NAC转录因子参与调控竹笋木质化

NAC是植物特有的转录因子家族之一，参与衰老、信号转导以及次生细胞壁合成等多种生物过程，然而关于竹子中NAC转录因子的功能尚不清楚，尤其是与次生细胞壁（SCW）合成相关的NAC更未见报道。本研究在毛竹（Phyllostachys edulis）基因组中鉴定了94个NAC同源基因（PeNAC1~PeNAC94）。系统进化树分析表明，毛竹与拟南芥的NAC蛋白共聚类为16个分支，PeNACs分布于11个分支中，其中2个分支中的15个PeNACs与次生细胞壁合成相关。用这15个基因共表达分析，预测出与PeNACs共表达的基因396个，其中包括参与木质素分解代谢和纤维素生物合成的基因分别有16个和55个。qRT-PCR分析表明，随着竹笋高度增加木质化程度加深，15个PeNACs基因的表达均上调，并呈现持续上升及先上升后下降2种趋势，表明这些PeNACs可能参与毛竹笋次生细胞壁合成以及木质化的过程。同时发现，15个PeNACs中有7个PeNACs与7个PeMYBs呈现正向共表达关系，且在毛竹不同高度笋中这些PeMYBs具有与PeNACs相似的表达趋势。另外，在16个PeNACs中发现了miR164的靶点，其中与次生细胞壁合成相关的3个PeNACs在毛竹笋中具有与miR164相反的表达趋势，证明miR164与PeNACs存在调控关系。由此表明，竹笋木质化调控将是一个由miRNA、NAC等转录因子和结构基因构成的复杂调控网络。本研究全面展示了毛竹NAC基因家族的信息及其与竹笋木质化的关系，对于进一步研究PeNACs的功能、揭示竹材材性形成的分子调控机制具有重要意义。     

毛竹TIP基因成员鉴定及其响应胁迫的表达分析

液泡膜内在水通道蛋白（TIPs）在调节植物细胞膨压适应逆境胁迫环境过程中发挥着重要作用。研究毛竹TIP基因成员的分子特征及其在不同逆境胁迫条件下的表达模式，对揭示其在毛竹应答胁迫中的功能具有重要意义。利用生物信息学方法在毛竹基因组中共鉴定19个编码完整TIP蛋白的基因（PeTIP1-1~PeTIP1-3、PeTIP2-1~PeTIP2-4、PeTIP3-1~PeTIP3-2、PeTIP4-1~PeTIP4-7和PeTIP5-1~PeTIP5-3）；PeTIPs编码氨基酸的长度为238~434 aa，相对分子量为25.06~44.03 kDa；亚细胞位置预测显示，所有PeTIPs均定位于液泡膜上。PeTIPs包含7个保守基序，其中有4个为共有基序，不同成员的Ar/R选择性过滤器具有一定的差异，而Froger's残基均较为保守。系统进化分析显示，来自毛竹、水稻等6个物种的71条TIP氨基酸序列可分为5个分支，各分支中PeTIPs成员依次为3、4、2、7和3个。共线性分析结果表明，PeTIPs成员间共存在10对片段重复，在12个PeTIPs与水稻8个TIP基因间发现18对片段重复，这些重复基因多半发生在PeTIP4s和PeTIP5s中，且基因对的非同义对同义取代比（Ka/Ks）均小于1.0，表明PeTIPs经复制后的功能差异不大。在PeTIPs启动子区域中，发现多种与胁迫、激素响应相关的调控元件。基于叶片RNA-seq数据分析表明，不同PeTIPs响应低温、干旱和强光胁迫的表达模式均存在一定差异，既有显著性变化的成员（如PeTIP1-1和PeTIP1-2），也有几乎无变化的成员（如PeTIP5的成员）。qPCR结果显示，在不同胁迫条件下毛竹叶片和根中的PeTIPs的表达模式不同，多数呈现不同程度的显著上调，亦有在某一处理下基因表达变化不明显（如强光下叶片中的PeTIP1-1、PeTIP1-3和PeTIP4-2；干旱下根中的PeTIP1-1和PeTIP1-2），个别基因呈现下调（如低温下叶片中的PeTIP1-1）。毛竹叶片和根中PeTIPs的表达变化模式差异，说明它们在响应不同环境胁迫中可能发挥着不同的作用。     

