陆地棉Nudix基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】Nudix是一类能够催化各种核苷二磷酸衍生物水解的酶,具有维持遗传物质稳定,响应逆境胁迫等生物学功能。本研究旨在对陆地棉Nudix基因进行全基因组分析,为深入研究Nudix基因家族参与棉纤维生长发育调控机制提供参考。【方法】通过生物信息学方法对陆地棉基因组(ZJU＿v2.1)的Nudix基因进行全基因组鉴定,并系统分析Nudix基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达情况。【结果】从陆地棉基因组中共鉴定到76个Gh Nudix基因,经聚类分析将其分为7个亚组(CladeⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)。基因复制分析表明,片段重复是陆地棉Gh Nudix基因家族成员扩增的主要原因。转录组数据表明GhNudix基因的表达不但有组织特异性而且有时间特异性。其中在纤维发育的起始和伸长阶段高调表达的GhNudix基因主要分布在CladeⅠ和Ⅱ;且大部分CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因启动子含有响应生长素和赤霉素的顺式作用元件,由此推测CladeⅠ和Ⅱ亚组的GhNudix基因在陆地棉纤维的起始和伸长阶段发挥作用。【结论】陆地棉GhNudix基因家族的全基因组鉴定和分析,为后续研究其在棉纤维发育中的作用机制提供参考。     

陆地棉Dof基因家族的全基因组鉴定及分析

【目的】单锌指DNA结合蛋白(DNA binding with one finger, Dof)是1类植物特有的转录因子,在植物生长发育与非生物胁迫响应中发挥非常重要的作用。本研究旨在对陆地棉Dof转录因子家族进行全基因组分析,为深入研究Dof基因参与植物生长发育的调控机制提供参考。【方法】基于最新发布的陆地棉基因组数据,利用生物信息学手段对陆地棉Dof基因家族进行全基因组鉴定,并系统分析Dof基因家族成员的理化性质、序列特征、基因复制、系统进化和表达谱。【结果】陆地棉中一共鉴定出118个Dof基因。经聚类分析将其分成9个亚家族,同一亚家族的陆地棉Dof基因有相似的内含子/外显子和基序分布模式。基因复制分析表明,全基因组复制可能导致陆地棉Dof基因的扩增。陆地棉Dof基因启动子区域存在不同植物激素和逆境胁迫响应元件。转录组分析表明,陆地棉Dof基因在不同的组织、发育时期和逆境胁迫下聚为3个表达模式不同的类群,暗示了其功能多样性。【结论】陆地棉Dof基因家族的全基因组鉴定和分析,有助于了解其进化和功能,为后续研究提供重要参考。     

陆地棉REM基因家族全基因组鉴定及表达分析

[目的]REM(Reproductive meristem)基因家族编码一类转录因子在植物生长发育过程中发挥重要作用,但在棉花中未见报道.[方法]基于陆地棉基因组数据和公共数据库中的转录组数据,运用生物信息学方法对陆地棉REM基因家族成员进行系统鉴定,并对该基因家族的理化性质、基因结构、组织表达特异性以及胁迫条件下的表...     

陆地棉纤维起始期优势表达基因GhCRPK1的克隆及功能研究

[目的]研究陆地棉类受体激酶GhCRPK1(Cold-responsive protein kinase 1,CRPK1)在棉花纤维发育中的功能.[方法]以陆地棉全基因组关联分析(Genome-wide association study,GWAS)数据及陆地棉纤维发育不同时期的表达数据,筛选到GhCRPK1在棉花纤维...     

