柚子基因组比较分析以及祖先染色体重构

柚子(Citrus grandis Osbeck)全基因组测序完成为柑橘植物乃至整个芸香科植物提供了研究机会。本研究通过对柚子基因组结构分析,鉴定柚子基因组中存在的由多倍化产生的重复基因,构建了葡萄基因组和柚子基因组之间与多倍化、物种分化相关联的同源共线性基因列表,为柚子基因组进化和基因功能演化提供了重要的比较基因组学数据资源;通过与外类群葡萄保留的同源染色体区域进行比较,发现柚子基因组在多倍化之后发生了大量的片段化重组;利用葡萄基因组保留有较完整的染色体结构相对于真双子叶六倍体(ECH),结合葡萄和柚子基因组之间的同源关系,推断出柚子祖先基因组结构。本研究对理解柚子基因组乃至柑橘植物基因组以及其进化提供了重要的比较基因组学的基础。     

植物NRT2家族的分子进化

为了研究硝酸盐转运子NRT2家族在植物中的进化关系,综合利用共线性信息和序列相似性信息,从8种已经进行过全基因组测序的物种(大白菜、大豆、杨树、葡萄、玉米、水稻、高粱、二穗短柄草)中,搜索拟南芥NRT2的同源基因。通过分析发现,这些基因序列基本都具有MFS超家族的NNP家族基因的典型特征。但单、双子叶植物之间,NRT2的基因结构存在着较大的差异。系统发育重建结果表明,NRT2基因家族的成员主要是在单、双子叶植物分歧后进化产生的;同时,不同植物的NRT2基因又具有不同的进化模式。大白菜NRT2家族经历了基因组三倍化事件及基因片段丢失。因此,拟南芥和大白菜的NRT2家族有较为密切的进化关系,进化分析为利用已有的拟南芥NRT2研究结果进一步在大白菜中开展NRT2的功能研究提供了参考线索。     

小麦祖先种A组/D组与水稻基因组比较分析

为深入研究小麦祖先种乌拉尔图小麦、粗山羊草的遗传基础、分子结构、进化关系,试验将水稻基因组作为参考基因组进行Blast全基因组比较分析,筛选出8 259条长度4 kb以上的水稻同源核苷酸序列用circos软件和mauve软件作图。结果表明,小麦祖先种和水稻中存在大量同源核苷酸序列的同线性和共线性排列;祖先种与水稻基因共线性分析表明,3个物种间存在染色体上的共线性,共线性比例达80%以上,并用基因共线性关系对小麦祖先种染色体进化进行了阐述。     

谷类作物基因结构及其数量的比较

本文综述了谷类作物基因组结构现状,基于水稻和拟南芥全基因组分析以及谷类作物基因组长片段的测序注释表明,谷类作物基因组存在许多嵌合结构,富基因岛重组上活性部分常被高拷贝DNA模块分隔.谷类作物基因组内,具保守的宏共线性.玉米,水稻,高梁,小麦,及大麦的Sh2/A1直向同源区域的基因顺序分析表明,Sh2和A1同系物间隔分别为20kb(在水稻和高梁)和140kb(在玉米);小麦族Sh2/A1区同线性在X1和X2基因间有一个断裂.如同其他禾本科作物,A1和X2基因在部分同源染色体保留共线性,Sh2和X1直向同源依然是共线性,但在非部分同源染色体的位置已改变.植物基因可以通过多倍体化,节段重复及局部基因扩增3种途径增加序列的数量.单个基因内,微共线性常被破坏.对基因组直向同源区段的初步比较分析暗示,植物基因组内基因局部扩增和易位也许有某些关联.     

