小麦KUP/HAK/KT基因家族的全基因组鉴定、系统进化和表达模式分析

为深入发掘小麦KUP/HAK/KT基因的功能,利用小麦最新基因组数据,通过生物信息学手段,对小麦KUP/HAK/KT基因家族进行基因组水平的鉴定,并对其系统进化及表达模式进行分析.鉴定结果表明,本研究在小麦中鉴定到98个KUP/HAK/KT基因,根据系统进化分析结果,可将其分为Cluster Ⅰ、ClusterⅡ、Cl...     

植物KUP/HAK/KT家族钾转运体研究进展

钾是植物必不可缺的大量元素,作为细胞内的主要溶质,参与植物的生长发育过程。植物通过钾通道和钾转运体两种方式吸收钾营养。钾转运体包括4个家族,其中KUP/HAK/KT家族成员最多,且研究最为深入。其成员是广泛存在于植物细胞质膜和液泡膜上的一种跨膜蛋白,多具有高亲和性钾吸收功能的转运体。KUP/HAK/KT转运体不仅在植物对K+的吸收与转运过程中发挥作用,也参与调节植物的生长发育。综述了植物KUP/HAK/KT家族的分类、组织定位、功能和表达调控等方面的研究进展,以期为研究植物的钾营养吸收机制提供理论参考。     

栽培型与野生型辣椒HAK/KUP/KT基因家族的进化分析

HAK/KUP/KT家族是一类重要的钾转运蛋白家族。利用生物信息学手段对栽培型及墨西哥野生型辣椒全基因组范围内的HAK/KUP/KT基因成员进行鉴定及分析,比较两者在数目、复制类型及组织表达模式等方面的差异。发现2种辣椒中HAK/KUP/KT家族成员分别为24和22个,且在染色体上呈不均衡分布。基因复制类型分析发现,HAK/KUP/KT家族成员中存在片段重复和串联重复,且纯化选择是该家族进化的主要动力。组织表达分析显示,辣椒HAK/KUP/KT基因间的表达模式存在差异,暗示辣椒HAK/KUP/KT家族成员在功能上的多样性,并为后续发掘有益的钾转运基因提供了重要的理论依据。     

甘蓝型油菜GPDH基因家族的全基因组鉴定

在甘蓝型油菜基因组中鉴定出18个BnGPDH基因,参考拟南芥AtGPDH基因家族分类信息将它们分为BnGPDHp、BnGPDHm和BnGPDHc 3个亚家族。基因结构、保守模块分析发现亚家族内的基因成员具有较高的保守性;染色体位置定位显示BnGPDH分布在10条染色体上;qRT-PCR分析发现BnGPDHc家族成员在所检测的组织部位中具有不同的表达模式。此外,在花后21 d(day after flower, DAF)和30DAF的种子中 BnGPDHc1-2、 BnGPDHc2-1、 BnGPDHc2-2的相对表达量在高油材料中要显著高于低油材料,表明这些基因可能与油菜种子中三脂酰甘油的形成相关。     

商陆PaHAK1与拟南芥HAK/KUP/KT家族基因的比较分析

为探明商陆高亲和性K+转运体基因(Pa HAK1)的结构、功能及商陆耐低钾的原因,分析比较了商陆Pa HAK1和拟南芥HAK/KUP/KT家族基因中15个基因编码的高亲和性钾离子转运体氨基酸序列、蛋白质结构及其理化性质。结果表明:HAK基因家族编码蛋白均定位于细胞膜上,含有多个跨膜结构且跨膜结构域是蛋白质的保守结构域;Pa HAK1与At KUP3的跨膜结构十分相似,低钾胁迫下Pa HAK1和At KUP3的高表达与其高亲和钾转运吸收功能密切相关。系统进化树分析结果表明,Pa HAK1与拟南芥HAK基因家族中At KUP8亲缘关系最近,其氨基酸序列相似度为76.98%,推测Pa HAK1还可能通过维持细胞内高水平钾量在水分胁迫下发挥重要的调节作用。     

