玉米CesA家族的系统鉴定及功能研究

【目的】系统鉴定玉米纤维素合成酶(CesA)家族成员,明确其进化关系及基因功能。【方法】采用系统生物学方法,在全基因组水平上对玉米CesA家族成员进行鉴定,进一步结合基因结构变化对CesA家族成员的进化关系进行系统阐述;通过RNA测序和核糖体图谱,系统分析玉米CesA家族成员响应干旱胁迫的表达模式,并从基因复制角度分析该家族基因的扩增方式,同时基于构建的转录调控网络,对玉米CesA基因的功能进行初步探索。【结果】鉴定出16个玉米CesA家族成员,分为7个子家族,其中有3个是新发现的成员;CesA家族成员在玉米发育过程中对干旱胁迫的响应有明显的组织特异性和发育时期特异性,干旱胁迫对玉米种子发育过程的影响较对植株生长过程的影响大;CesA家族成员在合成纤维素过程中相互协同作用,成员间存在功能冗余。【结论】系统鉴定出了16个玉米CesA家族成员,进一步明确了其彼此之间的功能协作及其在种子发育和植株生长过程中对干旱胁迫的响应程度。     

玉米CesA家族的系统鉴定及功能研究

【目的】系统鉴定玉米纤维素合成酶（CesA）家族成员,明确其进化关系及基因功能。【方法】采用系统生物学方法,在全基因组水平上对玉米CesA家族成员进行鉴定,进一步结合基因结构变化对CesA家族成员的进化关系进行系统阐述;通过RNA测序和核糖体图谱,系统分析玉米CesA家族成员响应干旱胁迫的表达模式,并从基因复制角度分析该家族基因的扩增方式,同时基于构建的转录调控网络,对玉米CesA基因的功能进行初步探索。【结果】鉴定出16个玉米CesA家族成员,分为7个子家族,其中有3个是新发现的成员;CesA家族成员在玉米发育过程中对干旱胁迫的响应有明显的组织特异性和发育时期特异性,干旱胁迫对玉米种子发育过程的影响较对植株生长过程的影响大;CesA家族成员在合成纤维素过程中相互协同作用,成员间存在功能冗余。【结论】系统鉴定出了16个玉米CesA家族成员,进一步明确了其彼此之间的功能协作及其在种子发育和植株生长过程中对干旱胁迫的响应程度。     

栀子AP2基因家族成员鉴定及其在盐胁迫下的表达模式

栀子耐干旱、耐瘠薄,适应性强。AP2/ERF(APETALA2/乙烯反应元件结合因子)基因家族成员在调控植物胁迫中起着关键作用,分析AP2转录因子家族成员对探究栀子耐盐机制具有重要意义。基于全基因组数据,鉴定栀子AP2基因家族成员并进行理化性质和系统发育分析,明确栀子在不同浓度盐胁迫下的表达模式。结果表明：在栀子中鉴定出113个AP2基因家族成员,所编码蛋白平均分子质量为26 323.08 u,等电点为4.51～10.2,脂肪指数为30.47～71.02,蛋白不稳定且亲水;蛋白二级结构以无规则卷曲(54.82%)为主,大部分定位在细胞核中,AP2和DREB亚家族成员定位在细胞质中的概率较大;AP2基因家族成员分属AP2(11个)、DREB(38个)、RAV(1个)和ERF(63个)亚家族;AP2基因家族成员进化的主要动力是纯化选择;大部分AP2基因家族成员的基因复制类型属于分散复制或片段重复;AP2基因家族成员启动区域中含有较多G-box、ABRE和CAT-box顺式作用元件;ERF亚家族成员Ⅹ类基因GjERF19、GjERF21和GjERF46积极响应盐胁迫,这3个基因将为栀子盐胁迫...     

