甘薯基因组NBS-LRR类抗病家族基因挖掘与分析

NBS-LRR类基因家族是植物抗病R基因(Resistance gene)数量最多的一类,具有NBS (Nucleotide-binding site)和LRR (Leucine-leucine-repeat)结构域。甘薯(Ipomoea batatas)栽培种基因组已完成测序,但尚未注释,本研究对甘薯基因组序列进行外显子预测,得到甘薯染色体组全基因组蛋白序列,在此基础上进一步对NBS-LRR家族基因鉴定和分析表明,甘薯基因组中含有379个NBS-LRR家族基因,占全基因组基因总数的0.212%,其中N型亚家族120个,NL型103个, CNL型133个, TNL型22个, PN型1个。所有染色体上均有NBS-LRR家族基因分布,但数量明显不同,其中有60.9%的NBS-LRR基因序列呈簇状分布。NBS-LRR基因序列有15个保守结构域,在N端较为保守。研究结果为甘薯进一步开展NBS-LRR家族基因的功能研究和抗性育种提供了参考。     

豆科抗病基因NBS-LRR进化的多基因组比对分析

NBS-LRR是植物抗病基因家族中一类重要的基因,根据编码的蛋白质氨基端的保守结构域不同,可分为CC-NBS-LRR和TIR-NBS-LRR两类基因。本研究在10个已测序豆科植物中对NBS-LRR进行序列比对,鉴定了各基因组中两类结构域基因的同源拷贝,发现在蒺藜苜蓿中包含1 207个NBS-LRR基因的同源拷贝,在10个基因组中同源拷贝数最多;并且其中88.2%的NBS-LRR基因是具有CC结构域。基因组同源共线分析,发现全基因组加倍有利于抗病基因拷贝数的扩增,为家族基因序列和功能多样化提供了创新资源。基于NBS-LRR基因系统发育分析,发现抗病基因存在大量串联重复,并基于进化树拓扑结构的变迁揭示抗病基因在不同的基因组中进化速率不同;另外,通过对旁系同源基因对间的核苷酸同义替换率(Ks)比较,进一步证实不同结构的抗病基因进化速率不同;同一结构的抗病基因在不同基因组中进化速率也表现有明显差异,与其他豆科物种相比,大豆抗病基因进化速率一直处于较低水平。研究结果为揭示抗病基因在豆科植物中的进化过程提供了重要的基因组信息学基础,对于在全基因组范围认识泛豆科抗病基因进化具有重要的意义。     

蝴蝶兰NBS-LRR家族基因挖掘和生物信息学分析

植物抗病基因(R基因)中最重要的一个家族,大部分具有NBS(nucleotide-binding site)和多个LRR(leucine-rich-repeat)结构域,称为NBS-LRR基因家族。小兰屿蝴蝶兰(Phalaenopsis equestris)全基因组测序的完成为蝴蝶兰NBS-LRR基因家族的研究提供了重要生物信息学数据。大辣椒蝴蝶兰(Phalaenopsis Big Chili)对病毒复合感染具有较强的耐受性,对筛选蝴蝶兰响应病毒相关关键基因具有重要意义。本研究依据小兰屿蝴蝶兰全基因组测序和大辣椒蝴蝶兰响应病毒胁迫转录组的测序结果,采用Pfam、HMMER、Orchid Base 3.0、Uniprot、NCBI Blast、Paircoi2网站和Bioedit、MEGA5.1、Clustal W软件,对蝴蝶兰进行了NBS-LRR基因的筛选和分类,确定了蝴蝶兰的NBS-LRR基因类型、结构和系统发育学关系,从小兰屿蝴蝶兰中筛选到21个NBS-LRR家族基因,占全基因组基因总数的0.008%,其中CNL型4个,NL型5个,CN型2个,无Tir型。从大辣椒响应病毒胁迫转录组数据中筛选到34个NBS-LRR家族基因,其中有4个基因在响应不同时期差异表达明显,与小兰屿蝴蝶兰NBS-LRR基因具有较高的同源性。随后对NBS-LRR蛋白序列的motif进行分析,具有14个相对保守的motif,部分位置稳定,部分存在缺失、移位或增加等变异。NBS-LRR基因的分类,蛋白序列的motif分析和响应病毒胁迫NBS-LRR基因的筛选为研究蝴蝶兰响应病毒关键NBS-LRR家族基因的功能研究提供重要依据。     

