基于WGCNA的马铃薯根系抗旱相关共表达模块鉴定和核心基因发掘

权重基因共表达网络分析(Weighted Gene Co-expression Network Analysis, WGCNA)是系统生物学皀一种研究方法,在多样本转录组数据中挖掘与目标性状相兲皀基因模块有较广泛皀应用。为了深入探究马铃薯应对干旱胁迫皀分子机制,本研究以国际马铃薯中心引迚栻培种C16 (CIP 397077.16)和C119 (CIP 398098.119)为试验材料,将其无菌组培苗利用甘露醇模拟干旱胁迫,处理0 h、2 h、6 h、12 h和24 h,取其根系迚行转录组测序,每样设3个生物学重复,共30个样本。基于以上转录组数据,利用WGCNA构建与抗逆生理性状相兲联皀权重基因共表达网络,得到15个与根系抗旱密切相兲皀基因共表达模块,幵从4个与目标性状兲联度最高皀模块中収掘到数个核心基因,功能注释表明其中大部分参与干旱胁迫调控通路。这些结果为迚一步研究马铃薯根系抗旱皀分子遗传机制提供了线索。     

基于转录组及WGCNA的甘蔗干旱响应调控网络分析

干旱是制约甘蔗产业发展的重要因素之一。前人研究表明,斑茅具有良好的抗性基因,可以通过远缘杂交遗传给后代。本研究以斑茅与甘蔗杂交F1代无性系YCE96-40为材料,对苗期干旱处理0 h和24 h后的叶和根进行转录组测序分析,比较了根和叶在转录水平上响应干旱的差异,鉴定出21,885个(DR vs CR:10176, DL vs CL:7907)差异表达基因(DEGs),根中差异表达基因多于叶中,说明根对干旱胁迫响应更为剧烈。GO功能富集分析发现,根和叶中DEGs均富集到与脱水反应相关及激素信号转导过程相关的条目,比如“对渗透胁迫生物过程的响应”和“对缺水生物过程的反应”等。与叶不同的是,根中大量DEGs显著富集到与细胞膜相关的条目。在根中鉴定出多个木质素相关DEGs,表明木质素参与了根的干旱响应。通过对所有DEGs进行WGCNA分析,共鉴定出11个基因共表达模块,其中与干旱处理后的根显著相关有5个模块,与干旱处理后的叶显著相关的有2个模块。进一步筛选出了26个转录因子为甘蔗干旱响应的候选转录因子,构建了调控网络。研究结果为进一步理解甘蔗抗旱性的分子机制及甘蔗抗旱性育种提供了理论指导。     

利用WGCNA鉴定玉米株高和穗位高基因共表达模块

株高和穗位高是玉米株型的重要影响因子,与产量性状紧密相关。加权基因共表达网络分析(weightedgene co-expression network analysis, WGCNA)是探索基因网络与特定性状间关联关系的重要方法,为株高和穗位高相关基因的挖掘提供新途径。本研究利用郑58、掖478、昌7-2和黄早四及其组配的杂交种郑单958、安玉5号、郑58/黄早四和掖478/黄早四,结合其在45,000株hm^–2和67,500株hm^–2条件下的转录组数据,采用WGCNA构建了2种密度条件下的共表达网络,分别得到24个和21个共表达模块,并鉴定到与株高和穗位高显著且高度相关(相关系数的绝对值>0.50)的共表达模块15个,其中两性状相同的模块共6个。基因功能富集分析结果表明,株高和穗位高共表达模块主要参与生长发育、光合作用、响应光刺激、植物激素、碳水化合物合成/代谢等重要活动。根据模块内基因的连接度,发现乙烯响应因子EREB14、硫胺素酶TENA2、磷酸甘油酸激酶PGK、谷胱甘肽转移酶GST2和琥珀酸脱氢酶SUDH7等是模块内的核心基因。...     

