甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因的鉴定及功能性研究

液泡是调控植物细胞分化、生长发育的重要部位,AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因调控植物液泡内外离子平衡、离子运输以及能量供应。本研究利用功能已知的拟南芥AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因为参考序列在甘蓝型油菜全基因组数据库、NCBI植物基因组注释数据库等鉴定并筛选出9个BnaAVP1、3个BnaVHA-a2和4个BnaVHA-a3,并分析基因拷贝数变异、分子特征、跨膜结构域、保守基序、染色体定位、系统进化树构建、蛋白二级结构及三维结构预测、高通量转录组测序等。发现甘蓝型油菜BnaAVP1和BnaVHA-a3的基因数量明显多于甘蓝和白菜;甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3蛋白属于由酸性氨基酸组成的稳定蛋白;系统进化选择能力的分析表明,甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3家族基因与甘蓝、白菜关系相近。转录组测序表明,低氮处理后,BnaAVP1s基因主要在地上部表达,且低氮3h后地上部表达下调,低氮处理72h根中表达量上调;BnaVHA-a2s和BnaVHA-a3s基因在地上部和根中均有表达,BnaVHA-a2s在低氮处理72h后表达量基本呈上调趋势,BnaVHA-a3s在低氮3h后基本呈下调趋势。低磷处理后,BnaAVP1s根中大部分基因表达上调,地上部表达基本无差异;BnaVHA-a2s表达基本无差异;BnaVHA-a3s地上部和根中均基本为上调趋势。该结果为进一步研究甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因生物学功能及AVP1、VHA-a2和VHA-a3蛋白水解ATP提供能量供植物代谢的分子机制奠定基础,为已知大量数据的其他物种家族基因生物信息学研究提供参考。     

香蕉TCP家族的全基因组鉴定及对低氮胁迫的响应

TCP(Teeosinte branchedⅠ,Cycloidea,Proliferating cell fatcors 1和2)是含有一个高度保守非典型的bHLH(basic-Helix-Loop-Helix)保守结构域的植物特有转录因子基因家族之一,参与调控植物生长发育和非生物胁迫响应等生理过程。为了探究香蕉(Musa acuminata)TCP基因家族对低氮胁迫的响应,本研究从全基因组的分布、蛋白质理化性质、保守结构域等生物信息学方面阐述了香蕉MaTCPs基因家族成员的基本特征,并且对香蕉叶片和根在低氮胁迫下的MaTCPs基因家族成员的表达模式进行了分析。结果表明,香蕉TCP转录因子家族共包含48个成员,可分为ClassⅠ(PCF)和ClassⅡ(CYC/TB1和CIN)两个亚家族,所有成员均定位于除Chr.09和chrUn_random以外的染色体上,且存在多个串联重复基因对。在低氮胁迫下,香蕉MaTCPs基因家族大部分基因表达量上调,且在不同的组织中表达模式不同。同一亚家族基因在根和叶中表现出一致的表达模式。这些结果表明Ma TCPs家族成员可能参与了香蕉对于低氮胁迫的响应。本研究将为香蕉低氮胁迫的机制研究和香蕉TCP转录因子家族的功能分析提供理论基础,为香蕉抗逆育种提供参考。     

盐、低磷以及干旱胁迫下乌拉尔甘草根转录组分析

对乌拉尔甘草根进行转录组测序分析,挖掘响应盐、低磷和干旱胁迫的相关基因,探讨甘草抵御逆境胁迫的分子机制。以150 mmol/L NaCl模拟盐胁迫、10μmol/L KH₂PO₄模拟低磷胁迫和15%聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫处理下的乌拉尔甘草根作为研究材料,应用Illumina HiSeq 2000测序平台对根进行转录组测序,对测序结果进行基因功能注释分析和差异表达基因(DEGs)筛选。分别获得盐、低磷和干旱胁迫处理下甘草根中4 294、3 201和4 719个DEGs。GO富集结果表明,3种逆境胁迫下甘草根中的DEGs均显著富集到细胞过程、代谢过程、刺激响应、细胞、细胞器、催化活性等功能过程中;KEGG途径富集分析表明,3种胁迫处理下的DEGs显著富集的代谢途径主要涉及基因表达调控、生物合成及代谢、信号转导等。转录因子鉴定结果显示3种胁迫处理下差异表达数量最多的转录因子主要来自ERF、bHLH、MYB-related、WRKY、Dof、NAC等转录因子家族;基因表达水平分析显示,参与植物激素代谢及信号转导相关的DEGs在盐胁迫...     