玉米咖啡酸O-甲基转移酶的全基因组鉴定与功能分析

【目的】咖啡酸O-甲基转移酶（Caffeic acid O-methyltransferase,COMT）是褪黑素生物合成中的关键酶,在植物的生长、发育和抵御胁迫中发挥着重要的作用。本研究旨在探究COMT在玉米全基因组中的分布与盐胁迫响应情况,鉴定玉米咖啡酸O-甲基转移酶（COMT）基因。【方法】通过分析玉米COMT基因家族成员的结构特征、系统发育关系、基因结构、表达模式等,对ZmCOMTs基因进行系统分析,并通过过表达ZmCOMT12拟南芥对ZmCOMT的功能进行初步验证。【结果】在玉米全基因组中共鉴定出了28个COMT基因,根据系统发育分析分为2个分支（分支Ⅰ～Ⅱ）,大部分的COMT成员具有相似的motif组成和基因结构特征。利用玉米数据库分析ZmCOMTs的表达模式发现部分基因存在组织特异性,实时荧光定量PCR发现ZmCOMTs被盐胁迫诱导表达,说明ZmCOMTs成员参与了盐胁迫的调控,过表达ZmCOMT12拟南芥提高了褪黑素的含量和耐盐性。【结论】通过序列比对、亲缘关系、蛋白结构分析得到了假定的褪黑素合成基因ZmCOMT12,过表达拟南芥发现该基因与褪黑素的合成和耐盐性相关。     

西瓜OSCA基因家族全基因组鉴定及胁迫响应分析

【目的】对西瓜OSCA基因家族进行成员鉴定、系统发育分析以及胁迫响应分析,为揭示西瓜OSCA基因生物学功能和抗逆分子机制提供参考依据。【方法】运用生物信息学的方法从西瓜全基因组数据库中鉴定出西瓜OSCA基因家族成员,根据染色体定位信息进行命名。对基因家族成员染色体位置、基因结构、共线性、启动子、蛋白结构和系统发育等进行全面分析。利用转录组数据和qRT-PCR分析西瓜OSCA基因在胁迫条件下的表达情况。【结果】西瓜OSCA基因家族有10个成员,不均等地分布在6条染色体上。西瓜OSCA蛋白分子量变化范围为24.59~91.97kD,氨基酸数量为214~809aa,多数定位于质膜上。共线性分析结果表明,西瓜OSCA基因在进化过程中发生了片段复制事件。西瓜OSCA基因家族分为三大类群,同一类群成员的外显子一内含子的组成模式、蛋白保守基序排列、蛋白二级结构数量比例和蛋白三级结构模型均相似。西瓜、水稻、番茄和拟南芥的OSCA基因被分为6个亚族,每个亚族均有西瓜OSCA基因分布。西瓜OSCA基因启动子区域含有厌氧诱导、冷胁迫应答、光反应和干旱胁迫应答等多种非生物胁迫响应元件。在干旱、低温和盐胁迫下,西瓜OSCA基因家族各成员表达量均有不同程度变化,其中ClaOSCA3和ClaOSCA5在3种不同胁迫条件下表达量均有显著差异（P<0.05）。【结论】西瓜OSCA基因在进化过程中具有一定保守性,与拟南芥、水稻和番茄OSCA基因存在较近亲缘关系。西瓜OSCA基因家族内部存在功能分化,ClaOSCA3和ClaOSCA5可能是胁迫响应机制中的重要抗逆基因。     

小麦K2型脱水蛋白DHN14响应非生物胁迫的功能分析

【目的】研究脱水蛋白DHN14的功能及其在植物响应非生物胁迫中的潜在作用。【方法】从小麦品种"郑引1号"克隆获得脱水蛋白基因DHN14,对其进行生物信息学分析,利用实时定量PCR分析该基因在逆境胁迫下的表达水平,构建脱水蛋白DHN14基因的原核表达载体(重组菌pET28a-DHN14),经IPTG诱导表达后,在非生物胁迫下,研究该蛋白对大肠杆菌及乳酸脱氢酶(LDH)的保护作用。【结果】克隆获得脱水蛋白基因DHN14的CDS为339 bp,编码112个氨基酸,该蛋白含有2个保守的K片段,属于高亲水性无序蛋白,其分子质量为24 ku,等电点(pI)约为6.28;多序列比对分析表明,DHN14蛋白与WCOR726(Triticum aestivum)脱水蛋白的亲缘关系最近;实时定量RT-PCR结果表明,脱水蛋白基因DHN14受干旱、低温和ABA诱导表达;在20 mmol/L金属离子(Co~(2+)、Ni~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+))胁迫下,表达DHN14重组蛋白的大肠杆菌的活力明显高于对照,表明该蛋白在大肠杆菌中对金属离子胁迫具有保护作用;用1.0 mmol/L过氧化氢进行胁迫处理,重组菌DHN14存活率显著增高,说明脱水蛋白DHN14能够提高大肠杆菌对过氧化氢胁迫的耐受性;在低温和脱水胁迫下,DHN14脱水蛋白对乳酸脱氢酶的活性具有保护作用。【结论】小麦脱水蛋白DHN14能够响应非生物胁迫,提高对低温、干旱、金属离子、过氧化氢的耐受性。     