禾本科植物NBS-LRR型抗病基因的进化分析

运用生物信息学方法分析了禾本科植物水稻、高粱、二穗短柄草、玉米中NBS-LRR型抗病基因的进化特征,发现NBS-LRR型抗病基因在染色体上分布不均等,且大部分都位于基因簇中。NBS-LRR型抗病基因产生新基因的方式主要是串联重复,并且串联重复发生的概率与抗病基因所在基因簇的大小有关。NBS-LRR型抗病基因之间几乎不具有共线性,一方面,可能是由于抗病基因在进化的过程中发生了基因丢失造成的;另一方面,可能是由于抗病基因的进化速率较快导致基因间差异较大造成的。系统发育分析表明NBS-LRR型抗病基因在禾本科的祖先物种中就已经存在,4个物种分离之后抗病基因家族在每个物种中按照物种特异性的方式进行了扩张,其中串联重复对4个物种中抗病基因家族的扩张起到了重要的作用。     

三浅裂野牵牛NBS-LRR类抗病基因的鉴定和分析

植物抗病R基因在植物抵抗细菌、病毒、真菌等病原体过程中发挥重要作用,NBS-LRR类基因是R基因中最大的一类。三浅裂野牵牛作为甘薯的近缘野生种,是甘薯育种重要的抗病基因资源。本研究对三浅裂野牵牛基因组序列使用Snap软件预测全基因组蛋白质序列,应用生物信息学方法在蛋白质序列中鉴定和分析NBS-LRR家族基因,得到三浅裂野牵牛NBS-LRR家族基因的数量、染色体上的分布图、结构域特点和进化树。从三浅裂野牵牛的110 626个基因中,筛选到361个编码NBS-LRR类蛋白的基因,其中N型50个,NL型128个,TNL型46个,CNL型136个,RNL型1个。三浅裂野牵牛的15条染色体上均分布有NBS-LRR家族基因,基因最多的染色体有51个,最少的有2个,共有58个基因簇,包含了53.7%的NBS-LRR家族基因。CNL亚家族在NB-ARC结构域有7个保守结构域,TNL亚家族有10个保守结构域。本研究对三浅裂野牵牛的NBS-LRR家族基因的鉴定与分析,为后续研究抗病基因功能与甘薯抗病的分子育种提供重要参考。     

拟南芥基因组 NBS-LRR类基因家族的生物信息学分析

【研究目的】对拟南芥（Arabidopsis thaliana）中含有核苷酸结合位点（Nucleotide binding site,NBS）和富含亮氨酸的重复序列（Leucine—rich repeat,ERR）类基因进行了分析。【方法】利用TAIR、Pfam网站,数据库和Chromosome Map Tool、MEGA3．0、ClustalX软件,分析确定NBS-LRR基因及其类型、染色体物理分布、系统发育学关系。【结果】在拟南芥全基因组中共有204个NBS—LRR类基因,大多位于1号和5号染色体上,其中71．6％的NBS—LRR类基因分布在基因簇内。对NBS—LRR类基因家族进行了氨基酸多序列比对和系统进化树分析,NBS-LRR类基因家族可分为四个亚家族。另外,NBS—LRR基因在进化过程中存在较多的复制现象。     

桃TCP转录因子家族的鉴定与分析

TCP基因家族是含有bHLH基序的植物特有转录因子,广泛参与植物的多种生物过程。为了解桃(Prunus persica)中TCP家族的成员和特征,本研究基于其全基因组组装及注释数据,首次在桃基因组中对TCP基因进行了系统鉴定,并进行了染色体定位、蛋白特征、基因结构、进化关系、启动子区域顺式元件分析。结果显示:桃基因组中共有20个TCP家族成员,在7条染色体上均有分布,其推导蛋白的长度、分子量和等电点差异较大。大部分TCP基因不含有内含子,基因结构较为简单。桃TCP基因家族含有植物TCP家族的所有类别,每一类别均含有保守的且能明显区别于其他类别的特征。TCP基因家族的启动子区域含大量光应答、激素响应等顺式作用元件,与该基因家族功能的多样性一致。本研究初步探索了桃基因组中TCP基因家族的特征,为后期该基因家族在桃中的功能验证提供了理论支撑。     