毛竹漆酶基因启动子序列分析及基因表达模式

漆酶在细胞壁形成、逆境胁迫、花青素形成和酚类物质催化等过程中均发挥着重要作用，其基因表达受到多种外界因素的影响。为揭示竹子中漆酶基因的表达模式，以毛竹（Phyllostachys edulis）为对象，利用生物信息学手段分析了其中42个漆酶基因（PeLACs）启动子序列，利用已有的转录组数据分析了其中PeLACs的表达模式，克隆漆酶基因PeLAC20的启动子序列PeLACp，并构建了瞬时表达载体，在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中瞬时表达。结果表明，在42个PeLACs启动子序列中包含多种与激素以及非生物胁迫相关的顺式作用元件，在GA₃处理以及低温和干旱胁迫下各基因表现为不同的表达模式，表明它们参与激素和非生物胁迫的应答，而且功能存在着一定的差异。PeLACs在毛竹不同生长阶段根和笋中的表达模式也证明了各基因功能的差异性。克隆的PeLACp序列为2 000 bp，利用GUS染色法检测启动子PeLACp的活性显示，PeLACp主要在转基因拟南芥的根中表达。研究结果为进一步揭示毛竹漆酶基因的生物学功能提供了参考依据。     

毛竹笋在快速生长期的木质化调控网络

木本竹因其优质材性而成为传统木材良好的替代品。木质化程度和木质素含量影响着木材材性，然而单子叶植物的木质化调控网络尚不清楚。为了阐明毛竹（Phyllostachys edulis）木质化的分子调控机制，利用转录组、miRNA和降解组测序，并结合实验对竹笋进行综合分析研究。结果表明：木质化程度和木质素含量随笋高度的增加而增加，而苯丙氨酸解氨酶（PAL）和漆酶（LAC）活性则随笋高度的增加表现为先升高后降低。在不同高度笋的代表性节间（第13节）的不同部位中共鉴定了11 504个差异表达基因（DEG），其中与细胞壁和木质素生物合成相关的大部分DEG表达随笋高度上调，而与细胞生长相关的一些DEG表达则下调。通过miRNA测序鉴定出1 502个miRNA，包括已知的1 223个和新鉴定的279个。通过生物信息学预测和降解组分析，共鉴定出691个差异表达的miRNA，共靶向5 756个差异表达基因。据此构建了毛竹笋木质化调控网络，包括11个miRNA、22个转录因子和36个酶基因。另外，根据过表达PeLAC20转基因拟南芥中木质素含量显著增加，提出了一个miRNA介导的‘MYB-PeLAC20’的木质素单体聚合调控模型。研究结果不仅对解析竹子木质素生物合成的调控分子机制具有重要科学价值，而且对理解其他单子叶植物的相关机制具有重要参考价值，有助于制定竹材材性改良策略。     

橡胶树HbMYB20基因的克隆及其对拟南芥次生壁发育的调控

【目的】MYB转录因子是调控植物木质素合成和次生壁形成的重要转录因子之一。本文分离克隆到一个与拟南芥AtMYB20高度同源的橡胶树MYB转录因子基因HbMYB20,并在拟南芥中对其功能进行研究,以期了解其在橡胶树木质素合成和次生壁发育的分子调控中的作用,为橡胶树木材形成的分子调控机制研究及其遗传改良奠定基础。【方法】采用 blast分析从树皮转录组中筛选出与拟南芥 AtMYB20序列同一性较高的橡胶树 MYB 基因HbMYB20;设计 ORF区特异性引物,以树皮 cDNA 为模板进行扩增得到该目的基因 cDNA 序列。实时荧光定量PCR检测该基因在橡胶树叶片、胶乳、茎干以及木质部与韧皮部的相对表达量。构建 HbMYB20过表达植物载体,使用农杆菌蘸花法转化拟南芥,获得该基因过表达转基因株系。采用乙酰溴法和间苯三酚染色法,分析转基因、野生型拟南芥茎的木质素含量以及木质素在拟南芥茎基部横截面中的分布。对转基因、野生型拟南芥茎基部横截面切片进行甲苯胺蓝染色,并测量分析导管、木质纤维和维管束间纤维细胞的细胞壁厚度。最后,采用实时荧光定量PCR分析转基因及野生型拟南芥木质素和纤维素合成相关酶基因的表达。【结果】克隆得到1个橡胶树 MYB 转录因子基因 HbMYB20,该基因开放阅读框( ORF)为927 bp,编码309aa 的蛋白,氨基酸序列分析显示,HbMYB20与AtMYB20/43和 AtMYB85/42同源性较高,属 R2R3MYB转录因子 G8亚组成员。表达分析显示 HbMYB20在橡胶树茎干和木质部中高表达,胶乳中表达最低。对 HbMYB20过表达拟南芥分析显示,该基因在3个转基因株系中均表达;相对野生型拟南芥,转 HbMYB20拟南芥植株生长抑制,木质部和维管束间纤维的木质素染色面积较少、染色程度变浅,茎的木质素含量和木质纤维、导管及维管束间纤维的细胞壁厚度均显著低于野生型;同时转基因株系中木质素合成关键酶基因4CL1和 CCoAOMT的表达量以及纤维素合成关键酶基因 CesA8的表达显著下调。【结论】橡胶树 MYB转录因子 G8亚组成员 HbMYB20,在茎和木质细胞中高表达。拟南芥中过表达 HbMYB20导致转基因植株的矮小,细胞壁变薄,阻碍木质部中木质素的合成和积累,同时木质素和纤维素合成相关酶基因的表达显著下降。由此推测 HbMYB20对拟南芥的木质素和纤维素合成都具有负调控作用,可能是1个橡胶树次生壁发育的负调控因子。     

