大麦基因组GRAS基因家族的全基因组鉴定与表达分析

GRAS基因家族是一类仅存在于植物并广泛参与其生长发育调控的转录因子,根据其序列结构和系统发育树分化特征,GRAS转录因子包含PATI, DELLA, HAM, SCR, SHR等多个亚家族成员。本研究利用大麦最新的基因组数据库,采用生物信息学的方法筛选鉴定出41条GRAS基因序列,其中有34条序列具有完整的GRAS家族蛋白特有的GRAS结构域,可定位到大麦7条染色体上且呈不均匀分布。与拟南芥和水稻GRAS蛋白进行的系统发育分析,可将大麦GRAS家族蛋白进一步划分为10个亚家族。本研究对大麦GRAS基因的表达丰度分析,发现部分基因在发育阶段高表达,这可能暗示着这些基因在相应发育阶段起到重要作用。本研究结果可为后续挖掘和验证大麦GRAS基因提供参考。     

黄瓜VQ家族全基因组鉴定

VQ蛋白是参与调控植物生长发育的一类重要蛋白,在植物中高度保守,因其可以与WRKY转录因子相互作用,近年来被广泛关注。目前,关于VQ基因家族在黄瓜中的研究鲜有报道。本研究采用生物信息学技术对黄瓜VQ基因进行系统研究,并对其编码蛋白的结构、性质、亚细胞定位和进化关系进行了分析。结果表明,黄瓜VQ基因家族由26个成员组成,且多数CsVQs编码的蛋白呈现中性或偏碱性,并由含单外显子的基因编码,定位在细胞核上。26个VQ基因均存在保守的缬氨酸(V)和谷氨酰胺(Q)基序,共同含有核心基序FxxxVQx (L/V/F)TG,不均匀地分布在黄瓜7条染色体上。表达模式分析结果表明,黄瓜VQs基因在不同组织中特异性表达,表明其在黄瓜组织器官生长发育中的发挥重要作用。本研究结果为进一步解析黄瓜VQ基因家族成员,深入探讨黄瓜VQ基因的生物学功能提供参考依据。     

黄瓜扩展蛋白基因家族的鉴定与生物信息学分析

扩展蛋白(expansins)是植物细胞壁的重要组成部分,能够引起细胞壁组分间松驰和细胞壁柔韧性增加,在植物的许多生长发育过程中发挥作用。为了揭示黄瓜扩展蛋白基因家族的功能,本研究利用全基因组测序数据鉴定黄瓜扩展蛋白基因家族,分析其结构特征及系统发育关系。黄瓜基因组测序数据分析显示,黄瓜扩展蛋白基因家族包含35个成员,包括A(21)、B(3)、LA(9)和LB(2)4个亚家族,分布在黄瓜7条染色体上。扩展蛋白氨基酸长度范围为206-295,编码蛋白质具有保守的结构域,蛋白质亚细胞定位预测结果表明所有蛋白均定位于细胞外。基因结构分析表明,黄瓜扩展蛋白四个亚家族的平均内含子数目分别为A类1.8个,B类2.7个,LA类3.8个和LB类3.5个。基因表达分析发现,该家族基因在黄瓜雌雄花蕾及果实发育过程中表达丰度较高。本研究分析了黄瓜扩展蛋白基因家族的基本信息,可为深入研究其扩展蛋白基因的分子进化与生物学功能奠定基础。     

番茄GRAS转录因子家族的生物信息学分析

笔者旨在为进一步了解番茄GRAS基因家族的结构特征和进化信息,也为GRAS转录因子的后续相关研究提供一定的理论基础。利用HMMER 3.0软件,通过从Pfam蛋白数据库中下载的GRAS保守域（PF03514）,来鉴定番茄GRAS 基因。采用MEGA5.2、Web Logo 3、DNAMAN 5.0、Map Inspect和MEME等软件对其蛋白序列进行生物信息学分析。采用RT-PCR技术检测番茄GRAS基因在番茄根、茎、叶、花和果实中的表达情况。番茄基因组共挖掘出53条GRAS转录子基因,划分为I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII 8个亚族。系统进化树结果显示V和VI组中GRAS家族成员最多,且拟南芥的GRAS基因家族中基因功能类似的基因聚类的在一起,则可能同组内番茄GRAS基因家族成员也具有类似功能;染色体定位分析显示GRAS基因在12条染色体中呈不均匀分布;根据WebLogo 3.0对GRAS基因家族的结构域蛋白分析,结果显示GRAS基因家族的蛋白序列并不都是高度保守的;保守元件分析表明番茄GRAS基因家族成员是部分高度保守的。番茄GRAS基因家族大部分成员结构是高度保守,可能参与调控番茄生长和发育等过程。     

