Whole-genome identification and expression analysis of K~+ efflux antiporter(KEA) and Na~+/H~+ antiporter(NHX) families under abiotic stress in soybean

Sodium toxicity and potassium insufficient are important factors affecting the growth and development of soybean in saline soil. As the capacity of plants to maintain a high cytosolic, K+/Na+ ratio is the key determinant of tolerance under salt stress. The aims of the present study were to identify and analyse expression patterns of the soybean K+ efflux antiporter(KEA) gene and Na+/H+ antiporter(NHX) gene family, and to explore their roles under abiotic stress. As a result, 12 soybean Gm KEAs genes and 10 soybean Gm NHXs genes were identified and analyzed from soybean genome. Interestingly, the novel soybean KEA gene Glyma16g32821 which encodes 11 transmembrane domains were extremely up-regulated and remained high level until 48 h in root after the excessive potassium treatment and lack of potassium treatment, respectively. The novel soybean NHX gene Glyma09g02130 which encodes 10 transmembrane domains were extremely up-regulated and remained high level until 48 h in root with Na Cl stress. Imaging of subcellular locations of the two new Glyma16g32821-GFP and Glyma09g02130-GFP fusion proteins indicated all plasma membrane localizations of the two novel soybean genes. The 3D structures indicated that the two soybean novel proteins Glyma09g02130(NHX) and Glyma16g32821(KEA) all belong to the cation/hydrogen antiporter family.     

大豆转录因子GmDof1.5的克隆与非生物胁迫诱导表达

Dof转录因子在植物的生长发育和非生物胁迫响应中起重要的调控作用。利用RT-PCR技术从大豆中克隆了一个功能未知的Dof转录因子基因GmDof1.5,该基因位于大豆基因组15号染色体上,ORF全长540 bp,编码含有179个氨基酸的蛋白质,相对分子质量为20.15 ku,等电点为9.82。蛋白序列预测发现,GmDof1.5蛋白含有一个典型Zf-Dof结合域,且含有大量磷酸化位点。蛋白系统进化分析表明,大豆GmDof1.5与豆科植物鸡血藤SsDof4的亲缘关系最近。实时荧光定量PCR结果显示,ABA、干旱、高盐、高温和低温胁迫均可不同程度地诱导GmDof1.5的表达,且GmDof1.5对高温胁迫的响应最为显著。     

大豆GmANKTM家族非生物胁迫生物信息学分析

ANKTM(Ankyrin repeats transmembrane)蛋白属锚蛋白超家族,包含ANK基序和跨膜结构域,在非生物胁迫、生物胁迫、诱发衰老中起重要作用。为了解大豆ANKTM (Ankyrin repeats transmembrane)家族成员及其胁迫响应规律,利用生物信息学和q-PCR方法研究大豆ANKTM家族成员。结果表明,从大豆中鉴定出62个ANKTM家族基因,分为5个亚家族。该家族编码蛋白含346～1 039个氨基酸,分子质量为37.88～114.83 ku,等电点(pI)为4.46～9.61。分析蛋白结构域发现,GmANKTM家族含ANK基序和跨膜结构域,58个基因含PGG结构域,此外还含ACBP、SBP、DHHC、G-PCR等其他结构域。除ANK基序、跨膜结构域和PGG结构域外其他结构域主要集中在第5亚家族。其余亚家族结构域分布位置和数量相近。启动子区域顺式元件分析发现,GmANKTM家族基因含光响应元件、激素响应相关元件和逆境响应相关元件。组织分析发现GmANKTM家族第5亚家族组织表达量高于其他亚家族。利用大豆转录组数据库分析发现,GmANKTM家族基因受盐胁迫和干旱胁迫强烈诱导。     

