谷子Ⅲ型PRX基因家族全基因组鉴定及干旱胁迫下表达分析

Ⅲ型过氧化物酶(Class Ⅲ peroxidase, PRX)是植物中特有的过氧化物酶家族,在植物生长发育以及非生物胁迫中发挥重要作用。谷子作为C4植物是禾本科抗逆研究的模式植物,然而目前对于谷子中Ⅲ型过氧化物酶家族基因功能鲜有报道。为探究谷子Ⅲ型过氧化物酶基因家族(SitPRXs)在干旱胁迫和ABA诱导下的表达模式,进行了全基因组表达分析。本研究利用生物信息学方法在谷子全基因组中鉴定出132个Ⅲ型PRX基因家族成员,并根据其在染色体上位置顺序依次命名为SitPRX1～SitPRX132。通过对谷子、拟南芥和水稻的系统进化分析将其分为5个亚家族,基因结构和保守基序分析表明同一亚家族具有较高的保守性。基因复制分析显示, 17个SitPRX基因(13%)存在片段复制,78个SitPRX基因(59%)存在串联复制,串联复制事件在SitPRX基因扩增中起重要作用。谷子与拟南芥、水稻和玉米的物种间同源性分析显示谷子中大多数SitPRXs是在双子叶植物和单子叶植物分化后形成的。转录组分析显示, SitPRX基因家族成员在谷子幼苗、根、茎、叶以及圆锥花序中表达存在差异。启动子顺式作用元件分析显示,...     

谷子PYR/PYL/RCAR基因家族进化及表达分析

脱落酸(abscisic acid, ABA)是植物五大激素之一,在植物的生长发育及逆境胁迫中发挥重要的作用。PYR/PYL/RCAR (pyrabactin resistance/pyr1-like/regulatory components of ABA receptor)为ABA的受体蛋白,是ABA信号传导网络中的核心组分。谷子为重要的旱作模式植物,为了解谷子PYL基因家族的进化情况,本研究采用生物信息学手段,在全基因组范围水平对谷子PYL基因家族进行了分析。利用同源比对的方法,鉴定到9个PYL基因,被分成三大类。谷子与拟南芥、水稻、高粱和玉米PYL基因的系统进化树显示,PYL基因家族在单双子叶植物分歧之后,进行了各自演化,但是在禾本科植物中,该基因家族相对更保守一些,Ks和同源性分析表明谷子的PYL基因大多数在谷子与水稻物种分歧之前就已经存在。谷子9个PYL基因分布于5条染色体上,PYL蛋白多定位于细胞质,大多为酸性亲水性蛋白,组织表达分析显示谷子PYL基因的表达具有明显的组织特异性;启动子分析结果显示,谷子只有两个PYL基因含有抗旱相关元件MBS,且每个基因只包含一个元件。这些结果将会为进一步研究谷子PYL基因的功能及作用机制提供一定的帮助。     

苹果SnRK2基因家族的鉴定和生物信息学分析

SnRK2（蔗糖非发酵1型相关蛋白激酶2）是植物特有的一类Ser/Thr 类蛋白激酶,参与植物体内多种信号途径的转导,在植物逆境生理过程中扮演了重要的角色。本文利用隐马可夫模型搜索和系统建树的方法,在苹果基因组中鉴定出了16个SnRK2基因家族成员,然后从系统发生、理化性质、二级结构、motif、C末端序列和EST等方面对其进行了预测和分析,并分析了苹果与拟南芥、水稻、玉米等的SnRK2基因家族之间的关系。结果表明,苹果中鉴定的基因与拟南芥、水稻、玉米所有的SnRK2蛋白一起分成了3个亚族。系统发生、motif和C末端序列分析表明,苹果SnRK2蛋白激酶家族具有较高的保守性。本研究为苹果SnRK2基因家族生物学功能的研究奠定了生物信息基础。     

