大豆PHD家族蛋白的全基因组鉴定及表达特征分析

PHD（Plant Homeodomain Finger）基因家族编码一类锌指转录因子,广泛参与植物的生长发育和逆境应答过程。通过全基因组鉴定获得了95个大豆PHD家族蛋白。通过共线性分析、进化树构建、基因结构和功能结构域鉴定、GO注释分析、不同组织间和非生物胁迫下表达分析等,获得了大豆PHD家族基因复制、家族进化、保守结构域及基因表达等信息。结果表明,大豆PHD基因在家族进化、基因结构和保守结构域上存在较大变异,可能参与Zn ²⁺结合、DNA结合及表观遗传调控等分子过程,参与调控植物生长发育和逆境应答。这些结果为进一步研究大豆PHD家族在生长发育和逆境应答中的生物学功能提供重要线索。     

腐霉菌诱导的大豆谷胱甘肽转移酶GmGST26基因的分子特征和表达分析

腐霉根腐病严重影响着大豆种子发芽和植株的生长,谷胱甘肽转移酶是植物与生物胁迫和非生物胁迫相互作用的主要酶,在失活有毒化合物,保护植物细胞免受氧化损伤等方面扮演着十分重要的角色。本研究从腐霉菌侵染的抗病大豆灰不支黑豆中分离出Gm GST26基因,采用生物信息学方法对大豆Gm GST26的序列特征、结构、大豆Gm GST家族基因的进化关系及表达数据进行分析;利用荧光定量PCR技术和DGE表达谱数据分别对Gm GST26基因在不同抗病品种中的表达特点及在抗病大豆互作过程中的表达模式进行分析。研究结果表明,腐霉菌侵染大豆后Gm GST26基因上调表达,Gm GST26编码225个氨基酸,等电点为6.92,具有明显的GSTs蛋白的典型结构域,属于GSTs家族中Tau亚家族,与Gm GST7的相似性为98.22%,属旁系同源基因。组织特异性表达分析,主要在根部表达,其次为花,该基因在腐霉菌、疫霉菌与大豆互作过程中的表达模式为应激反应上调基因,且防卫反应负调控。     

大豆TRK-HKT家族基因结构及逆境胁迫响应机制

植物TRK-HKT家族基因广泛介导植物Na+/K+运输,参与植物耐逆境胁迫调控。本研究以6个大豆钾利用效率差异品种为材料,利用in silico技术克隆到4个大豆TRK-HKT家族成员(Gm HKT1;1、Gm HKT1;2、Gm HKT1;3和Gm HKT1;4),采用q RT-PCR技术解析这些基因在低钾及逆境胁迫下的表达机制。结果表明,Gm HKT1;2在大豆幼苗根中对低钾胁迫的响应明显高于其他3个基因,且钾高效大豆品种这种响应更明显;同时Gm HKT1;2对不同逆境胁迫(低温、干旱、高盐和ABA)也有较强的响应。蛋白结构分析表明,仅Gm HKT1;2具有4个MPM结构域,4个保守的氨基酸残基空间上形成一个"漏斗样"结构,充当K+/Na+转运通道,通过邻近的ATP结合结构域,为K+/Na+转运提供能量。基因结构分析显示,这些基因均含3个外显子和2个内含子,不同基因间的第一个外显子和内含子片段大小差异显著,导致各基因的基因组DNA(g DNA)大小各异。启动子分析揭示,大豆TRK-HKT家族成员包含参与种子功能定位和各种激素及逆境胁迫应激反应的重要顺式作用元件;进化上该家族基因位于第一进化分支,含保守的Ser–Gly–Gly–Gly基序。     

