陆地棉Pht1家族成员的全基因组鉴定及表达分析

【目的】磷是植物三大必需矿质元素之一,对植物的生长发育至关重要。Pht1家族的磷酸盐转运蛋白在植物磷吸收和转运方面具有重要作用,然而关于该基因的系统研究工作尚很少开展。本研究旨在进行Pht1家族成员全基因组鉴定和表达模式分析。【方法】通过生物信息学的方法对陆地棉Pht1家族成员的基因结构、编码蛋白质的结构、染色体定位、基因复制和表达情况等进行全面分析。【结果】(1)在陆地棉的基因组中共鉴定到17个磷酸盐转运蛋白基因(GhPT),其中A亚组包含8个GhPT,D亚组包含9个GhPT;(2)棉花GhPT蛋白之间序列相似性很高,并均具有12个疏水的跨膜区域;(3)进化分析表明这些GhPT蛋白主要聚为2大组(GroupⅠ和GroupⅡ),位于同一组的GhPT的编码基因大部分具有相似的内含子/外显子分布模式;(4)17个GhPT基因不均匀分布在A亚组和D亚组中的5条染色体上,串联复制和片段复制可能导致GhPT基因在陆地棉中的扩增;(5)表达模式分析表明,GhPT6和GhPT14在根中表达量最高,且同时响应低磷和低钾胁迫诱导并上调表达。【结论】这些结果将有助于深入了解Pht1家族基因的功能及离子信号途径相互作用的分子机制。     

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 Analysis of MIKCC Gene Family in Cotton

[Objective] In plants, floral organ identity and the process of the transition from vegetative to reproductive development is regulated by MIKC^C gene family. Whole genome analysis is helpful to understand the evolutionary history of MIKC^C genes and provides the basis for an in-depth analysis of molecular mechanism of MIKC^C family in flowering and floral organ development in cotton. [Method] Whole genome identification of MIKC^C genes were carried by HMMER 3.0 and pfam gene bias expression and were clustered based on the RNA-seq data. [Result] We identified 100 MIKC^C genes and classified them into 11 subfamilies, according to their phylogenetic relationships to the Arabidopsis and Vitis vinifera MIKC_C genes. According to their expression profiles, MIKC^C genes were classified into four types. The MIKC^C genes of C/D and E subfamily were particularly highly expressed during cotton fiber elongation stage, indicating gene functional differentiation in cotton evolution. 12 of the 100 MIKC^C genes contains miRNA target sites, indicating that the flower development and the transition from vegetative to reproductive development of cotton may be regulated by miRNAs. [Conclusion] This study not only showed the functional differentiation of MIKCC genes in cotton fiber development, but also found that MIKC^C family genes may be regulated by miRNAs in the growth and development of cotton, which provided the useful information for further functional studies of MIKC^C genes in cotton.     

棉花CLE多肽家族的全基因组鉴定与生物信息学分析

【目的】CLE(CLAVATA3/Embryo surrounding region-related)多肽是一类小分子分泌蛋白,在植物生长发育过程中,对于维持分生组织细胞增殖与分化间的平衡起到重要的信号转导和调控作用。CLE家族是迄今为止报道的最大的植物多肽分子家族,也是近十年来研究最为热门的植物多肽激素。尽管CLE基因家族在拟南芥和水稻等模式植物中取得较多的研究进展,但在棉花中有关CLE多肽基因家族的研究尚属空白。通过对CLE多肽家族的鉴定及演化研究,可以为进一步挖掘棉花中的功能多肽及其信号转导研究提供一定的理论基础。【方法】本文以亚洲棉(Gossypium arboreum L.)、雷蒙德氏棉(G. raimondii Ulbrich)、陆地棉(G. hirsutum L.)和海岛棉(G. barbadense L.)为研究对象,利用生物信息学方法和已鉴定的拟南芥CLE基因序列,在棉花基因组中进行同源比对,并对4个棉种中的CLE家族成员进行全基因组鉴定和分析。【结果】共得到148个棉花CLE候选基因。陆地棉和海岛棉中CLE基因数量都分别是亚洲棉和雷蒙德氏棉的2倍。聚类分析将所有CLE基因分为5个亚组。Ka/Ks分析表明大部分基因都经历了负选择作用,有11对基因经历了显著的正选择作用。转录组数据分析发现,除海岛棉中的GbCLE39、GbCLE13、GbCLE43,陆地棉中GhCLE34、GhCLE9以及亚组棉中的GaCLE4外,大部分CLE基因在棉花组织中的表达量较低,这与多肽在植物体内含量较低相一致。CLE核心保守基序分析发现了12个棉花特有的多肽,其中有2个多肽来源于受到强烈正选择作用的基因,因此在后续研究中可以对其进行进一步深入分析。【结论】本文利用生物信息学、比较基因组学等方法,首次对棉花的CLE基因家族进行了鉴定和分析,对于进一步挖掘棉花中的功能多肽及其信号调控网络研究提供了一定的理论基础。     