水稻粒形调控相关基因进化的全基因组尺度分析

水稻粒形相关基因,对于调控作物产量和品质都具有十分重要的作用,但关于其进化缺少一个系统的、全基因组尺度的比较基因组学分析。研究以已鉴定的水稻粒形相关基因为目标序列,在8个禾本科植物中进行比较基因组学分析,旨在全基因组范围揭示不同粒形基因在多个禾本科作物种系中的进化规律。基于同源比对分析发现,不同基因组中粒形相关基因数量不具有明显差异,平均每个基因组中粒长和粒宽相关的基因分别有364和75,其中较多的是谷子,有423粒长、71粒宽调控基因。基因组同源共线分析,发现全基因组加倍和串联重复对于家族基因拷贝数增加具有重要贡献,但是重复基因丢失可能维持了基因数量的稳定。通过粒形基因中旁系同源基因对间的同义核苷酸置换率(Ks)比较,揭示不同的粒形基因具有不同的进化速率,进化最快的是粒长调控相关基因An-1。本研究为认识水稻粒形调控相关基因进化提供了重要的理论基础,对于禾本科粒形相关基因从全局尺度到单基因的进化具有极为重要的意义。     

桃WOX基因家族的鉴定及分析

WOX基因家族是植物特有转录因子，具有调控植物的生长发育、植物的胚胎发育、激素信号转导、抗逆代谢等作用。本研究利用桃全基因组数据，首次对桃全基因组中的WOX基因家族进行鉴定和生物学分析。结果表明：桃WOX基因家族共有67个成员，8条染色体上都有分布，不同成员的氨基酸数、分子量和等电点差异较大，大部分WOX蛋白富含酸性氨基酸且稳定性较差，所有WOX成员都为亲水性蛋白；桃WOX蛋白二级结构均由α-螺旋、β-折叠、延伸链和无规则卷曲四部分组成；桃WOX基因家族97%的成员都定位于细胞核中；系统进化树将桃WOX基因家族分为3个组，只有第Ⅰ组包含40个PpWOX蛋白和15个拟南芥WOX蛋白，其他两组都没有拟南芥的WOX蛋白；桃WOX基因结构中都含有外显子和内含子结构，但是数量差异较大；保守基序分析表明，共有10个保守基序(motif 1～motif 10)且所有WOX成员都含有motif 1，同一分支中motif的数目和种类更为相似而不同分支间有其特异的motif，与系统进化树分析具有一致性。该研究结果将为进一步分析WOX基因家族各个成员在桃的生长发育和抗逆胁迫等方面的应用提供一定的基础数据和参...     

谷子MAPK家族成员的鉴定及其对生物胁迫的响应分析

MAPK在植物的生长发育调节、生物和非生物胁迫反应、激素信号转导中具有重要作用。系统分析谷子SiMPKs基因家族成员全基因组分布、结构、进化及其响应不同胁迫的表达特性,对于阐明其生物学功能具有重要意义。本研究利用谷子和水稻MAPK蛋白保守结构域及特异TXY基序的氨基酸序列在全基因组水平鉴定了谷子SiMPKs家族成员,分析其蛋白质理化性质、系统进化、染色体定位、基因结构、蛋白质保守基序、启动子顺式作用元件及共线性等。利用荧光定量PCR技术,分析了谷子SiMPKs在不同组织部位和谷锈菌、玉米螟病虫害生物胁迫以及不同激素处理下的表达模式。结果显示,共鉴定到15个谷子SiMPK成员,其编码的蛋白质含有220～611个氨基酸,相对分子量范围25.77～69.63 kD,等电点范围5.46～9.34。系统进化分析表明, SiMPK基因分为4组, A、B、C组包含TEY基序,D组包含TDY基序。SiMPK基因分布在1号、3号、4号、5号、8号和9号染色体上,含有3～11个外显子,所有SiMPK蛋白均含有motif1与motif2。上游2000bp启动子区域预测到多个与胁迫、激素和植物生长发育等相关的...     

