气孔蛋白同源物在单、双子叶植物中的生物信息学分析

本文对NCBI数据库中的4种单子叶植物（玉米,高粱,水稻和二穗短柄草）和5种双子叶植物（筷子芥,大豆,蒺藜苜蓿,毛果杨和蓖麻）的气孔蛋白同源物,利用生物信息学分析工具在基因结构、碱基组成、氨基酸理化性质、信号肽结构、磷酸化位点、二级结构及三维结构上进行了比较分析,并构建系统进化树。结果表明,单、双子叶植物中的气孔蛋白同源物在基因结构上均由3个外显子和2个内含子构成;编码的蛋白均属于不稳定的疏水性蛋白,且存在信号肽结构和C端保守的6个半胱氨酸残基;在保守的成熟肽区段含有酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点（T）,不含α-螺旋结构,但三维结构基本一致。它们之间的不同点如下：单子叶植物气孔蛋白同源物在基因结构上存在一致的上游同框终止密码子,且G-C含量高于双子叶植物,而AT含量低于双子叶植物;单子叶植物中气孔蛋白同源物的氨基酸残基数目较庞大（除大豆外）,在前肽和信号肽区域分别含有相对保守的酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点（S）和N端豆蔻酰化位点;二级结构中的延伸折叠结构和任意卷曲结构分别多于和少于双子叶植物。系统进化树表明,气孔蛋白在单子叶作物和双子叶植物之间产生了进化上的差异。气孔蛋白同源物在单、双子叶植物中存在明显的差异,这可能与基因的表达调控以及蛋白功能的活化机制有关。但是否与单、双子叶植物表皮细胞气孔的形态差异有关仍待进一步的研究。     

金柑磷酸蔗糖磷酸酶的基因克隆、表达与蛋白结构分析

磷酸蔗糖磷酸酶（SPP）是植物蔗糖生物合成最后一步催化反应的关键酶，对调控植物生长发育不同时期的蔗糖合成过程有重要作用。为探索金柑（Fortunella crassifiolia Swingle）SPP基因及其编码蛋白的序列特征及其在果实发育过程的表达特性，本研究以四倍体品种脆蜜金柑（F. crassifiolia Swingle cv. Cuimi）为试验材料，采用反转录PCR和cDNA末端快速克隆（RACE）方法从金柑果肉中克隆SPP基因，对其进行生物信息学和原核表达分析，并检测果实发育不同时期该基因在果肉中的表达量。结果表明，FcSPP基因的cDNA序列全长1 638 bp，最长开放阅读框（ORF）为1 191 bp，编码396个氨基酸，理论等电点为6.57，为稳定的亲水性蛋白，二级结构主要由α-螺旋和无规则卷曲组成。FcSPP蛋白含有S6PP和S6PP＿C保守结构域，属于植物磷酸蔗糖磷酸酶家族成员。系统进化分析结果显示，FcSPP蛋白与甜橙SPP同源性最高，在进化树上与拟南芥等双子叶植物SPP划归为一类。此外，本研究构建了FcSPP基因的原核表达载体，诱导表达获得纯化的FcSP...     

12个物种miR-302基因簇的生物信息学分析

很多microRNA（miRNA）基因在基因组上聚集排列形成miRNA基因簇。miRNA基因簇在进化上较为保守,有其特殊的生物学意义。miR-302基因簇在胚胎干细胞中特异表达,对胚胎干细胞的自我更新和多潜能维持有重要的作用。本文采用miRBase数据库查询和BLAST同源搜索方法共搜寻并分析了12个物种的miR-302基因簇。生物信息学分析表明,这些物种miR-302基因簇均位于LARP7蛋白基因的内含子区,但转录方向与LARP7基因转录方向相反。序列相似性分析显示,同一物种miR-302簇成员间以及不同物种相应miR-302簇成员间相似性均较高。进化分析表明,基因复制可能是miR-302基因簇进化的主要驱动力。     

