二穗短柄草BURP家族基因的鉴定与分析

BURP是一类植物特有蛋白,在生长发育和逆境防御中起着重要作用。为给后续的基因克隆、表达和功能验证奠定基础,根据二穗短柄草的基因组和蛋白质序列,利用生物信息学手段对BURP基因家族成员进行鉴定、染色体定位、序列分析和系统发育研究。结果表明,二穗短柄草有12个BURP基因,位于1~4号染色体上,在5号染色体上未见分布;BURP基因的全长为621~3 350 bp,具0~3个内含子,编码区全长621~2 316 bp,编码206~771个氨基酸,推导蛋白的等电点为5.02~9.51;12个BURP基因编码的蛋白分为5组,分别定名为RD22、PG1β、BURP-V、BURP-VI和BURP-VII,没有USP和BNM2类型的BURP蛋白;此外,根据4个半胱氨酸-组氨酸重复所间隔的氨基酸数量,二穗短柄草的BURP蛋白结构域可用CH/R-X10-CH-X25-36-CH-X22-25-CH-X8-W/F表示。     

二穗短柄草WRKY基因家族成员的鉴定和分析

WRKY转录因子以基因家族形式存在,在植物生长、发育和逆境反应中起着重要作用。二穗短柄草是大麦、小麦和禾本科牧草的模式植物,为了给基因表达和功能鉴定奠定基础,本研究利用生物信息学方法鉴定和分析其WRKY转录因子。结果表明,二穗短柄草有76个WRKY基因,它们具有0～6个内含子,编码区全长396～2 847 bp,基因分布在5条染色体上;进化分析结果表明,二穗短柄草WRKY在系统发生树上聚为3组,分属于I、II和III类转录因子;核心序列除WRKYGQK外,还有WKKYGQK、WRKYGKK、WRKY-GEK、WRKYGQT和WKKYGPK等多种变异类型;锌指模体也存在多种变异,它们是C-X4-C-X21-H-X1-H、C-X3-C-X22-H-X1-H、C-X7-C-X28-H-X1-C、C-X7-C-X24-H-X1-C、C-X7-C-X26-H-X1-C、C-X6-C-X24-H-X1-C、C-X7-C-X33-H-X1-C、C-X6-C-X32-H-X1-C和C-X7-C-X32-H-X1-C。     

二穗短柄草CCCH型锌指蛋白基因家族成员的鉴定和分析

CCCH型锌指蛋白基因以基因家族的形式存在,在信号转导调控、形态发生和逆境应答等诸多生物学过程中起着重要作用。为给该基因的克隆及功能研究提供参考信息,本研究针对二穗短柄草的基因组序列,运用多种生物信息学方法在全基因组范围对CCCH型锌指蛋白基因进行了鉴定分析。结果表明,二穗短柄草共有61个含CCCH基序的蛋白质,它们的基因 DNA序列全长825~13 288 bp,内含子数量0~13个,编码区全长498~4 944 bp,编码165~1 007个氨基酸;共检测到145个CCCH基序,以C X₈ C X₅ C X₃ H和C X₇ C X₅ C X₃ H最为常见;基因不均等地分布在5条染色体上,其中2号染色体分布最多,有21个,5号染色体分布最少,仅4个;系统发育分析表明,61个成员可分为8组。     

