番茄Hsp70基因鉴定及系统发育关系分析

热激蛋白70(heat shock protein 70,Hsp70)是植物应对高温和其他胁迫环境时所产生的一类特定的应激蛋白。本文以番茄基因组数据为基础,利用生物信息学方法对Hsp70基因家族进行鉴定与分析。结果表明,番茄至少含有22个Hsp70基因成员,蛋白质序列长度为210-890个氨基酸之间,具有0~12个内含子;具有4对重复基因;滑动窗口分析结果表明,这些基因中的一些区段(或者位点)可能受到正选择的压力。此外,序列比对发现这些Hsp70基因家族成员具有多个保守基序;染色体定位发现他们不均匀分布在番茄的11条染色体上;系统发育关系揭示番茄和拟南芥Hsp70基因家族成员可以分为4组,每组成员数目是变异的,并且存在3对旁系同源基因和7对直系同源基因,表明Hsp70基因家族在番茄和拟南芥分化之前就已经存在。     

番茄NBS-LRR抗病基因家族全基因组分析

NBS-LRR(nucleotide-binding site and leucine-rich-repeat)是植物中最大类抗病基因家族之一。番茄基因组测序完成为全基因组水平上分析NBS-LRR抗病基因家族提供了机遇。利用生物信息学方法对番茄NBS-LRR抗病基因家族成员数目进行鉴定,并对其染色体定位和系统发育关系进行了分析。随后,将番茄和马铃薯NBS-LRR抗病基因进行了比较基因组学分析。结果表明:番茄基因组共包括252个NBS-LRR抗病基因,分布于番茄12条染色体上;63.5%的基因成簇存在,大部分为串联重复;系统发育关系分析表明番茄CC-NBS-LRR(CNL)亚家族较其他亚家族扩展程度大;同线性分析发现番茄中共79个NBS-LRR抗病基因与马铃薯基因具有同源关系。结果将为番茄NBS-LRR抗病基因家族的深入研究提供依据,同时也为利用番茄NBS-LRR基因进行基因定位以及相关抗病基因克隆等奠定基础。     

番茄KNOX基因家族鉴定及茄科作物KNOX基因进化关系分析

为了探明番茄KNOX基因家族特征及茄科作物中KNOX的进化关系,利用生物信息学方法,在全基因组水平上对番茄及其它茄科作物KNOX基因家族成员进行鉴定和分析。结果表明,番茄基因组中共含有8个KNOX基因(Sl KNOX1~Sl KNOX8),分别分布在番茄8条染色体上;多序列比对发现,除Sl KNOX5外,所有基因均含有同源异型盒蛋白特有的4种结构域,即KNOX1、KNOX2、ELK和Homeobox KN。利用系统发育树将茄科作物KNOX基因分为2类:ClassⅠ和ClassⅡ。茄科作物KNOX基因与拟南芥同源基因可能经历了不同的进化历程,在茄科作物中,特有的进化分支(Class I C)已经出现。qRTPCR分析发现,番茄Sl KNOX1在花蕾和花中具有较高表达,在果实生长发育过程中表达量逐渐降低,Sl KNOX2~Sl KNOX4在果实生长发育过程中几乎不表达,Sl KNOX6和Sl KNOX7在所测组织中均有表达,Sl KNOX8在果实成熟过程中表达量逐渐增加,且在根中表达量最大。本研究在全基因组水平上揭示了番茄中KNOX基因家族特征以及茄科作物中KNOX基因的系统发育关系,为进一步揭示KNOX基因家族在番茄组织器官中的功能及进化模式奠定了基础。     