陆地棉PPO基因全基因组鉴定及对黄萎病菌的响应分析

【目的】多酚氧化酶(Polyphenol oxidases,PPO)广泛参与植物抵抗病虫害等生物逆境胁迫的过程。本研究旨在研究棉花中的PPO基因及其表达模式,验证多酚氧化酶与棉花抗黄萎病的关系。【方法】分析了黄萎病菌V991侵染下异源四倍体陆地棉TM-1根系中PPO酶活力变化,并利用TM-1的基因组数据库,鉴定相关基因,并进行生物信息学和表达分析。【结果】共筛选到13个候选GhPPO基因。这些基因都不含内含子,所编码的蛋白包含2个铜离子结合位点和PPO的保守序列(酪氨酸酶、DWL和KFDV保守结构域)。进化分析显示,陆地棉PPO基因的种内相似性大于种间相似性,并且相互之间形成了多对重复基因。GhPPO的表达量差异较大,少数基因具有组织特异表达的特性,多数基因在棉花不同组织中表达量都很低。实时荧光定量聚合酶链式反应分析结果表明:GhPPO6D在棉花根系中表达量较高,且在黄萎病菌V991侵染后上调。【结论】GhPPO6D可能参与了棉花与黄萎病菌的互作过程,与V991侵染后棉花根系PPO酶活力上升相关。     

陆地棉油菜素内酯信号基因GhBES1家族的鉴定及表达分析

BES1基因是植物激素油菜素内酯信号转导过程中的重要转录因子,为了解陆地棉油菜素内酯信号基因Gh BESI家族,通过对陆地棉异源四倍体标准系TM-1基因组数据库的全面分析和鉴定,获得21个GhBES1基因,这些基因分布在不同的亚基因组,有9对基因在A亚组和D亚组上存在对应关系,AD亚组对应基因序列一致性高于95%。根据进化分析,21个GhBES1基因分为4个亚家族,除了亚家族Ⅲ,其他3个亚家族在拟南芥中均有对应基因;除了亚家族Ⅳ基因和亚家族Ⅱ中GhBES1-1基因外,其他GhBES1基因均有2个外显子。亚细胞定位结果表明,21个GhBES1蛋白主要定位到细胞核、细胞质等部位,其中7对基因的蛋白亚细胞定位完全一致。GhBES1基因在根、茎、叶、顶端分生组织中均有表达,但不同亚家族基因在不同组织中的表达水平存在差异。研究结果为棉花GhBES1基因家族功能的深入研究奠定了基础。     

陆地棉ZF-HD蛋白的全基因组分析

ZF-HD(Zinc finger-homeodomain)蛋白属于同源异型盒蛋白家族,在动植物发育过程中起重要的作用。利用生物信息学的手段,研究陆地棉标准系TM-1基因组中ZF-HD蛋白的数目、亚细胞定位、染色体分布、基序、进化关系和组织表达情况。TM-1中共有35个Gh ZHD蛋白成员,且大部分成员定位到细胞核内;分布在20条染色体和2条Scaffold上,且具有11对直系同源基因;进化树分析表明,TM-1基因组中的ZF-HD蛋白大致分为6个小组,每个小组成员间具有类似的基序类型和排列顺序;大部分Gh ZHD基因在胚珠和纤维组织中表达,还有部分基因在根、茎、花、蕾和分生区中表达,在叶和愈伤组织中表达的基因最少。     