野生二粒小麦叶绿体基因RNA编辑位点的预测、鉴定与分析

RNA编辑是高等植物叶绿体基因转录后表达调控的一种重要方式。为了解野生二粒小麦叶绿体基因RNA编辑的组成及其与其他麦类作物的异同,通过生物信息学预测结合RT-PCR的方法,对野生二粒小麦叶绿体基因的RNA编辑位点进行了预测和鉴定。生物信息学预测共发现了分布于15个基因上的35个编辑位点,均为C到U的转换,其中ndhB基因包含的编辑位点数量最多,达9个;在此基础上,随机选取5个基因对其编辑位点进行了测序验证,结果共鉴定了18个C→U的编辑位点;进一步对编辑后编码蛋白的二级结构和跨膜结构域进行了预测,发现编辑后所有基因均发生了二级结构的改变,但只有ndhB基因的跨膜结构域发生了改变;最后,将确定的野生二粒小麦叶绿体基因RNA编辑位点与7个禾本科物种的RNA编辑位点进行比较,共发现17个编辑位点在这些种间具有保守性,相比于其他物种,野生二粒小麦与普通小麦和粗山羊草具有更相似的编辑位点组成。     

粗山羊草和二穗短柄草SOD基因成员的鉴定与比较分析

为给超氧化物歧化酶(SOD)基因克隆和功能研究奠定基础,以粗山羊草和二穗短柄草的基因组序列为材料,利用生物信息学手段对SOD基因家族成员进行鉴定和分析。结果表明,两种植物总共鉴定出12个SOD基因,其中二穗短柄草7个,粗山羊草5个;它们的编码区全长327~2 145bp,编码108~714个氨基酸,保守基序数量1~4个,等电点4.84~9.25;Cu/Zn-SOD、Fe-SOD与Mn-SOD的数量分别为8、3和1个,在粗山羊草基因组中没有鉴定到Mn-SOD基因;3种不同类型的SOD在进化树上处于不同分支。除Bradi2g30580.2和Bradi1g50550.1外,其他二穗短柄草的SOD基因在粗山羊草中均有同源基因。     

大麦叶绿体基因RNA编辑位点的预测与鉴定

RNA编辑是一种特殊的转录后加工过程,是陆生植物叶绿体基因组在转录后水平上调控基因表达的一种重要方式。为了给研究叶绿体基因RNA编辑功能及其发生机制提供依据,以栽培大麦为研究对象,采用生物信息学方法对其叶绿体的83个蛋白编码基因的RNA编辑位点进行预测和分析。结果在16个基因中发现了37个RNA编辑位点,且均为C到U的转换,其中5个发生在密码子的第一位,32个发生在密码子的第二位,未发现发生在密码子第三位的RNA编辑;采用blast工具,与NCBI数据库中的大麦EST序列进行了对比,确定其中的34个编辑位点是真实存在的,其中ndhB基因最多,为8个编辑位点;进一步利用生物信息学工具分析了ndhB中RNA编辑对其编码蛋白质的跨膜结构域和二级结构的影响,结果表明,ndhB 467的编辑会引起蛋白质跨膜结构的增加,ndhB 149的编辑会引起蛋白质二级结构的改变。最后还将预测的大麦编辑位点与其他4种禾本科叶绿体的编辑位点进行了比较。     

青稞叶绿体基因RNA编辑位点的预测、鉴定与比较分析

为了阐明青稞叶绿体基因组RNA编辑位点的组成与特性,首先利用生物信息工具对青稞叶绿体基因的RNA编辑位点进行了预测,结果发现了35个分布于15个基因的编辑位点,所有编辑均为C到U的转换,其中基因ndhB包含的编辑位点数量最多,达9个,这与其他麦类作物相似;进一步利用RT-PCR结合克隆测序,对预测的35个位点进行了实验验证,发现18个编辑位点被证实发生了C到U的编辑;对编辑前后编码蛋白质的结构进行了比较分析,发现RNA编辑引起了编码蛋白的结构变化,暗示RNA编辑可以造成编码蛋白功能的改变。最后,将青稞叶绿体基因RNA编辑位点与栽培大麦、野生大麦的叶绿体RNA编辑位点进行了比较,发现青稞与栽培大麦的RNA编辑组成完全一样,而野生大麦缺失了 ndhA-563位点,初步印证了大麦的起源进化关系。     