珍珠粟WOX家族全基因组鉴定及表达

WOX转录因子作为植物特异性转录因子,在植物生长发育及非生物胁迫响应过程中发挥了重要作用,探究珍珠粟WOX家族基因的详细特征及功能有助于进一步解析其在珍珠粟生长发育各个环节中的调控过程.本研究在珍珠粟基因组中共鉴定得到15个WOX家族基因成员.利用生物信息学方法对蛋白理化性质、亚细胞定位分析表明,珍珠粟WOX家族蛋白成员大部分为不稳定酸性亲水蛋白,大多定位在细胞核中.对基因上游启动子区域分析表明,在WOX家族基因启动子区域存在大量与光响应、植物激素响应、抗逆性、生长发育相关的顺式作用元件.保守基序分析发现了2个构成WOX家族基因成员特有结构域的基序.为探究珍珠粟与其他物种的进化关系,构建珍珠粟、拟南芥、水稻、紫象草物种间系统发育进化树并将其分为古代支、中间支、现代支,同一分支下基因成员基序的个数、次序具有相似性.实时荧光定量PCR检测表明,珍珠粟WOX家族基因成员的表达模式具有明显的组织特异性.本研究为深入探讨珍珠粟WOX家族基因的功能提供了有价值的信息.     

玉米钙依赖蛋白激酶全基因组鉴定及抗旱表达分析

【目的】分析研究玉米钙依赖蛋白激酶全基因组鉴定及抗旱表达。【方法】使用NCBI Blast、DNAMAN和MotifScan等程序分析玉米钙依赖蛋白激酶CDPK的蛋白结构域和系统发育。采用Real-time RT-PCR方法分析CDPK基因在干旱胁迫处理玉米幼苗中的表达,评价CDPK基因对玉米干旱胁迫反应能力。【结果】鉴定出了在玉米中含有39个CDPK基因。将CDPK基因分为4个组。每个群体中的成员有共同的蛋白质基序和外显子及内含子结构,共同的进化起源。39个玉米CDPK基因根据它们的系统发育关系分组,并锚定在特定的玉米染色体上。多数CDPK基因在玉米干旱胁迫中的表达水平发生改变,CDPK基因参与对干旱胁迫的响应。【结论】从玉米基因组数据库中鉴定出了39个CDPK基因,大多数玉米CDPK基因在不同组织和不同发育阶段表现出不同的表达水平,CDPK基因在玉米发育中发挥不同的作用。多数CDPK基因在干旱胁迫下的表达量均发生变化。     

玉米DREB转录因子家族的全基因组鉴定与分析

借助生物信息学手段,从玉米DREB家族基因的鉴定、基因结构、顺式作用元件等多角度进行解析,以期了解其在抗逆途径中的潜在功能。结果表明：玉米中共有87个DREB家族成员,分为6个亚组,理化性质分析结果表明其编码的氨基酸序列长度为125～452个氨基酸,均编码亲水性蛋白;在玉米10条染色体上均有分布,在4号、5号染色体长臂处较为集中;仅有少数基因含有内含子,大多数成员只以CDS的形式存在且在各亚组之间保守;启动子区域除含有MBS等响应干旱胁迫的元件外,还含有响应赤霉素、ABA、MeJA等相关调控途径的元件;物种共线性分析结果表明,高粱与玉米DREB家族成员之间存在共线性特征,且部分基因呈现倍性关系;基于转录组数据的表达模式分析显示,在干旱、盐、干旱和盐双重胁迫处理下,仅有几个基因的表达水平显著升高,多数DREB家族基因以下调的表达方式参与胁迫响应。     