独行菜GRAS转录因子家族分析及LaSCL18基因克隆与冷相关性研究

以耐受低温萌发停滞期的种子为实验组,以低温萌发停滞期的种子为对照组,对独行菜(Lepidium apetalum Willd.)种子转录组进行了高通量测序。基于测序数据库资源,本研究对独行菜GRAS类转录因子进行了分析,除去冗余,发现独行菜种子共有GRAS家族270个成员。其中138个成员相对于低温萌发停滞组,在耐受低温萌发的独行菜种子中上调表达,128个下调表达,4个表达水平无差异。进一步选择了一个极显著上调表达的GRAS基因片段,通过Blastn同源序列比对分析表明,该基因片段与拟南芥GRAS基因家族SCL18全长基因一致性最高,达到96%,故本研究将其命名为La SCL18(Gen Bank登录号KY466159)。结合同源序列克隆法、采用RT-PCR技术克隆获得该GRAS基因c DNA序列,全长1 633 bp,编码一个完整的开放阅读框。生物信息学分析表明,该c DNA序列编码435个氨基酸、具有GRAS转录因子家族特有的保守结构域、亲水性较高、是一个水溶性较好的球状蛋白。编码蛋白分子质量139.883 k D、理论等电点为4.97、不具有跨膜区和DNA结合位点,表明其在调控相关基因转录时可能不直接与DNA序列结合,而是与其它转录因子相互作用后发挥功能。实时荧光定量PCR分析表明,独行菜幼苗在低温胁迫处理后La SCL18基因表达量迅速显著升高,初步推测La SCL18基因表达与独行菜幼苗耐受低温有关。     

棉花AGO蛋白家族基因鉴定及表达分析

AGO蛋白在所有由小RNA介导的RNA沉默通路中发挥重要作用。在植物中,它广泛参与维持基因组的稳定、调控组织的发育、对逆境的应答以及对入侵的转基因和植物病毒的免疫。对AGO基因家族成员的研究有利于研究其功能。为揭示棉花中AGO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27个AGO蛋白,并对这些家族成员的特性进行了进化分析,这些AGO蛋白被分为3类,蛋白长度介于731~1462 aa之间,第一、三亚家族蛋白编码区较多,第二亚家族蛋白编码区较少。27个基因分布在16条染色体上。8个基因在所有组织中的表达量较高,棉花AGO基因与拟南芥AGO基因在组织中的表达模式极为相似。本研究为进一步研究棉花中AGO蛋白的功能提供了指导意义。     

毛果杨MGT基因家族全基因组水平鉴定及表达分析

为探究MGT基因家族在毛果杨生长发育及响应胁迫中的作用,本研究在毛果杨全基因组范围,通过生物信息学分析PtrMGT基因家族成员的数量、进化关系、染色体位置、基因结构、编码蛋白基本特征、启动子顺式作用元件,并对各成员的组织表达特异性以及对NaCl胁迫与ABA处理的响应特性进行了分析。结果表明：PtrMGT家族共含有10个基因,可分为4个亚族;有2对同源基因且Ka/Ks值均小于1;家族成员启动子区含有数量不等的非生物胁迫响应元件,共12种、146个元件;PtrMGT家族编码的蛋白均含有GMN序列,同一亚族基因编码蛋白的序列相对保守;PtrMGT家族成员在毛果杨根、茎和叶表达量具有差异;NaCl胁迫下,PtrMGT家族基因在根、茎和叶中表达量在0～48 h内均表现为先上升后下降的变化趋势;ABA处理下,大部分成员表达量先升后降,小部分成员表达量持续下降,表明PtrMGT家族基因对NaCl胁迫与ABA处理产生响应且响应模式出现分化。本研究为深入研究PtrMGT基因家族功能提供理论基础。     