毛竹WUSCHEL-related homeobox(WOX)基因家族鉴定及表达分析

WOX基因家族是植物特有的转录因子家族,在干细胞分裂和分化的维持中发挥着关键作用。虽然在模式植物拟南芥和水稻中,WOX基因家族的功能已有深入的研究,但是毛竹Ph WOX基因家族的表达模式和功能仍属未知。本研究系统地分析毛竹Ph WOX基因家族,首先在毛竹基因组数据库进行检索获取毛竹WOX基因家族,鉴定出毛竹基因组编码5个Ph WOX基因。通过遗传进化和基因结构分析,毛竹Ph WOX基因家族分为现代/WUS进化分支和古老进化分支。有趣的是毛竹Ph WOX基因家族在根、茎、叶和笋中广泛表达,并且在竹笋的发育过程中动态表达。本研究首次分析毛竹Ph WOX基因家族的功能,揭示了毛竹Ph WOX基因家族具有独特的进化模式和多样的表达模式,为后续探索毛竹发育的分子机制奠定基础。     

大豆SPL基因家族生物信息学分析

SQUAMOSA启动子结合蛋白样(SPL)转录因子广泛存在于植物中,主要参与植物生长、发育以及多种生理生化过程。为明确大豆SPL基因家族在染色体上的分布、保守结构域、亚族种类、进化关系等,采用生物信息学方法对大豆SPL家族基因进行分析。本研究从大豆基因组数据库中筛选得到43个SPL基因家族成员,系统发育树分析得到5个亚群。保守结构同源性分析发现,SPL基因家族都含有SBP-box的锌指结构和核定位信号。染色体定位发现除14号染色体没有SPL分布外,其他染色体均有不同数量的SPL基因分布。基因加倍、扩张分析表明,大豆SPL基因家族成员之间不存在串联重复,但是存在36对片段重复,表明部分大豆SPL基因可能是由基因重复产生;大豆与拟南芥SPL基因家族之间有29个基因之间存在共线性关系,表明大豆与拟南芥SPL基因家族之间具有较高同源性。本研究对SPL基因家族的进化分析,将有助于理解大豆SPL基因的结构、功能及进化关系,为深入研究大豆SPL基因的功能提供有利的理论依据。     

水稻NRL基因家族的全基因组鉴定与生物信息学分析

NRL (NPH3/RPT2-Like)基因家族是植物中特异存在的基因家族,根据拟南芥NRL基因家族中参与植物向光性响应的NPH3 (NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3)和RPT2 (ROOT PHOTOTROPISM 2)命名.本研究利用生物信息学方法鉴定到27个水稻NRL基因,分布在除10号染色体外的染色体上,同时基因复制分析结果表明,全基因复制或片段复制比串联复制在水稻NRL基因家族扩张中起更大的作用.利用单、双子叶植物的7个物种进行系统进化关系分析,将192个NRL基因家族成员分为6个不同的组.水稻NRL家族的结构特征分析显示,多数成员含有NRL基因家族的特征结构域,而基于RNA-Seq和微阵列数据的表达分析结果表明,水稻NRL家族基因在多个组织表达,同时部分基因在叶片、花序和花药中高表达.本研究对水稻NRL基因家族进行鉴定和分析,为进一步研究水稻NRL基因家族的功能提供了一定的参考和依据.     

小麦GASA基因家族生物信息学分析

赤霉素调节的GASA（Gibberellic Acid-Stimulated in Arabidopsis）基因家族是植物特有的转录因子家族,在调控植物生长发育过程中起重要作用。关于小麦GASA基因家族全基因组分析的研究尚未见报道。为进一步探讨小麦GASA基因的功能,通过对小麦最新基因组数据进行分析,获得了35个TaGASA基因,命名为TaGASAs,根据染色体编号排列为TaGASA1~TaGASA35。结合公布的小麦品种Chinese Spring的基因组数据,采用生物信息学方法对其基因结构、染色体分布、蛋白结构、系统进化及表达谱进行了分析。结果表明,35个小麦TaGASA基因分布于除3A、4A、3B、3D染色体外的其余17条染色体上,基因编码长度为78~264个氨基酸的蛋白质,基因外显子数量从2个到7个不等;串联重复片段分析结果表明,片段复制和串联重复是小麦TaGASA家族基因扩张的主要模式;小麦TaGASA蛋白进化树和7种作物GASA基因的系统进化树表明,GASA基因分为4个类别,同一类之间的结构较为相似;小麦35个TaGASA基因家族成员含有10个motif,推测小麦TaGASA基因家族应都含有motif1、motif2和motif3。在13个组织器官中都检测到了35个TaGASA基因的转录本,不同组织器官中TaGASA基因的表达存在明显差异。     