粗山羊草叶绿体基因RNA编辑位点的鉴定与分析

RNA编辑是高等植物叶绿体基因转录后表达调控的一种重要方式。本研究利用生物信息学方法,预测出粗山羊草叶绿体基因组分布于15个蛋白编码基因的34个RNA编辑位点,均为C到U的转换,其中以ndhB最多,有9个编辑位点。通过与数据库中EST和高通量测序数据(SRA)进行比对分析,检测到分布于20个基因的29个编辑位点。综合上述研究结果,最终确定分布于9个基因的10个RNA编辑位点是真实存在的。分析这些位点RNA编辑现象对蛋白质结构的影响,发现ndhB编辑后β-折叠数增加,跨膜结构增加。这是首次有关粗山羊草叶绿体蛋白编码基因RNA编辑位点的报道。与禾本科水稻、玉米、大麦、黑麦和甘蔗的叶绿体RNA编辑位点进行比较,表明粗山羊草与黑麦、大麦的亲缘关系较近。本研究结果可为解析粗山羊草叶绿体基因的表达调控和探讨禾本科物种的起源进化提供理论依据。     

禾本科新型模式植物二穗短柄草的研究进展

二穗短柄草 (Brachypodium distachyum) 植株矮小,生育期短,基因组大小仅为水稻的0.71倍;和水稻相比,在进化上它与小麦等温季型禾谷类作物的亲缘关系更近,是目前较为理想的禾谷类作物模式植物.在短短几年中人们对这一模式植物在细胞遗传学、基因组学以及遗传转化等方面进行了大量研究.对已取得的研究进展进行了全面总结和综述,以期为禾谷类作物尤其是温季型禾谷类作物的相关研究提供参考.     

二穗短柄草SPL家族基因的鉴定、系统发育和表达分析

植物特异性SPL家族基因编码SBP（squamosa promoter-binding protein-like）保守结构,参与调节植物的生长和发育。为了解二穗短柄草中SPL家族基因的分布、结构及功能,对二穗短柄草全基因组中SPL家族成员进行了系统分析。结果表明,在二穗短柄草全基因组中鉴定出17个BdSPL基因,在5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体上分布最多;根据系统发育树,17个BdSPL被分为6个组,同组成员有保守的结构和基序;其中6对 BdSPL基因发生基因复制事件;在BdSPL基因启动子区域发现了各种顺式元件,如ABRE、CGTAC-motif和LTR。转录组数据和qRT-PCR分析显示,BdSPL基因在二穗短柄草花中表达量较高,而在根系中表达量较低,在不同植物激素处理下表达量有差异。     

镉胁迫对二穗短柄草幼苗叶片中无机离子稳态的影响

为探讨镉胁迫下二穗短柄草(Brachypodium distachyon)叶片对各无机离子的吸收及离子间的平衡机制,测定0~300μmol·L-1 CdSO4溶液胁迫下二穗短柄草叶片中主要无机离子含量的变化。结果表明,随着镉胁迫程度的加剧,二穗短柄草叶片中出现"吸钠排钾"现象,即Na+和K+含量分别增加和下降;Ca2+、S2-、Cd2+含量逐渐增加,而Mg2+、Si 4+含量逐渐降低。叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量在低浓度镉胁迫时虽有升高趋势,但随着处理浓度的逐渐增加而缓慢降低,叶片含水量也随之逐渐下降。说明二穗短柄草幼苗叶片无机离子吸收和平衡、光合色素合成、含水量均不同程度受到镉胁迫的影响,但植株能通过体内不同无机离子含量的变化来缓解镉胁迫危害,从而提高对其的耐受能力。     