丹参Ca~(2+)/H~+反向转运蛋白(SmCAX)基因家族鉴定与表达分析

CAX (Ca~(2+)/H~+exchanger antiporter)是一类重要的跨膜转运蛋白,在调控植物Ca~(2+)平衡,参与转运重金属离子中具有重要作用。研究丹参CAX家族基因的结构特征及表达特征有助于解析其功能。为揭示丹参CAX家族的功能,本研究运用生物信息学方法,结合丹参基因组和转录组鉴定出7个CAX家族成员。分析其编码蛋白质的理化性质、结构特征及亚细胞定位,以及不同组织中基因表达水平。结果显示,丹参CAX基因家族共包含7个成员,编码228～731个氨基酸,均为疏水性跨膜蛋白,二级结构以α螺旋为主,三级结构全为单体。亚细胞定位预测显示SmCAX蛋白主要分布在质膜或内质网膜上,其它部位也有少量分布。表达模式分析结果显示,丹参CAX家族成员表达模式差异较大:SmCAX3和SmCAX6在各组织中表达丰富,表达模式相似;SmCAX2和SmCAX5在叶组织中高表达,有明显的组织特异性;而SmCAX1与SmCAX4在野生丹参与栽培丹参中表达模式相反。本研究为今后深入阐释丹参CAX基因家族的功能提供了理论基础,并为运用基因工程技术改良丹参品质提供参考。     

沙柳SpsLAS基因克隆及生物信息学分析

LAS基因对于植物侧生分生组织有重要影响。它被证实在拟南芥、番茄等草本科植物营养生长阶段参与腋生分生组织的形成,但在木本植物中的基因功能尚缺乏深入研究。本研究以沙柳为材料,利用RT-PCR技术成功克隆沙柳LAS基因,命名为SpsLAS,并对其进行生物信息学分析。结果表明,该基因CDS序列全长1 320 bp,编码439个氨基酸,预测蛋白分子量为49.876 8 k D,理论等电点(PI)为6.66,是亲水性蛋白;同源氨基酸序列比对结果表明沙柳LAS基因与番茄LS、拟南芥LAS等功能已确认的LS亚家族基因同源性较高,氨基酸相似性达50%以上;系统进化分析表明SpsLAS与杞柳和毛果杨亲缘关系更近;对LAS进行功能结构域分析得知LAS基因具有GRAS基因家族典型特征,属于GRAS基因家族LS亚家族;预测未发现跨膜结构和信号肽区域;SpsLAS蛋白二级结构包含173个α螺旋(Alpha helix),72个延伸链(Extended strand),194个无规则卷曲结构(Random coil);亚细胞定位预测该基因很可能定位于细胞核内。沙柳LAS基因的克隆对于研究木本植物萌蘖及其分枝机制有重要意义,同时丰富了木本植物中GRAS基因家族的相关研究。     

黄瓜SUN家族的鉴定及其对逆境的响应

黄瓜(Cucumis sativus L.)是中国主要蔬菜作物之一,具有很高的经济价值。植物特有的IQ67结构域蛋白(SUN)家族成员是钙传感器的下游靶标,能够参与植物发育和基础防御反应。本研究通过黄瓜基因组新组装版本(v3.0),对黄瓜SUN基因家族成员进行了全基因组的鉴定和分析。结果表明,黄瓜SUN基因家族包含29个成员,编码的蛋白均含有保守的IQ67结构域。黄瓜SUN家族成员基因启动子区域含有多个响应激素和胁迫反应的顺式作用元件,通过分析公共已发表的转录组数据,本研究发现SUN家族基因可能在黄瓜果实生长发育及生物和非生物胁迫中起重要作用。研究结果为进一步了解SUN家族基因的功能提供了一定基础。     

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。     

番茄(Solanum lycopersicum)SlGLR基因家族的生物信息学分析

本研究通过对番茄高质量全基因组序列同源搜索分析,找到番茄中共有13个SlGLRs家族成员。并利用生物信息学方法详细分析了该家族所有成员的基因结构、蛋白结构域、进化关系。结果显示:番茄SlGLR家族的13个成员均含有5～7个外显子,各个成员都包含IPR001828、IPR001320和IPR001638这三个结构域,整个家族可分为三个亚家族,且Sl GLRⅡ亚家族各成员,除了SlGLR2.6以外均成簇分布在6号染色体上。不同激素处理下的表达分析显示该家族不同成员对不同激素处理的响应不同;组织表达分析表明SlGLR3.2在番茄的果实中特异高表达,暗示其在果实发育中可能起着重要作用。为了进一步分析其功能,我们对SlGLR3.2的理化性质、亲水性/疏水性、跨膜区、亚细胞定位、蛋白二级结构进行了详细分析。结果表明SlGLR3.2为亲水性膜蛋白,含有三个跨膜区,二级结构主要由α-螺旋、延伸链、β-转角、无规则卷曲组成。本研究将为进一步研究番茄SlGLRs基因家族的功能提供参考依据。     