小麦HP基因家族鉴定和分析

组氨酸磷酸转运蛋白HP(histidine phosphotransfer proteins)在植物的生长发育调控及逆境胁迫应答中发挥重要作用。为理解HP基因在小麦基因组中的进化特征和功能,研究通过生物信息学分析鉴定普通小麦的HP基因家族成员,对其理化性质、进化特征、基因结构、顺式作用元件以及在逆境胁迫条件下的表达模式进行了分析。结果表明,在小麦基因组鉴定到31个HP基因,编码蛋白质序列包括116～200个氨基酸。通过和其他植物的HP蛋白比较以及对蛋白结构、基因结构和基序的分析,显示小麦HP家族基因序列具有保守性。顺式作用元件预测表明,HP基因具有光、植物激素、干旱、低温等非生物胁迫响应相关的启动子调控元件。热图分析表明,HP基因在应答非生物胁迫中表达模式存在多样性;qRT-PCR分析表明,TaHP5-6B基因在低磷胁迫下受到强烈的诱导表达。综上所述,小麦全基因组鉴定的HP家族基因是非生物胁迫响应的重要基因资源。     

梨树CDPK基因家族进化和表达分析

钙依赖蛋白激酶(CDPK或CPK)在植物生长和发育、逆境信号刺激及其对病原物的防御反应过程中发挥着非常重要的作用。本研究利用梨树全基因组数据,采用生物信息学的方法,在全基因组水平上对梨树CDPK基因家族进行系谱进化关系、基因结构、共线性关系及表达情况等分析。结果表明,梨树基因组中共存在31个CDPK基因,命名为PbCDPK1~PbCDPK31。系谱分析结果表明,这些CDPK基因归属于4个亚家族。共线性分析检测到12对CDKP基因间存在显著的共线性关系,其中10对由最近一次发生的全基因组复制事件形成。非同义/同义置换率的比率(dN/dS)说明CDPK基因在功能上进化得非常保守。荧光定量PCR结果发现,5个梨树CDPK基因对干旱逆境有响应。试验结果可为进一步开展梨树CDPK基因家族的功能鉴定和分子进化机制的研究提供参考。     

谷子 SWI3基因鉴定及其在盐和干旱胁迫下的表达分析

SWI/SNF染色质重塑因子在植物的生长发育及逆境应答过程中起重要作用。本研究首先通过序列比对,从谷子基因组中鉴定出6个候选SiSWI3基因,分别命名为SiSWI3A、SiSWI3B、SiSWI3C1、SiSWI3C2、SiSWI3D1和SiSWI3D2。然后对上述基因的结构、编码蛋白、启动子元件、亚细胞定位等进行生物信息学分析和预测,结果表明：SiSWI3蛋白都含有SANT Motif,且亚细胞定位预测显示SiSWI3成员主要被定位在细胞核中;SiSWI3基因启动子区域含有大量与光响应、激素类应答、逆境应答、代谢调控等相关的顺式作用元件。最后采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）检测这些基因在谷子苗期盐胁迫和干旱胁迫下的表达量变化,检测结果表明：SiSWI3基因受盐和干旱不同程度的诱导,说明SiSWI3基因参与谷子苗期盐胁迫和干旱胁迫应答。本研究所得结论为进一步探究SiSWI3染色质重塑因子在抗逆作物谷子的逆境响应中的功能和机制奠定了基础。     

Genome-wide identification and transcriptome profiling reveal great expansion of SWEET gene family and their wide-spread responses to abiotic stress in wheat(Triticum aestivum L.)

The Sugars Will Eventually be Exported Transporter(SWEET) gene family, identified as sugar transporters, has been demonstrated to play key roles in phloem loading, grain filling, pollen nutrition, and plant-pathogen interactions. To date, the study of SWEET genes in response to abiotic stress is very limited. In this study, we performed a genome-wide identification of the SWEET gene family in wheat and examined their expression profiles under mutiple abiotic stresses. We identified a total of 105 wheat SWEET genes, and phylogenic analysis revealed that they fall into five clades, with clade V specific to wheat and its closely related species. Of the 105 wheat SWEET genes, 59% exhibited significant expression changes after stress treatments, including drought, heat, heat combined with drought, and salt stresses, and more up-regulated genes were found in response to drought and salt stresses. Further hierarchical clustering analysis revealed that SWEET genes exhibited differential expression patterns in response to different stress treatments or in different wheat cultivars. Moreover, different phylogenetic clades also showed distinct response to abiotic stress treatments. Finally, we found that homoeologous SWEET genes from different wheat subgenomes exhibited differential expression patterns in response to different abiotic stress treatments. The genome-wide analysis revealed the great expansion of SWEET gene family in wheat and their wide participation in abiotic stress response. The expression partitioning of SWEET homoeologs under abiotic stress conditions may confer greater flexibility for hexaploid wheat to adapt to ever changing environments.     