利用WGCNA鉴定花生主茎生长基因共表达模块

以不同主茎高花生品种为材料,利用转录组测序技术分析茎秆转录组基因表达的异同,并结合加权基因共表达网络分析(WGCNA),深入挖掘与主茎生长相关基因,深入认识花生茎秆形态建成的分子机制。结果表明,矮秆型Df216与高秆型花育33号相比较共有5872个差异基因; Df216与中间型山花108相比较共有6662个差异基因,这些差异基因涉及细胞壁和次生细胞壁的生物起源及调控过程、苯丙烷生物合成及代谢过程、木质素生物合成过程、纤维素合酶活性等分子功能。WGCNA鉴定到5个与主茎高呈极显著相关的共表达模块。编码咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶、转录因子ATAF2、WAT1、GDSL脂肪酶等基因是模块内的核心基因。通过筛选权重值构建核心基因的局部网络发现, Grey60模块的核心基因ADRL3L与编码莽草酸香豆酯/奎酸酯3’-羟化酶、4-香豆酸辅酶A连接酶、羟基肉桂酰辅酶A莽草酸/奎尼酸羟基肉桂酰转移酶、以及快速碱化因子、锌指蛋白、类COBRA蛋白等基因有较高互作网络关系; Brown模块核心基因TZB0A2则与编码b-1,4-半乳糖基转移酶、果胶乙酰酯酶、类受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、富含亮氨酸重复序...     

GmMYB042基因对类黄酮生物合成的调控作用

MYB类转录因子是植物中最大的转录因子基因家族之一,广泛参与植物生长发育全过程,对植物次生代谢等具有重要的调控作用。本研究对大豆GmMYB042基因的表达特性和功能进行了系统的研究,针对该基因C端的保守氨基酸基序(PDLNLELTIS)和锌指结构进行了一系列的序列删除突变,并将各缺失突变体在烟草中进行了过表达,以验证目的基因及其特殊基序的功能。表达特性分析结果表明GmMYB042基因在大豆的根瘤、根、茎、叶、花、荚果皮和种子中均有表达,且在茎、种子和花中的表达量相对较高;GmMYB042基因在大豆中的表达受PEG、高盐、低温和UV-B辐射的诱导。过表达分析结果表明,GmMYB042基因的过表达使转基因烟草类黄酮代谢途径部分关键酶基因(如PAL、CHS和FLS)的表达量明显上升,转基因烟草总黄酮的含量明显高于对照;各缺失突变体的转基因烟草类黄酮代谢途径相应酶基因的表达量发生相应的变化,进一步证明目的基因对类黄酮生物合成的调控作用;各缺失突变体的转基因烟草的叶缘有明显的皱褶,说明目的基因可能还参与调控叶的形态建成。     

调控植物类黄酮生物合成的MYB转录因子研究进展

类黄酮是一类多酚类次生代谢产物,在植物中广泛存在,具有调节机体免疫力、抗氧化、抗衰老以及抵抗病毒等医疗保健功效。在类黄酮生物合成过程中,MYB转录因子扮演者重要角色,可以调控与类黄酮合成相关的酶基因的表达,从而有效地调控类黄酮物质的生物合成。目前已在很多植物中分离克隆得到了很多调控类黄酮生物合成的MYB转录因子,并对它们的结构功能及表达方式和作用模式进行了深入研究。利用转基因技术将从特定植物中分离得到的MYB转录因子用于植物遗传改良,可有效提高转基因植物中黄酮类物质的含量。因此,MYB转录因子的研究对从分子水平上研究和调节类黄酮的合成具有重要的意义;转录因子的应用是类黄酮生物合成基因工程中的一个新方向。     

谷子SiWRKY03基因的分子特征与表达分析

WRKY是参与植物生长发育与抗逆反应的一类转录因子。为了解谷子中SiWRKY03基因的功能,利用生物信息学软件分析了其生物学特征,采用Real-time PCR技术检测了SiWRKY03转录因子在谷子不同组织部位和抗谷锈病过程中的表达丰度变化。结果表明,SiWRKY03基因的开放阅读框全长为1 137 bp,编码378个氨基酸,预测分子质量为39.73 ku,理论等电点(pI)为5.91,含有1个WRKY保守结构域。该蛋白质二级结构的最大元件是无规则卷曲,最小元件为β-转角。进化分析表明,SiWRKY03与糜子(RLM93064.1)和哈氏黍(PAN29607.1)的氨基酸序列同源性最高,为99%。组织表达分析表明,该基因在谷子根、茎、叶和穗中均有表达,其中根中表达量最高,穗中表达量最低,与转录组数据一致。在谷子响应锈菌胁迫反应的120 h内,SiWRKY03基因在抗病反应的12,36 h上调表达,而感病反应过程中无显著性变化,推测SiWRKY03在谷子抗锈病反应中起正调控作用。上述试验结果为进一步研究SiWRKY03基因功能与抗病机制奠定理论基础。     