大豆响应耐涝的MAPK信号通路相关基因及蛋白的鉴定分析

大豆是一种耐涝性较差的作物,涝害会引起大豆产量下降,甚至绝产,而大豆耐涝的遗传机制尚不明确。本研究通过转录组和蛋白组的关联分析,筛选出3个大豆响应耐涝的MAPK信号通路相关的差异表达基因/蛋白,转录组数据分析结果显示,Glyma.05G124000在4个时间点的表达量变化最为明显,对其进行RT-qPCR分析,验证了转录组数据的可靠性。进而对Glyma.05G124000的理化性质和保守结构域进行分析,发现组成该蛋白的氨基酸中亮氨酸(Leu)所占的比例最高,该蛋白内部含有多个LRR保守结构域,蛋白的三级结构展示了LRR保守结构域中所有Leu的位置。本研究筛选到的3个基因都参与编码FLS2蛋白,信号肽预测结果发现Glyma.05G124000含有信号肽,根据MAPK信号通路图,我们推测涝害胁迫引发了植物类似于病原菌侵染的基本防御反应,传递信号通过FLS2蛋白进一步激活了MAPK信号通路来抵御涝害胁迫。本研究为探索大豆的耐涝机制,提高涝害条件下大豆的产量提供了理论基础和基因资源。     

大豆盐胁迫相关GmNAC基因的鉴定、表达及变异分析

NAC基因在植物的逆境胁迫中发挥着重要作用。本研究参照水稻和拟南芥的逆境相关NAC基因, 采用生物信息学方法鉴定了大豆逆境相关GmNAC基因, 利用荧光定量PCR技术分析了GmNAC基因在耐盐差异的大豆品种根部、叶片的表达及其对NaCl胁迫的应答, 采用反转录PCR技术克隆了表达差异显著的GmNAC基因。结果表明, 大豆GmNAC基因家族包含175个基因, 其中11个GmNAC蛋白与水稻和拟南芥的逆境相关NAC蛋白位于同一进化分支, 这些蛋白具有高度保守的NAC结构域; 这11个GmNAC基因在大豆根部的表达均高于在叶片, 而且在叶片和根部均受NaCl诱导, 部分基因在根部和叶片以及品种间表现出不同的表达规律; 在大豆品种齐黄34、徐豆10和汾豆95中, Glyma06g11970.1存在3个同义突变和1个非同义突变, Glyma06g16440.2存在1个同义突变。     

菜用大豆淀粉合成相关Starch Synthase基因鉴定及其表达温度效应

淀粉是菜用大豆重要营养成分之一,其含量会影响其食味品质。淀粉合酶(starch synthase, SS)是淀粉合成过程中的关键酶之一。然而,针对菜用大豆淀粉合成相关GmSSs基因的研究尚无报道。本研究从基因组水平系统分析了GmSSs的基因成员、蛋白特性、保守结构域、进化关系、启动子顺式作用元件组成、组织表达谱以及温度胁迫诱导表达模式。结果表明,从基因组水平共鉴定到10个GmSSs基因编码淀粉合酶。蛋白多序列比对显示,所有Gm SSs均含有2个保守结构域:Glyco_transf_5和Glycos_transf_1。进化分析显示GmSSs主要划分为5个分支:SSSⅠ、SSSⅡ、SSSⅢ、SSSⅣ和GBSS;组织表达分析显示,多数GmSSs基因成员表达涉及各个生长发育阶段,不同阶段基因表达量差异明显。启动子区顺式作用元件分析显示,不同GmSSs基因成员所包含激素信号和胁迫应答元件种类和数量差异明显。此外,本研究还采用实时荧光定量PCR技术分析了不同温度处理条件下2个GmGBSSs的基因表达特性。以上研究结果为进一步解析淀粉合成相关GmSSs基因功能以及改良菜用大豆淀粉含量和品质提供了参考信息。     