二穗短柄草异戊烯基转移酶(IPT)编码基因的进化及功能分析

细胞分裂素(CTK)是一类重要的植物激素,主要作用是引起细胞分裂,诱导芽的形成和促进芽的生长。此外,CTK能够通过参与细胞分化来调控根分生组织大小,对根系生长有负调控作用。异戊烯基转移酶(IPT)是CTK合成过程中的一个关键的限速酶,在高等植物中均以多同源拷贝形式存在。为了探寻二穗短柄草IPT基因的进化起源,并阐明同源基因间潜在的功能分化及其在根系生长过程中的生物学功能,首先,对拟南芥及二穗短柄草的IPT基因进行了序列比对和进化分析,其次,利用荧光定量的方法对二穗短柄草中各IPT基因在不同组织不同发育阶段的转录水平进行了定量分析,最后,通过构建IPT基因RNAi的表达载体,对二穗短柄草中多个IPT基因的转录进行了沉默干扰。结果表明,tRNA-IPT可能代表了IPT祖先基因的功能,而且是ATP/ADP-IPT基因的供体基因。二穗短柄草各IPT基因具有一定的组织表达特异性,大部分ATP/ADP-IPTs处于转录不活跃状态,而tRNA-IPTs在根部和叶部的表达量都很高。因此,IPT基因在单子叶模式植物二穗短柄草中可能采用了不同于拟南芥的方式发挥功能,其主要的发挥功能形式是tRNA类型。二穗短柄草转IPT-RNAi植株表现出根系增强的表型,说明在根系早期发育阶段,二穗短柄草ATP/ADP型IPT基因起到了一定的调节作用。由于IPT基因在早熟禾亚科物种中较为保守,本研究可为增强麦类作物根系发育与提高抗旱性提供必要理论基础。     

二穗短柄草成熟胚再生体系建立及农杆菌介导转化研究

为建立二穗短柄草组织培养及遗传转化体系,以二穗短柄草BD21-3成熟胚为外植体,对成熟胚愈伤诱导、分化以及农杆菌侵染条件进行了研究。结果表明,在含有2.5mg·L~(-1) 2,4-D的培养基上,愈伤组织出愈率最高为93.83%;在含有0.2mg·L~(-1) KT的分化培养基上,分化率最高为38.18%;对二穗短柄草胚性愈伤组织农杆菌转化和GUS染色结果表明,侵染的过程中农杆菌菌液浓度OD_(600)为0.6、侵染时间为5min时转化率最高。     

二穗短柄草表皮蜡质组成分析及蜡质显微结构观察

为了解二穗短柄草各器官表皮蜡质组成及其晶体结构,利用气相色谱(GC)技术对二穗短柄草穗下茎、叶、穗和旗叶鞘的表皮蜡质成分进行了分析,并对其表皮蜡质晶体结构进行扫描电镜观察。结果表明,从二穗短柄草表皮蜡质中鉴定出18种化合物成分,主要为初级醇、烷烃、醛和脂肪酸。其中,初级脂肪醇、脂肪醛和烷烃是其蜡质的主要成分,约占总蜡质含量的96%。不同器官的蜡质成分比较相似,均以初级脂肪醇的含量最高,其次是脂肪醛、烷烃和脂肪酸。不同器官间蜡质总含量有显著差异,其中穗和旗叶的蜡质含量比较高,分别为13.6和9.8μg·cm-2,而倒三叶和旗叶叶鞘最低,分别为4.9和4.7μg·cm-2。蜡质成分碳链长度的分布范围主要为C22~C32,其中以C26分布最多。初级醇中C26醇的含量最高,分别占叶片、穗和叶鞘中醇含量的94.6%、95.7%、91.4%,占穗下茎中醇含量的76.5%。烷烃中以C29烷烃含量最高,大约占60%左右;其次是C31烷烃,含量在叶片蜡质中大约为30%,穗下茎中是34.2%。醛中C26醛含量最高,约占叶片、穗和叶鞘中醛含量的91.5%~94.6%,占穗下茎中醛含量的74.4%。脂肪酸中C20和C22脂肪酸的含量较高,C26和C28脂肪酸的含量比较低。经扫描电镜观察,各器官表面的蜡质晶体结构均为片状。