禾本科V-ATPase基因家族与全基因组加倍关联的适应性进化分析

V-ATPase在植物适应逆境中起着非常重要的作用,本研究以重要模式植物拟南芥V-ATPase相关基因为目标序列,通过在6个禾本科植物(水稻,大麦,玉米,高粱,谷子和二穗短柄草)基因组中进行比较分析,揭示该基因家族扩增机制和适应性进化进行研究。分析发现,七个不同的植物基因组虽然经历了不同全基因组加倍,其中谷子与玉米加倍关联的基因数量最多,但V-ATPase基因数量在每个基因组非常相近,尤其是禾本科中玉米相对其它物种多一次单独的特异性加倍,然而这一基因家族数量并未增加,这表明全基因组加倍虽然在一定程度上使得家族基因扩增,但是基因丢失可能也维持了该基因组的剂量;对七个基因组中的161个V-ATPase基因进行motif分类确定,不同物种基因组中的motif结构不同,拟南芥和水稻中c-亚基相关的基因数量最多;系统发育分析发现,拟南芥基因和水稻基因进化相对较快,并且在拟南芥中这一基因家族有3个基因簇,它们与基因的串联重复加倍有关联;适应性进化分析揭示B-亚基相关的基因在进化过程中受正选择压力影响进化。     

裸果木叶绿体基因组密码子使用偏性分析

密码子的偏好性由突变、自然选择进化而来,研究叶绿体基因组密码子偏性可进一步明确基因表达效率,对理解物种的系统发育和分子进化具有重要的参考价值。本研究利用Codon W和CUSP软件分析了裸果木植物叶绿体基因组中50个候选基因的密码子使用偏好模式及其形成原因。研究结果显示裸果木叶绿体基因组的密码子碱基组成表现为GC₁>GC₂>GC₃,表明密码子偏爱以A和T结尾;G和C在密码子各位置中的占比较低,平均值为37.98%;有效密码子数(ENC)的平均值为47.55,表明密码子的偏好性较弱;中性绘图、ENC-plot、PR2-plot显示裸果木叶绿体基因组密码子使用偏好主要受突变和自然选择共同影响。另外,联合使用高频密码子和高表达密码子的方法共筛选出裸果木叶绿体基因组中均是由A和U结尾的最优密码子共14个。本研究深入探讨了裸果木叶绿体基因组的最优密码子及成因,可为旱生植物叶绿体基因组的应用与研究提供理论参考。     

亚洲栽培稻的核DNA、线粒体DNA和叶绿体DNA籼粳分化的比较研究

本研究对来自１２个国家的７４份亚洲栽培稻进行了核ＤＮＡ,线粒体ＤＮＡ的ＲＦＬＰ分析和叶绿体ＤＮＡ的ＯＲＦ１００的ＰＣＲ分析结果表明参试的７４个栽培稻品种,除ＣＲ１４７的线粒体基因组的类型较为特殊外,其它７３个品种的细胞核基因组,线粒体基因组,叶绿体基因组均可分为籼粳两种类型,可见籼粳分化是栽培稻核ＤＮＡ,ｍｅｔ ＤＮＡ和ｃｐＤＮＡ遗传分化的主流,同一品种３个ＤＮＡ的籼粳属性即有一致的,又有不一致的     

双软件多参数联合对草鱼同义密码子偏性的分析

密码子偏性分析数据有助于被用来构建高效表达载体,提高外源基因在宿主体内的表达效率。为了解草鱼密码子使用情况,以便在草鱼中高效表达外源目标蛋白来预防草鱼疾病的发生,应用Codon W及CAIcal软件分析了草鱼(Ctenopharyngodon idella)基因组中的208个蛋白质的编码序列。通过分别计算密码子中各个位置的 G C 含量、密码子适应指数（CAI）、有效密码子数（ENc）、密码子偏爱指数(CBI)、同义密码子的使用频率、最优密码子使用频率（FOP）等,分析了草鱼的密码子使用偏性,确定了草鱼的最优密码子。结果显示,草鱼密码子第 2位的G C 含量明显低于第 1、3 位,第3位表现出对以 G 或 C 碱基结尾的密码子偏向使用;所确定的23个最优密码子中,除终止密码子是以碱基A结尾外,有18个以碱基G或 C结尾,4个以碱基U结尾。所分析结果既可用于分析草鱼基因的组成结构,了解草鱼的分子进化状态,又可以通过所获的结果来指导对外源基因进行分子改造,提高外源基因在草鱼中的表达效率。     