香蕉钾转运体HAK/KUP/KT家族鉴定及其在果实发育和低钾胁迫下的表达分析

钾是香蕉生长发育中需求量最大的营养元素,对果实产量、品质和贮藏性都有重要的影响。从香蕉基因组中鉴定出24个HAK/KUP/KT(MaKUP)基因,并对其理化性质、染色体定位、基因结构、保守功能域、进化关系、组织表达和低钾胁迫下的表达特征进行分析。结果表明,MaKUP编码的肽链平均有772个氨基酸,分子量为63.54～93.82 ku,等电点为5.44～9.30,蛋白不稳定指数为32.69～44.29,脂肪族指数为105.34～116.90,总平均亲水性为0.352～0.549,含有8～11个外显子,可分为4个亚族;表达分析发现15个MaKUP基因家族成员在香蕉不同发育时期的果实中高表达,6个MaKUP基因家族成员在低钾胁迫中上调表达,表明MaKUP在香蕉果实发育和钾吸收中具有重要的作用。     

KT/HAK/KUP家族基因在桃开花期的表达及对钾肥施用的响应

【目的】从转录水平探索KT/HAK/KUP家族基因在桃花发育不同时期的表达模式及对钾肥施用的响应特征,明确关键基因并验证其功能。旨在揭示钾素营养状况与桃花开放之间的直接关系,为果树施钾及高效园艺作物的遗传改良与育种提供理论依据。【方法】以‘霞晖6号’桃树为研究对象,通过钾肥施用分析其对桃花生长发育、钾素含量及花朵开放时期的影响;通过HNO₃-HClO₄ 法消化样品,利用ICP-AES设备测定桃花开放不同时期的钾离子含量;利用荧光实时定量qRT-PCR技术,分析KT/HAK/KUP家族基因在桃花开放不同时期的表达水平,确定主效基因;进一步通过qRT-PCR技术分析KT/HAK/KUP家族基因在桃花开放不同时期对钾肥施用的差异响应;利用异源细菌缺失功能互补法验证主效基因的功能,将KUP11的CDS序列克隆到pPAB404中形成重组表达载体pPAB404-KUP11,测序验证的重组载体转化到大肠杆菌功能缺失突变菌株TK2420中,分析重组载体pPAB404-KUP11恢复TK2420突变细菌吸收外界K⁺（KCl或K₂SO₄）的功能。【结果】钾肥施用使‘霞晖6号’桃花提前2 d开放,并显著促进了盛开期桃花的发育,花朵鲜重增加21.5%。此外,盛开期桃花K⁺含量也最高,其次是初开期和花蕾期,败落期则最低。因此,钾肥施用显著增强了桃花开放过程中花朵K⁺的富集水平,在花蕾期、初开期、盛开期和败落期分别提高了24.3%、27.4%、29.1%和26.2%。KUP1-13在桃花开放不同时期的表达水平存在差异,但在盛开期的表达水平均达到最高,且在转录水平对钾肥施用的响应不同。KUP1和KUP5基因对钾肥施用最为敏感,其表达水平从花蕾期至桃花盛开期是持续被诱导的;KUP11在桃花开放的整个过程中表达量最高,钾肥处理显著诱导了其在花蕾形成初期的表达并抑制了其在桃花败落期的表达量。表达载体pPAB404-KUP11能恢复TK2420细菌重新吸收K⁺,且对外界KCl和K₂SO₄均有吸收,说明KUP11的表达水平与K⁺的吸收呈正相关性。【结论】钾肥施用促进桃花发育,改善钾营养状况,催使桃花提前开放,并对KUP家族基因在开花不同时期转录水平的调控有差异;KUP11转运体具有吸收外界K⁺的功能,在桃花开放过程中起重要作用。     