黄瓜、甜瓜和西瓜MLO基因家族的比较基因组学分析

MLO基因是植物特有的一类基因家族,在调控植物抵抗生物和非生物胁迫方面起着重要作用。为了揭示葫芦科作物MLO基因的遗传变异及系统发育关系,本文以黄瓜、甜瓜和西瓜基因组数据为基础,利用生物信息学方法对其MLO基因家族进行鉴定与分析。结果发现,黄瓜、甜瓜和西瓜基因组中共含有42个MLO基因家族成员,每一个物种均含有14个成员,且保守性强;系统发育关系揭示了这些成员在黄瓜、甜瓜和西瓜基因组中并不呈现一一对应关系,表明MLO型基因在这3种植物分化之后分别发生了扩展和丢失;进一步将其与模式植物拟南芥、番茄、豌豆MLO型白粉病基因进行聚类分析:一方面,借助于拟南芥MLO基因的分类标准,揭示了在黄瓜、甜瓜和西瓜基因组中也存在双子叶植物MLO型白粉病基因的特异区组,他们各自至少包含3个候选的白粉病基因,序列比对进一步发现这些基因均具有MLO型白粉病基因的典型结构特征,如7个跨膜结构域、钙调蛋白结合区以及两个缩氨酸区域(I和II);另一方面,大部分区组中包含的MLO基因均来源于拟南芥和黄瓜、甜瓜和西瓜MLO基因家族的成员,表明了MLO基因家族在拟南芥和葫芦科作物分化之前就已经存在。EST表达分析表明MLO基因广泛地参与到黄瓜、甜瓜和西瓜器官的营养生长和生殖生长。研究结果为揭示黄瓜、甜瓜和西瓜MLO基因的进化关系、功能及克隆表达分析奠定了基础。     

甜瓜VQ家族基因鉴定及白粉病菌响应分析

VQ家族基因是植物特有的一类基因,其编码蛋白主要与WRKY蛋白相互作用协同调控下游基因表达,在植物生长发育及抵御各种外界环境胁迫中起重要作用。为揭示甜瓜VQ家族基因在抗白粉病中的功能,本研究采用生物信息学方法从甜瓜基因组中鉴定到26个VQ家族基因,这些基因不均匀地分布在甜瓜11条染色体上。系统进化分析表明,该家族成员分布于不同的分支中,分别与拟南芥VQ家族蛋白不同成员聚在一起。基因结构分析表明,甜瓜VQ家族基因序列均无内含子,只有1个外显子。组织表达分析表明,1个甜瓜VQ家族基因组成性表达,23个甜瓜VQ家族基因组织特异性表达。此外,白粉病菌侵染之后,6个VQ家族基因呈现不同程度的响应。本研究结果为进一步研究甜瓜VQ家族基因在甜瓜抗白粉病中的功能奠定了理论基础。     

黄瓜全基因组转录因子MADS-box家族基因的序列特征分析

MADS-box家族基因是一类编码转录因子的基因,因其在调控植物生长发育方面的重要功能而成为作物遗传育种研究的热点。采用生物信息学方法,对黄瓜全基因组MADS-box基因进行序列特征分析,包括CsMADS基因的数量、染色体定位、保守基序的分布及系统进化树分析。结果表明,黄瓜基因组中共有41个CsMADSs基因,除7个分布于Scaffold外,其他34个CsMADSs基因分布于黄瓜7条染色体上,但在染色体上的分布不是均匀的;41个CsMADSs都具有保守的MADS结构域,分布于9个MADS亚家族,而且大部分的CsMADSs基因属于SEP和MEF2-like分支。该研究结果不仅有助于MADS-box转录因子信号转导途径的解析,而且可为进一步研究该家族基因的功能提供信息参考。     