水稻免疫亲和素基因家族的克隆及对非生物逆境胁迫的响应分析

为探究在非生物逆境胁迫条件下免疫亲和素（immunophilins）基因家族在水稻（Oryza sativa L. japonica Nipponbare）中的功能,利用生物信息学技术鉴定水稻中免疫亲和素基因家族成员,并进行克隆及组织特异性、非生物逆境胁迫下的表达分析。结果表明,水稻基因组中存在30个OsFKBPs及29个OsCYPs免疫亲和素家族基因。30个OsFKBPs主要聚类为3个大的亚群,29个OsCYPs主要聚类为4个大的亚群。通过PCR扩增得到完整的OsFKBPs与OsCYPs基因编码序列,且序列信息与预测一致。OsFKBPs与OsCYPs基因在水稻的各个组织、各个发育时期均有不同程度的表达。OsFKBP19在各组织各发育时间表达量较为一致;OsCYP29在叶鞘中表达量最高而OsCYP57在根中表达量最高。定量PCR结果显示,在高光强胁迫处理4 h后水稻叶片中OsCYP37基因被诱导持续上升表达,而在渗透胁迫及盐胁迫处理中无显著变化;高光强及渗透胁迫处理4 h后水稻叶片中OsFKBP19持续上升表达,而在盐胁迫处理中波动上升表达。 综上,OsFKBPs及OsCYPs参与水稻的高光强、渗透胁迫及盐胁迫应答过程。     

甜瓜CmCIPK家族全基因组鉴定和逆境条件下的表达分析

为探究甜瓜CIPK(CBL-interacting protein kinase)基因家族成员的生物学功能,以拟南芥中26个CIPKs的氨基酸序列为参照,用BLASTP方法鉴定了18个甜瓜CIPK家族成员,并对其理化性质、染色体分布、系统进化、基因结构、蛋白保守基序、顺式元件,以及基因的表达模式进行了分析。结果显示,CIPK基因家族成员的基因长度为1 499~8 499 bp,它们不均匀地分布在甜瓜的9条染色体上;根据进化关系可将其分为5个亚家族,分别包含了26、10、25、26和8个成员,并且其中有4个CmCIPK基因对发生了片段复制。基因结构分析表明,10个基因为内含子缺失型,8个基因为内含子富集型。蛋白保守基序分析发现,CmCIPK家族保守性较好,所有成员均含有CIPK家族的典型特征:N端激酶域中的激活环和C端调节域中的NAF/FISL结构域。在基因上游的2 000 bp序列中存在多个与植物激素和逆境相关的顺式元件,显示可能有多种转录调控。转录组分析发现,CmCIPKs的组织表达量整体表现为叶>根>雄花>雌花>果。选择CmCIPK1-like和CmCIPK12-like基因验证其组织表达模式,显示分别在叶和雄花中的表达量最高。对其进行不同逆境处理,结果表明,这2个CmCIPK基因受NaCl和脱落酸(ABA)诱导表达;在干旱处理中,这2个基因经历短时间的上调或下调后恢复至最初表达水平。以上结果说明,CmCIPK1-like和CmCIPK12-like基因可能在ABA和非生物胁迫中发挥着重要作用,可为以后CmCIPK的功能研究提供参考。     

Genome-wide identification and characterization of the JAZ gene family and its expression patterns under various abiotic stresses in Sorghum bicolor

The jasmonate ZIM domain (JAZ) protein belongs to the TIFY ((TIF[F/Y]XG) domain protein) family,which is composed of several plant-speci?c proteins that play important roles in plant growth,development,and defense responses.However,the mechanism of the sorghum JAZ family in response to abiotic stress remains unclear.In the present study,a total of 17 JAZ genes were identi?ed in sorghum using a Hidden Markov Model search.In addition,real-time quanti?cation polymerase chain reaction (RT-qPCR) was ...     

小麦TaSPX129基因的分子特征及其在非生物逆境下的表达模式

在前期构建的富集丰磷逆境特异表达小麦根系cDNA差减文库中,鉴定了1个SPX家族基因成员TaSPX129(GenBank登录号:EF522137)。TaSPX129的开放阅读框为1 320bp,编码一条由439个氨基酸残基组成的蛋白质多肽链,该预测蛋白中含有植物保守的SPX基序。系统进化分析表明,TaSPX129与大麦和二穗短柄草的SPX基因具有较高同源性,推测上述基因可能具有相似的进化途径。对TaSPX129与其他植物种属中的同源蛋白进行聚类分析,该小麦SPX成员属于SPX-MFS亚家族。与丰磷对照相比,低磷处理后小麦根系中TaSPX129的表达水平下降。此外,TaSPX129对低氮和高盐逆境也明显应答,表现为根系中该基因的表达水平明显下降。本研究表明,TaSPX129在转录水平上对低磷等逆境产生应答,为探索该基因介导植株抵御非生物胁迫的机制打下基础。     