氮代谢参与植物低氮胁迫研究进展

环境的日益恶化迫使人们放弃高肥生产的观念,转向低肥绿色环保生产的理念。本文主要从低氮胁迫下氮代谢相关的酶、氮素同化途径、初级代谢、次级代谢以及氮代谢相关基因五方面综述了植物体内不同的代谢水平、形态、生理和分子响应,探讨了不同生长阶段植物的耐低氮策略,阐述了氮利用效率(NUE)相关的酶及其调控过程抵御氮胁迫过程中的作用机理。本文提出今后可针对不同植物或同一植物的不同生长期的低氮耐受差异,以及关键基因表达产物之间的关系,从多学科、多角度系统全面的研究植物在低氮胁迫下的分子响应机制,为氮代谢参与植物低氮胁迫研究提供理论参考。     

甘蓝型油菜PIN家族基因的鉴定与生物信息学分析

PIN家族基因是一类调控植物生长素极性运输的重要载体元件, PIN基因编码生长素输出蛋白, 介导生长素在植物体的运输, 然而在基因组较复杂的甘蓝型油菜中缺乏系统研究。本研究运用生物信息学方法在甘蓝型油菜全基因组数据库筛选甘蓝型油菜PIN家族基因, 对鉴定出的29个BnPINs基因开展拷贝数变异、分子特征、跨膜结构域、保守基序、染色体定位、系统进化树构建、PIN蛋白二级结构及三级结构预测等研究, 结合高通量转录组测序进行低氮胁迫下的转录水平分析。结果表明, 甘蓝型油菜PIN家族基因拷贝数明显多于拟南芥、甘蓝和白菜所具有的PIN家族基因数量; BnPINs蛋白多属于由碱性氨基酸组成的稳定蛋白, 含有保守的N末端结构域, 二级结构与拟南芥PIN蛋白相似; 系统进化选择能力分析表明, BnPINs基因与甘蓝和白菜PIN家族基因进化关系相近。转录组测序表明, BnPIN1s、BnPIN2s、BnPIN3s基因主要在甘蓝型油菜根部表达且受长期低氮(72 h)诱导, BnPIN6s和BnPIN8s基因主要在地上部表达, 低氮会抑制BnPIN6s表达。本研究结果为进一步研究甘蓝型油菜PIN家族基因生物学功能尤其是在响应低氮胁迫中的功能奠定基础, 为已知大量数据的其他物种家族基因生物信息学研究提供参考。     

在低氮肥胁迫下马铃薯MYB转录因子的特征分析

MYB转录因子对调控植物生长发育和抗逆等多种生理反应发挥着重要作用。为探究MYB转录因子对马铃薯低氮肥胁迫的调控作用,对马铃薯苗期进行了低氮肥胁迫处理后,分别取根和叶片进行转录组测序,进而对有差异表达的MYB转录因子家族基因进行生物信息学分析。结果表明,36个MYB转录因子基因在根和叶片中显著性差异表达,且对应启动子区域的激素相关调控元件也呈现出差异的组成与分布;其中6个候选的响应低氮肥胁迫MYB转录因子与拟南芥中主要参与抗逆的MYB转录因子存在较近亲缘关系。基于对马铃薯MYB转录因子的研究,推测这6个表达差异的MYB类转录因子基因可作为马铃薯响应低氮肥胁迫的重要候选基因,可为后续研究氮高效马铃薯新品种提供理论依据。     