甘薯二倍体近缘野生种三裂叶薯MYB转录因子全基因组分析及逆境胁迫响应

MYB是真核生物中一类重要的转录因子,参与调控植物生长发育、初生次生代谢和生物或非生物胁迫响应。为全面解析甘薯基因组MYB转录因子信息,本研究基于甘薯二倍体近缘野生种三裂叶薯的全基因组测序数据,利用多种生物学软件和在线工具对三裂叶薯MYB转录因子的结构域、基因结构、保守基序、染色体定位和系统进化等进行鉴定和分析。利用qRT-PCR检测其中10个R2R3-MYB基因在干旱和盐胁迫下的表达情况。结果表明,在三裂叶薯的全基因组中共鉴定出不均匀分布于15条染色体的160个Itb MYB基因,其中第7号染色体上分布最多(21个基因),第8号染色体上分布最少(6个基因)。根据MYB结构域所含MYB重复个数,160个Itb MYB家族转录因子被分为4类,其中1R类包含36个基因、R2R3类120个基因、3R类4个基因、4R类1个基因。系统进化分析显示,160个Itb MYB聚为18个亚家族,且同一亚家族的Itb MYB转录因子的motif类型和数目相似,但所含外显子和内含子的数目不同。根据拟南芥R2R3-MYB转录因子的分类标准,进一步将三裂叶薯R2R3-MYB类分为30个亚类。qRT-PCR检测结果表明,R2R3-MYB响应干旱和盐胁迫,且不同胁迫时间下不同组织中的表达量存在差异。本试验为进一步研究甘薯MYB转录因子的功能奠定了一定的理论基础。     

二穗短柄草MADS-BOX基因AGL6和FUL1的可变拼接和表达模式分析

MADS-BOX基因家族是一类调控植物发育的重要转录因子,AGAMOUS LIKE 6(AGL6)和FRUITFULL(FUL1)属于其亚家族。本研究克隆了二穗短柄草(Brachypodium distachyon)2个MADS-BOX基因Bd AGL6和Bd FUL1的c DNA序列,分析了这2个基因的可变拼接和表达模式。结果表明,Bd AGL6基因在转录过程中,由于内含子部分保留机制,发生可变拼接,形成了3个转录本(Bd AGL6-1、Bd AGL6-2和Bd AGL6-3);Bd AGL6-3与水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea maize)等禾本科植物中的AGL6转录因子序列高度同源;和Bd AGL6-3相比,Bd AGL6-1在C末端结构域插入额外的7个氨基酸;Bd AGL6-2在C末端结构域插入额外的5个氨基酸。q RT-PCR结果显示,Bd AGL6在花中高水平表达,其中Bd AGL6-3表达最强,Bd AGL6-1和Bd AGL6-2表达较弱。Bd FUL1基因的前体m RNA同样发生了可变拼接,产生2个转录本(Bd FUL1-1和Bd FUL1-2);两者的表达模式相似,除了在花和茎中表达之外,在幼苗的叶中也有表达。研究结果为进一步了解MADS-BOX基因家族的生物学功能提供了参考资料。     

蓖麻WOX转录因子家族成员的全基因组分析及逆境胁迫响应

WOX是植物中特有的一类转录因子,参与植物发育和应激反应。为探究蓖麻基因组WOX转录因子信息,本研究通过生物信息学方法鉴定出11个蓖麻WOX转录因子家族成员,并对其系统发育、基因结构、保守基序及理化性质等基本信息进行鉴定与分析。结果显示,11个WOX成员被分为三个进化支,在古代进化支、中间进化支和现在进化支分别有2、2和7个成员,同一进化支成员的外显子、基因结构具有相似性,但理化性质差异较大。利用RT-qPCR检测根、茎、叶不同组织中5个蓖麻RcWOXs基因在干旱与盐胁迫下表达情况,结果表明,RcWOXs在不同组织中的表达具有特异性;除RcWOX10受干旱胁迫抑制外,RcWOX2、RcWOX4、RcWOX8和RcWOX9在干旱和盐胁迫下均被诱导表达,表明RcWOX转录因子在蓖麻逆境胁迫中起调控作用。本研究结果为进一步探究蓖麻WOX转录因子家族在逆境胁迫中的功能提供了一定的理论参考。     