玉米ZmGRAS31基因的克隆及功能研究

GRAS 蛋白家族是一类植物特有的转录调控因子,在多种植物中均有报道。为了探究玉米 GRAS 基因家族在逆境胁迫下的功能,本研究从玉米根中克隆获得 ZmGRAS31 (AC: NC_024462),该基因全长 1422 bp,编码 473 个氨基酸。生物信息学分析表明 ZmGRAS31 蛋白分子量为 51,700.38 Da,理论等电点为 4.73,具有 GRAS 转录因子家族特有的保守结构域,但不具跨膜结构,亲水性较差。玉米原生质体瞬时表达实验表明 ZmGRAS31 定位于细胞核内。实时荧光定量 PCR (qPCR)分析表明,在低温、脱水、高盐、干旱处理下, ZmGRAS31 在玉米幼苗均上调表达;不同浓度NaCl 处理过表达 ZmGRAS31 转基因拟南芥植株,其根长优于野生型,由此推测该基因可能参与玉米非生物胁迫应答。     

毛竹CCT基因家族成员的鉴定及表达分析

CCT基因家族广泛参与植物昼夜节律、开花、作物产量及胁迫等多种生长过程,对植物的生长发育和形态建成有着重要的影响。目前毛竹CCT基因尚未被发掘研究,本研究利用生物信息学方法对毛竹CCT基因家族成员进行鉴定,并对其理化性质、进化关系、保守结构域、基因结构、顺式作用元件以及不同光处理下的表达模式进行了分析。结果表明：毛竹基因组中共有37个CCT家族成员,这些家族成员间基因长度存在着一定的差异,所编码的CCT蛋白大多属于不稳定的亲水性蛋白;家族成员在进化过程中CCT基因的长度逐渐变短,外显子数量变少,基因结构差异较大;家族成员含有多种保守结构域,处于同一亚家族成员的保守结构域基本类似;毛竹CCT家族成员含有多种不同的顺式作用元件,如光响应元件、脱落酸响应元件等,基本所有的基因都含有光响应元件,且这些基因在不同光质下的表达量存在着明显的差别。本研究结果为毛竹CCT家族基因在毛竹开花和遗传改良等方面提供一定的理论依据和参考。     

陆地棉KFB基因家族全基因组鉴定与表达分析

【目的】KFB(Kelch containing F-box protein)是普遍存在于各种生物体中含有F-box结构域的一类家族蛋白,参与众多生物过程。本研究旨在开展陆地棉KFB家族基因鉴定和表达分析。【方法】利用生物信息学方法从陆地棉(TM-1)基因组中鉴定KFB家族成员,与已知的拟南芥、水稻、大豆等KFB蛋白序列构建系统进化树;进一步针对第Ⅱ亚族进行基因结构、染色体定位和表达分析。【结果】从陆地棉基因组共鉴定出150个KFB家族成员,进化分析表明这些基因可分为7个亚族。陆地棉KFB第Ⅱ亚族24个基因分布在14条染色体上,有9对直系同源基因;该亚族基因结构简单,半数基因只有1个外显子;qRT-PCR结果表明,该亚族基因具有较为广泛的组织表达模式,但在不同组织的表达存在差异。【结论】这些结果显示陆地棉KFB第Ⅱ亚族基因在进化过程中出现了功能分化。     

雷蒙德氏棉扩展蛋白基因家族的鉴定和特征分析

扩展蛋白具有松驰细胞壁和增加细胞壁柔韧性的功能。为了弄清该基因家族在雷蒙德氏棉中的特征,利用隐马尔科夫模型(HMM)在雷蒙德氏棉基因组中进行扩展蛋白家族基因成员的鉴定,获得了39个扩展蛋白基因家族成员,分布在12条染色体上。系统发育分析将其归入EXPA、EXPB、EXLA和EXLB共4个亚家族,分别含有26,4,3,6个基因。各亚家族中扩展蛋白基因具有相对多样化的基因结构;扩展蛋白基因家族在进化中经历了3次扩张;染色体片段重复是该基因家族扩张的主要方式;扩张后纯化选择占主导地位。比较棉纤维发育不同时期及叶片、花瓣的深度测序和基因芯片表达谱,发现大部分扩展蛋白基因参与了雷蒙德氏棉纤维、叶片和花瓣的生长发育,在不同的时空范围均表现出表达多样性。Gr EXLA1、Gr EXLA2和Gr EXPA16在花瓣中优势表达,Gr EXPA23和Gr EXPA24在叶片中表达水平较高,推测这些基因的表达分别参与了花瓣和叶片的发育进程;其余的基因,在纤维的不同发育阶段,表现出不同的表达丰度。研究结果有助于了解棉属扩展蛋白基因家族的特征及功能,为深入剖析棉纤维发育过程中的分子调控机理提供了基础。     