基于RNA-Seq筛选高粱低氮胁迫相关候选基因

研究低氮胁迫条件下不同高粱材料间的基因差异表达,为耐低氮型高粱品种选育和耐低氮胁迫的分子机制探究提供参考。选取2个耐低氮型高粱(BSX44和BTx378)为试验材料,设置正常和低氮胁迫2个处理,利用RNA-Seq技术对高粱苗期、抽穗期和开花期的基因表达进行分析,通过生物信息学对差异基因的生物学功能和代谢途径进行研究,筛选可能参与低氮调控的基因,了解氮高效基因型在氮素吸收利用过程中可能的分子途径。结果表明,在正常和低氮胁迫下, BTx378和BSX44在苗期分别筛选出937个和787个差异表达基因,抽穗期分别筛选出1305个和935个差异表达基因,开花期分别筛选出1402个和963个差异表达基因。对3个时期的差异表达基因进行鉴定,发现在苗期、抽穗期和开花期分别有246、371和306个基因在2个耐低氮高粱品种中共同差异表达,有28个基因在2个耐低氮品种的不同生育时期均差异表达,其中有5个基因上调表达,23个基因下调表达;对共同差异表达基因的KEGG相关代谢通路富集分析,发现主要集中在氮代谢、丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代谢、甘油磷脂代谢、氨基酸的生物合成等途径,表明耐低氮型高粱可能通过这些途...     

NaCl对不同抗性水稻氮代谢及相关基因表达的影响

为了探究盐胁迫下不同抗性水稻氮代谢的变化,以抗性品种东稻4号、盐敏感品种日本晴为材料,测定NaCl胁迫下水稻根和叶中氮含量、氮代谢相关酶活及相关基因表达的变化。结果表明,0.3%的NaCl胁迫后水稻根和叶中NO^-₃含量、硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、依赖NADH的谷氨酸合酶(NADH-GOGAT)活性均有不同程度的下降,而NH⁺₄含量、依赖Fd的谷氨酸合酶(Fd-GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)、天冬氨酸转氨酶(AST)活性均升高,东稻4号氮含量及氮代谢酶活性比日本晴稳定,根和叶中变化一致。检测氮转运及代谢相关基因表达发现,硝酸根转运蛋白基因OsNRT1;1、OsNRT1;5、OsNRT1;8、OsNRT2;1,铵转运蛋白基因OsAMT1;1、OsAMT1;2及谷氨酰胺合成酶基因OsGS1;2、天冬氨酸转氨酶基因OsAS盐胁迫后在2个品种中均升高,在高表达部位升高显著;谷氨酸合酶基因OsFd-GOGAT在两品种叶中升高显著,根中稍有下降;谷氨酸合酶基因OsNADH-GOGAT和谷氨...     

高油酸油菜脂肪酸代谢的蛋白质组学与转录组学关联分析

为了解高油酸油菜脂肪酸代谢的调控机理,以一组高油酸近等基因系自交授粉后20~35 d的种子为材料,进行同位素相对标记技术与绝对定量技术关联转录组分析。结果表明:蛋白质组和转录组相关性并不高,定量蛋白和基因关联系数为-0.326 9;变化趋势相反差异蛋白和基因的表达关联系数为-0.735 8;变化趋势相同差异蛋白和基因的表达关联系数为0.714 3。此外,鉴定出与差异蛋白表达趋势相同的差异基因80个,GO注释表明,这些基因涉及代谢、信号转导、防御与胁迫应答、氧化还原、转录等方面的功能,其中与脂肪酸代谢过程相关的有23个,上调表达16个,下调表达7个。gi|297330358(庚二酰ACP甲基酯的羧酸酯酶)、gi|297321940(磷酸化酶)、gi|297314818(乙酰胺、甲酰胺酶家族)可能在高油酸油菜脂肪酸代谢中发挥重要作用。证明蛋白质组学与转录组学关联分析能够对研究高油酸油菜脂肪酸代谢机制提供新思路。     