森林草莓全基因组WRKY转录因子基因的鉴定与分析

WRKY转录因子是一类重要的调控分子,在高等植物中以基因家族的形式存在。本研究以森林草莓基因组数据为材料,利用生物信息学手段对WRKY转录因子进行全基因组鉴定与分析。结果表明,森林草莓至少有56个WRKY转录因子,蛋白序列长度为58～1982个氨基酸;基因组DNA全长1092～14227bp,具1～20个内含子。染色体定位结果表明,7条染色体上均有WRKY转录因子基因的分布,6号染色体上最多(17),1号染色体分布最少(1)。森林草莓WRKY转录因子可分为3大类,Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类的数量分别为10、34和12,它们处于进化树的不同分支。除保守的WRKYGQK和常见变异序列WRKYGKK外,新发现WKKYGQK、WRKSYFR等WRKY结构域类型。     

桃已知MADS-box转录因子的生物信息学及花发育表达分析

MADS-box基因家族是研究最广泛的植物转录因子之一,参与调控植物生长和发育的多个过程.本文列举了当前已知的MADS-box(PpMADS)基因在桃(Prunus persica)功能基因组数据库中的基本信息,对PpMADS基因的保守结构域、进化关系、内含子与外显子、染色体定位和保守元件进行了详细分析;并利用半定量RT-PCR技术分析了其在不同花器官中和的花的不同发育阶段表达水平.结果表明,PpMADS在桃不同花器官、花不同发育期中起重要的调控作用,为进一步筛选PpMADS基因进行功能分析奠定相关理论基础.     

番茄果实中LeERF1、LeERF2基因的克隆及序列分析

乙烯反应元件结合蛋白属于植物特有的一个转录因子家族，这个家族保守的DNA结合域称为ERF结构域。根据对番茄(Lycopersicon esculentum)和其它植物物种中EREBP基因家族的同源性比较，在保守区(ERF区域)设计合成一对简并引物，通过RT-PCR扩增得到一个114bp的片段，用此片段作探针筛选番茄cDNA文库(粉红期)，得到两个基因LeERF1和LeERF2。通过BLAST工具在GenBank中搜索表明，LeERF1和LeERF2基因属于EREBP家族，LeERF1与EREBP-4和DDTFR10／A在氨基酸水平上的序列相似性为35％，LeERF2与EREBP-3和p65在氨基酸水平上的序列相似性为46％，是新的基因。LeERF1和LeERF2的核酸序列在GenBank发表，登录号分别为AY077626和AY275554。     

番茄GRX基因家族的鉴定及表达分析

GRX基因家族是从原核生物到真核生物中普遍存在的一类巯基-二硫键氧化还原酶,在植物的生长发育、器官构建及逆境胁迫和激素信号应答中均发挥重要作用.本研究在番茄基因组范围内,利用生物信息学方法对番茄的GRX基因组家族的成员、分布及结构和功能等进行分析.预测结果显示,番茄GRX家族包含55个蛋白质,分为4个亚族,其中植物特有的CC亚族成员最多,有35个,其他GRX基因成员与拟南芥GRX家族具有相似分类.在番茄GRX结构域中包含12个重要的基序,主要分布在序列的N端,相同亚族中的GRX成员蛋白序列的氨基酸保守域构成基本一致,且各亚族成员的氨基酸保守域组成特异,表明这些基序的存在对GRX蛋白功能的执行是必需的.利用实时荧光定量PCR对番茄GRX基因的组织表达和胁迫响应分析,结果表明,GRX基因具有组织特异性表达差异,CC型在根和花中表达较高,在果实中表达较低;在盐、SA、ABA、高温和低温胁迫条件下,22个番茄GRX基因的表达模式被阐明;其中部分基因的表达水平被显著地诱导增加或者降低,很可能参与了调控番茄逆境胁迫条件下的防御应答反应.本研究结果将为番茄GRX家族基因的深入研究提供依据,为进一步解析GRX基因功能奠定基础.     