转sbk和sck抗虫基因水稻的获得

转入多个抗虫基因是解决水稻抗虫的一条有效途径.本研究采用根癌农杆菌介导法将2个抗虫基因(sbk和sck)同时转入3个水稻品种中,通过一系列的分子检测(PCR和RT-PCR)分析,这2个基因已经成功转入3个水稻品种中并得到了表达;同时还获得1株不含抗生素筛选标记基因(hpt)和抗虫sbk基因,却含抗虫sck基因的转基因植株,命名为YJ27-5sck.用该植株作为供体,通过杂交将sck抗虫基因转育到另外5个水稻品种中且同样得到了表达,获得了不含筛选标记基因的转sck基因阳性植株.     

基于株高性状的玉米EST序列与水稻基因组的比较研究

从已公布的玉米分子标记中，挑选出均匀覆盖玉米全基因组、平均间距小于10 cM的224个SSR和RFLP分子标记，从NCBI上查找这些标记所在的玉米EST或基因的原始序列，逐一与水稻数据库的序列信息进行同源性比较。结果表明：在PN<1e-5水平上，从水稻数据库中共找到16 939段同源序列，平均每段玉米的序列可以在水稻数据库中找到75.6     

Comparative genetics and disease resistance in wheat

The hexaploid wheat genome is too complex for direct map-basedcloning and model genomes have to be used to isolate genes from wheat.Comparative genomic analysis at the genetic map level has shown extensiveconservation of the gene order between the different grass genomes inmany chromosomal regions. However, little is known about the geneorganization in grass genomes at the microlevel. We have investigated themicrocollinearity at Lrk gene loci in the genomes of four grass species:wheat, barley, maize and rice. The Lrk genes, which encodereceptor-like kinases, were found to be consistently associated with anothertype of receptor-like kinase (Tak) on chromosome groups 1 and 3 inTriticeae and on chromosomes homoeologous to Triticeae group 3 in theother grass genomes. On Triticeae chromosome group 1, Tak and Lrk together with genes putatively encoding NBS/LRR proteins form acluster of genes. Comparison of the gene composition at orthologous Lrk loci in wheat, barley and rice revealed a maximal gene density of onegene per 5 kb. We conclude that small and large grass genomes containregions which are highly enriched in genes. Microrearrangements betweendifferent grass genomes have been found and therefore, the choice of agood model genome is critical. We have recently started to work on theT. monococcum model genome and confirmed its usefulness foranalysis of the Lr10 leaf rust disease resistance locus in wheat.     

利用水稻基因组序列数据开发SSR标记的方法

水稻基因组序列中存在着丰富的简单重复序列(SSR)，而已经开发利用的仅仅是一小部分。本文提出了通过搜索水稻基因组序列中的简单重复序列开发SSR标记的思路和方法，并介绍了应用本方法成功地在500kb范围内，获得22个SSR标记，其中10个在定位群体中扩增出多态带的SSR标记并将其定位，本实例验证了利用水稻基因组序列数据开发SSR标记是十分有效的。     

桃基因密码子使用模式及其偏好性分析

为深入研究桃密码子使用特征,本研究基于桃(Prunus persica)基因组26873个注释基因编码序列的GC含量特征、有效密码子数(ENC)和同义密码子相对使用频率(RSCU)等参数的计算,统计分析了桃基因组密码子的偏好性及其密码子使用模式。分析结果表明桃密码子使用具有偏好性,61个密码子中存在4个密码子TCA,ACA,GCA,GAA为桃最优密码子,它们均以A结尾。进一步统计桃与其它9种近缘蔷薇科植物的密码子使用频率,发现近缘种属的密码子使用规律具有一定相似性。研究同时发现桃基因组tRNA基因拷贝数与氨基酸及特定密码子的出现频率呈正相关。这些结果揭示了桃基因组密码子的使用模式,为相关密码子使用机制研究及基因工程改良提供了重要的参考。     