氮素缓解花生干旱胁迫的生理和转录调控机制

干旱胁迫下氮素施用对植物生长发育具有重要的影响。为明确氮素提高花生抗旱性的生理和转录调控机制,本研究对施氮、干旱及旱氮同存处理下的花生生理指标和根系转录组进行了测定。结果表明,旱氮同存处理提高了干旱胁迫下花生生物量和叶片相对含水量。施用氮肥增加了干旱胁迫下花生根系的总酚和类黄酮含量,提高其过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,降低其丙二醛(MDA)含量,提高花生抗旱性。转录组分析表明,施用氮肥产生5396个差异表达基因,这些基因主要参与谷胱甘肽代谢、氮代谢和碳代谢相关过程及应激和防御反应。干旱处理和旱氮同存处理下,次生代谢物生物合成、运输和分解代谢及碳水化合物运输和代谢这两类功能差异表达基因富集。旱氮同存处理下酚类代谢物质相关的3种途径中有51个差异基因上调表达, 207个基因下调表达。由此表明,施用氮肥通过调控花生次生产物代谢、碳水化合物代谢等途径提高干旱胁迫下花生植株的抗氧化能力,从而提高花生的抗旱性。     

甘蓝型油菜NRT1.5和NRT1.8家族基因的生物信息学分析及其对氮-镉胁迫的响应

植物对硝酸盐的吸收和转运需要硝酸盐转运体(nitratetransporters,NRTs)的协助。在拟南芥中,硝酸盐的长途转运及其在根部和地上部的分配,主要受NRT1家族的两个成员NRT1.5和NRT1.8的协同调控,且两者的表达均受到硝酸盐的强烈诱导。本文以AtNRT1.5和AtNRT1.8基因序列为基础序列,采用生物信息学方法鉴定了白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中NRT1.5和NRT1.8同源基因,并对基因结构和分子特性、基因拷贝数变异、基因染色体分布、系统进化树、蛋白保守序列比对和跨膜结构域、基因响应低氮和镉胁迫的转录组测序以及基因共表达网络进行了分析。结果表明,白菜、甘蓝及甘蓝型油菜中NRT1.5和NRT1.8蛋白均含有保守的跨膜结构域和保守基序(F-Y-L-A-L-N-LG-S-L),属于MFS (major facilitator superfamily)超家族的小肽转运体PTR (peptide transporter)家族。转录组测序结果表明,甘蓝型油菜低氮处理72 h,根部NRT1.5基因的表达丰度上调而抑制NRT1.8的表达;镉处理条件下,乙烯/茉莉酸-硝酸盐转运体介导的信号途径能够促进NRT1.8表达上调而抑制NRT1.5的表达,从而使更多的硝酸盐从地上部运输到根部,提高植物抗镉胁迫的能力。本研究为进一步了解甘蓝型油菜NRT1.5和NRT1.8家族基因的生物学功能及其对氮-镉胁迫的响应奠定基础,同时为NRT1.5和NRT1.8家族基因在其他物种中的生物信息学研究提供参考。     