陆地棉SKS基因家族全基因组特征分析与GhSKS13抗黄萎病功能解析

鉴定陆地棉SKS基因家族成员，解析其演化规律，为棉花抗性育种提供新的候选基因。基于已公布的陆地棉遗传标准系TM-1基因组数据，以陆地棉品种中棉-14为试验材料。通过生物信息学对陆地棉SKS家族成员进行全基因组鉴定，并对其家族成员的染色体分布、进化关系、基因结构、共线性关系等进行预测分析。通过实时荧光定量聚合酶链式反应分析GhSKS13的表达模式，并利用病毒诱导的基因沉默技术初步探究陆地棉SKS13在棉花抵御大丽轮枝菌过程中的功能。共鉴定到48个陆地棉SKS基因，不均匀分布于陆地棉19条染色体上，聚类分析分为5个亚组，基因序列具有较高保守性，共线性关系分析显示，陆地棉SKS基因家族受到纯化选择。组织模式表达分析显示，GhSKS13在陆地棉根组织中优势表达，并且受大丽轮枝菌诱导显著上调表达。GhSKS13沉默植株对大丽轮枝菌抗性减弱，同时抑制病程相关基因GhPR1、GhPR2、GhPR3和GhPR5表达。大丽轮枝菌入侵GhSKS13沉默植株，其过氧化氢(H₂O₂)沉积明显低于对照，暗示GhSKS13促进活性氧(ROS)的形成。总之，明确了陆地棉S...     

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。     

陆地棉植物络合素合酶基因的鉴定与功能预测

【目的】重金属胁迫对植物的生长发育有不良影响,植物络合素合酶(Phytochelatin synthase,PCS)在植物主动防御金属毒害过程中起关键作用。本文旨在对陆地棉PCS基因的数量、结构、分布和特性进行研究。【方法】根据棉属陆地棉(Gossypium hirsutum,(AD)_1),以及供体种雷蒙德氏棉(G.raimondii,D_5)和亚洲棉(G.arboreum,A_2)全基因组序列信息,结合双子叶模式植物拟南芥PCS蛋白特征域结构,对陆地棉PCS基因家族成员进行全基因组鉴定,并对其进行蛋白特征鉴定、同源类别分析、基因结构预测、酶作用位点比对以及半胱氨酸(Cys,Cysteine)分布分析。[结果]陆地棉中鉴定出4个PCS基因,而在其供体种雷蒙德氏棉和亚洲棉各鉴定出2个PCS基因。3个棉属8个PCS蛋白家族成员均含有2个特有的结构域,与催化中心相关的氨基酸位点完全保守。PCS蛋白家族在进化上分属2个不同亚组,亚组Ⅰ与亚组Ⅱ在亲缘关系上分别更接近双子叶植物和线虫,2个亚组内PCS家族在基因结构、Cys分布上存在差异,其中亚组Ⅰ较亚组Ⅱ整体内含子更长,N端Cys总数和成对Cys数量更多。雷蒙德氏棉中的2个旁系同源基因外显子完整性不及亚洲棉和陆地棉。【结论】相较于亚组Ⅱ,亚组Ⅰ的棉花PCS蛋白可能具有更强的植物络合酶活性,且陆地棉及其供体种亚洲棉对重金属的耐性强于雷蒙德氏棉。本研究为进一步研究棉花PCS的功能,以及棉花耐重金属胁迫品种改良提供理论依据。     

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。     

陆地棉NF-YA基因家族的全基因组鉴定与功能分析

【目的】通过对陆地棉NF-YA基因家族进行全基因组鉴定,分析其表达特性,鉴定其中与棉花开花相关的基因。【方法】利用生物信息学方法系统分析了其理化性质、基因结构、共线性、Ka/Ks、顺式作用元件和表达模式,实时荧光定量聚合酶链反应(Polymerase chain reaction,PCR)分析表达特征,采用病毒诱导基因沉默技术验证基因功能。【结果】陆地棉中鉴定到29个NF-YA基因家族成员,分为5个亚组,定位在18条染色体上;全基因组复制和片段复制是GhNF-YA基因家族扩张的主要动力;启动子区含有大量光反应的顺式作用元件。GhNF-YA基因家族基因在茎、叶中高表达;12个GhNF-YA基因在早熟品种鲁棉研19号和晚熟品种鲁棉研37号中均在第三至六叶时期表达量较高,并且大部分基因在品种间表达差异显著。沉默GhNF-YA18基因的鲁棉研37号植株比对照提前11 d现蕾,并且该基因在白化期和现蕾期的表达量均低于未沉默对照棉株。【结论】本研究对陆地棉NF-YA基因家族进行了鉴定和表达分析,为进一步研究棉花开花调控的分子机制奠定了基础。     