大豆过氧化物酶Ⅲ的生物信息学分析

过氧化物酶Ⅲ(ClassⅢPOD)普遍存在于植物体内一类多基因家族蛋白,它属于一类PR蛋白;广泛参与植物的多种生理生化过程,在维持植物体内过氧自由基和H2O2处于稳定水平方面发挥着重要作用。本文通过生物信息学的方法,共筛选获得164条大豆过氧化物酶Ⅲ序列。以本实验室克隆得到的Glyma02g40040.1为目的基因,对该基因及其同源蛋白的结构和功能进行了分析,并用Mega4.0软件构建其系统进化树;同时对Soy Base中的大豆过氧化物酶Ⅲ的表达数据进行分析。结果表明:Glyma02g40040.1编码324个氨基酸,等电点为9.51,不存在跨膜结构域属于外分泌蛋白;与Gm Prx50的相似性达到93.85%,二级结构以σ螺旋为主,主要在花中和根中表达;大豆Gm Prxs基因具有明显的组织特异性表达模式。上述分析为进一步阐明过氧化物酶Ⅲ基因家族在植物生长发育过程中功能及分子机制奠定重要基础。     

菜用大豆蔗糖合酶基因鉴定及表达模式分析

蔗糖含量是影响菜用大豆甜味的主要因素。蔗糖合酶(sucrose synthase, SUS)是调控蔗糖代谢的关键酶之一,在作物品质调控等方面发挥重要作用。为了深入了解菜用大豆蔗糖代谢相关GmSUSs基因的分子作用机制,本研究从基因组水平对GmSUSs进行了基因成员鉴定、蛋白理化特性、保守结构域、进化关系、基因结构、启动子元件组成、组织表达模式及激素和胁迫表达谱分析。结果表明:从全基因组水平共鉴定到11个GmSUSs编码蔗糖合酶。蛋白多序列比对显示所有GmSUSs均含有保守的特征结构域:Sucrose_synth和Glycos_transf_1。进化分析显示GmSUSs主要划分为3个分支。组织表达分析显示不同GmSUSs基因在不同生长发育阶段的表达量具有明显差异。启动子顺式作用元件分析显示GmSUSs基因上游启动子区内激素和胁迫应答元件组成各异。进一步,qRT-PCR分析显示激素(ABA, ACC和NAA)和胁迫(低温,高温和干旱)处理诱导GmSUS11基因表达。以上实验结果为菜用大豆GmSUSs基因功能解析及蔗糖代谢途径改造提供了参考。     

被子植物MADS-box基因研究进展

MADS-box基因在大多数被子植物的生长发育环节中发挥着重要的调控作用。MADS-box基因在其进化史上有一个共同祖先,通过基因的复制和重复以实现进化。典型的MIKC型MADS-box蛋白的结构域有4个区域,即MADS-box结构域(M)、Intervening结构域(I)、K-box结构域(K)和C-terminal区(C)。MADS-box基因重要的一项功能就是调控花器官的发育,被人为分为ABCDE 5类,通过不同时间、空间上的特异性表达来实现对萼片、花瓣、雄蕊、心皮等器官发育的调控。     

大豆耐铝毒候选基因GmSTOP1的克隆与表达分析

酸性土壤中的铝毒害是限制作物生长和产量的主要因素之一。拟南芥中的At STOP1(Arabidopsis thaliana sensitive to proton rhizotoxicity 1)是一个调控多种铝毒耐受机制相关基因表达的转录因子,在拟南芥耐铝毒中发挥重要作用。为研究大豆中STOP1-like基因的表达特性,本研究利用RT-PCR从耐铝毒大豆品种科丰1号中克隆了一个位于第16染色体的STOP1-like基因,命名为Gm STOP1。该基因的编码区(coding DNA sequence,CDS)序列长度为1566 bp,编码521个氨基酸。在Gm STOP1起始密码子上游1500 bp的核苷酸序列区间预测到多种顺式作用元件,包括与激素、热、逆境响应等相关的应答元件,如ABRE、HSE、TC-rich重复序列等。蛋白质结构预测表明Gm STOP1不具有跨膜结构和信号肽,含有4个保守的Cys-2-His-2锌指蛋白结构域。系统进化分析显示Gm STOP1与菜豆(Phaseolus vulgaris)中的STOP1-like蛋白亲缘关系较近。亚细胞定位结果显示Gm STOP1定位于细胞核,说明Gm STOP1蛋白可能在细胞核中发挥其功能。Gm STOP1基因在种子中的相对表达量最高,在根、茎尖分生组织、茎、叶、花、荚等多种组织中也均有表达。用25μmol L–1 Al Cl3溶液处理大豆幼苗,Gm STOP1基因在根中上调表达,24 h达到最高相对表达量,约为对照(0μmol L–1 Al Cl3)的9.2倍,表明该基因的表达受铝离子的诱导。此外,ABA、Na Cl和PEG等胁迫也能诱导大豆根和叶中Gm STOP1基因的上调表达。由此推测Gm STOP1基因可能参与大豆对铝毒、高盐和渗透等非生物胁迫的应答过程。     