大豆GmNHX1基因克隆及其在酵母中的耐盐性分析

Na~+/H~+逆向转运蛋白基因在植物响应盐胁迫中具有重要作用。本研究从耐盐大豆品种‘冀豆7号'克隆Na+/H+逆向转运蛋白基因GmNHX1,并利用酵母突变体对该基因的功能进行了初步研究。结果发现,GmNHX1包含1 641 bp的开放阅读框,编码546个氨基酸,有典型的Na~+/H~+逆向转运蛋白特征,与已知功能的液泡膜Na~+/H~+逆向转运蛋白具有较高同源性。半定量分析结果表明,GmNHX1受盐胁迫上调表达,在相同浓度盐胁迫下该基因在叶片中的表达量高于根系;耐盐品种‘冀豆7号'在200 mmol/L NaCl胁迫下,其GmNHX1的表达相较0 mmol/L NaCl处理下的表达增加了225%,而盐敏感品种‘冀豆17'只增加了94%。利用nhx1盐敏感酵母突变体进行功能互补试验,结果发现在50,200 mmol/L NaCl胁迫条件下,转GmNHX1酵母突变体菌株生长速度高于对照,GmNHX1具有恢复nhx1酵母突变体耐盐性的功能。     

番茄OSCA基因家族鉴定及不同胁迫条件下表达分析

为阐明高渗性钙离子通道OSCA基因在不同胁迫条件下作用,基于番茄全基因组信息,从栽培番茄中鉴定出12个SlOSCA基因,均含DUF221结构域,分别位于1、2、4、6、7、8、9、12号染色体上,亚细胞定位分析表明均位于质膜和高尔基体上。系统进化分析显示SlOSCA基因家族可分为5个进化群。根据番茄表达量数据库组织特异性分析发现,SlOSCA基因家族在不同组织部位表达量不同,其中根部和叶片表达量相对较高。Real-time PCR结果表明,多数SlOSCA基因响应干旱、盐、低温、ABA和灰霉病胁迫。SlOSCA基因响应ABA胁迫普遍强烈,受低温胁迫影响较小。其中SlOSCA9受干旱、盐和ABA胁迫强烈诱导,SlOSCA10受灰霉病胁迫强烈诱导。     

大豆高赖氨酸基因PM8在烟草中的超量表达及其抗非生物胁迫功能研究

应用生物信息学方法在GenBank数据库查找到1条编码大豆LEA3蛋白的高赖氨酸蛋白基因PM8(登录号:Z22872),并利用RT-PCR方法从大豆干种子中克隆得到该基因,序列分析表明,PM8基因与GenBank上的序列存在5个碱基的差异,使编码蛋白的赖氨酸重量比由原来的19.65%增加为19.93%。构建了PM8基因的植物表达载体pEMT-PM8,用农杆菌介导法转化烟草。从转PM8基因的PCR阳性植株中选取5个既抗盐又抗旱的株系进行Real-timePCR检测。结果表明,PM8基因全部超量表达。研究为培育高营养品质且抗逆的转基因作物研究提供了一条新的途径,具有重要的研究价值。     

大叶补血草Na+/H+逆向转运蛋白基因NHX1核心片段的克隆及序列分析

根据GenBank中已登陆植物的Na+/H+逆向转运蛋白基因的保守序列设计简并引物,以盐生植物大叶补血草总RNA为模板,通过RT-PCR方法得到长为983 bp的片段,将其克隆到pGM-T载体上,经PCR和酶切鉴定筛选得到阳性克隆,并进行测序.通过DNAMAN软件对该序列进行同源性比对,结果表明,本研究所克隆的基因片段编码的氨基酸序列与拟南芥、小麦、滨藜、番杏、冰叶日中花的Na+/H+逆向转运蛋白同源性很高,其同源性分别为80.06%、72.00%、82.07%、82.37%和82.37%,表明该序列确属Na+/H+逆转运蛋白基因的部分片段,同时也说明Na+/H+逆向转运蛋白基因在植物中高度保守.     