日本落叶松木质部发育相关基因筛选及其共表达网络构建

【目的】鉴定日本落叶松木质部发育相关基因,构建核心基因与木质部发育相关基因的共表达网络,为后期开展日本落叶松木材形成相关研究提供参考。【方法】对日本落叶松木质部、韧皮部和针叶3个组织进行二代和三代转录组测序,利用R软件的DEseq2包筛选木质部相对韧皮部和木质部相对针叶的差异表达基因,通过整合2组差异基因获得木质部特异表达基因,借助GO、KEGG及BLASTN等生物信息学分析手段探索基因功能,利用WGCNA分析构建木质部特异表达基因共表达网络。【结果】共获得2 596个木质部特异的高表达和低表达基因;GO分析结果显示这些基因在代谢过程、细胞过程、定位膜、细胞、细胞组件、催化活性、位点结合和转运活性等分类中显著富集; KEGG分析结果显示这些基因在淀粉和蔗糖代谢、类黄酮生物合成和代谢途径通路中显著富集,在苯丙烷代谢途径及淀粉和蔗糖代谢途径中分别富集到38个和196个基因;鉴定出木材形成相关基因,包括木质素合成相关基因PAL4、CCR1、C4H、HCT、COMT1、PER12、PER52、CYP98A3、LAC12和LAC17等,纤维素和半纤维素合成相关基因DEC、CEL1、Csl、CTL2和SPS3等; 2 596个木质部特异的高表达和低表达基因经WGCNA分析后筛选出与木质部发育相关基因关联度较高的17个核心基因。【结论】筛选的日本落叶松木质部发育相关基因参与半乳甘露聚糖合成、木葡聚糖合成、纤维素微纤丝形成、细胞壁纤维素合成、次生细胞壁形成过程、纤维伸长过程、调控合成木质素的碳代谢流、木质素生物合成及降解、木质素单体聚合、木质素单体甲基化和细胞程序化死亡等木材形成相关生物学过程;在共表达网络中筛选出的17个核心基因可作为今后研究的重点来探索其在木材形成过程中的具体功能。     