几种植物waxy基因的密码子用法特性分析

密码子简并性特征造成了不同物种或同一物种的不同基因在密码子使用上存在不同的偏爱性。本研究运用CodonW软件对水稻、玉米、高粱、小麦、大麦、拟南芥、豌豆的waxy基因的密码子用法进行了分析。结果表明:单子叶植物与双子叶植物waxy基因的密码子用法差异较大,前者偏向于使用以G或C碱基结尾的密码子,后者则偏向于使用以A或T碱基结尾的密码子。不同物种的waxy基因在密码子用法差异上表现为,进化上亲缘关系越近的物种其基因密码子用法越相似。因此,基于基因密码子用法的研究,可作为目前各种系统发育分析方法的重要补充,用于物种进化关系和分子进化机制研究。     

谷子MLO家族的全基因组鉴定和表达谱分析

MLO是高等植物特有的一类抗病家族,在响应非生物胁迫中发挥重要作用。为全面解析MLO基因在谷子基因组中的特征,本研究利用生物信息学的方法,从谷子基因组中共鉴定出12个MLO基因,并对其编码蛋白的结构特征、亚细胞定位、系统进化关系、保守氨基酸残基位点进行预测,分析MLO基因在不同组织中的表达特征。结果表明,谷子MLO基因编码的蛋白质均包含有一个MLO结构域和多个跨膜区,且大多定位于细胞膜上,并存在一些保守的氨基酸残基位点和基序;与其他物种MLO成员的聚类结果表明,谷子MLO可分为7个类群(Ⅰ~Ⅶ),其中第Ⅶ类全部由禾本科作物的MLO成员组成,这些可能是禾本科作物单独进化出的一类特有的MLO成员;Si MLO10与单子叶植物中已知的抗白粉病MLO基因聚在第Ⅳ类,是谷子中一个候选的抗白粉病基因,而单子叶和双子叶植物中已知功能的MLO成员分别聚在第Ⅳ、第Ⅴ类群,表明MLO功能的形成可能发生在单、双子叶植物分化之后。大多数MLO基因在谷子的根、茎、叶、穗中均有表达,且不同的基因表达量存在较大差异,说明谷子MLO家族成员可能具有不同的生物学功能。本研究结果为揭示谷子MLO基因的功能及其在谷子抗白粉病育种中的应用奠定了一定的理论基础。     

几种植物waxy基因的密码子用法特征分析

密码子简并性特征造成了不同物种或同一物种的不同基因在密码子使用上存在不同的偏爱性。本研究运用Codon W软件对水稻、玉米、高粱、小麦、大麦、拟南芥、豌豆的waxy基因的密码子用法进行了分析。结果表明：单子叶植物与双子叶植物waxy基因的密码子用法差异较大,前者偏向于使用以G或C碱基结尾的密码子,后者则偏向于使用以A或T碱基结尾的密码子。不同物种的waxy基因在密码子用法差异上表现为,进化上亲缘关系越近的物种其基因密码子用法越相似。因此,基于基因密码子用法的研究,可作为目前各种系统发育分析方法的重要补充,用于物种进化关系和分子进化机制研究。     

青花菜花粉外壁蛋白基因的克隆与表达特征分析

花粉外壁蛋白参与多种植物生理进程,在花粉发育过程中起着重要的作用。本试验以青花菜保持系‘WN12-95B’为材料,利用RT-PCR技术克隆得到青花菜花粉外壁蛋白（PCP）基因。结果显示,该基因全长578 bp其中开放阅读框长度为561 bp共编码186个氨基酸。该蛋白为疏水性蛋白,在第1~24位有一个信号肽序列,预测相对分子量为18.82 kD等电点为10.91。青花菜PCP蛋白的二级结构主要由a-螺旋和不规则卷曲构成,不含β-转角。系统进化分析表明青花菜花粉外壁蛋白与同属植物的进化关系相近,其中与甘蓝进化关系最近。采用qRT-PCR技术分析青花菜PCP基因的表达特性,结果显示该基因仅在花蕾中表达,具有明显的组织特异性。青花菜Ogu不育系及其保持系不同发育阶段花蕾中PCP基因差异明显,表明其在花粉发育中具有重要的作用。本研究结果为进一步研究PCP基因在青花菜花粉发育过程中的作用奠定基础。     