植物类黄酮次生代谢生物合成相关转录因子及其在基因工程中的应用

转录因子在类黄酮次生代谢生物合成中起着重要的作用,通过与结构基因的结合,转录因子可激活次生代谢合成途径中多个基因协同表达,从而有效启动次生代谢途径。转录因子可以激活不同植物中相似黄酮类次生代谢合成基因的表达,将从特定植物中分离出来的转录因子基因在不同植物中进行遗传转化,可以有效提高转基因植物中黄酮类物质的含量。因此,转录因子的应用是类黄酮次生代谢基因工程中的一个新方向,已显示出广泛的应用前景。本文主要介绍了类黄酮次生代谢途径相关的MYB和MYC两大类转录因子,以及利用这两类转录因子在类黄酮生物合成遗传改良中的研究进展。     

谷子bHLH转录因子家族基因鉴定及生物信息学分析

碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子家族是动植物及微生物中最大的转录家族之一,参与植物生长发育、代谢调控以及应答逆境胁迫.本研究对谷子进行全基因组搜寻,获得bHLH基因家族并研究其理化性质、系统发育、染色体分布、保守结构域以及表达模式.结果表明,从谷子转录组数据库中共鉴定出151个bHLH基因(命名为SibHLH1～...     

芥菜型油菜BjuB.KAN4基因调控类黄酮的途径

MYB类转录因子KAN4有调控植物原花青素合成的功能。为了探究芥菜型油菜中MYB转录因子KAN4对原花青素合成的调控机理,本研究以芥菜型油菜紫叶芥为实验材料,克隆了一个BjuB.KAN4基因,编码266个氨基酸,BjuB.KAN4蛋白包含一段高度保守的MYB-like DNA结合结构域,属于1R-MYB转录因子家族成员。基因表达分析表明, BjuB.KAN4在根中表达量显著高于叶和茎中, GUS组织化学染色分析试验推测,该基因可能在根茎叶的维管组织中表达。利用毛状根体系过表达BjuB.KAN4发现,类黄酮合成途径的部分关键酶基因Bju.CHS和Bju.DFR等的表达量在紫叶芥和四川黄籽的转基因根系中均显著增加,紫叶芥转基因根系中总黄酮含量为2.798 mg g^-1,是对照组的1.3倍,四川黄籽中总黄酮含量为2.567 mg g^-1,是对照组的1.2倍。在拟南芥中异源表达BjuB.KAN4发现,转基因植株总黄酮含量为0.237mgg^-1,是野生型的1.5倍,原花青素含量为0.363mgg^-1,较野生型...     

黄黑籽甘蓝型油菜类黄酮途径基因SNP位点检测分析

类黄酮物质在植物花、叶、果实和种子颜色变化的过程中起着至关重要的作用,本研究以不同黄黑籽种皮材料为研究对象,采用基因同源克隆方法,获得17个类黄酮基因全长ORF序列,在核酸和蛋白水平上分别序列差异比较表明,这些基因在不同黄黑籽材料中共存在41个不同拷贝成员。在核苷酸水平上,检测到BnTT3、BnTT18、BnTTG1和BnTTG2的单核苷酸位点数目介于16~52之间,且BnTTG2在3个不同的位置上还存在多个碱基的连续性缺失现象(119~121 bp,183~189 bp和325~330 bp),但在蛋白水平上仅存在2~16个氨基酸位点差异,说明BnTT3、BnTT18、BnTTG1和BnTTG2在不同甘蓝型黄黑籽材料中存在单核苷酸位点差异,而单核苷酸位点突变不一定导致氨基酸位点的变异。在不同黄黑籽材料中仅BnTT3和BnTT18存在一致性的氨基酸突变位点(252和87),推测BnTT3和BnTT18可能在黄黑籽甘蓝型油菜种皮颜色差异形成过程中发挥至关重要的作用。通过这些位点的等位特异PCR可以区分材料间透明种皮基因,为特异基因芯片的开发及阐明甘蓝型油菜种皮色泽性状的基因及其作用位点奠定基础。     