杨树中I类KNOX基因结构、表达与功能分析

[目的]分生组织对器官发生和形态建成起到至关重要的作用,其活性受多种转录因子的调控。KNOTTEDlike homeobox(KNOX)基因家族由2个亚类即I类和II类KNOX组成,在模式植物拟南芥中I类KNOX成员主要在茎的顶端分生组织区域表达,对维持顶端分生组织分化及侧生器官的形态建成过程起关键作用。木本植物生长发育过程主要包含以顶端分生组织(Shoot apical meristem,SAM)为中心的初生生长与以形成层为中心的次生生长过程,本研究通过分析杨树I类KNOX基因在SAM、根顶端分生组织(Root apical meristem,RAM)的形成过程及形成层相关区域的表达,探讨I类KNOX基因在杨树分生组织形成与分化过程中的功能。[方法]以拟南芥I类KNOX基因STM的蛋白序列在毛果杨基因组中进行同源比对分析,获取杨树I类KNOX成员的核酸和氨基酸序列。根据核酸及氨基酸序列信息构建系统发育树,并绘制基因结构与蛋白质结构图谱。利用84K杨(Populus alba×P.glandulosa)不定芽与不定根诱导实验体系模拟顶端分生组织发育过程,通过实时定量PCR(RT-PCR)技术,对杨树I类KNOX成员在不定芽与不定根形成过程及形成层相关区域中的表达进行分析。[结果]本研究通过同源比对分析鉴定出10个杨树I类KNOX成员,根据进化关系与基因结构差异将其分为三组:组1、组2、组3,其中,组1为拟南芥KNAT2和KNAT6同源基因,组2为STM和BP同源基因,组3为杨树所特有的I类KNOX基因。杨树I类KNOX基因在不定芽与不定根发生过程中表达量均发生较大的变化,在不定芽发生过程中,组1基因在芽原基分化产生不定芽的关键期上调表达,而组2与组3基因多在分生组织分化产生芽原基阶段高表达;在不定根发生过程中,组1成员多在根原基分化产生不定根的过渡期上调表达,组2与组3基因则多在发育后期不定根形态建成阶段高表达。杨树I类KNOX成员在形成层相关区域均表达,组1中KNAT2/6与组2中STM、BP同源基因的表达量明显高于其他成员。[结论]以上结果说明,杨树I类KNOX除了与拟南芥同源的2个组外,还进化产生新的组别,分别参与分生组织形成和分化过程中不同阶段的调控,且Pt KNAT2/6b、ARK1与ARK2在形成层区域高表达,提示以上3个基因可在形成层功能维持以及木质部分化中发挥主要作用。     

植物木质素生物合成转录因子及调控遗传网络分析

利用生物信息学的方法,对有代表性的23个调控植物木质素生物合成的转录因子进行系统发育树和保守基序分析,同时结合已报道的转录因子功能,构建维管植物次生细胞壁生物合成的调控遗传网络。结果表明:系统发育树中MYB转录因子、NAC转录因子和NtLIM转录因子各聚为一类。保守基序中除PttMYB21a外,MYB转录因子都具有2个不相同的MYB DNA结合域SANT基序;NAC转录因子都具有共同的保守基序NAM。调控遗传网络中11个转录调控模块通过调控自身/下游转录因子/包含AC元件的木质素单体途径基因/不包含AC元件的木质素单体途径基因对次生细胞壁生物合成产生影响。     

光皮桦MYB基因的克隆及表达和调控分析

【目的】MYB转录因子是植物中一类重要的转录因子,在调控次生壁纤维素和木质素等的合成中具有重要作用。为了挖掘参与光皮桦木材形成的MYB基因,本研究通过克隆MYB基因,分析其序列特征、表达模式和下游调控基因,以期为后续功能深入解析和分子辅助育种提供理论依据和基因资源。【方法】利用RACE技术分离到4个光皮桦BlMYB基因的cDNA片段。利用生物信息学工具对这些基因的序列特征进行分析,利用实时荧光定量PCR分析BlMYB及预测的下游基因在不同器官(雌花序、雄花序、嫩芽、嫩叶、成熟叶、茎)、组织(内外层木质部、韧皮部、形成层)中,以及应拉木诱导早期阶段的表达差异。以2个木质部特异表达的BlMYB为指导基因,采用相互排名法和Cytoscape软件构建共表达网;使用Plant CARE在线查询共表达的下游基因启动子区元件。【结果】分离到4个BlMYB的全长cDNA序列,分别命名为BlMYB1、BlMYB2、BlMYB3和BlMYB4,它们编码的蛋白分别由395、252、258、320个氨基酸残基组成,且在靠近N端都有R2R3结构域。4个BlMYB氨基酸序列间一致性27%～37%,而与它们同源的拟南芥AtMYB氨基酸序列间的一致性为39%～55%。4个BlMYB基因都含有1～2个内含子。进化树构建分析发现4个BlMYB分属于4个不同的分支,其中BlMYB2、BlMYB4分别与细胞次生壁形成相关的MYB聚在一起。BlMYB1、BlMYB3在成熟叶片中优势表达,且随叶片成熟表达水平呈递增趋势,可能与叶片的发育有关。BlMYB2在木质化茎段的木质部强烈表达,而在叶片、韧皮部等组织中的表达相对较弱;在应拉木诱导形成的早期阶段,应拉木中BlMYB2呈下调表达,尤其是拉弯处理48 h和7天时的相应数值均显著低于直立木。BlMYB4在茎的木质部、成熟雄花序中优势表达,在根、嫩叶中的表达水平较低;同时,在应拉木诱导形成早期阶段,BlMYB4在应拉木和对应木中分别呈现上调和下调表达。另外,基于共表达分析和特异性AC元件筛选,推测FRK、COMT、HCT、CesA3、CesA4、4CL、CCoAOMT 7个纤维素、木质素合成酶基因可能受BlMYB2和BlMYB4所调控。【结论】获得的4个光皮桦BlMYB基因属于R2R3-MYB家族,具不同的基因结构。4个基因呈现不同的表达模式暗示它们可能参与调控不同代谢途径。结合光皮桦应拉木特征和共表达分析结果,可初步推测BlMYB2和BlMYB4可能参与光皮桦木材形成过程的调控。     