7种植物ALAD基因的生物信息学分析

5-氨基乙酰丙酸脱水酶（8-aminoaevulinicaciddehydratase，ALAD）是生物体所有四吡咯化合物生物合成所必需的酶。目前，GenBank共记载了39种绿色植物的ALAD基因。本文采用生物信息学方法对其中常用的模式植物拟南芥、玉米、小麦、大豆、苜蓿以及葡萄、菠菜等植物的5-氨基乙酰丙酸脱水酶基因的核苷酸及其编码的蛋白氨基酸序列、组成成分、导肽、信号肽、跨膜结构域、疏水性／亲水性、蛋白质二级结构、三级结构及功能域等进行预测和分析，并构建了5-氨基乙酰丙酸脱水酶蛋白家族的系统进化树。结果表明，这几种植物的开放阅读框都在1290bp左右，分子量为47kD左右，等电点（pD值为5．5～7．0之间，ALAD蛋白呈中性至微酸性。含量最丰富的氨基酸为Ala、Leu、Val、Arg、Ser、Gly、Pro和Asp。研究还发现这些植物5-氨基乙酰丙酸脱水酶肽链表现出明显的疏水区和亲水区，不存在信号肽，有叶绿体转运肽；可能存在跨膜结构域。蛋白质二级结构中最主要的结构元件是无规则卷曲和α-螺旋，含有5-氨基乙酰丙酸脱水酶的活性结构域、ALAD-PGBS．aspartate-rich保守结构域、舍夫碱残基结构域和一个镁离子结合位点结构域。核苷酸同源性比对结果显示，拟南芥5-氨基乙酰丙酸脱水酶基因与其它植物的同源性较高；进化分析结果表明这些植物5-氨基乙酰丙酸脱水酶基因被分为六个大类。本工作可为今后深入研究植物5一氨基乙酰丙酸脱水酶的结构特征和功能提供一定的依据。     

利用EST数据克隆大豆天冬氨酸代谢途径关键酶基因

电子克隆（in silico cloning）是随着基因组计划和EST计划实施而发展起来的利用生物信息学手段进行基因克隆的新方法。本研究根据物种间同源基因相对保守的特点，利用生物信息学方法以不同物种的基因序列为信息探针，运用Blast软件与所下载的大豆EST数据库进行比对拼接，获得基因全长cDNA序列。首次克隆了大豆天冬氨酸代谢途径上AHRI、AHAS、ASADH、BCAT、CBL、DAPD、DAPE、DHDPR、DHAD、HK和TD等11个关键酶基因的cDNA序列。其中AHRI、DAPD、DAPE、DHDPR和DHAD基因经RT—PCR克隆和序列分析验证，长度分别为1764bp、1467bp、1080bp、1035bp和1806bp，结果与电子克隆序列基本一致。本实验通过与不同物种的这些基因蛋白序列比较，发现与双子叶植物拟南芥、蓖麻和马铃薯的同源性较高，而与单子叶植物水稻的同源性略低。     

几种芸薹属作物APX家族基因的鉴定与序列分析

抗坏血酸过氧化物酶(APX)是植物体叶绿体清除H₂O₂的关键酶。为了探究芸薹属作物中APX家族基因的序列特点和表达模式,本研究利用生物信息学方法,从大白菜、甘蓝和欧洲油菜中分别鉴定出10、9和22条APX 家族基因,对这41个成员序列特点、染色体分布、CDS保守域、蛋白保守结构域、蛋白三级结构和系统进化关系等进行预测分析,并通过基因表达数据库分析这些基因在高温、干旱和生物胁迫等逆境条件下的表达模式。结果表明,APX在进化树上可分为8个亚族,分散在不同的染色体上;这些APX基因拥有相对稳定的CDS保守结构域、蛋白保守结构域和三级结构,都具有过氧化物酶功能域,在peroxidase功能域的后端均含有一个螺旋结构状的保守域Motif6。APX基因的Ka/Ks值均小于1,表明APX家族基因整体上正在经历纯化选择。大部分APX1和APX2基因在受到高温胁迫时表达上调,其中BrAPX2a在大白菜的胚和胚乳中强烈响应高温胁迫,但在大白菜其他部位表达微弱,存在一定的表达组织特异性。APX3、APX4等基因对干旱和高温胁迫响应不明显;甘蓝3个APX1基因在白粉虱为害胁迫时表达上调。本研究结果为芸薹属作物APX家族成员的克隆、表达与功能研究提供了一定参考。     