陆地棉EPSPS基因全基因组分析

当前在NCBI中提交的来源于陆地棉的EPSPS基因有2个,随着陆地棉基因组测序结果的公布,为在陆地棉基因组中全面鉴定EPSPS基因的存在提供了便利条件。从陆地棉异源四倍体标准系TM-1基因组数据库中共搜寻获得4个EPSPS同源基因,这4个基因分别分布在A07、A12、D07和D12亚基因组。从这4个基因的核苷酸序列、氨基酸序列和基因结构的比对,构建进化树的系统发育分析以及基因的转录情况研究来看,定位在A07和D07亚基因组的2个基因属于共线性高度同源基因,定位在A12和D12亚基因组的2个基因也是相同的情况。序列比对结果表明,已经在NCBI中提交的2个EPSPS基因分别是定位在A12和D12亚基因组上的基因,研究结果为定位在A07和D07亚基因组上EPSPS基因的克隆和功能研究提供了基础理论依据。     

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.     

陆地棉KFB基因家族全基因组鉴定与表达分析

【目的】KFB(Kelch containing F-box protein)是普遍存在于各种生物体中含有F-box结构域的一类家族蛋白,参与众多生物过程。本研究旨在开展陆地棉KFB家族基因鉴定和表达分析。【方法】利用生物信息学方法从陆地棉(TM-1)基因组中鉴定KFB家族成员,与已知的拟南芥、水稻、大豆等KFB蛋白序列构建系统进化树;进一步针对第Ⅱ亚族进行基因结构、染色体定位和表达分析。【结果】从陆地棉基因组共鉴定出150个KFB家族成员,进化分析表明这些基因可分为7个亚族。陆地棉KFB第Ⅱ亚族24个基因分布在14条染色体上,有9对直系同源基因;该亚族基因结构简单,半数基因只有1个外显子;qRT-PCR结果表明,该亚族基因具有较为广泛的组织表达模式,但在不同组织的表达存在差异。【结论】这些结果显示陆地棉KFB第Ⅱ亚族基因在进化过程中出现了功能分化。     

Genome-Wide Identification and Expression Analysis of TLP Genes in Gossypium hirsutum L.

[Objective] Thaumatin-like proteins (TLPs) are important pathogenesis-related proteins that function during disease defense-related responses, participating in the defense reactions triggered by several kinds of pathogen infections. A genome-wide analysis of TLP genes could help increase our understanding of their molecular mechanism in response to Verticillium dahliae infections in cotton (Gossypium hirsutum L.). [Method] The TLP family members in the genomes of the G. hirsutum L. were identified and expression analyses of TLP genes in response to Verticillium dahliae inoculation were conducted using bioinformatics and real-time fluorescent quantitative PCR methods, respectively. [Result] In total, 88 TLP genes were identified in G. hirsutum. These TLPs were classified into 10 groups based on their amino acid sequences and a phylogenetic analysis. A gene structure analysis revealed that the number of exons ranges from 1 to 5, and the number of introns ranges from 0 to 4. TLP genes in the same group shared similar structures. Additionally, most TLP proteins contain five motifs that are arranged in the following order: 5, 4, 2, 3 and 1. In total, 87 TLP genes are distributed on 20 of the 26 chromosomes, and 42 and 45 TLP genes are distributed in the A and D subgroups, respectively. The real-time fluorescent quantitative PCR analysis showed that the expression levels of six candidate TLP genes were induced in both tolerant cotton cultivar GZ-1 and susceptible cotton cultivar 86-1, and showed a higher expression in the former. [Conclusion] These results provide a foundation for future studies of the functions and regulatory mechanisms of TLP family genes.     