大豆GmRLP19基因克隆及胁迫应答模式分析

以大豆品种Williams82为试验材料,克隆GmRLP19基因,通过生物信息学分析qPCR检测探讨该基因不同生育期品种、不同组织、不同非生物胁迫下表达模式。结果表明,该基因编码区全长3 138 bp,编码1 045个氨基酸,编码蛋白具有胞外信号肽,LRRNT域,富含亮氨酸重复结构域,跨膜结构域和一段胞内短肽,属于受体类蛋白家族,定位于质膜。该基因在不同生育期品种间差异表达,在豆和豆荚中特异性表达,且在5种非生物胁迫中均有响应。研究为探究WRKY20基因功能及挖掘和完善基因调控通路奠定基础。     

Overexpression of GmBIN2, a soybean glycogen synthase kinase 3 gene,enhances tolerance to salt and drought in transgenic Arabidopsis and soybean hairy roots

Glycogen synthase kinase 3 (GSK3) is a kind of serine/threonine kinase widely found in eukaryotes. Many plant GSK3 kinases play important roles in regulating stress responses. This study investigated BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 2 (GmBIN2) gene, a member of the GSK3 protein kinase family in soybean and an orthologue of Arabidopsis BIN2/AtSK21. GmBIN2 expression was increased by salt and drought stresses, but was not significantly affected by the ABA treatment. To examine the function of GmBIN2, transgenic Arabidopsis and transgenic soybean hairy roots were generated. Overexpression of GmBIN2 in Arabidopsis resulted in increased germination rate and root length compared with wild-type plants under salt and mannitol treatments. Overexpression of GmBIN2 increased cellular Ca²⁺ content and reduced Na+ content, enhancing salt tolerance in transgenic Arabidopsis plants. In the soybean hairy root assay, overexpression of GmBIN2 in transgenic roots also showed significantly higher relative root growth rate than the control when subjected to salt and mannitol treatments. Measurement of physiological indicators, including proline content, superoxide dismutase (SOD) activity, and relative electrical conductivity, supported this conclusion. Furthermore, we also found that GmBIN2 could up-regulate the expression of some stress-related genes in transgenic Arabidopsis and soybean hairy roots. Overall, these results indicated that GmBIN2 improved tolerance to salt and drought in transgenic Arabidopsis and soybean hairy roots.     

大豆NIP类水孔蛋白基因的鉴定及表达特性分析

NIPs(nodulin 26-like intrinsic proteins)是类根瘤菌26膜内在蛋白,属于水孔蛋白的一个亚类,在植物逆境胁迫应答过程中发挥重要作用。利用大豆基因组数据库,在全基因组水平共鉴定得到13个GmNIPs。染色体定位分析显示,这些GmNIPs基因分布在大豆11条染色体上。理化性质分析显示,GmNIPs蛋白氨基酸数目为261~296,蛋白分子量为27~32 ku,蛋白等电点为6~10。蛋白多序列比对分析发现,所有GmNIPs均含有水通道蛋白的典型结构,6个保守的跨膜螺旋(TM1-TM6)和2个保守的氨基酸元件NPA盒(Asp-Pro-Ala box)。进化树分析发现,大豆GmNIPs与拟南芥和水稻NIPs分类完全一致。基因结构分析显示,所有GmNIPs基因均由5个外显子和4个内含子组成。启动子分析表明,多数GmNIPs基因的上游启动子区含有逆境和激素应答元件。组织表达分析发现,5个GmNIPs的基因表达量相对较高。进一步,利用荧光定量PCR对GmNIP1;5的干旱胁迫表达特性进行了分析。     

大米草Na^＋/H^＋泵基因3′cDNA末端的克隆和序列分析

根据大米草Na^＋/H^＋泵基因已克隆的一段基因组DNA序列的保守区设计引物,利用RACE技术,从大米草中分离并克隆出Na^＋/H^＋泵基因的一段cDNA片段,长度为793 bp.该cDNA片段编码区推导出的氨基酸序列在NCB I网站上BLAST,结果显示该氨基酸序列与多种植物的Na^＋/H^＋泵的C端氨基酸序列相似.该结果可以推断所克隆的cDNA片段为大米草Na^＋/H^＋泵基因的3′端.将该cDNA对应的氨基酸序列与以前克隆的大米草Na^＋/H^＋泵基因的一段DNA所对应的氨基酸序列拼接,然后与多种植物的Na^＋/H^＋泵进行对位排列.结果显示,该氨基酸序列与芦苇、水稻、小麦、大麦、玉米、拟南芥和滨藜等植物的Na^＋/H^＋泵基因对应的氨基酸序列有较高的相似性,其中与禾本科植物的相似性程度更高.     