谷子TCP基因家族成员序列特征及表达模式分析

为深入解析谷子TCP基因家族的功能,通过生物信息学方法对谷子TCP转录因子家族基因成员序列特征、基因结构、染色体定位、系统进化关系及表达模式进行分析。结果表明:除第8染色体之外,从谷子基因组上其余8条染色体中共鉴定出26个TCP家族成员,并根据其在染色体的顺序和位置先后进行命名,其中分布在第3和第5染色体上的TCP家族成员数量最多,高达5个。不同家族成员其编码的氨基酸残基数目具有明显差异,范围为95 aa^451 aa。其中SiTCP21基因编码氨基酸残基数目最少为95个氨基酸;而SiTCP15最多为451个氨基酸残基。26个TCP家族成员的蛋白结构中均含有bHLH保守结构域。基因表达分析结果表明,31%的成员在穗中的表达量明显高于其他组织,因此推测该基因家族可能对谷子穗部生长发育的调控起关键作用。本研究对深入研究Si TCPs家族基因的功能奠定了基础,也为谷子生长发育的调控机制提供了新的思路。     

转录因子调控植物类胡萝卜素合成途径的研究进展

类胡萝卜素是一类天然脂溶性色素的总称,在所有光合作用生物体的采光、光保护、色素-蛋白质复合物的结构维持等方面起重要作用.在植物体内,经由甲基赤藓糖醇(methyl erythritolphosphate,MEP)的类胡萝卜素合成途径已大致阐明,该途径受到多种调控,其中转录因子的调控机理较为复杂,涉及到多个方面.重点综述...     

植物花青素合成与调控研究进展

为了进一步阐述花青素在植物体内的合成机制,了解影响花青素合成的各类因子及其互作方式,本文归纳了调控花青素合成的内部因子和外部因素,总结了光、温度、糖类和激素等调控花青素生物合成的环境因素.围绕花青素的合成通路,就通路中的结构基因及其上游转录因子相关研究进行了总结.研究得出在植物中,各类外部因素和内在因子,通过主要的转录...     

谷子转录因子基因SiNAC45在拟南芥中对低钾及ABA的响应

NAC(nascent polypeptide-associated complex)转录因子在植物生长发育和非生物胁迫响应等过程中发挥重要的调控作用,目前,关于NAC转录因子参与耐低钾胁迫的研究报道很少。本研究在前期工作对低钾胁迫的转录组测序基础上,对筛选出的一个低钾胁迫下表达量上调的NAC类转录因子基因SiNAC45进行了深入研究。结果表明,SiNAC45基因全长1383 bp,编码461个氨基酸,分子量为50.7 k D,等电点为6.92。SiNAC45在20~100个氨基酸之间有一段NAM保守结构域。系统进化树结果显示,SiNAC45位于NAC基因家族的第1亚族。基因表达谱分析显示,SiNAC45主要在谷子根部表达,并且能够被低钾和ABA诱导表达。亚细胞定位结果显示SiNAC45定位于细胞核。基因功能分析结果显示,在不同浓度低钾处理下,和野生型拟南芥相比,SiNAC45转基因拟南芥的根长和植株鲜重显著增加,说明过表达SiNAC45可以提高转基因植物对低钾胁迫的抗性。下游基因表达分析结果显示,在SiNAC45转基因植物中两种重要的钾离子转运体基因AKT1和HAK1的表达显著提高,证明SiNAC45通过调控植物钾离子转运体基因的表达影响植物对低钾胁迫的耐性。种子萌发试验结果显示,SiNAC45转基因拟南芥与野生型拟南芥相比对ABA的敏感性降低,说明SiNAC45可能负调ABA信号。     