KNOX Ⅰ类基因在雌蕊发育中的作用

雌蕊由心皮和花柱组成并最终发育成果实,其发育对作物的产量、质量都有决定性的影响。因此,对雌蕊败育相关基因的研究是植物生物学研究领域的热点,KNOX家族是植物中的5个同源异型盒基因家族之一,分为Ⅰ类和Ⅱ类KNOX亚家族,主要在植物茎顶端分生组织中特异表达,是分生组织发生与维持所必需的关键基因,调控与器官发生相关的细胞分化,最终影响侧生器官的形态建成、该文综述了与雌蕊发育相关的KNOX家族基因功能,重点对KNOX家族中的KNOX Ⅰ类基因进行了阐述。     

转录组-代谢组联合分析揭示低温下采后雷竹笋木质化分子调控机制

雷竹（Phyllostachys violascens）笋是中国传统的山珍之一，是一种天然绿色食品。但其采后易消耗大量水分和营养而快速老化，在一般条件下难以贮藏。文中首次通过“转录组—代谢组”联合分析揭示了低温贮藏条件下雷竹笋木质化的调控机制，研究表明：与常温贮藏相比，低温可显著抑制采后竹笋中PAL、POD酶活性，降低失水率和总木质素含量，从而将竹笋保鲜时间至少延长20 d。通过“转录组—代谢组”联合分析表明，低温下竹笋木质素前体物质、茉莉酸含量呈上升趋势，并在后期显著富集，说明低温可诱导茉莉酸积累、抑制木质素合成。对低温响应、茉莉酸合成和木质素合成通路关键基因进行筛选，并通过共表达分析发现，低温信号可能通过“低温—木质化”和“低温—茉莉酸—木质化”2种通路共同抑制采后竹笋中木质素合成，延缓其保鲜时间。上述结果可为揭示采后竹笋木质化分子调控通路研究提供了一定依据。     

毛竹肉桂酰辅酶A还原酶基因PeCCR功能初步研究

[目的]为研究肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)基因表达对竹子木质素生物合成的影响,对毛竹(Phyllostachys edulis (Carrière) J. Houz.)中PeCCR基因的表达情况进行分析,并对PeCCR基因功能进行研究,以期为利用CCR基因在竹子中开展基因工程育种提供参考依据。[方法]采用实时定量PCR(qRT-PCR)方法对PeCCR基因在毛竹不同组织以及不同高度笋中的表达进行了分析,采用RT-PCR方法克隆了PeCCR基因的编码区,构建了基因过量表达载体,采用蘸花法转化拟南芥(Arabidopsis thaliana L.),采用溴乙酰法测定转基因植株茎木质素的含量。[结果]qRT-PCR结果表明:在毛竹实生苗根中PeCCR的表达量最高,其次是笋中,而未展开叶中最低;在野外随着笋高度的增加,木质化程度加强,PeCCR基因的表达量呈上升趋势,在6.7 m笋中达到最高。克隆获得PeCCR编码区长度为1 026 bp,编码一个341 aa的蛋白,具有家族蛋白特有的保守结构域"NWYCYGK"。与野生型拟南芥相比,转PeCCR基因植株叶片明显增大,且抽苔时间提前3~4 d。茎横切的组织化学染色观察发现:转基因植株茎的木质部和束间纤维组织染色面积均大于野生型;木质素含量测定表明,2个过表达PeCCR1转基因株系中的木质素含量均明显高于野生型,分别为野生型对照的123.1%和116.7%。[结论]PeCCR基因在毛竹不同组织的表达存在差异,在笋中随高度增加其表达量上调。过量表达PeCCR促进了转基因拟南芥植株的生长发育,提高了木质素含量。     