Plant community impacts on the structure of earthworm communities depend on season and change with time

Declining plant diversity potentially threatens essential ecosystem functions driven by the decomposer community, such as litter decomposition and nutrient cycling. Currently, there is no consensus on the interrelationships between plant diversity and decomposer performance and previous studies highlighted the urgent need for long-term experiments.In the Jena Experiment we investigated the long-term impacts of plant community characteristics on the structure of earthworm communities representing key decomposers in temperate grassland. We repeatedly sampled plots varying in plant species richness (1-16 species), plant functional group richness (1-4 groups), and presence of certain plant functional groups (grasses and legumes) three, four, and six years after establishment of the experiment in spring and autumn.The results show that earthworm performance is essentially driven by the presence of certain plant functional groups via a variety of mechanisms. Plant productivity (root biomass) explained most of the detrimental grass impacts (decrease in earthworm performance), while beneficial legume effects likely were linked to high quality inputs of plant residues (increase in earthworm performance). These impacts depended on the functional group of earthworms with the strongest effects on surface feeding anecic earthworms and minor effects on soil feeding endogeic species. Remarkably, effects of plant community characteristics on the composition and age structure of earthworm communities varied between seasons. Moreover, plant diversity effects reported by a former study decreased and detrimental effects of grasses increased with time.The results indicate that plant community characteristics, such as declining diversity, indeed affect the structure of earthworm communities; however, loss of key plant functional groups is likely to be more important than plant species number per se. However, in frequently disturbed ecosystems plant species richness might be important for the recovery and resilience of belowground functions. Moreover, the results accentuate the importance of long-term repeated measurements to fully appreciate the impacts of plant community composition and diversity on ecosystem properties. Single point observations may be misleading and potentially mask the complexity of above-belowground interrelationships.     

烟草钾转运体基因NtHAK1的克隆及表达模式分析

采用RT-PCR的方法,结合3'RACE与5'RACE,从普通烟草(Nicotiana tabacum)品种K326中克隆出烟草K+转运体基因NtHAK1的全长cDNA序列.该序列长度为2016bp,编码378个氨基酸,其分子量为42.27kDa,等电点7.2.生物信息学分析表明,该蛋白具有6个跨膜区,含有K+转运蛋白...     

Neglect of mowing and manuring leads to slower nitrogen cycling in subalpine grasslands

Nitrogen (N) availability in grasslands varies with agricultural land use. Traditional management regimes of mowing for hay and manuring in subalpine meadows maintain plant communities with exploitative functional strategies suited to fertile soils with fast turnover of nutrients. We investigated whether the neglect of traditional practices has led to a reduction in N availability in two parallel ecosystems (terraced and unterraced fields). Soil nitrate and ammonium contents were assessed using soil cores and ion exchange resins over a 1-year period, and assays of microbial nitrifying and denitrifying enzyme activities, made early in the growing season. A large difference in pH between the two ecosystems, caused by historical ploughing, facilitated greater N availability in terraced than unterraced fields. Abandonment of manuring and mowing caused a reduction in N availability and N transformation processes, which correlated with a shift in the plant community towards more-conservative functional strategies and greater dominance by grasses. We propose that positive feedback between the grassland management regime and dominant plant functional strategy maintained high N availability in these managed subalpine grasslands. When traditional practices of mowing and manuring are neglected, direct management effects combined with the spread of grass species with conservative strategies force down N availability in the soil, reduce microbial activity, change the pH, and lead to a long-term loss of characteristic herbaceous subalpine-meadow species.     