氮胁迫对甜菜幼苗生理以及相关NRTs基因表达的影响

为了深入研究缺氮环境下甜菜(Beta vulgaris L.)的氮利用调控机制,并为利用分子育种以及基因工程途径提高植物的氮利用率奠定基础,本研究以甜菜幼苗‘780016B/12优’为试材,通过对其施加低氮和缺氮逆境胁迫,利用表型观察、叶绿素含量的测定以及相关基因和酶活性的应答变化分析,来研究甜菜植株在生理以及分子方面的应答机制。研究结果表明,甜菜叶片由于缺氮而表现出局部变黄,并且SPAD值显示,叶绿素含量随逆境时间呈下降趋势。qPCR表明,BvNRT2.1和BvNRT3.2基因均受到低氮和缺氮胁迫的诱导,且它们在根部的表达量要高于叶中,BvNRT2.1基因对逆境的应答更为显著。同时,随着胁迫时间的增长,甜菜体内的硝酸还原酶活性逐渐下降,但叶片中该酶的活性始终要高于根中。因此可以得出结论,低氮或缺氮逆境对甜菜幼苗的光合作用、硝酸还原酶活性造成了较为严重的影响,从而导致其生长在一定程度上受到抑制。可以推断,为了适应氮胁迫环境,甜菜自身可能通过上调硝酸盐转运蛋白基因的表达等途径来直接或间接的补偿由于环境氮缺乏或低氮造成的营养缺失,以抵御逆境伤害。     

ACC处理对不同基因型玉米幼苗响应氮素供给的调控效应

乙烯对玉米生长发育与形态建成具有重要调控作用,但乙烯对玉米氮素吸收与积累调控效应缺乏深入研究,局限了乙烯在玉米丰产高效栽培中的应用。本研究以郑单958、瑞福尔1号和德美亚3号3个玉米品种为试验材料,比较研究不同基因型玉米植株对氮素供给的响应差异,结合外源添加乙烯合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylicacid,ACC),分析乙烯对不同基因型玉米氮素吸收的调控效应。研究结果表明,在低氮条件下,氮素敏感型品种(德美亚3号和瑞福尔1号)比郑单958叶片缺氮表型明显,对ACC处理敏感,而且ACC处理抑制玉米植株地上和地下部的生长和干物质积累;ACC处理抑制了低氮下叶片叶绿素合成,降低叶片可溶性蛋白积累,促进玉米叶片早衰,其中ACC处理郑单958叶片叶绿素和可溶性蛋白含量均显著高于德美亚3号和瑞福尔1号;进一步研究发现,低氮处理抑制乙烯合成关键酶基因ZmACS7和ZmACO15的表达,降低乙烯含量,ACC处理促进低氮条件下ZmACS7和ZmACO15基因的表达,提高乙烯含量;低氮处理抑制玉米根系中ZmNRT2.1表达,但ACC处理促进低氮下玉米根系中ZmNRT2.1表达,其中郑单958根中ZmNRT2.1表达在低氮条件下显著高于德美亚3号和瑞福尔1号。研究结果表明乙烯通过调控玉米植株乙烯合成关键酶基因和ZmNRT2.1表达,调节了氮素吸收与分配,影响了植株生长,其中氮素敏感性品种比持绿型品种对乙烯更为敏感。     

活性炭促进玉米幼胚离体培养幼苗生长与发育的转录组分析

以玉米自交系昌7-2为试材,比较了14 d龄幼胚在MS和MSA(MS加活性炭)培养基上离体培养9 d的幼苗生长情况,并利用转录组测序技术分析了2种培养基上的玉米幼苗地上部和地下部的基因表达差异。结果表明,活性炭可以显著促进玉米幼苗的生长与发育。活性炭主要影响地下部基因表达。加入活性炭后,幼苗地下部表达上调的基因有1612个,下调的基因有530个;幼苗地上部表达上调的基因有69个,下调的基因有78个。GO功能显著性分析表明,地下部差异表达基因(DEGs)主要涉及DNA包装、DNA包装复合体和水解酶活性,地上部DEGs主要涉及脂类代谢、胞外区和过氧化物酶活性。KEGG富集分析表明,地下部DEGs主要涉及能量、碳水化合物、脂类和氨基酸代谢,以及细胞周期和植物激素转导途径;地上部DEGs主要涉及泛醌和其他萜-醌类物质合成途径。活性炭促进细胞周期途径中的关键基因(CYC、CDH1、MCM3、PCNA2和BUBR1)、生长素信号传导基因(Aux/IAA)以及细胞色素基因(CYP450)显著上调表达。利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证了10个DEGs的表达模式与转录组测序结果一致,证实了转录组数据与分析的可靠性。     