共表达网络分析揭示棕榈藤纤鞭生长动态调控模块

棕榈藤是世界上仅次于树木与竹子的最重要非木森林资源。2018年国际竹藤中心全球首次发布了棕榈藤全基因组序列（单叶省藤和黄藤），极大促进了棕榈藤基因功能的研究。基因共表达网络分析有助于在转录组层面提供完整全面的基因功能注释，因此本研究整合棕榈藤基因组序列和不同发育阶段的纤鞭转录组数据进行了共表达网络分析。通过整合共表达网络、基因家族分类和功能富集等分析，分别在单叶省藤和黄藤中鉴定得到3 504和3 027个功能模块，包括光合作用、木质素生物合成、类黄酮生物合成、苯丙素生物合成等主要的生物学过程。同时，使用共表达网络和功能模块对基因的功能注释进行了优化，对棕榈藤纤鞭生长调控有了新的认知。最后，构建了首个棕榈藤组学在线数据库——Rattan-NET （http：//rattan.bamboogdb.org/），包含基因集富集、模块富集、网络比较和顺式作用元件等分析工具，可供研究人员开放使用。     

珙桐DiCCoAOMT1基因的克隆及生物信息学分析

种子休眠期长是导致珙桐自然繁殖力低下的重要原因之一。珙桐内果皮在发育后期快速木质化形成坚硬而致密的结构,可能是决定种子休眠时间的重要因素,而这一过程的调控机制尚不明确。本研究小组前期通过对珙桐内果皮发育的4个时期进行转录组测序,发现CCo AOMT基因家族与内果皮快速木质化关系密切。本研究从转录组中筛选到11个珙桐CCo AOMT基因家族基因,并利用生物信息学方法对筛选到的基因进行表达模式、序列特征、细胞定位和系统进化分析。分析显示,11个珙桐CCo AOMT基因根据表达模式可分为2种类型,筛选其中6个表达差异显著的CCo AOMT基因进一步分析其表达规律,最后确定其中差异表达最显著的Cluster-149.63013序列进行克隆及生物信息学分析。结果表明,该基因开放阅读框全长为744 bp,编码247个氨基酸,其氨基酸序列含有植物甲基化酶所共有的A、B、C基序及CCo AOMT蛋白特有的标志性序列D、E、F、G和H,其氨基酸序列与辣椒的CCo AOMT蛋白同源性最高,将其命名为Di CCo AOMT1。本研究克隆得到的Di CCo AOMT1基因可能是珙桐内果皮木质素快速积累的关键调控基因。     

不同浓度氮处理毛竹水通道蛋白基因表达模式及其调控网络

氮和水分平衡对植物生长发育具有重要作用,在长期进化过程中植物体内形成了氮运输和水分平衡的复杂调控网络。为揭示竹子速生的内在调控机制,研究了不同浓度氮处理下毛竹根中水通道蛋白(AQP)基因的表达模式,并预测了其表达调控网络。结果表明,在不同浓度氮处理下,在毛竹根的转录本中共鉴定到30个差异表达的PeAQPs,包括14个PePIPs、8个PeTIPs、7个PeNIPs和PeSIP2-1;随着氮浓度的提高,PeAQPs的表达模式主要分为2类：一类呈上调表达,另一类呈下调表达。在这些差异表达AQP基因的启动子中鉴定到了许多转录因子(TF)的结合元件,同时通过筛选差异表达TFs,构建了差异表达TFs和PeAQPs的共表达网络。代表性差异表达TFs和PeAQPs表达的相关性分析和共表达结果表明,这些TF可能参与调控毛竹中水分和氮的协调运输。研究结果可为深入解析毛竹快速生长的分子机制提供参考。     