水稻和拟南芥NBS-LRR基因家族同义密码子使用偏好的比较

应用软件CodonW,对全基因组进行分析,鉴定出水稻和拟南芥NBS-LRR基因家族的最优密码子分别为25和16种。NBS-LRR基因家族与其全基因组的最优密码子一致,但两个物种间彼此完全不一致,密码子使用上发生偏向的程度也不尽相同。说明NBS-LRR基因家族的密码子使用偏好受物种自身的影响很大。同时,同一物种内基因家族对密码子的     

谷子天冬氨酸转氨酶基因部分片段的克隆

为了利用基因工程手段改变谷子中氨基酸组成和含量,进而改善谷子营养品质,以谷子栽培品种豫谷1号幼嫩、无病斑的叶片基因组DNA为模板,根据已报道的玉米天冬氨酸转氨酶基因序列,设计1对特异性引物扩增克隆谷子天冬氨酸转氨酶基因部分序列。结果表明,PCR扩增获得约750 bp的目标片段,对该片段进行克隆测序得到一条742 bp的片段,经公共数据库同源搜索发现该序列含有天冬氨酸转氨酶超基因家族特有的保守域,证明所克隆片段为天冬氨酸转氨酶基因。对该基因进行系统进化树分析发现,部分单子叶植物和双子叶植物分别聚类,但是谷子与玉米、甘蔗3个C4作物并没有聚为一类。为进一步揭示谷子天冬氨酸转氨酶的功能奠定了基础。     

玉米TCP转录因子家族的全基因组鉴定及表达模式分析

TCP (Teeosinte branched I, Cycloidea, Proliferating Cell Factors 1和2)是一类植物特有的转录因子家族,包含一个高度保守且非典型的螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域,在植物生长发育的不同阶段发挥着重要作用,但在玉米中该基因家族的相关研究报道较少。本研究利用生物信息学方法在玉米全基因组中鉴定TCP转录因子家族成员,并对该家族成员的理化性质、基因结构、染色体定位、进化关系、保守基序及表达模式等进行了分析。结果表明,玉米TCP转录因子家族共包含43个成员,根据系统发育分析可以将其划分为ClassⅠ和ClassⅡ两个亚家族,其中,ClassⅡ亚家族又可以分为CYC-TCP和CIN-TCP两个亚类。玉米TCP转录因子家族蛋白的氨基酸残基数为44～269aa,相对分子质量在5.20～29.54kD,等电点范围在5.04～11.55。基因染色体定位分析发现,玉米10条染色体上均含有TCP基因,且在4号染色体上最多,有8个基因。对该家族基因结构的分析表明,在玉米TCP家族中有66.8%的基因只含有一个外显子,低于拟南芥的82%,表明玉米TCP拥有更加丰富的基因结构。此外,本研究在玉米TCP家族蛋白中共鉴定到20个保守基序,其中有32个TCP蛋白包含motif 1,占总数的74.4%。玉米籽粒RNA-Seq数据分析表明,玉米TCP转录因子家族有26个成员在玉米籽粒中表达,ZmTCP37等基因在不同部位、不同时期均有表达,ZmTCP8等基因在特异部位、特异时期表达。本研究在玉米中鉴定了TCP基因家族基因数量、系统进化关系、保守结构域、在染色体上的定位及玉米籽粒中TCP基因表达模式,为揭示玉米TCP基因家族在玉米籽粒中的功能奠定了基础。     

白菜GRF转录因子家族全基因组鉴定、进化及表达模式分析

生长调控因子是植物中一类重要的转录因子,在白菜的生长、发育过程发挥重要作用。本研究利用生物信息学技术对白菜全基因组中的GRFs进行鉴定与分析,利用生物信息学方法分析白菜基因组中的15个GRF转录因子的蛋白质理化性质、基因结构、保守基序等,进一步研究其系统进化和表达模式。结果表明,15个BraGRF蛋白长度为347～538 aa,分子量为37.99～60.83 kD;保守基序motif 1、motif 2、motif 3是GRF蛋白中最保守的基序,BraGRF02、BraGRF03、BraGRF04、BraGRF11和BraGRF13是15个白菜GRF家族中活跃度最低的成员。白菜、拟南芥和水稻的GRFs可分为4个亚类,且同属于双子叶植物的白菜和拟南芥GRF转录因子亲缘关系更近;GRF家族成员在角果和茎中表达水平较高,其中Bra000575 (BraGRF08)和Bra011781 (BraGRF09)这2个基因在茎组织中的表达活性最高。通过对白菜GRF基因家族的生物信息学分析,揭示了白菜GRF转录因子在进化中的特点以及不同组织的表达特性,为后续进一步了解白菜GRF功能验证提供依据。     

