一类植物特有的转录因子家族,包含一个高度保守且非典型的螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域,在植物生长发育的不同阶段发挥着重要作用,但在玉米中该基因家族的相关研究报道较少。本研究利用生物信息学方法在玉米全基因组中鉴定TCP转录因子家族成员,并对该家族成员的理化性质、基因结构、染色体定位、进化关系、保守基序及表达模式等进行了分析。结果表明,玉米TCP转录因子家族共包含43个成员,根据系统发育分析可以将其划分为ClassⅠ和ClassⅡ两个亚家族,其中,ClassⅡ亚家族又可以分为CYC-TCP和CIN-TCP两个亚类。玉米TCP转录因子家族蛋白的氨基酸残基数为44～269aa,相对分子质量在5.20～29.54kD,等电点范围在5.04～11.55。基因染色体定位分析发现,玉米10条染色体上均含有TCP基因,且在4号染色体上最多,有8个基因。对该家族基因结构的分析表明,在玉米TCP家族中有66.8%的基因只含有一个外显子,低于拟南芥的82%,表明玉米TCP拥有更加丰富的基因结构。此外,本研究在玉米TCP家族蛋白中共鉴定到20个保守基序,其中有32个TCP蛋白包含motif 1,占总数的74.4%。玉米籽粒RNA-Seq数据分析表明,玉米TCP转录因子家族有26个成员在玉米籽粒中表达,ZmTCP37等基因在不同部位、不同时期均有表达,ZmTCP8等基因在特异部位、特异时期表达。本研究在玉米中鉴定了TCP基因家族基因数量、系统进化关系、保守结构域、在染色体上的定位及玉米籽粒中TCP基因表达模式,为揭示玉米TCP基因家族在玉米籽粒中的功能奠定了基础。     

叶用莴苣NAC基因家族的鉴定与热胁迫表达分析

NAC基因家族是植物特有的一类转录因子家族,在植物响应高温等非生物逆境胁迫中发挥重要作用。本研究通过对叶用莴苣基因组数据库进行查询鉴定,共有99个LsNAC基因,编码NAC蛋白161个。LsNAC基因在1号到9号染色体上均有分布,2个LsNAC基因未能定位在染色体上,其中6号染色体上编码的基因最多,8号染色体上编码的基因最少。叶用莴苣NAC蛋白有着相似的motif组成,分析表明,NAC总共有9个保守的motif,前8个motif分布在保守的N端,只有第9个motif位于序列不保守的C端,而且第9个motif仅存在于9个Ls NAC蛋白中。LsNAC基因的重复性鉴定分析表明,7对为片段重复基因,6对为串联重复基因。系统进化分析表明Ls NACs可以分为6个亚家族,通过对叶用莴苣热胁迫下的转录组数据进行分析,鉴定出13个对热胁迫响应的LsNAC基因,这些LsNAC基因在除第六亚家族之外,在其他五个家族中均有分布,其中第三个亚家族含有的热响应基因最多(4个LsNAC基因),RT-qPCR实时荧光定量分析进一步验证表明10个NAC基因在耐热材料中上调表达,3个下调表达。本研究为今后LsNAC基因在叶用莴苣中的耐热机理研究和相关抗逆育种提供了重要的理论基础。     

水稻YABBY家族的全基因组鉴定与表达分析

YABBY转录因子家族广泛参与植物的生长发育,但在单子叶植物的作用机理有待进一步研究。本研究利用生物信息学方法系统分析了水稻YABBY家族成员。保守性分析表明,水稻基因组中共有8个YABBY成员,不均匀地分布在2、3、7、10和12染色体上,成员之间相对保守,分为四个亚族。进化分析表明,片段复制或全基因组复制是YABBY基因在进化过程中的主要扩张方式,且YABBY家族的分化可能晚于单双子叶植物的分化。启动子和表达分析表明,水稻YABBY家族成员可能在水稻的花器官的发育、多中激素的响应中具有重要的作用。本研究为水稻YABBY基因的功能鉴定提供了理论支持和参考依据。     

鹰嘴豆WOX转录因子基因家族全基因组分析

WOX基因家族是植物中特有的转录因子家族,研究发现该基因家族调控植物生长发育的各个重要环节,本研究将在鹰嘴豆数据库中下载的WOX蛋白序列,利用HUMMER、Smart等软件进行筛选,鉴定出17个WOX基因家族成员,利用信息学方法对这些家族成员的基本信息,包括分子量、蛋白长度、等电点等进行分析,并利用生物信息学软件对鹰嘴豆WOX基因家族进化关系、保守区域、基因结构等进行系统性分析,将鹰嘴豆WOX基因家族分为古代进化支、中间进化支和现代进化支,结构分析表明该家族的全基因组序列是高度保守的,在进化过程中呈多样性。利用荧光PCR技术分析在盐胁迫下,根中WOX基因家族成员在不同时间点的表达情况,发现CarWOX5、CarWOX7和CarWOX11与耐盐胁迫调控密切相关。本研究对鹰嘴豆WOX基因家族进行了全面、系统的生物信息学分析,以期为后续的功能验证研究奠定基础。     