甘蓝型油菜WOX基因家族的鉴定与表达分析

对甘蓝型油菜WOX基因家族进行研究,利用生物信息学方法鉴定到58个家族成员,对其理化性质、系统发育树、基因结构、保守结构域、染色体位置、顺式作用元件和表达模式等进行分析,结果表明：氨基酸长度为121~397,分子质量为13 962.77~44 157.46 u,等电点为5.23~9.63,亲水性均小于0,不稳定系数为42.12~75.63,亚细胞定位在细胞核和叶绿体;系统进化树将WOX基因分为3大类和9个亚支;相同亚支的成员motif和基因结构相似或相同;除 BnWOX1、 BnWOX3、 BnWOX4、 BnWOX15、 BnWOX32、 BnWOX42、 BnWOX43、 BnWOX51、 BnWOX53 基因外,其余 49 个BnWOX基因不均匀分布在19条染色体中的18条染色体上(ChrC06 除外),有38对串联重复基因;基因上游序列中包含转录因子结合位点、逆境响应、光响应、激素响应、分生组织调控等顺式作用元件等;各组织器官表达分析表明,BnWOX基因在根、茎尖、种子、角果中表达量较高;对WOX基因进行定量分析发现,在冷胁迫和干旱胁迫下基因表达量有显著变化,表明BnWOX基因可能在油菜响应冷/旱胁迫的调控机制中发挥着重要作用。     

甘蓝型油菜角果长度全基因组关联分析

【目的】挖掘与油菜角果长度性状显著相关的SNP位点及候选基因,为揭示油菜角果长度性状的遗传基础和分子机制提供理论依据,为油菜产量分子标记辅助选择育种奠定基础。【方法】在江西农业大学试验地和江西省红壤研究所试验地2个环境下考察300份甘蓝型油菜自交系的角果长度性状,利用简化基因组测序技术(specific locus amplified fragment sequencing,SLAF-seq)对300份甘蓝型油菜自交系基因组DNA进行测序并分析,利用获得的均匀分布于甘蓝型油菜基因组上的201 817个群体SNP(single nucleotide polymorphism,SNP)对角果长度性状进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),探测与油菜角果长度显著相关的SNP位点,并基于群体连锁不平衡分析结果搜寻显著SNP位点两侧100 kb范围内的基因,通过BLAST获得关联区域内基因的注释信息,根据注释信息找出与性状相关的候选基因。【结果】农大试验地角果长度表型变异幅度为46.35—107.07 mm;红壤所试验地角果长度表型变异幅度为39.41—101.35 mm,两性状在2个环境下均表现出广泛表型变异。通过一般线性模型(general linear model,GLM)关联分析,农大环境下共检测到121个角果长度显著关联的SNP位点,分布在A04、A06、A08、A09、C02、C03、C06和C09等8条染色体上,其中,A09染色体上分布最多(83个SNP),红壤所环境下检测到22个角果长度显著关联的SNP位点,其中,1个在C09染色体上,其余21个均分布于A09染色体,在两地探测到20个一致性SNP位点;通过混合线性模型(mixed linear model,MLM)分析,农大环境下共检测到5个角果长度显著关联的SNP位点,其中,3个SNP位点与红壤所环境下检测到3个SNP位点一致,所有位点均位于A09染色体上。对MLM关联分析得到的显著SNP位点两侧100 kb区域内基因进行搜寻并进行功能注释,发现多个候选基因参与调节碳水化合物的运输与合成、花器官和种子的发育、信号转导等,它们可能通过上述功能影响油菜角果的生长,导致角果长度的差异。【结论】通过GLM和MLM两种分析方法探测到多个与油菜角果长度性状显著关联的基因位点,并在显著性位点附近搜寻到相关候选基因。     

马铃薯糖转运蛋白家族的全基因组鉴定和表达分析

利用BLASTp程序在马铃薯全基因组中共鉴定出54个潜在的马铃薯糖转运子,分别属于7个糖类转运蛋白家族,分析这54个马铃薯糖转运子基因在不同组织器官、发育阶段、生物及非生物胁迫以及激素刺激下的表达水平与特性。该结果有助于加深对马铃薯糖转运子的了解,可为发现能提高马铃薯经济性的新基因奠定基础。     