濒危红树植物莲叶桐叶绿体基因组及其系统进化

对濒危红树植物莲叶桐的叶绿体基因组及与其近缘物种之间的叶绿体基因组进行比较进化分析。结果表明,莲叶桐叶绿体基因组序列全长157 762 bp,包括1个大的单拷贝区(LSC)86 641 bp,1个小的单拷贝区(SSC)18 603 bp和2个反转重复区(IRs)26 260 bp。叶绿体基因组的GC含量为39.3%,含有133个基因,包括83个蛋白质编码基因、42个tRNA基因和8个rRNA基因。17个基因位于反转重复区,包括6个蛋白编码基因、7个tRNA和4个rRNA。登录号为:MG838431。通过最大似然法对16个双子叶植物（包含5个樟科植物、2个腊梅科植物、3个毛茛科植物、1个小檗科植物、1个报春花科植物、1个蔷薇科植物、1个桑科植物,1个安息香科植物以及莲叶桐）和1个外类群植物水稻的叶绿体基因组序列进行聚类分析,莲叶桐与樟科和腊梅科植物聚为一支。聚类结果将莲叶桐科划入樟目,更支持《中国高等植物图鉴》中分类方式。随后对莲叶桐及其近缘种叶绿体基因组进行了共线性分析,进一步验证了其叶绿体基因组之间具有高度保守性。研究结果为莲叶桐的系统进化提供了新的证据。     

杧果FPPS 基因的鉴定和序列分析

法尼基焦磷酸合成酶(Farnesyl Pyrophosphate Synthase,FPPS,EC∶2.5.1.1)是倍半萜合成中的一个关键酶,在植物萜类合成过程中有关键作用。以杧果FPPS基因为研究对象,以拟南芥FPPS基因为参考,通过BLAST方法从番木瓜、金钱橘、甜橙、苹果、小果野蕉、桃子、白梨、葡萄、中华猕猴桃、无油樟基因组数据中获得了FPPS基因,共19条FPPS基因序列,对其进行了系统进化分析和生物信息学分析。系统进化结果显示:双子叶植物纲果树与单子叶植物纲果树关系较远,同是双子叶植物纲的果树关系较近,同科果树亲缘关系更近。生物信息学分析结果显示:氨基酸序列中,酸性蛋白占94.7%,稳定性蛋白占84.2%,有信号肽的蛋白占5.3%,有导肽的蛋白占10.5%,所有蛋白均为有明显跨膜现象的亲水性蛋白;所有FPPS基因亚细胞定位于线粒体中,均有蛋白活性位点。     

水稻L-半乳糖途径相关基因的表达特性

维生素C又称抗坏血酸(AsA),在植物中不仅是重要的抗氧化剂,还具有许多其它重要的生理功能。研究发现L-半乳糖途径是双子叶植物拟南芥AsA合成的主要途径,但单子叶植物水稻中AsA合成的L-半乳糖途径的功能和调控机理还不清楚。通过同源序列比对,在水稻基因组中检索到与拟南芥L-半乳糖途径相关酶的同源基因,通过分析水稻根与叶中及持续光、暗处理下叶片中AsA含量变化及L-半乳糖途径中相关酶基因的表达,初步探究了水稻L-半乳糖途径中调控AsA合成的关键酶基因。     

13种植物actin基因的密码子使用特性分析

[目的]分析13种植物actin基因的密码子组成、密码子偏性及聚类关系,了解其密码子使用模式及影响密码子使用的因素,为深入研究分子进化及物种进化提供参考.[方法]运用CodonW 1.4.4软件分析13种植物的肌动蛋白基因(actin)密码子组成及使用参数,并对影响密码子偏性的因素进行研究.应用MEGA 4.1对13条基因的CDS序列进行聚类分析,采用SPSS 20.0进行密码子偏性的聚类分析.[结果]双子叶植物中actin基因的GC含量为45.0%~51.2%、GC3s含量为36.3%~53.8%,单子叶植物中GC含量为53.0%~58.3%、GC3s含量为60.9%~75.8%;actin基因在单子叶植物中偏爱G/C结尾的密码子,双子叶植物中偏爱A/T结尾的密码子.GC和GC3s与有效密码子数(ENC)呈极显著负相关(P<0.01),相关系数均为-0.906.ENC绘图分析结果表明,actin基因密码子偏性同时受突变和选择压力影响,单子叶植物受选择压力影响的程度大于双子叶植物.基于actin基因密码子偏性的聚类将单子叶植物高粱、玉米聚为一类,水稻、大麦、竹聚为一类,8种双子叶植物聚为一类.[结论]actin基因密码子偏性与碱基组成密切相关,其密码子偏性在单、双子叶植物间存在差异,依据密码子偏性的聚类能在一定程度上反映物种间的亲缘关系.     