基于毛竹重测序的基因可变剪接研究

虽然测序技术得到显著提高,组学数据大量出现,但是竹子仍然缺少染色体水平的基因组,并且竹子中基因的可变剪接（AS）进化情况仍不清楚。本研究通过使用大量的组学数据和基于染色体构象捕获技术的基因组辅助（Hi-C）组装策略,组装得到了染色体水平的毛竹（Phyllostachys edulis）基因组,基因组质量显著提升,Scaffold N50达到79.90 Mb,是上一版本的243倍。通过单分子实时测序和人工验证在毛竹中鉴定出51 074个结构完整的高质蛋白质编码基因模型。此外,利用Illumina和Pacific Bioscience（PacBio）测序平台对毛竹26个不同代表性组织样本进行了大规模转录组测序,从中鉴定出25 225个可变剪接基因和266 711个特异的可变剪接事件,得到一个完整的可变剪接图谱。通过与近缘物种进行同源基因比较,发现可变剪接基因集中在表达水平高且组织特异性低的保守基因中,并发现在毛竹木质素生物合成途径关键基因中存在基因家族扩展、大量可变剪接事件和正向选择。本研究成果将为比较基因组学研究和深入分析基因可变剪接提供数据支持,也为研究可变剪接在竹子进化和多样化中的作用提供了一个全局视角。     

杨树木质素合成基因C3H与HCT表达下调对细胞壁空间形态的影响

木质纤维素是地球上数量最大的可再生资源,由木质素、半纤维素及纤维素三者紧密结合产生的抗降解屏障作用是纤维素能源利用的主要障碍。高效分离木质素,须对木质素在木材细胞壁中的结构与分布进行充分的研究。本研究中选定莽草酸/奎尼酸羟基肉桂酰转移酶HCT基因和毛白杨香豆酰莽草酸/奎宁酸羟化酶C3H基因为调控目标,通过根癌农杆菌叶盘转化法转化银腺杨无性系84K,最终得到C3H-RNAi与HCT-RNAi转基因植株。发现C3H-RNAi和HCTRNAi转基因株系比野生型植株内中外三层木质部的平均导管腔茎、导管壁、木纤维腔径、木纤维壁均变小。壁腔比值都小于1,比较适合作为造纸纤维原料。探索通过基因改良技术改变杨树木质素结构在细胞壁中空间尺度上分布变化,这将为林木材性改良,木质纤维素高效利用研究奠定基础。     

冷胁迫下普通油茶CCCH型锌指蛋白基因家族的鉴定和分析

【目的】为挖掘和利用耐寒普通油茶Camellia oleifera遗传资源提供参考。【方法】基于普通油茶的冷胁迫转录组数据,对其CCCH型锌指蛋白基因进行鉴定,并对CCCH型锌指蛋白进行理化性质分析、系统发育分析、保守结构域预测、二级结构预测等相关生物信息学分析,并以庐山高海拔油茶(LSG)和栽培油茶品种赣无1(GW1)为材料,对CCCH型锌指蛋白基因在冷胁迫下的表达情况进行分析。【结果】在普通油茶的冷胁迫转录组数据中共鉴定到24个CCCH型锌指蛋白基因,参考水稻分类方法,将24个CCCH型锌指蛋白聚类到2个亚家族中。保守基序分析结果表明,在24个基因中仅有3种CCCH型锌指蛋白基序类型,即C-X8-C-X5-CX3-H、C-X7-C-X5-C-X3-H和C-X5-C-X4-C-X3-H,数目分别为92、4和4。转录组表达谱分析结果表明：在野外冷胁迫试验中CoC3H17基因在D4、D5和D6时期的表达量高于D1、D2和D3时期,在室内冷胁迫试验中庐山高海拔油茶和赣无1的CoC3H17基因一直表现为更高的转录本丰度;CoC3H14和CoC3H24基因在野外试验的D4、D5和D6时期均表现...     