马铃薯水通道蛋白基因cDNA克隆、序列分析及蛋白质结构预测

摘要：以干旱胁迫处理的马铃薯（Solarium tuberosum L.）普通栽培种“GannongShu No.2”叶片为材料，提取总RNA，采用RT-PCR方法，扩增出一个编码288个氨基酸序列的水通道蛋白基因StPIP1( Solarium tuberosum L. plasma membrane intrinsic protein gene) cDNA，GenBank登录号为DQ999080，用生物软件对StPIP1分析表明，StPIP1含有6个跨膜区，具有MIP家族的特征信号序列SGXHXNPAVT，还具有质膜水通道蛋白家族的特征信号序列GGGANXXXXGY和TGI/TNPARSL/FGAAI/VI/VF/YN。聚类分析表明和其他14个物种PIP1类同源性在92％以上，应属于质膜水通道蛋白PIP1类。用运同源建模的思想预测StPIP1蛋白质三级结构，Swiss-Model反馈结果表明和菠菜(2B5F)水通道蛋白结构相似，单体由5个短环相连的6个亲水的跨膜螺旋，N末端、C末端以及B、D环位于细胞内，A环、C环及E环在细胞外，一般以四聚体的形式存在。     

Do climate warming and plant species richness affect potential nitrification, basal respiration and ammonia-oxidizing bacteria in experimental grasslands?

Ammonia-oxidizing bacteria (AOB) are key organisms in the N cycle, as they control the first, rate-limiting step of the nitrification process. The question whether current environmental disturbances, such as climate warming and plant diversity losses, select for a particular community structure of AOB and/or influence their activity remains open. The purpose of this research was to study the impact of a 3 °C warming and of plant species richness (S) on microbial activity and diversity in synthesized grasslands, with emphasis on the nitrification process and on the diversity (community structure and richness) of ammonia-oxidizing bacteria (AOB). We measured soil chemical characteristics, basal respiration, potential nitrification and AOB diversity in soils under increasing plant species richness (S = 1, S = 3, S = 9) at ambient and (ambient +3 °C) temperature. Species were drawn from a 9-species pool, belonging to three functional groups: forbs, legumes and grasses. Mixtures comprised species from each of the three functional groups. Warming did not affect AOB diversity and increased potential nitrification at S = 3 only. Under warmed conditions, higher plant species richness resulted in increased potential nitrification rates. AOB richness increased with plant species richness. AOB community structure of monocultures under legumes differed from those under forbs and grasses. Clustering analysis revealed that AOB community structure under legume monocultures and mixtures of three and nine species grouped together. These results indicate that functional group identity rather than plant species richness influenced AOB community structure, especially through the presence of legumes. No clear relationship emerged between AOB richness and potential nitrification whatever plant species richness and temperature treatment. Our findings show a link between aboveground and belowground diversity, namely plant species richness, AOB richness and community structure. AOB richness was not related to soil processes, supporting the idea that increased diversity does not necessarily lead to increased rates of ecosystem processes.     

辣椒CDPK基因家族的鉴定、进化与表达分析

钙依赖性蛋白激酶(CDPK)在植物细胞钙信号转导中起重要作用。为筛选鉴定辣椒CDPK基因家族,探讨其基因功能及进化模式,本研究利用生物信息学方法,在辣椒品种遵辣1号基因组中对其进行系统鉴定分析;同时,与辣椒品种CM334基因组进行比较分析。结果表明,遵辣1号基因组中共鉴定获得30个CDPK基因,分布在11条染色体上,命名为CaCDPK01~CaCDPK30。其中,有6对CaCDPK基因发生了片段复制。辣椒CDPK基因家族可分为4个亚族,亚族间基因数目及结构差异较大,Ⅳ亚族最保守。CaCDPKs在辣椒不同组织及成熟的不同阶段中具有表达特异性,部分基因对之间表达趋势相关性较高。在2个辣椒品种中,CDPK基因也发生了明显分化。本研究为深入解析CaCDPKs基因功能及进化模式奠定了重要的理论基础。     