水稻SBP基因家族的全基因组研究

【目的】水资源紧缺严重威胁我国的粮食安全,优化水稻的节水抗旱性状是推广旱作农业节水的最为经济有效的方法。Squamosa promoter binding protein(SBP)基因家族是一类具有重要应用价值的植物特异性转录因子,它们可以影响植物的株型、产量和抗逆性,为节水抗旱育种提供了重要资源。然而,SBP家族成员在水稻发育和胁迫响应中的功能目前还未全部鉴定,调控抗逆性研究也未进行。【方法】利用SBP结构域一致性序列搜索水稻基因组,再进行基因结构和系统发育分析、共线性分析及基因表达模式分析。【结果】鉴定出19个SBP-like(OsSPL)基因,分布于10条染色体上,编码蛋白序列长度为217～1 141 aa。基因结构和系统发育分析表明水稻OsSPL基因可分成4组。共线性分析表明,水稻基因组内OsSPL-4和OsSPL-5形成1个串联重复基因簇,11个OsSPL,形成7个跨染色体分布的重复基因对。水稻和拟南芥SPL形成5个同源基因对,与玉米形成45个同源基因对。Evorepro数据库中OsSPL基因表达模式分析表明水稻叶片冷胁迫下OsSPL-1和OsSPL-3表达下调,OsSPL-...     

芒果ANS基因的鉴定及与其他植物的比较分析

花青素合成酶(anthocyanidin synthase,ANS,EC:1.14.11.19)是花青素合成中的一个关键酶。为了鉴定和分析芒果ANS基因,以芒果ANS基因作为研究目标,以拟南芥的ANS基因为参考,通过BLAST方法获得了番木瓜、金钱橘、甜橙、苹果、小果野蕉、桃子、葡萄、龙眼、甜樱桃、枣、石榴、西洋梨、中华猕猴桃、荔枝、无油樟的ANS基因序列,对其进行了系统进化分析、理化性质分析、结构分析等。系统进化分析结果显示,双子叶植物与单子叶植物的ANS基因进化树没有单独形成分支,推测在进化过程中ANS基因的分化在双子叶植物和单子叶植物形成之后;理化性质分析结果显示,酸性蛋白占97.2%、稳定性蛋白占13.9%,有导肽的蛋白占8.3%,所有蛋白均为无信号肽的亲水性蛋白;蛋白二级结构分析结果显示,α-螺旋、无规则卷曲是主要结构元件。说明芒果ANS基因具有稳定的花青素合成酶结构,并与本试验中的绝大多数植物ANS基因具有相似的性质。这为进一步研究芒果ANS基因在花青素合成途径中的作用提供了理论支持。     

双子叶植物VQ基因家族的全基因组鉴定与盐胁迫下的表达模式分析

VQ基因来自植物特有的VQ基因家族,因其在拟南芥的生长发育及胁迫调控中起关键作用而被广泛关注。目前,关于VQ基因家族在双子叶植物中的研究鲜有报道。利用生物信息学的方法,在全基因组水平上,系统地鉴定了拟南芥、番木瓜、葡萄和杨树4种双子叶模式植物的VQ基因家族成员,并从序列属性、进化机制和盐胁迫下基因表达水平等角度分析了VQ基因在物种内和物种间的特征。VQ基因的研究为进一步筛选具有重要性状的功能基因,同时对于物种的进化机制研究具有重要意义。     

芸薹属植物基因组三维结构与进化机制有关

正中国农业科学院油料作物研究所种质资源团队在芸薹属基因组进化方向取得重要研究进展,成功绘制白菜与甘蓝的三维基因组图谱,发现基因组三维结构与其同源基因保留机制存在密切联系,为芸薹属物种的功能基因组研究与分子育种提供了重要理论指导。相关研究成果在线发表于《自然—植物》(Nature Plants)。     