偏肿革裥菌在木质环境下转录组构建与相关基因表达分析

【目的】对白腐菌偏肿革裥菌在木质和非木质环境下的转录组进行测序,为白腐菌降解木材的机制研究提供支持。【方法】采用高通量测序技术对木屑和非木屑处理条件下的菌丝样本进行转录组测序。利用eggNOG、GO、KEGG等数据库对转录本进行注释和比较分析,预测和筛选出偏肿革裥菌与木材降解有关的基因。应用荧光定量PCR(qPCR)检测mnp2等11个与木质素降解相关的差异基因在木屑处理5天条件下的表达量,结合转录组数据对这些基因的表达量变化趋势进行分析。【结果】偏肿革裥菌转录组测序共得到38.9 Gb Clean Data,各样品Clean Data平均达到6.49 Gb,各样品的Reads与参考基因组的比对效率在71.23%~74.25%之间。使用edgeR软件进行差异表达分析,得到差异表达基因898个,其中上调351个、下调547个。差异基因被注释到GO数据库的有251个,注释到KEGG数据库的有223个,注释到eggNOG数据库的有704个。eggNOG分析表明,差异基因表达多聚集在能量产生和转换、转录后修饰、蛋白质代谢、伴侣关系、次生代谢物的生物合成、碳水化合物的运输和分解代谢等功能分类下。GO分析表明,显著性富集与频率较高的生物过程是丙酮酸代谢过程、类异戊二烯生物合成过程、天冬氨酸家族氨基酸代谢过程和木质素分解过程。在KEGG通路分析中,差异基因分布到86个不同的生物途径,差异基因显著富集的代谢通路主要为:碳代谢、柠檬酸循环、芳香化合物降解、乙醛酸代谢。qPCR结果表明在木屑处理条件下基因mnp2、mnp3、lip9、lip2、laccase1和nadp的表达量明显上调;mnp10 s、mrp、cyp450-1、GroES1和GroES2的表达量明显下调,qPCR与转录组测序结果在表达量差异倍数上存在较小偏差,但整体趋势一致,可以证明转录组测序结果是正确可靠的。【结论】偏肿革裥菌降解木材与碳代谢、芳香化合物降解等通路密切相关;与木质素分解等生物过程密切相关。根据基因功能注释的结果得到11个与白腐菌降解木质素相关的重要差异表达基因。     

毛白杨次生维管系统再生过程的基因表达

【目的】次生维管系统再生能够在树干维管系统丧失后通过去分化、再分化或转分化等组织修复手段实现维管组织的再生。为了鉴定和研究次生维管系统发育相关的重要基因和调控元件,本文利用毛白杨次生维管再生系统,分析了不同再生时期的基因表达模式,为进一步揭示木材形成的基因调控机制奠定基础。【方法】将4年生毛白杨无性系在形成层活动旺盛期进行环剥取样。对剥皮后的树皮内侧和树干表面的样本,以及再生第7、10、14、18和21天5个不同时期获取的再生材料进行高通量转录组分析,并利用基因共表达分析(WGCNA)方法,得到与不同再生时期密切相关的模块,并对这些特异表达的基因进行表达网络和生物学功能分析。【结果】将第0天(剥皮当天)树皮内侧样本与树干表面样本、再生第7天样本与树干表面样本,以及相邻再生时期的样本进行表达差异分析。对得到的14 202个差异基因进行WGCNA分析,构建基因共表达网络,获得与维管再生过程相关的10个共表达模块。其中,Grey60模块的基因在再生第7天样本和树皮内侧样本中特异表达,主要涉及DNA复制、有丝分裂、细胞分裂和微管运动等功能;该模块还含有大量与表观遗传调控、细胞周期相关的基因,它们在再生第7天的高表达可能激活了脱分化木质部细胞的增殖和组织类型的改变,使其获得再分化能力。此外,Pink模块的基因在第0天成熟维管组织样本中的表达量极低,但在再生过程中表达呈上升趋势,到第21天达到最高值;这些基因主要参与细胞分裂、细胞壁修饰、韧皮部发育、碳水化合物代谢、DNA的转录调控等相关的生物学途径。Pink模块中与韧皮部分化相关的标记基因,比如APL、NAC45/86、DOF、BSPA、PP2和SUS的表达被重新激活,与调节形成层细胞增殖和分化的CLE41/44和CLV1一样,表达量都是从再生第10天开始逐渐增加。到次生维管系统再生后期的第18天和第21天,形成层已经完成了结构重构并能进行细胞的分裂、分化,此时木质部标记基因和次生壁调控因子有较高的表达。【结论】毛白杨次生维管系统再生早期,脱分化的木质部细胞通过表观遗传和细胞周期调控重新获得细胞分生能力;之后,韧皮部的细胞分化程序被启动,再生形成层开始细胞增殖和分化;到再生后期,通过相关基因调控,形成层再分化木质部和韧皮部。通过对次生维管组织再生过程中基因的表达分析和调控模块的鉴定,进一步验证了次生维管再生的遗传调控基础,也可为揭示植物维管组织再生的调控机制奠定基础。