大豆SPL基因家族生物信息学分析

SQUAMOSA启动子结合蛋白样(SPL)转录因子广泛存在于植物中,主要参与植物生长、发育以及多种生理生化过程。为明确大豆SPL基因家族在染色体上的分布、保守结构域、亚族种类、进化关系等,采用生物信息学方法对大豆SPL家族基因进行分析。本研究从大豆基因组数据库中筛选得到43个SPL基因家族成员,系统发育树分析得到5个亚群。保守结构同源性分析发现,SPL基因家族都含有SBP-box的锌指结构和核定位信号。染色体定位发现除14号染色体没有SPL分布外,其他染色体均有不同数量的SPL基因分布。基因加倍、扩张分析表明,大豆SPL基因家族成员之间不存在串联重复,但是存在36对片段重复,表明部分大豆SPL基因可能是由基因重复产生;大豆与拟南芥SPL基因家族之间有29个基因之间存在共线性关系,表明大豆与拟南芥SPL基因家族之间具有较高同源性。本研究对SPL基因家族的进化分析,将有助于理解大豆SPL基因的结构、功能及进化关系,为深入研究大豆SPL基因的功能提供有利的理论依据。     

雷蒙德氏棉和亚洲棉Alfin-like PHD finger家族的生物信息学分析

Alfin-like PHD finger是植物中特有的一类转录调控因子,在调控植物生长发育、非生物胁迫响应及抗病反应等过程中起重要作用。为全面了解Alfin-like PHD finger基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数目、分布情况及家族各成员间的关系,进而研究和揭示Alfin-like PHD finger在棉花抵抗逆境胁迫中的作用。运用生物信息学的方法在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出12个和10个Alfin-like PHD finger基因家族成员,并对家族成员的基因结构、染色体定位、保守结构域及进化关系等方面进行分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉中Alfin-like PHD finger转录因子具有高度保守的DUF3594结构域和PHD结构域,两个二倍体棉花中该家族基因成员之间为一对一关系;雷蒙德氏棉中的12个成员基因分布在5条染色体上,亚洲棉中的10个成员基因也分布在5条染色体上;亚细胞定位预测发现,该家族的基因分别定位于细胞核、叶绿体基质、过氧化物酶体和细胞质基质;根据结构域差异和系统发育分析结果,将Alfin-like PHD finger转录因子家族分为3个进化分支。上述结果为分离鉴定棉花中新的逆境胁迫响应基因提供参考。     

茶树CsADH基因家族的鉴定和表达模式分析

ADH转录因子在植物的生长发育和非生物胁迫响应中起重要的调控作用。本研究基于全基因组数据,从茶树基因组中鉴定到51个ADH基因,对其基因结构、进化关系、保守域、染色体定位进行分析,同时分析它们在PEG诱导的干旱胁迫、盐胁迫和冷处理中的转录组数据。结果表明:51个茶树CSADH基因在茶树染色体上分布不均;根据进化关系将茶树ADH基因分为Ⅱ类;基因结构和保守基序分析发现相同亚家族的基因结构和保守结构域基本一致;基因表达分析显示,CSADH基因在花和果实组织中具有较高的表达水平,部分基因随着叶片成熟度的增加,表达水平升高;不同的CSADH基因在PEG诱导的干旱胁迫和冷处理下存在差异表达,说明CSADH基因广泛参与茶树生长发育和响应非生物胁迫中发挥重要作用。茶树ADH基因家族的鉴定与表达分析,为深入解析ADH基因响应茶树生长发育和非生物胁迫中的功能及分子机制提供理论依据,进一步为茶树抗逆育种提供更多基因资源。     

葫芦科14-3-3(GRF)基因家族的鉴定及进化分析

14-3-3蛋白是植物中一类高度保守的蛋白家族,因其特异识别并结合靶蛋白的磷酸化位点而广泛参与植物生长发育和逆境胁迫响应过程。为系统地了解14-3-3(GRF)基因家族在葫芦科作物中的基本特征和进化关系,本研究利用生物信息学从葫芦科7个物种基因组内共鉴定出83个14-3-3(GRF)基因,其中西瓜中有10个、甜瓜中9个、黄瓜中10个、瓠瓜中9个,3个南瓜属物种基因组各15个。理化特性表明14-3-3(GRF)蛋白的分子量约为30 k D,且大都为酸性氨基酸(pI<7.0)。相对于西瓜、甜瓜、黄瓜和瓠瓜,基因组复制事件是3个南瓜属物种内14-3-3(GRF)基因数目增多的主要原因。进化分析显示,葫芦科14-3-3(GRF)基因家族可进一步被划分为ε类和非ε类亚组,且后者的基因结构(外显子数目,内含子相位)较为保守。本研究结果首次完成了14-3-3(GRF)基因家族在葫芦科作物的鉴定、基因结构、基因家族扩增、共线性及进化分析,为更深入研究该家族基因的生物学功能提供参考。     

植物蔗糖合酶家族基因鉴定及序列和进化分析

蔗糖合酶(SUS)是植物中广泛存在的一种糖基转移酶,而蔗糖磷酸合成酶(SPS)是高等植物体内控制蔗糖合成的关键酶之一。对于SUS与SPS是否来自同一源头,其序列是否存在同源区域,以及其进化路径等,尚未见相关报道。本研究针对这两个酶的基因序列,鉴定得到其保守结构域,在此基础上对相关基因进行了全面鉴定,从而构建了其进化树。从序列上看,这两种酶(SUS,SPS)具有一定的同源性。通过结构域鉴定,SPS1基因的蛋白序列中鉴定得到3个结构域,而从SUS1中鉴定得到2个结构域;由以上结果可知,SUS和SPS属于同一基因家族。通过进化树构建,SUS、SPS家族的基因聚成了两个显著独立枝。因此,SUS、SPS分别属于一个独立的亚家族。本研究为植物糖代谢相关研究提供了基因靶标,为蔗糖代谢和转运相关基因进化机制的研究提供了基础。