番茄果实中LeERFl、LeERF2基因的克隆及序列分析

乙烯反应元件结合蛋白属于植物特有的一个转录因子家族,这个家族保守的DNA结合域称为ERF结构域.根据对番茄(Lycopersicon esculenturm)和其它植物物种中EREBP基因家族的同源性比较,在保守区(ERF区域)设计合成一对简并引物,通过RT-PCR扩增得到一个114bp的片段,用此片段作探针筛选番茄cDNA文库(粉红期),得到两个基因LeERFl和LeERF2.通过BLAST工具在GenBank中搜索表明,LeERFl和LeERF2基因属于EREBP家族,LeERFl与EREBP-4和DDTFRl0/A在氨基酸水平上的序列相似性为35%,LeERF2与EREBP-3和pti5在氨基酸水平上的序列相似性为46%,是新的基因.LeERFl和LeERF2的核酸序列在GenBank发表,登录号分别为AY077626和AY275554.     

葡萄ACO家族基因过量表达对番茄乙烯释放速率的影响

乙烯是启动和促进果蔬成熟和衰老的内源激素,ACC氧化酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase,ACO)是乙烯生物合成中的一个关键限速酶.葡萄ACO基因拥有一个基因家族,其中VvACO1和VvACO2基因在果实转色时期出现转录高峰,是葡萄果实发育过程中造成乙烯含量发生变化的关键基因.为验证葡萄(Vitis vinifera)ACO家族基因过量表达对番茄(Solanum locopersicum)乙烯释放速率的影响,本研究通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导法将葡萄ACO基因导入番茄基因组中,进行了PCR和RT-PCR分子检测,并对分子检测阳性的转基因番茄植株叶片的ACO酶活性和乙烯释放速率进行了分析.RT-PCR检测表明,在3个VvA CO1、4个VvACO2和6个VvACO3转基因番茄植株中目的基因均有一定的表达.所有转基因番茄植株的ACO酶活性和乙烯释放速率均比对照有所提高,其中以VvACO1基因的过量表达对叶片ACO酶活和乙烯释放速率增加的幅度最大,VvACO3基因的过量表达对果实的ACO酶活和乙烯释放速率增加的幅度最大,而转化VvACO2基因的番茄植株ACO酶活性和乙烯释放速率最低,比对照略有升高,且植株呈现矮化现象.本研究通过观察转基因番茄的生长状况以及测定转基因番茄的生理指标,探讨葡萄ACO家族基因的过量表达对番茄的影响,来预测葡萄ACO基因的初步功能.     

植物磷转运子 PHT1 家族研究进展

【目的】磷是植物生长发育所必需的大量营养元素。植物 PHT1 磷转运蛋白家族在植物磷吸收、运转及再利用等过程中发挥了重要作用。迄今已在多种高等植物中相继分离出大量 PHT1 家族基因。本文综述了国内外关于植物 PHT1 家族的主要研究进展,详细阐述了植物 PHT1 家族的表达模式、功能及可能的调控途径。 主要进展植物 PHT1 家族属于 MFS (major facilitator superfamily) 超家族,不同物种 PHT1 家族蛋白的结构非常保守,通常具有 12 个亲脂跨膜结构域,形成“6 螺旋–亲水大环–6 螺旋”式的结构镶嵌于质膜当中。同时,该家族具有 H₂PO₄–/nH+ 共运子、糖转运子和 MFS 通用转运子等特征结构域和一段保守的氨基酸特征序列 GGDYPLSATIMSE。一般情况,植物 PHT1 家族基因吸收转运 1 个无机磷需要 2～4 个质子协同进入质膜,并伴随膜电位的变化。植物 PHT1 家族的磷转运特性差异较大,其动力学参数 Km 值差别较大。高等植物 PHT1 家族成员众多。在拟南芥、水稻、大豆、茄科植物及其他物种中的研究发现,PHT1 家族各成员间的时空表达模式存在差异,多数成员受低磷信号调控且主要在根部表达,少部分成员在除根以外的其他器官中表达,并行使相应的磷转运功能。已有研究表明,植物 PHT1 家族基因的转录水平受到多因素的调控,例如外界环境中的无机磷浓度,转录因子如 MYB 家族、WRKY 家族以及 ZAT6 等基因能与 PHT1 家族基因启动子区的特殊调控元件如 MYCS 元件、P1BS 元件及 W-box 元件等结合,调控基因的转录。此外,部分 PHT1 家族基因的转录水平受丛枝菌根真菌 (arbuscular mycorrhizal fungi,AMF) 的调控。除了转录水平的调控,关于植物 PHT1 家族转录后水平的调控途径同样取得了较大进展。PHF1 基因、含 SPX 结构域的蛋白家族、MicroRNA、蛋白磷酸化与去磷酸化、染色质修饰及其他等一系列调控途径均参与到 PHT1 家族基因的转录后调控及信号转导。植物激素如生长素、乙烯和细胞分裂素等也参与这一调控过程。 建议与展望植物对磷吸收利用的分子调控机理及信号转导途径十分复杂,因此,培育磷高效利用基因型作物任重而道远。关于植物 PHT1 家族基因的研究已从模式植物向作物及其他高等植物中扩展,然而对该家族蛋白的生化及结构生物学等研究还待进一步深入。同时,对于一些基因组较复杂的多倍体物种如甘蓝型油菜、小麦、大麦及棉花等,仍有待开展进一步研究。     