禾谷类作物的比较基因组研究

 水稻是基因组最小的禾谷类作物,饱和遗传连锁图谱的构建,以及在此基础上开展的标记辅助选择和抗病基因克隆,表明水稻基因组研究已经领先于其他禾谷类作物。比较基因组研究表明：小麦、玉米、高粱、谷子和甘蔗的基因组均可由水稻染色体区段重新排列而成，这些区段上DNA标记的排列顺序在各个种之间保留。各种作物基因组大小的差异可能由于各个区段内基因间重复顺序扩增的程度不同所致。根据这些区段在各种作物染色体的排列顺序，有人提出根据水稻染色体区段排列单个原始禾谷类染色体的设想，为深入研究禾谷类作物的进化遗传提出了全新的思路。禾谷类作物基因组之间的共线性有利于在小基因组内克隆大基因组作物的同源基因，使生物技术在作物育种中发挥更大的作用。     

植物UGD基因家族系统发育分析及在棉纤维中的表达分析

尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDP-glucose dehydrogenase,UGD)是植物细胞壁合成的主要前体物质。本研究利用生物信息学方法分析了15个植物基因组中UGD基因家族的基因结构,系统进化,以及其中7个双子叶植物的种内共线性,染色体定位。利用荧光定量PCR方法分析了UGD家族基因在陆地棉棉纤维不同发育时期的表达。结果表明:15个物种中共鉴定出56个UGD基因,可聚为2个进化群,藻类单独成一个群,其他植物构成一个群,各物种均有UGD家族基因的特异进化枝。藻类植物UGD家族均含有内含子。大片段复制是UGD家族基因扩增的主要动力。12个陆地棉UGD基因在棉纤维不同发育时期均有表达,多数基因在20DPA或25DPA基因表达量较高。     

野生蕉ω-3脂肪酸去饱和酶基因FAD7密码子偏性分析

为了解FAD7的密码子使用特性,试验采用CodonW、SPSS19.0、MEGA5.0等软件和EMBOSS在线程序对野生蕉FAD7密码子偏性进行分析,同时与其他单/双子叶植物FAD7和模式生物基因组进行比较。结果显示,野生蕉FAD7密码子偏性水平较弱,密码子组成和结尾偏好使用G或C,而CUC、CAG和AGG等在该基因中具有较高的使用频率;物种间FAD7比较结果发现,单子叶植物FAD7密码子组成明显偏好G或C,而双子叶植物则完全相反;基于密码子使用频率FAD7聚类结果与CDS分类结果一致,均能将单/双子叶植物区分开来;此外,大肠杆菌原核表达受体系统可作为野生蕉FAD7基因异源表达理想试验体系。研究结果为野生蕉FAD7后续结构和功能研究提供了科学依据。     

主要作物中PAL基因家族的鉴定和序列分析

苯丙氨酸解氨酶(PAL,phenylalanine ammonia-lyase[EC:4.3.1.24])存在于各种植物和部分微生物中,是与植物抗病性相关的关键酶,具有重要的植物生理意义。采用BLASTP的方法,依托全基因组数据库,获得了拟南芥[Arabidopsis thaliana(L.)Heynh.]、水稻(Oryza sativa L.)、玉米(Zea mays Linn.)、小麦(Triticum aestivum Linn.)、谷子[Setaria italica(L.)P.Beauv.]、大豆[Glycine max(Linn.)Merr.]6种植物中的PAL基因家族共45条序列,对其进行了系统进化分析、生物信息学分析等。分析结果显示:单子叶植物与双子叶植物分别聚集在不同的分支,说明单子叶植物水稻、玉米、小麦、谷子亲缘关系较近,双子叶植物拟南芥、大豆亲缘关系较近,而单子叶植物与双子叶植物亲缘关系较远,也说明PAL基因的分化在单子叶植物和双子叶植物分化前形成;酸性蛋白质占93.3%,稳定性蛋白占97.8%,有信号肽的蛋白占2.2%,有导肽的蛋白占4.4%,所有蛋白均为有明显跨膜现象的亲水性蛋白;所有PAL基因亚细胞定位于细胞质中,都有蛋白活性位点。分析结果为进一步研究作物中PAL代谢机理提供理论支持。     