Genome-wide identification and expression analysis of StPP2C gene family in response to multiple stresses in potato(Solanum tuberosum L.)

The plant protein phosphatase 2Cs(PP2Cs) play an essential role in response to stress and abscisic acid(ABA) signaling pathway. However, to date, no systemic characterization of the PP2Cs has yet been conducted in potato(Solanum tuberosum L.). In the study, a comprehensive research was performed on genome-wide identification and expression analysis of StPP2C genes in potato. A total of 78 potato StPP2C genes were identified based on specific structure of PP2C domain, which were distributed across 11 out of 12 potato chromosomes and divided into 12(A–L) phylogenetic branches. The result from gene duplication analysis showed that 14 StPP2Cs were involved in gene tandem duplication and 8 genes formed fragment duplication events, which indicated that both tandem and fragment duplication contributed to the expansion of the gene family in evolution. Exon–intron structural analysis showed that they had a wide range of exon numbers. Analysis of protein conservative motif demonstrated that StPP2Cs contained more similar motif structures in the same phylogenetic branches. The cis-elements in StPP2C gene promoter regions were mainly responded to light, phytohormone and abiotic stress. Most of them exhibited tissue-specific expression patterns, and some members could differentially express under abiotic stress. The evidence suggested that StPP2C genes may contribute to different functions in several physiological stress and environmental stress conditions. This study could provide new insights to further investigate StPP2C functional characteristics responding to various stresses in potato.     

大豆LIM转录因子家族鉴定及盐胁迫响应分析

为探究大豆LIM转录因子家族基因在应答盐胁迫中的功能,利用生物信息学方法,根据大豆全基因组数据,共鉴定出21个LIM基因,命名为GmLIM01～GmLIM21,分析大豆LIM基因家族的染色体位置、蛋白质的理化性质、进化关系、保守基序以及对非生物逆境胁迫的响应。结果表明,这些GmLIM基因在大豆20条染色体中的14条染色体上分布不均,片段重复是大豆LIM家族扩大的主要原因。根据系统发育进化分析,大豆21个LIM基因可分为5个亚家族,与其他9个物种的LIM基因一起构建进化树,也可分为5个亚家族。大豆的21个GmLIM基因共包含10个基序,大部分LIM蛋白含有motif 1、motif 2和motif 4这3个保守基序。此外,顺式调控元件的分析表明,在GmLIM基因的启动子序列中,与光响应、生长发育、植物激素和非生物逆境胁迫应答相关的调控元件非常丰富。定量PCR结果表明,在盐胁迫处理后大豆叶和根中GmLIM07、GmLIM17基因的表达量分别在3和6 h达到峰值,后随着处理时间的加长表达量下降。综上GmLIM基因在大豆的盐胁迫应答过程中具有重要的调控作用。     

玉米BBX基因家族鉴定及表达分析

BBX(B-box)是一类光温响应转录因子家族参与植物光形态建成及逆境响应。为揭示ZmBBX家族基因功能,采用生物信息学方法在玉米基因组水平对该基因家族进行鉴定,并对其基本理化性质、基因结构、系统进化关系、启动子顺式作用元件和基因表达谱进行分析。ZmBBX基因家族共有34个成员,划分为5个亚族,编码蛋白氨基酸介于142～498 aa,预测大多数成员定位于细胞核内。ZmBBX基因启动子存在大量的光响应元件、胁迫响应元件、激素应答元件和生长发育相关的顺式作用元件。全生育期组织表达谱发现, ZmBBX7、 ZmBBX27和 ZmBBX28在玉米的全生育期均高表达, ZmBBX3、 ZmBBX5、 ZmBBX14、 ZmBBX15、 ZmBBX19和 ZmBBX20在玉米叶片中表达量较高, ZmBBX6、 ZmBBX11、 ZmBBX18和 ZmBBX32在玉米叶片和种子形成前期等时期表达量较高。同时,对实验室盐处理转录数据分析发现, ZmBBX1、 ZmBBX3、 ZmBBX9、 ZmBBX12、 ZmBBX13、 ZmBBX21、 ZmBBX25、 ZmBBX29和 ZmBBX33 9个基...     

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。