Genome-Wide Identification and Analysis ofGRGene Family in Cotton

[Objective] Glutathione reductase (GR) gene family is involved in biological processes such as plant growth and abiotic stress response, but its characteristics and functions in cotton have not been known yet. This study aims to explore the role of GR genes in cotton genome evolution and abiotic stress response through the whole genome identification and characterization of GR genes, thus providing a theoretical basis for future studies on the roles of the GR genes in enhancing abiotic stress tolerance in cotton. [Method] The GR genes in Gossypium hirsutum, G. barbadense, G. raimondii and G. arboreum were all identified using bioinformatics software. The physicochemical properties, sequence characteristics, chromosomal location, phylogeny and expression patterns were analyzed. [Result] A total of 18 GR genes were identified. The number of GR genes in G. hirsutum, G. barbadense, G. raimondii and G. arboreum was 6, 6, 3 and 3, respectively. Phylogenetic analysis revealed that GR genes were divided into two sub-groups. The genes in the same subgroup exhibited similar gene structure in relation to exon-intron ratios. The ratios of the non-synonymous mutations (K_a) and homologous mutations (K_s) were all less than 1, indicating that the GR genes underwent strong purification selection during their evolution process. The analysis of the expression patterns of GR genes in upland cotton indicated that all the GR genes responded actively to the stress environment; but under different abiotic stresses, the gene expression patterns were significantly different. [Conclusion] The study explored the evolution and function of the GR gene family in the four cotton genomes, providing a theoretical basis for future studies of cotton GR genes.     

陆地棉蔗糖磷酸合成酶基因家族的鉴定及表达分析

【目的】蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)是调控植物蔗糖代谢合成途径的关键酶,在植物光合产物的积累与分配方面发挥着重要作用,然而棉花中SPS基因的系统研究尚很少开展。本研究旨在对陆地棉SPS基因进行全基因组鉴定,并对它们的表达特性进行系统分析。【方法】基于已公布的陆地棉基因组序列,利用生物信息学和荧光定量聚合酶链式反应(Quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)等方法对陆地棉SPS家族基因的蛋白结构、进化关系、基因结构特征、染色体定位、基因复制和表达特性进行分析。【结果】(1)在陆地棉基因组中,共鉴定到10个Gh SPS基因(Gh SPS1-Gh SPS10);(2)Gh SPS蛋白具有植物SPS家族特有的两个保守的蛋白结构域和3个相对保守的蛋白磷酸化位点;(3)进化分析表明,Gh SPS蛋白可聚为A、B和C共3个亚族,其中A亚族成员最多,包含6个GhSPS蛋白;(4)位于同一亚族的GhSPS基因具有相似的外显子-内含子分布模式,但是外显子/内含子数目在不同亚族间差异很大;(5)GhSPS基因均匀地分布在陆地棉A亚组和D亚组的5条染色体上,片段复制可能导致了GhSPS基因在陆地棉基因组中的扩增;(6)转录组分析表明,不同亚族GhSPS基因具有不同的组织表达模式,A亚族Gh SPS基因在被检测的各个组织均有较高的表达,B亚族GhSPS基因主要在叶片中高表达,C亚族Gh SPS基因主要在纤维、叶片和花瓣中高表达;(7)进一步荧光定量PCR分析表明,GhSPS4在叶片中表达量很高,GhSPS1在叶片和花瓣中表达量较高,Gh SPS7和Gh SPS10在被检测的各个组织均有较高的表达,该结果与转录组分析结果相对一致。【结论】陆地棉SPS基因家族包含10个成员,分布在5条染色体上,可分为3个亚族,不同亚族成员呈现出不同的表达模式,为后续深入解析陆地棉SPS家族基因的功能奠定理论基础。