林烟草KUP/HAK/KT钾转运体基因NsHAK11的亚细胞定位与表达

【目的】应用生物信息学方法,分离和克隆烟草钾转运体KUP/HAK/KT家族新基因,对其进行亚细胞定位和表达分析,为开展烟草KUP/HAK/KT钾转运体的研究提供借鉴。【方法】通过生物信息学方法,搜索林烟草（Nicotiana sylvestris）和绒毛状烟草（N.tomentosiformis）基因组数据库,预测两种烟草中的钾转运体KUP/HAK/KT家族成员,构建系统进化树。根据所获结果,从林烟草中获得一个新的烟草KUP/HAK/KT家族基因。采用Wolf PSORT对蛋白的亚细胞定位进行预测,并利用农杆菌浸润法注射本生烟（N.benthamiana）叶片后激光共聚焦显微镜下观察,依据融合荧光蛋白在细胞内产生荧光的位置确定蛋白的亚细胞定位,用以验证预测结果;采用PLACE网站对基因的表达模式进行预测,并用荧光定量PCR分别研究其在盛花期林烟草不同器官的表达差异及低温、高温和低钾胁迫下苗期林烟草叶片中NsHAK11的表达变化,用以验证预测结果。【结果】预测出林烟草和绒毛状烟草KUP/HAK/KT钾转运体家族均含有19个成员,进化上分为4个Cluster（簇）。根据预测序列结果,从林烟草中克隆得到一个ClusterⅢ中的基因,其编码蛋白与拟南芥（Arabidopsis thaliana）中AtKUP11的相似性最高,因此,将其命名为NsHAK11,其编码蛋白与已获得的2个烟草NrHAK1和NtHAK1的相似性仅为48%和49%,所以NsHAK11是一个新的烟草KUP/HAK/KT基因。Wolf PSORT预测显示NsHAK11主要定位于细胞质膜中。亚细胞定位试验中NsHAK11与GFP和DsRed2两种报告蛋白融合的定位结果均表明NsHAK11定位于细胞质膜中,与预测结果相符。利用PLACE网站对NsHAK11启动子分析得到,NsHAK11可表达与定位于根、花和胚芽组织中,受到低温、高温、干旱和激素等因素的影响。实时荧光定量PCR分析结果与预测结果基本一致：NsHAK11在盛花期林烟草各组织器官中均有表达,但表达水平存在强弱差异,其在主根中的表达量最高,在侧根中的表达量次之,而在叶片中的表达量最低;NsHAK11在苗期林烟草叶片中受低温、高温和低钾胁迫时呈现不同类型的上调表达,其中,低温处理时NsHAK11的表达上调程度最大且响应时间最早,高温处理时其表达上调程度次之,但在前期会出现明显抑制,低钾处理时其表达量可上调表达,但并不显著。【结论】获得了一个烟草KUP/HAK/KT基因家族新成员NsHAK11,其编码蛋白为主要定位于细胞质膜中的钾转运体,该蛋白广泛存在于各组织器官中,参与叶片响应低温、高温和低钾胁迫的应对机制。     

杨树KT、HAK、KUP基因家族鉴定及钾肥处理对杨树生长的影响

KT、HAK、KUP基因家族是植物进行K⁺转运的最大蛋白系统。以毛果杨(Populus trichocarpa Torr.&Gray)全基因组数据为基础,利用生物信息学方法对杨树KT、HAK、KUP家族进行了全基因组鉴定,并在毛果杨全基因组中鉴定出20个KT、HAK、KUP家族成员。理化性质预测分析表明：KT、HAK、KUP基因家族成员均为疏水性蛋白,等电点在5.30～9.16;亚细胞定位预测显示家族成员蛋白集中在细胞质膜上。应用拟南芥和杨树构建系统进化树显示,KT、HAK、KUP基因家族可分为5个亚家族。基因结构及基序(motif)分析表明,KT、HAK、KUP基因进化过程相对保守。顺式作用元件分析表明,KT、HAK、KUP基因家族成员含有诸多与激素、逆境胁迫的响应元件。杨树不同钾离子浓度处理下,植株的净生长情况呈现了显著的差异,说明钾元素对杨树生长影响较大。     