芜菁PIN基因家族的鉴定与生物信息学分析

芜菁(Brassica campestris L. ssp. rapifera Matag syn. B. rapa L.)是十字花科芸薹属园艺作物,其下胚轴和主根膨大形成肉质直根。PIN (Pin-formed)是一种植物特异性蛋白,作为生长素的输出载体,介导生长素的极性运输形成生长素不对称分布,从而在植物生长发育过程中起重要作用,然而目前在芜菁中还缺乏对PIN蛋白的系统研究。本研究基于芜菁及其他植物基因组,结合芜菁和普通白菜下胚轴不同发育时期转录组数据,通过生物信息学方法,对芜菁PIN基因家族进行了鉴定,并进行了蛋白结构及基因结构分析、系统发育分析、共线性分析和表达分析。结果表明,芜菁中共有13个BcPIN,数量多于拟南芥和甜菜,但略少于萝卜、胡萝卜和水稻;不同物种间同种类PIN基因数量存在差异;芜菁PIN家族与拟南芥、萝卜PIN家族基因进化关系较近,与水稻PIN家族基因关系较远,分布在4条染色体上,包括7个共线性基因对;BcPINs启动子含有多种顺式作用元件,受多种信号调控,但不同BcPINs的顺式元件种类存在差异;BcPINs的氨基酸个数在270～661之间,分子量在29.81...     

谷子淀粉合成酶家族分析

淀粉是植物光合作用的产物,主要在叶绿体中合成,是人类膳食的重要能量来源,同时也是一种重要的工业原料,被广泛应用于造纸、燃料、制药等行业。研究表明植物的淀粉合成与淀粉合成酶及一些其他关键酶有关。本研究以已知的水稻中淀粉合成酶基因为模板,鉴定出小麦、玉米、二穗短柄草、高粱和谷子淀粉合成酶家族的基因。我们分析了淀粉合成酶基因家族的系统进化树,结果发现它们在进化上具有高度的保守性。通过对保守基序进行分析,不同的基因所含有的保守motif的数目和位置差异很小,谷子淀粉合成酶的基序特征与其进化树基本一致。通过染色体定位分析,可以直观看出淀粉合成酶基因在每条染色体上分布不均匀。利用蛋白互作分析,可知淀粉的合成与多种酶相关,其中最主要的是与AGP酶相互作用。最后,用Cluster和Treeview程序构建了Heatmap图,发现淀粉合成酶基因在植物的生长和发育时期具有高度组织表达的特异性。由于谷子中淀粉含量的高低直接影响谷子的产量,因此,提高谷子淀粉含量和改良谷子淀粉品质已成为重要议题,对于谷子淀粉合成酶的研究具有显著的社会效益和经济效益。     

葫芦科14-3-3(GRF)基因家族的鉴定及进化分析

14-3-3蛋白是植物中一类高度保守的蛋白家族,因其特异识别并结合靶蛋白的磷酸化位点而广泛参与植物生长发育和逆境胁迫响应过程。为系统地了解14-3-3(GRF)基因家族在葫芦科作物中的基本特征和进化关系,本研究利用生物信息学从葫芦科7个物种基因组内共鉴定出83个14-3-3(GRF)基因,其中西瓜中有10个、甜瓜中9个、黄瓜中10个、瓠瓜中9个,3个南瓜属物种基因组各15个。理化特性表明14-3-3(GRF)蛋白的分子量约为30 k D,且大都为酸性氨基酸(pI<7.0)。相对于西瓜、甜瓜、黄瓜和瓠瓜,基因组复制事件是3个南瓜属物种内14-3-3(GRF)基因数目增多的主要原因。进化分析显示,葫芦科14-3-3(GRF)基因家族可进一步被划分为ε类和非ε类亚组,且后者的基因结构(外显子数目,内含子相位)较为保守。本研究结果首次完成了14-3-3(GRF)基因家族在葫芦科作物的鉴定、基因结构、基因家族扩增、共线性及进化分析,为更深入研究该家族基因的生物学功能提供参考。     