小麦转录因子基因TaPHR1参与调控每穗小穗数

利用水分高效基因资源创制新型小麦品种是应对气候变化和人口高速增长的有效途径。MYB(v-mybavian myeloblastosisviral oncogene homolog)是植物中最大的转录因子家族之一,参与调控植物生长发育,生物和非生物胁迫。本研究在TaPHR1-4A和TaPHR1-4B中分别鉴定出19个和15个SNP,基于这些多态性位点开发了分子标记。关联分析表明,Hap-4B-I是小穗数多的优异单倍型。通过创制两个回交导入系群体,进一步证实Hap-4B-I有利于改善小麦穗部性状。TaPHR1的转录表达分析发现Hap-4B-I单倍型幼穗中TaPHR1的表达水平均高于Hap-4B-II单倍型。此外,TaPHR1在水稻中的异源表达导致穗分支变多,也证实TaPHR1参与调控每穗小穗数。小麦育成品种的时空分布分析发现尽管Hap-4B-II在我国现代育成品种中占比最多,但随小麦育种时间的推进,Hap-4B-I的占比在逐渐增多。总之,TaPHR1是小麦每穗小穗数的正调节因子。因此,本研究开发的分子标记可作为小麦标记辅助选择和遗传改良的重要来源。     

作物耐热生理基础与基因发掘研究进展

热胁迫是农作物生产中的环境限制因子,影响作物生长发育并导致农作物减产与降低农产品品质。作物耐热性生理生化、基因发掘与分子机制研究将为农业生产与耐热新品种培育奠定基础。综述了热胁迫逆境对作物营养生长阶段和生殖生长阶段的影响,重点阐述了开花期与子粒灌浆期等作物产量形成关键时期受热害时作物的生理与发育,介绍了作物主要的4种热响应方式,即膜流动性改变、蛋白质解折叠、细胞骨架解聚和代谢物变化,总结了Hsf热激转录因子的调控与耐热分子机制,并展望了应用生物技术创制作物耐热新种质与遗传改良的可行性。本文为作物耐热性生理基础、基因发掘、分子机制与育种途径等研究提供参考。     

用全基因组关联作图和共表达网络分析鉴定油菜种子硫苷含量的候选基因

油菜籽饼粕是畜禽养殖中重要的蛋白原料, 但饼粕中的硫苷是一种抗营养物质, 食用过多会对禽畜产生毒害, 因此挖掘油菜籽粒硫苷含量的候选基因对油菜种子低硫苷育种具有重要现实意义。本研究连续4年种植1个含157份材料的油菜自然群体, 结合重测序数据对种子硫苷含量进行全基因组关联分析(GWAS), 并对15份低硫苷和15份高硫苷材料进行种子发育早期的转录组测序, 通过权重基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定种子硫苷含量的候选基因。用GWAS共检测到45个与种子硫苷含量显著相关的SNP, 单个位点解释的表型变异为13.5%~23.3%, 主要分布在A09、C02和C09染色体的3个区间中, 覆盖5个已知的硫苷代谢基因。用WGCNA分析发现高、低硫苷材料之间的2275个差异表达基因, 可分为12个基因模块, 其中1个模块的基因显著富集在已知的硫苷生物合成途径, 对该模块内163个基因的权重分析得到13个候选基因。经检测, GWAS和WGCNA共得到的18个候选基因中, 有14个候选基因的表达量与种子硫苷含量显著相关(r = 0.376~0.638, P<0.05)。用两种方法鉴定到1个共同的候选基因BnaC02g41790D (基因名MAM1), 与该基因连锁的5个SNP构成5种单体型, 等位基因效应分析发现, 自然群体中63%的材料(99/157)为Hap 5, 平均硫苷含量为50.79 μmol g^-1, 与另外4种单体型(95.04~110.28 μmol g^-1)存在极显著差异(P<0.01)。本研究结合GWAS和WGCNA两种方法鉴定了油菜种子硫苷含量的候选基因, 可为复杂性状候选基因的筛选提供参考。