微波对大豆蛋白氧化聚集体结构及功能特性的影响

为了探究不同时间微波处理对大豆蛋白氧化聚集体的结构和功能性质的影响,由偶氮二异丁脒盐酸盐(2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride,AAPH)诱导构建大豆蛋白氧化反应体系,采用功率为350 W的微波对其照射不同时间(0、10、20、30、40、50、60、70 s),探究微波处理对氧化聚集大豆蛋白的结构特性和加工特性的影响。结果表明,氧化可诱导形成粒径、分子量更大,结构更致密的蛋白质聚集体,同时对加工特性造成损害。适当时间(<30 s)的微波处理会导致氧化聚集体的分子结构打开、粒径降低和浊度降低,无序结构减少,进而改善了起泡性、乳化性和持水、持油性。长处理时间(>30 s)的微波处理导致已解聚的大豆蛋白分子重新形成更大的分子聚集体,降低功能性质。这表明微波物理场可以通过改变大豆蛋白氧化聚集体的结构和聚集行为调节其功能性质,为大豆蛋白功能性质的改善及微波在大豆蛋白氧化聚集体行为调控的应用方面提供参考。     

Consequence of grazing pattern and vegetation structure on the spatial variations of net N mineralisation in a wet grassland

The aim of this study was to determine whether the spatial heterogeneity of grassland vegetation structure would lead to spatial heterogeneity in the net nitrogen mineralisation process in the soil and therefore in the quantity of mineral nitrogen available for the plants. The net nitrogen mineralisation in the soil was compared between different vegetation patches generated by grazing, on two different types of plant communities: mesophilous and meso-hygrophilous.In ungrazed conditions, the net soil nitrogen mineralisation rates did not vary significantly between the two plant communities and remained relatively constant with time. Grazing by cattle or horses appeared to have two effects on the process of net soil nitrogen mineralisation. Firstly, it significantly stimulated net nitrogen mineralisation compared to ungrazed conditions and secondly, it led to spatial heterogeneity in mineralisation rates in the grazed enclosures. This spatial heterogeneity of nitrogen available for plants occurred both between and within plant communities.In the meso-hygrophilous plant community, net nitrogen mineralisation increased with grazing pressure. We suggest that a decrease of C inputs to the soil, concomitant with increasing grazing pressure, could decrease microbial nitrogen immobilisation.By contrast, in the mesophilous plant community net nitrogen mineralisation did not vary with grazing pressure. These differences in the functional responsiveness to grazing and biomass between the two plant communities could be related to the differences in the functional traits characterizing their dominant species along the grazing gradient. In the meso-hygrophilous community, the species composition switch with grazing intensity gradient led to the replacement of the perennial plant species by annual plant species which could lead to an improvement in the litter nitrogen content and an acceleration in the litter decomposition rate. By contrast, in the mesophilous plant community, the perennial species remained dominant along the grazing intensity gradient and could explain the absence of effect on the net nitrogen mineralisation rates.We suggest that at the scale of the vegetation patch, the decrease in plant biomass linked to grazing could regulate soil microorganism activity, in relation with shift in plant functional traits which improve litter decomposability.     

植物非生物逆境相关锌指蛋白基因的研究进展

植物能够适应多种逆境主要是通过改变其基因表达和代谢途径来实现的,因此研究这些基因表达和功能对提高植物耐逆性具有重要意义。锌指蛋白是一类具有手指状结构域的转录因子,这种结构域由锌离子与多个半胱氨酸和(或)组氨酸组成,锌离子在稳定其结构和发挥调控功能方面具有关键作用。植物锌指蛋白在植物耐逆性方面具有重要作用。本文综述了近几年来从拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、番茄(Solanum lycopersicum)等植物中克隆的与非生物逆境相关锌指蛋白基因的研究成果,重点阐述了其基因表达部位、受逆境诱导情况及转基因植株的耐逆性等。目前的研究结果表明锌指蛋白能够调控耐逆相关基因的表达,在植物逆境代谢中发挥重要作用,因此可以利用锌指蛋白基因进行作物耐逆性的遗传改良,提高作物的耐逆能力。