黄瓜CsRAX2的克隆与表达分析及原核表达蛋白诱导

作为最大的转录因子家族,MYB转录因子广泛参与植物的生长发育以及对胁迫的响应与耐受。CsRAX2是黄瓜MYB转录因子家族成员之一,本研究通过同源克隆法克隆了CsRAX2全长,分析了该转录因子基因的生物信息和表达特征,在原核表达系统中诱导并纯化该蛋白。结果表明,CsRAX2全长939 bp,编码321个氨基酸,定位在3号染色体。CsRAX2蛋白定位在细胞核,与其他物种MYB的进化关系很近,是一个典型的R2R3-MYB转录因子。CsRAX2表达具有组织特异性,且低温处理显著诱导采后黄瓜CsRAX2表达,表明其可能在采后黄瓜低温反应调控中发挥作用。启动子元件分析显示,该基因启动子中含有多个环境和激素响应元件,表明非生物胁迫可能通过激素信号调控CsRAX2表达。原核表达研究表明,培养温度影响原核表达蛋白的诱导效果,降低细菌培养温度能提高上清液中融合表达蛋白产量。本研究结果为进一步研究黄瓜CsRAX2基因的生物学功能及黄瓜耐冷性机理提供了帮助。     

普通烟草VQ家族基因的鉴定及表达

VQ家族是一类植物特有的家族,被报道参与生长发育、生物和非生物逆境胁迫响应等过程。本研究利用生物信息学和比较基因组学的方法,在烟草基因组中对VQ家族成员进行鉴定,并进行进化分析、共线性分析、复制分析以及表达模式等分析。本研究从烟草基因组中鉴定出57个VQ家族成员编码基因,其中33个普通烟草VQ基因被锚定到染色体上。系统发育分析发现,普通烟草和拟南芥的VQ家族成员被分成了9个亚家族。共线性分析表明,普通烟草NtVQ23与拟南芥中的AtVQ16形成共线性基因对。同时,对烟草基因组中的复制事件分析表明,全基因组重复事件在VQ家族成员的扩张中发挥着重要作用。此外,还对部分VQ家族成员的表达模式进行了分析,结果表明VQ基因的表达具有组织特异性,NtVQ9、NtVQ26等基因能够被青枯病接种和盐胁迫处理显著诱导。本研究对普通烟草VQ家族成员进行了鉴定与分析,为其后续研究VQ家族成员的功能提供了一定基础。     

斑马鱼G蛋白偶联受体编码基因(DrGPCR)的克隆与表达分析

为了探讨硬骨鱼的G蛋白偶联受体的结构和功能。通过RACE技术结合斑马鱼基因组序列分析,鉴定了一个G蛋白偶联受体的编码基因,命名为DrGPCR。该基因全长2251 bp,包括一个1170 bp的开放阅读框,编码389个氨基酸的蛋白。用SMART程序对其氨基酸序列进行分析发现,该蛋白包含有7个跨膜结构域,暗示其为膜蛋白。利用BLAST算法搜索非冗余蛋白数据库发现,DrGPCR蛋白与无脊椎动物GPCR家族的FMRFamide受体以及高等脊椎动物的GPCR139和GPCR142具有高度的氨基酸序列一致性,而且DrGPCR与人GPR139蛋白的三级结构模型具有高度的相似性。序列分析和结构特征都表明DrGPCR是GPCR蛋白家族的一个成员。用邻接法对DrGPCR与绿河豚不同亚族10个GCRP蛋白进行聚类分析发现,DrGPCR属于视紫质受体亚族。通过半定量RT-PCR技术对DrGPCR在斑马鱼各组织的表达进行分析,DrGPCR在脑和肝胰腺中有高水平表达,而在其他被检测的组织没有表达。因此,本研究报道了一个斑马鱼G蛋白偶联受体的编码基因,序列分析和组织表达的结果表明,DrGPCR可能在神经调节和免疫系统中发挥功能。     

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。