锌胁迫下甘蓝型油菜发芽期下胚轴长的全基因组关联分析

锌(Zn)是重要的微量元素之一,但土壤中过量的锌累积会影响植物的生长发育。本研究以不同遗传来源的140份甘蓝型油菜为材料,利用芸薹属60K SNP芯片对锌胁迫下(30 mg L-1)甘蓝型油菜发芽期相对下胚轴长(RHL)进行全基因组关联分析,筛选与甘蓝型油菜发芽期下胚轴长度显著关联的SNP位点及候选基因。群体结构分析表明,供试的140份甘蓝型油菜被分为2个亚群,其中89%材料间亲缘关系小于0.1,说明供试群体材料亲缘关系比较远。GWAS分析共检测到8个与RHL显著关联的SNP位点,单个SNP位点分别可解释22.0%~33.2%的表型变异。转录组分析获得的差异基因GO富集分析结果表明,上调表达基因主要参与氧化还原反应、离子转运、胁迫反应、防御反应和硫化合物转运。综合全基因组关联分析和转录组测序结果,共鉴定到19个与锌胁迫相关的候选基因,包括编码锌指蛋白家族成员(B-box型和ZFP1)、谷胱甘肽转移酶GSTU21、过氧化物酶家族蛋白、ABC和MFS转运蛋白及细胞壁相关激酶蛋白和一些重要的转录因子(BnaA07g27330D、BnaA02g30270D、BnaA07g27840D、BnaA07g31860D和BnaA07g28000),为深入解析油菜锌胁迫分子机制提供了参考。     

陆地棉钾转运体基因GhHAK5启动子的克隆与功能分析

KUP/HAK/KT钾转运体基因的转录调控是植物响应低钾胁迫的一项重要机制。克隆和分析棉花钾转运体基因的启动子,不仅有助于了解其表达模式及调控机制,对于改良棉花的钾吸收特性也具有重要意义。陆地棉钾转运体基因GhHAK5是一个在根中特异性高表达的基因,其表达受低钾胁迫诱导,目前关于该基因启动子的功能还不清楚。本研究以陆地棉品种百棉1号为材料,通过PCR方法对GhHAK5上游2000bp启动子片段(pGhHAK5)进行克隆,并通过转化拟南芥、GUS组织定位和低钾诱导表达特性分析来研究其功能。结果表明, pGhHAK5除具有TATA-box和CAAT-box等基本顺式作用元件外,还含有多个响应于光、逆境胁迫、植物激素和生物钟等的顺式作用元件。pGhHAK5与雷蒙德氏棉pGrHAK5在重要调控元件的数量和位置分布上具有较高的一致性,均具有5个参与根特异性表达调控的元件(ATAAAAT)和1个参与低钾条件下转录调控的ARF转录因子结合位点(TGTCNN)。GUS组织化学染色结果显示,转基因拟南芥幼苗的叶脉和胚轴维管束组织染色较深,根系染色较浅;成熟期转基因拟南芥植株的根、叶脉和花萼维管束组织染色...     

大豆GmNRT1.2a和GmNRT1.2b基因的克隆及功能探究

拟南芥中硝酸盐的吸收、转运和分配是通过硝酸盐转运蛋白(nitrate transporter, NRT)实现的。尽管之前的生物信息学分析推测大豆GmNRT1.2s可能参与共生固氮过程,但尚未开展相应的功能研究。本研究通过对其表达模式分析収现,GmNRT1.2a和GmNRT1.2b分别在根和叶中高表达,且受硝酸盐诱导,在接种根瘤菌与结瘤因子(nodfactors,NFs)后表达量明显升高。功能研究结果显示,过表达GmNRT1.2a或GmNRT1.2b后大豆根瘤数目显著增加。本研究为深入探究GmNRT1.2a和GmNRT1.2b调控大豆共生固氮过程的分子机制提供了一定的数据支持。