棉花CML基因家族成员鉴定与功能分析

【目的】类钙调素(Calmodulin-like,CML)蛋白是1种重要的Ca2+传感器,在调节植物应激反应机制中起重要作用。对CML基因家族进行全基因组学分析,以便深入研究CML基因在棉花逆境胁迫下的作用。【方法】利用生物信息学的方法进行了棉花CML家族成员的鉴定。利用转录组数据和反转录聚合酶链式反应分析陆地棉(Gossypium hirsutum L.)CML基因在盐胁迫下的表达模式。利用病毒诱导基因沉默技术对GhCML44-2基因进行沉默并进行功能验证。【结果】在陆地棉(Gossypium hirsutum L.)、雷蒙德氏棉(G. raimondii Ulbrich)、亚洲棉(G. arboreum L.)中分别获得了154个、74个、78个CML蛋白。进化树和保守基序分析表明,GhCML蛋白分为8个亚类,都含有保守的EF-hand结构域;在盐胁迫下,107个GhCML基因在叶和根中有显著的差异表达,且在根和叶中的差异表达模式不同。启动子分析表明,这些基因启动子中存在多种不同的胁迫响应元件;利用病毒诱导基因沉默技术成功沉默GhCML44-2的棉株相较于对照更加不耐盐。【结论】该研究结果有助于了解棉花CML基因家族的进化与功能,为后续研究其功能提供了一定的理论依据。     

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。     

玉米miR395基因家族生物信息学分析及靶基因预测

MicroRNA(miRNA)具有调控基因表达的作用,为了揭示玉米miR395基因家族进化规律、表达模式及功能,开展了基因定位、多序列比对、顺式作用元件分析、二级结构分析、靶基因预测及表达模式分析。结果共鉴定到16个成员,且均集中分布在第2号、第10号染色体上;19个碱基完全相同,表明在进化过程中具有高度保守性;具有18个ABRE类顺式作用元件,推测其通过参与调节ABA信号传导,提高玉米抗逆性;多数靶向基因参与硫酸盐同化,初步推测玉米miR395基因家族参与玉米硫代谢;转录组分析发现zma-miR395基因家族中一些成员为下调表达模式。研究结果为后续玉米相关基因的功能解析奠定了基础。     

雷蒙德氏棉和亚洲棉TCP基因家族的生物信息学分析

TCP基因家族是植物中特有的一类转录因子家族,涉及了植物的多种生长途径以及各种生理生化反应的信号传导。为了更好地了解TCP基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数量和分布情况等,通过生物信息学方法,在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出37个TCP基因家族成员,并对TCP家族成员进行基因结构、染色体定位、保守域、进化关系等分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉全基因组分别编码37个TCP转录因子成员。雷蒙德氏棉30个成员基因分布在10条染色体上,亚洲棉37个成员基因分布在13条染色体上;内含子/外显子结构分析表明,TCP基因结构较为简单,大部分不含内含子;功能结构域分析,发现所有TCP转录因子具有高度保守的TCP结构域;根据结构域差异和系统发育分析的结果,将TCP基因家族分成2个亚族,进一步划分为PCF、CIN、CYC/TB1三个亚类。以上结果为进一步研究棉花TCP基因家族各成员的功能奠定一定的理论基础。     

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。     

棉花RAV基因家族的全基因组分析

在二倍体棉花D5基因组(Gossypium raimondii Ulb.)数据库中鉴定出10个RAV基因,分布于4、5、8、9、13号染色体;在二倍体棉花A2基因组(Gossypium arboreum L.)数据库中鉴定出10个RAV基因,与棉花D5基因组的R AV成员的数量和序列具有一一对应的同源关系,推测棉花A、D组的祖先种中可能存在10个RAV基因。对植物R AV蛋白序列做系统发育分析,将R AV成员分为4个组;发现棉花R AV基因可能参与了棉属所特有的基因组多倍化事件的证据。对N CBI中陆地棉(Gssypium hirsutum L.)EST、Unigene数据库做比对统计,得到陆地棉不同组织中R AV基因表达情况;对陆地棉受黄萎病菌胁迫后的荧光定量检测,发现棉花RAV基因与棉花响应黄萎病菌的胁迫相关。     

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。