十字花科植物嫁接mRNA长距离运输基因IAA14的鉴定及比较

Aux/IAA家族基因是一类典型的生长素诱导表达基因,是植物生长素信号转导通路的重要调控基因。IAA14基因是Aux/IAA基因家族的成员,IAA14基因mRNA被认为在嫁接中发生了长距离运输。本研究从十字花科11个物种中鉴定了14个IAA14基因,每种植物中至少有1个IAA14基因。比较分析了IAA7、IAA14和IAA17的蛋白特性,显示IAA14蛋白特性不同于Aux/IAA家族的其他蛋白,氨基酸序列比对显示所有的IAA14蛋白均包含4个保守结构域。在基因组织结构分析中,发现所有的IAA14基因分享了保守的基因结构:均由5个外显子和4个内含子构成,且内含子定位在保守位置。分析了IAA14基因起始密码子上游1 500 bp序列中的生长素响应相关元件。基于现有的白菜RNA-seq数据,发现白菜IAA14基因在花器官中有大量表达,在胚胎发育中特异表达在心形胚和早期子叶胚中。通过本研究,我们对十字花科11个物种的IAA14基因的基因定位、蛋白特性、基因组织结构、进化关系、启动子基序以及基因表达情况有了基本了解,对于未来进一步深入研究IAA14基因奠定基础。     

陆地棉GRF基因家族的鉴定和生物信息学分析

为了揭示陆地棉生长调控因子(growth-regulating factors, GRF)家族的功能,本研究利用全基因组信息在陆地棉基因组中鉴定了 33个GRF蛋白,并对这些家族成员进行了保守结构域分析、蛋白的基本理化性质分析、进化分析、基因的结构分析、染色体定位、保守基序分析和组织表达模式分析。研究表明,陆地棉GRF均含有QLQ和WRC 2个保守结构域,系统进化分为4个亚家族,基因定位在19条染色体上,基因上有2~19个蛋白编码区域,大多数的基因在柱头、子房和20 d的种子中高量表达。本研究弄清了棉花GRF家族的基本信息,为进一步研究棉花GRF家族成员的功能提供了理论指导。     

UFD2结构域在棉花和其他24种植物中的进化分析

UFD2(ubiquitin fusion degradation-2)结构域是UFD2蛋白序列上一段高度保守的序列,该结构域在植物的UFD2和RKP2类泛素连接酶中都存在,UFD2结构域在植物中普遍存在,但是关于该结构域在植物中的研究还比较少。为研究含UFD2结构域的蛋白及基因在棉花和其它一些植物中的进化,以及4种棉花内的进化,本研究在已完成测序的4种棉花和其他24种植物的基因组数据库中,以酵母的UFD2(Gen Bank:Z74238.1)基因序列以及拟南芥中鉴定At UFD2(At5g15400)为参考序列通过同源比对的方法获得所有含有UFD2结构域的蛋白序列、CDS序列和基因全序列,然后用Bio Edit、Clustal X18.3、MEGA6.0、GSDS2.0等生物信息学工具对其进行序列特征、多序列比对、系统进化、基因结构等分析,从棉花和其他24种植物中共鉴定出63个基因,系统进化分析显示可分为两大类,且与植物中UFD2和RKP两类对应上,所有植物都含有UFD2类蛋白,但含有UFD2结构域的RKP类蛋白只有部分植物有。UFD2类蛋白的UFD2结构域的序列长度约是RKP类蛋白中UFD2结构域的2倍,UFD2结构域对应在基因上区域UFD2类基因有13个内含子,而RKP类只有4或5个,棉花中的6个RPK类蛋白的UFD2结构域序列完全一致,而7个UFD2类蛋白的UFD2结构域有4个差异位置共7个氨基酸位点,结果表明:两类含有UFD2结构域的蛋白在进化上独立,同一类蛋白的进化和物种进化基本一致,棉花中的RKP棉花基因保守度高于UFD2类基因的。     