香蕉CASP家族全基因组鉴定与分析

[目的]了解香蕉CASP家族成员的生物学功能。[方法]以拟南芥CASP基因作为参考序列,基于香蕉基因组数据,通过Blast鉴定香蕉A、B基因组中的CASP家族成员,并对CASP家族成员进行序列特征及低温下的表达分析。[结果]共鉴定得到61个香蕉CASP家族成员,其中A基因组44个(MaCASP)、B基因组17个(MbCASP); CASP基因编码的蛋白存在DUF588和MARVEL保守结构域;根据与拟南芥的亲缘关系将香蕉A、B基因组中的CASP家族成员分为5类; CASP家族成员启动子顺式作用元件中包含光响应元件、激素响应元件、压力响应元件以及多种生长发育响应元件;在低温胁迫下,6个成员(MaCASP21、MaCASP19、MaCASP32、MaCASP43、MaCASP11、MaCASP16)在4℃时呈现特异性表达。[结论]香蕉CASP家族具有功能的多样性,且CASP家族成员在A、B基因组中存在一定的差异,还可能参与低温响应过程。     

甘蓝型油菜品质相关性状全基因组关联分析

采用近红外方法,分析104份甘蓝型油菜种子中的芥酸、油酸与硫代葡萄糖苷含量;运用简化基因组技术(ddRADseq)对全部材料进行基因分型;结合性状与基因型的数据,利用Tassel混合线性模型进行全基因组关联分析。结果表明:芥酸含量与硫代葡萄糖苷呈极显著正相关,油酸含量与芥酸、硫代葡萄糖苷呈极显著负相关;群体结构分析将104份材料划分为4个亚群;通过全基因组关联分析发现,与芥酸、油酸含量显著关联的SNP标记主要分布在A08与C03染色体上,与硫代葡萄糖苷含量显著关联的标记分布在A05、A02与C09染色体上。     

谷子FT/TFL1家族的全基因组鉴定与分析

谷子是传统的优势作物,具有极高的营养价值,提高谷子的产量是目前谷子研究的主要方向,通过控制谷子开花时间,可以有效地提高谷子产量。FT/TFL1基因家族在植物成花转变过程中起关键作用。通过构建FT/TFL1蛋白家族的系统发育树。结果发现,谷子FT/TFL1家族可以分为FT,MFT和TFL1共3个亚类;谷子、水稻和拟南芥的FT亚类、MFT亚类和TFL1亚类的蛋白序列高度保守,均具有一段含有50个氨基酸残基的保守基序;FT/TFL1基因家族的启动子区域含有光响应元件Sp1、低温响应元件LTR和脱落酸响应元件ABRE等。对谷子表达模式分析发现,FT亚家族的Seita.4G122200基因在根、叶和苗中的表达量都很高,Seita.4G180200基因在穗中的表达量最高;TFL1亚类的Seita.1G180300基因和Seita.7G324800基因在根中的表达量也较高;FT,MFT和TFL1这3个亚类在谷子不同组织中的表达量存在显著差异。     