贝母属植物叶绿体基因组结构与系统发育的关系

贝母属植物形态相似,难以区分。通过对叶绿体基因组进行分析,可以为贝母属植物的系统发育、分子鉴定和开发利用提供理论依据。我们基于已发表的贝母属物种的叶绿体基因组序列,利用相关生物信息学方法对其叶绿体基因组进行分析。结果显示,贝母属29个物种叶绿体基因组大小在151058～152434 bp。基因数量为128～133个,r RNA编码基因数目稳定,蛋白质编码基因和t RNA编码基因存在差异。四分区分析发现,IRb/SSC边界存在明显差异。串联重复和单核苷酸重复含量最丰富。共线性分析未检测到基因重排,其叶绿体基因组高度保守。基于叶绿体基因组的系统发育分析表明,贝母属植物分为4个主要分支。对贝母叶绿体基因组进行核苷酸多态性分析,发现IR比单拷贝区更保守,非编码区的突变频率比编码区高。     

禾本科植物ITPK基因的进化分析

1,3,4-三磷酸肌醇5/6-激酶(ITPK)是植物磷酸肌醇代谢过程中一种重要的蛋白激酶,在植物感受细胞外刺激和信号转导中起着重要作用。同源性搜索表明在禾本科植物水稻、二穗短柄草、高粱、谷子和玉米基因组中分别具有6、5、6、7和6个ITPK基因;系统发育分析发现5个禾本科物种的祖先中至少存在6个ITPK基因。对6个同源基因簇进行适应性进化分析后发现,有1个同源簇经历了适应性进化。研究结果为进一步研究ITPK基因在禾本科植物中的生物学功能提供了借鉴。     

无刺龙舌兰叶绿体基因组特征及密码子偏好性分析

【目的】分析无刺龙舌兰叶绿体基因组特征及密码子偏好性,为无刺龙舌兰叶绿体相关基因的表达、修饰和物种进化研究提供参考。【方法】对无刺龙舌兰的叶绿体基因组进行测序、组装和注释,分析密码子偏好性及其影响因素,并通过建立高、低基因表达库,筛选出最优密码子。基于20个已发表的龙舌兰科植物叶绿体基因组数据构建系统发育进化树。【结果】无刺龙舌兰叶绿体基因组总长157579 bp,大单拷贝区(LSC)、小单拷贝区(SSC)和2个反向重复区(IRa和IRb)的长度分别为85940、18279和26680 bp,GC含量为37.8%,包括135个基因(85个蛋白编码基因、38个tRNA基因、8个rRNA基因及4个未知功能的基因),从中筛选出51个长度大于300 bp的基因编码区(CDS)序列,其有效密码子数(ENC)均大于41.0。GC1、GC2、GC3和GC3s含量分别为46.75%、39.61%、29.19%和26.06%,说明密码子第3位多以A/T结尾。GCall与GC1、GC2和GC3均呈极显著相关(P<0.01,下同),但GC3与GC1和GC2均无显著相关性(P>0.05,下同),表明密码子第1、2位的碱基组成相似,但与第3位的相似度不高。选择和突变是导致叶绿体基因组密码子偏好性的主要因素。筛选出14个多以A/U结尾的最优密码子。无刺龙舌兰与克雷塔罗丝兰和西地格丝兰为姊妹关系,自荐值为100%。【结论】无刺龙舌兰叶绿体基因组为保守的四分体结构,叶绿体基因组密码子偏好性较弱,主要受选择和突变等多因素影响。基于植物叶绿体基因组构建系统发育进化树在物种的分类鉴定及确定各物种间系统发育关系的研究中是一种准确、可靠的方法。     

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。