大豆中2个编码 PR10蛋白新基因的克隆与分析

从抗大豆花叶病毒病（ SMV）大豆材料科丰1号中克隆到2个编码PR10蛋白的新基因Glyma09g05430和Glyma15g15509，Glyma09g04530和Glyma15g15590基因的ORF全长均为477 bp，编码158个氨基酸。序列比对与系统发生树分析结果表明：Glyma09g04530和Glyma15g15590是大豆中2个编码PR10蛋白的新基因。 Glyma09g04530和Glyma15g15590基因在大豆的根、茎及叶中均有表达；接种大豆SMV后，Glyma09g04530和Glyma15g15590基因在大豆科丰1号的叶片中的表达均被强烈诱导并高效表达，显示Glyma09g04530和Glyma15g15590基因与大豆SMV抗性密切相关。     

玉米转录因子NF-YB基因家族的生物信息学分析

为揭示玉米NF-YB基因家族的功能,本研究利用生物信息学手段,鉴定了玉米NF-YB基因家族,并系统的分析了该基因家族各蛋白的理化性质、基因的染色体定位、保守结构域、基因结构、系统进化、磷酸化位点、启动子和基因组织表达。结果表明:玉米基因组中含有21个NF-YB基因,所编码的蛋白质均位于细胞核,且不含有跨膜结构。这些基因不均匀地分布于玉米的9条染色体上,均含有高度保守的结构域CBFD_NFYB_HMF,系统进化分析将其分为3类。磷酸化位点分析表明,玉米NF-YB家族存在着大量的磷酸化位点。启动子分析表明,基因家族启动子区域均含有大量的逆境胁迫应答顺式作用元件。组织表达分析发现,至少有18个基因可以进行表达,其中有5个基因表现出组织特异性,不同基因在不同组织、不同时期的表达具有时序性。玉米NF-YB基因家族核心结构域的保守性、基因功能的分化、启动子序列中的大量逆境相关元件、基因表达的差异性,可能都是玉米更好调控自身生长发育和适应逆境的结果。研究结果为进一步解析玉米NF-YB基因家族的功能提供参考。     

大豆NRG2家族基因的鉴定、特征及表达模式

氮是影响植物生长发育的重要矿质营养元素,硝态氮是大部分植物吸收氮素的主要形式,目前已发现许多基因参与硝态氮的吸收、转运及信号转导过程。硝酸盐调控基因2 (nitrate regulatory gene 2, NRG2)是近年来在拟南芥中鉴定到的与硝酸盐吸收和信号转导相关的基因。本研究采用生物信息学方法,对大豆NRG2家族成员进行全基因组鉴定及表达分析。结果表明：在大豆基因组中共鉴定到30个GmNRG2基因,其编码的蛋白均具有DUF630和DUF632结构域。系统进化分析显示,GmNRG2基因可以聚为7组,且同组的基因成员具有相似的外显子/内含子分布模式。GmNRG2基因不均匀地分布在16条染色体上,片段复制可能导致了GmNRG2基因在大豆基因组中的扩增。GmNRG2各成员启动子区域均存在数量不等的激素或逆境响应元件,表明该家族基因可能参与多种生长发育调节进程。表达模式分析显示,GmNRG2基因具有不同的组织表达特点,5个GmNRG2在干旱或盐胁迫条件下呈现出差异表达。以上结果为深入研究大豆NRG2家族基因的生物学功能提供了一定参考。     