二穗短柄草GRFs基因家族的鉴定及表达模式分析

GRFs基因家族在植物生长发育及逆境响应中起着重要的调控作用。为了探明二穗短柄草GRFs基因家族的基本特征及其进化关系,本研究利用生物信息学方法在全基因组水平上对二穗短柄草GRFs基因家族成员进行鉴定与分析。结果表明,二穗短柄草GRFs基因家族包括12个家族成员,蛋白质序列长度在238~577个氨基酸之间;序列比对发现二穗短柄草GRFs家族基因包括2个保守的QLQ和WRC结构域及广泛的保守基序;染色体定位发现,12个家族成员在二穗短柄草的5条染色体上呈不均匀分布,bd03号染色体分布最多;系统发育关系比较分析表明,这些GRFs基因家族成员存在4对直系同源基因。RT-qPCR分析表明,全部GRFs基因家族成员在二穗短柄草幼嫩组织中表达量较高,而在根系和衰老组织中表达量较低,外源激素特别是GA₃诱导了二穗短柄草大部分GRFs基因家族成员的上调表达,表明GRFs基因家族广泛地参与了二穗短柄草分生组织功能和器官形成的生命进程。本研究结果为二穗短柄草GRFs家族蛋白功能的研究奠定了理论基础。     

亚麻FAD基因家族的生物信息学鉴定分析

不饱和脂肪酸为人体提供基本代谢所必需的能量,须从膳食中补充。脂肪酸去饱和酶FAD(fatty acid desaturase)是植物不饱和脂肪酸合成途径中的关键酶,植物体内脂肪酸的各组分比例和不饱和度与FAD的去饱和作用息息相关。为探究亚麻FAD基因家族的表达与进化,为其在亚麻高品质育种中的应用提供理论依据。运用生物信息学方法对亚麻全基因组FAD基因家族的43个LuFADs基因进行分析。结果显示,该家族成员编码的蛋白质大小为152～453个氨基酸,大部分为碱性不稳定亲水蛋白。与拟南芥FADs蛋白序列构建系统发育树,可分为4个主要亚家族:Δ12/ω-3去饱和酶、“前端”去饱和酶、Δ7/Δ9去饱和酶和SAD去饱和酶。保守结构域和外显子-内含子结构分析得出,同一亚组中的家族成员具有较为相似的基因结构。染色体定位分析呈随机性分布。亚细胞定位预测得出,叶绿体上的家族成员最多。启动子顺式作用元件分析发现,该家族成员中抗氧化反应元件(ARE)数量最多。