玉米ZmC2s基因家族鉴定及ZmC2-15耐热功能分析

鉴定玉米ZmC2s基因家族成员,分析其遗传变异与玉米耐热性的关联性,为明确其在玉米耐热方面的功能和分子机制奠定基础。使用C2蛋白结构域PF00168,利用hmmsearch从玉米全基因组中搜索ZmC2s基因家族成员,分析其编码蛋白质等电点和分子量、系统进化和基因家族复制。使用候选基因关联分析的方法,对ZmC2s基因自然变异位点与玉米苗期耐热性进行关联分析,发现玉米ZmC2s基因家族重要的耐热候选基因。使用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)的方法鉴定与玉米苗期耐热性最显著相关的ZmC2候选基因ZmC2-15在胁迫和激素处理下的基因相对表达水平,在玉米原生质体瞬时表达系统中鉴定ZmC2-15-GFP的亚细胞表达部位,以及获得过表达ZmC2-15的转基因拟南芥并分析其耐热性。从玉米参考基因组B73中共鉴定出95个玉米ZmC2s基因,根据其物理坐标的先后顺序,将95个玉米ZmC2s基因命名为ZmC2-1～ZmC2-95。其蛋白长度为130～2141,等电点为4.1～10.8,分子量为14.1～230.1。通过构建玉米、水稻和高粱基因组C2基因的进化树,发现C2基因可以分为3个大的聚类分支,每...     

促生菌调控钙代谢相关基因家族成员以提高拟南芥高钙胁迫抗性

植物中存在包括钙调蛋白(CaM)、钙依赖性蛋白激酶(CDPK)、钙调神经磷酸酶B亚基样蛋白(CBL)和环核苷酸门控通道(CNGC)等参与钙信号传导的基因家族。本研究旨在探讨拟南芥钙代谢相关基因家族在高钙胁迫响应中的作用,以及解淀粉芽孢杆菌LZ04对这些基因的调控作用。我们发现,解淀粉芽孢杆菌LZ04可提高拟南芥对高钙胁迫的抗性。在拟南芥基因组中共检测到钙代谢相关基因家族104个基因,包括34个CDPK基因、20个CNGC基因、18个CIPK基因、22个IQD基因和10个CBP基因。104个钙代谢相关基因在染色体上的分布不均匀且外显子数目丰富。解淀粉芽孢杆菌LZ04通过调控钙代谢相关基因家族中的部分成员,增强了拟南芥对高钙胁迫的抗性。功能富集分析显示,第42号表达谱中聚集的基因在蛋白磷酸化和蛋白修饰过程中富集,可能是淀粉芽孢杆菌LZ04在高钙胁迫下的调控基因。这些结果对高钙胁迫地区的农业改良有一定的参考价值。     

茄科植物Ca~(2+)-ATPase基因家族鉴定及分析

Ca~(2+)是响应发育和环境信号的重要信使,Ca~(2+)-ATPase对植物生长发育和抗逆功能具有重要的作用。本研究以茄科植物栽培番茄、潘那利番茄、马铃薯、烟草和辣椒的Ca~(2+)-ATPase为研究对象,鉴定了五个茄科植物共87个Ca~(2+)-ATPase基因家族成员,基因家族成员在茄科植物进化的过程中数量发生明显变化,但成员数与基因组大小和进化没有线性变化关系,同一物种的基因家族成员分布在多条染色体上。该基因家族中有许多成员具有与生长发育相关和抗逆功能相关的顺式作用元件,与抗逆功能相关的顺式作用元件主要存在于ACA亚家族。在番茄中,SLyACA1在冷胁迫和盐胁迫的逆境条件下均表达效果强烈、上调变化明显,SLyACA5和SLyACA6也在两种逆境条件下都产生表达变化,说明这三个基因特别是SLyACA1基因和冷胁迫和盐胁迫相关。本研究为阐明Ca~(2+)-ATPase基因家族在茄科物种中的进化及其功能提供了理论依据。