水稻3-磷脂酰肌醇激酶FAB1/PIKfyve基因家族的鉴定及功能分析

FAB1/PIKfyve是催化3-磷酸磷脂酰肌醇(PtdIns3P)形成3,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PtdIns(3,5)P2)过程的关键酶,其产物PtdIns(3,5)P2在真核细胞发育中发挥重要功能.为探寻PtdIns(3,5)P2在水稻生殖发育过程中的功能,本研究结合生物信息学和遗传学方法,对水稻FAB1/PIKfyve基因进行鉴定,分析其理化性质、基因结构、保守结构域、系统进化、顺式作用元件和组织表达模式并利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得osfab1b突变体.生物信息学分析结果显示,水稻基因组中共鉴定到9个FAB1基因家族成员;基因结构分析显示FAB1家族基因结构存在差异,外显子数量为8～12个;保守结构域分析表明仅OsFAB1A和OsFAB1B含有N端FYVE结构域,其余成员具有Cpn60_TCP1结构域和PIPKc激酶结构域;系统进化分析提示FAB1家族功能在单双子叶植物中具有高度保守性;FAB1基因上游调控区域顺式元件预测发现多种生长发育相关、光响应以及激素和胁迫响应顺式元件;组织表达模式分析显示大多数FAB1基因为泛表达,其中FAB1C亚类基因在内外稃中的高表达提示其可能参与花器官发育.最后通过CRISPR/Cas9系统得到osfab1b突变体,经碘染观察花粉活力无明显异常,暗示FAB1家族在水稻生殖发育调控中存在功能冗余.本研究结果为单子叶模式植物水稻中磷脂酰肌醇调控网络及其生物学功能的研究提供了理论参考.     

星油藤WOX基因家族成员的鉴定及其表达谱分析

本研究利用星油藤(Plukenetia volubilis L.)转录组及基因组数据库,通过本地BLAST,筛选到了9个星油藤WOX (PvoWOX)基因家族成员,并对它们编码的蛋白质氨基酸序列、分子量和等电点等进行了预测。通过构建系统进化树,将该基因家族成员分为3个进化支,分别为远古支、中间支和WUS支;进一步对PvoWOX家族成员的基因结构和蛋白保守结构域分析发现在同一进化支中均很保守,并且家族成员均含有保守的同源异型结构域,其中WUS支的成员都含有WUS-box结构域。利用转录组数据和qRT-PCR对PvoWOX基因家族成员在星油藤不同器官中的表达谱进行了分析,结果显示9个PvoWOX基因成员具有不同的表达模式,其中WUS支和中间支成员的表达具有组织特异性,而远古支成员则在不同的器官中均有表达。因此推测Pvo WOX家族成员具有功能多样性,分别参与调控星油藤不同器官的发育过程。本研究结果为进一步研究PvoWOX的生物学功能提供了帮助。     

大豆GmNramp2a基因克隆及亚细胞定位和组织表达分析

为了初步研究大豆(Glycine max)天然抗性相关巨噬蛋白(natural resistance associated macrophage protein, Nramp)家族基因的功能,本研究克隆了一个大豆GmNramp成员基因GmNramp2a。生物信息学分析表明,GmNramp2a基因包含4个外显子,开放阅读框长1 551 bp。Gm Nramp2a蛋白含有10个跨膜结构域和13个保守基序,进化树分析表明GmNramp2a蛋白与拟南芥AtNramp3和AtNramp4同源性最高。通过拟南芥原生质体亚细胞定位分析表明,Gm Nramp2a蛋白定位于液泡膜。用qRT-PCR分析GmNramp2a基因的表达模式表明,Gm Nramp2a基因在根、根瘤、叶片和花中都有表达,其中在根瘤和叶片中表达量较高。结果为进一步研究Gm Nramp2a基因功能提供数据参考。