葡萄HAK基因家族的鉴定与表达分析

从葡萄基因组数据库中检索到18个HAK基因家族成员,对其在生物信息学及非生物胁迫下的表达水平进行分析。结果表明:葡萄HAKs编码CDS序列长度为2 000～2 500 bp,外显子数从7个到12个不等。二级结构主要以α-螺旋和不规则卷曲为主,至少含9个跨膜区域,亚细胞定位表明该家族主要在细胞质膜上。葡萄HAK基因分为7个亚族且整个家族与拟南芥HAK家族成员的同源性很高。基因芯片表达谱分析表明,葡萄HAK基因家族能够响应高温、低温、盐、干旱和水分等非生物胁迫,不同成员的表达水平存在一定的差异。荧光定量分析表明, VvHAK01、 VvHAK04、 VvHAK06和 VvHAK13质量分数为10%PEG处理6 h后表达量显著上升; VvHAK02、 VvHAK07、 VvHAK09、 VvHAK10、 VvHAK12、 VvHAK13、 VvHAK15、 VvHAK16、 VvHAK17、 VvHAK18在50μmol·L~(-1) ABA处理6 h后表达量显著上升; VvHAK07、 VvHAK09、 VvHAK11在400 mmol·L~(-1) NaCl处理6 h后表达量显著上升; VvHAK05在50μmol·L~(-1) ABA、400 mmol·L~(-1) NaCl和质量分数为10%的PEG处理6 h后,叶片表达量显著下调。大多数HAK基因家族成员对ABA、NaCl和PEG无法有响应,试验为进一步解析HAK基因功能和利用HAK基因进行植物的遗传改良奠定基础。     

甘蓝型油菜HD-ZIP基因家族的鉴定和表达分析

为揭示HD-ZIP蛋白家族成员在甘蓝型油菜全基因组中的分布及相关特征,通过生物信息学方法共鉴定出74个HD-ZIP转录因子,分别被定位到甘蓝型油菜的19条染色体和8条随机序列;这74个HD-ZIP蛋白都含有高度保守的HD-ZIP结构域;系统发育进化树将该家族成员聚为4大类;共线性分析发现大部分基因不仅在A和C染色体组间存在共线性,而且在各自染色体组内也存在串联重复事件;基因表达分析发现,大部分HD-ZIP家族基因在根和叶中均有表达,并且在根中表达的基因多于叶片,受到盐胁迫处理时,大部分基因表达量会增加。初步明确了甘蓝型油菜HD-ZIP家族成员结构特点和相关功能,为进一步研究甘蓝型油菜HD-ZIP蛋白家族基因的生物学功能奠定了基础,为油菜抗性育种工作提供科学依据。     

玉米YABBY基因家族的全基因组鉴定与分析

YABBY基因家族作为植物特有的转录因子家族,在调控植物侧生器官发育中发挥重要作用。本研究利用玉米全基因组数据分析玉米YABBY基因家族,阐明该基因家族成员结构、系统进化发育关系以及基因家族成员在玉米不同组织及不同发育时期的表达谱。结果显示,玉米参考基因组中存在13个YABBY基因,命名为Zm YABBY1~Zm YABBY13,根据系统发育关系和序列相似性将该基因家族分为4亚类S1~S4。RNAseq数据显示玉米YABBY基因在籽粒、茎和茎端分生组织(Shoot apical meristem,SAM)、幼胚及叶片中有较高表达,预示玉米YABBY基因可能在上述器官发育中发挥调控作用。本研究结果为进一步解析该基因家族的功能奠定了研究基础。     

谷子CO家族基因的全基因组鉴定与分析

抽穗开花是高等植物从营养生长向生殖生长转变的过程,该过程受到众多基因的调控。CONSTANS(CO)是光周期开花途径中的一个关键基因,是生物节律钟基因和开花基因之间的关键枢纽。利用生物信息学的方法,从谷子基因组中鉴定了34个CO基因;与拟南芥CO家族的17个成员进行同源比对,发现Seita.7G007800与Seita.9G020100相似性最高;在此基础上,分析了谷子CO基因的启动子,发现启动子有光响应元件Sp1、脱落酸响应元件ABRE以及赤霉素响应元件P-box等;RNA-Seq转录组测序发现,这些CO基因在叶片中表达量存在显著差异,其中,Seita.4G192300基因表达量最高,而Seita.1G304900,Seita.3G080700和Seita.4G001600这3个基因在叶片中不表达。这些结果不仅为深入研究CO基因与抽穗开花的关系提供依据,而且为后续谷子抽穗开花途径的研究奠定理论基础。