胡萝卜(Daucus carota var. sativa)密码子偏好性及属内质体基因组核苷酸多样性分析

核苷酸多样性作为衡量物种遗传变异水平的重要指标,对于研究物种遗传多态性的高低、进化历史和系统位置具有重要的科学意义,密码子偏好性则跟基因表达和自然选择压力等密切相关。本研究通过计算胡萝卜属(Daucus L.) 17种植物的叶绿体基因组片段的核苷酸多样性,开发出了可用于系统学和群体遗传学等研究的叶绿体基因分子标记;并且基于Codon W和CUSP统计数据,通过相关性分析、中性绘图分析、ENC-plot分析以及PR2-plot分析,探究了胡萝卜(Daucus carota var. sativa)密码子使用偏好性。结果表明,有效密码子数(ENC)与最优密码子使用频率(FOP)、密码子适应指数(CAI)、密码子偏好指数(CBI)具有显著的相关性,胡萝卜叶绿体基因的密码子偏好性主要受到突变和自然选择的作用,其中,突变的影响更大。此外,本研究确定了5个高表达基因和18个最优密码子。这些研究结果有助于探究胡萝卜的进化历史和基因的表达,从而为品种改良和提高产量提供理论支持。     

Conservation of marker synteny during evolution

Summary An aspect of cereal science that is becoming increasingly important is comparative genetics. Establishment of the relationship between genomes within polyploids, between species within tribes and between species within families will allow not only the integration of genetic maps but also the knowledge acquired of each of the species. Using a set of homoeologous probes, workers found the relationship between the three wheat genomes to be precisely collinear, after taking a few major translocation events into account. Transfer of the wheat map to rye led to the elucidation of similar relationships between the three wheat genomes and that of rye. Genome collinearity, however, extends even beyond tribes. In a comparison of the genomes of wheat, rice and maize, it was shown that despite the separation of these genomes for possibly 50 million years, gene order was still highly conserved. This collinearity between genomes can be exploited in a number of ways.     

二十一世纪水稻育种新战略Ⅱ．利用远缘杂交和多倍体双重优势进行超级稻育种

本文论述了远缘杂交和多倍体化结合利用基因组间和多倍本杂种优势，开创水稻育种新途径的策略。纵观水稻育种的历史，无论是常规杂交育种，还是杂交稻育种，其研究战略都是建立在有性生殖和二倍体基础上的，归根结底，都是利用栽培稻同一基因组（A基因组）内优良基因的重组以及从野生稻向栽培稻引入少数优良基因。从作物进化趋势看，水稻是二倍体，基因组小、DNA含量低、染色体小，增加基因组数，提高倍性水平，利用异源多倍体杂种优势将是水稻育种新途径。针对同源四倍体水稻结实率低的关键问题，可采取拉大亲缘关系距离、减少多价体形成，应用广亲和、无融合生殖基因等措施，从遗传机理上提高多倍体水稻结实率。按三步实施战略：一、选用极端类型籼粳稻、爪哇稻，诱导亚种间杂种多倍体；二、诱导亚洲栽培稻和非洲栽培稻以及非洲野生稻种间杂种多倍体；三、诱导AA基因组的栽培稻与其它不同基因组野生稻（BB、CC、BBCC、CCDD、DD、EE、FF、GG、HHJJ）的种间多倍体。在实施过程中发挥一特殊基因材料的特殊作用，如广亲和基因对于克服籼粳杂种一代不育性、特别是雌败育的作用，无融合生殖缺乏减数分裂发生和受精过程对于克服染色体配对分离而导致的杂种败育的作用，以及类似于小麦中存在的抑制部分同源染色体配对的Ph基因对于防止水稻异源多倍体的基因组间部分同源性配对形成多价体、染色体桥、落后染色体等现象的作用，为选育异源多倍体水稻、无融合生殖水稻提供可靠保证。近三年的实践已经初获良好的结果，利用无融合生殖水稻品系籼粳交，亚洲稻与美洲稻杂交已获得杂种优势明显、结实率高达85％的优良多倍体株系，为实现这一育种新战略打下了良好基础。