大米草Na+/H+泵基因3''cDNA末端的克隆和序列分析

根据大米草Na /H 泵基因已克隆的一段基因组DNA序列的保守区设计引物,利用RACE技术,从大米草中分离并克隆出Na /H 泵基因的一段cDNA片段,长度为793 bp.该cDNA片段编码区推导出的氨基酸序列在NCBI网站上BLAST,结果显示该氨基酸序列与多种植物的Na /H 泵的C端氨基酸序列相似.该结果可以推断所克隆的cDNA片段为大米草Na /H 泵基因的3'端.将该cDNA对应的氨基酸序列与以前克隆的大米草Na /H 泵基因的一段DNA所对应的氨基酸序列拼接,然后与多种植物的Na /H 泵进行对位排列.结果显示,该氨基酸序列与芦苇、水稻、小麦、大麦、玉米、拟南芥和滨藜等植物的Na /H 泵基因对应的氨基酸序列有较高的相似性,其中与禾本科植物的相似性程度更高.     

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。     

过量表达AtNHXS1新基因显著提高水稻的耐盐性

以转基因和野生型水稻为材料,通过农杆菌介导法将AtNHXS1转到水稻植株中花11号中,分析在盐胁迫下Na+、K+含量的变化,对两者耐盐性进行比较,并对转基因株系进行分子鉴定和转录表达分析。结果表明:PCR初步鉴定得到了20个转基因株系,随机挑选2个PCR阳性株系进行Southern blot鉴定,确定AtNHXS1以单拷贝的形式成功插入到水稻基因组中。耐盐性分析表明,在盐胁迫条件下,转基因水稻植株的生长状况、干质量、鲜质量、Na+含量显著优于或高于野生型水稻植株;此外,300mmol/L NaCl处理下,转基因水稻植株能够正常存活,而野生型水稻5d内几乎全部死亡。将300mmol/L NaCl处理过的植株在无盐胁迫的条件下进行恢复生长试验,转基因植株10d内恢复正常,而野生型则不能。过量表达改组后的AtNHXS1新基因显著提高了水稻的耐盐性。     

白桦BpHO基因非生物胁迫及信号诱导的表达模式分析

血红素加氧酶(heme oxygenase, HO)是一种普遍存在的敏感的和高活性的血红素分解代谢过程中的限速酶。本文揭示了白桦BpHO在非生物胁迫及信号诱导调控的表达特征,为该基因在白桦中代谢调控功能的研究奠定基础。通过前期研究获得了白桦HO基因,命名为BpHO,应用生物信息学软件分析了白桦BpHO基因的分子结构特征,利用重金属镉(Cd)、盐(NaCl)以及4 ℃低温进行非生物胁迫处理,利用硝普钠(SNP)和水杨酸(SA)进行信号诱导,分析BpHO的表达特征。生物信息学分析表明该基因全长855 bp,含有完整的开放读码框,编码284个氨基酸(Genebank登录号:KJ197335)。BpHO为不稳定类疏水性蛋白,不存在信号肽,也不具有跨膜能力,α-螺旋、延伸链、无规则卷曲分布于整个蛋白。分子进化分析结果表明,白桦BpHO基因与葡萄的遗传距离较近,说明二者亲缘关系较近;与大豆、菜豆、豌豆的遗传距离较远,说明其亲缘关系较远。非生物胁迫结果表明,BpHO基因的表达水平随非生物胁迫处理时间的不同而上下波动,但在处理6 h后BpHO基因对4种非生物胁迫处理都上调表达,说明BpHO基因对非生物胁迫具有响应。信号诱导结果表明,外源NO调节了BpHO基因的转录表达,调控血红素加氧酶的合成。SA也参与了BpHO基因的信号调控。盐、低温、重金属镉胁迫均能促进BpHO 的表达,但响应模式不同。      

玉米ZmREM基因的克隆与逆境胁迫后表达分析

B3超家族基因是植物中特有的一类转录因子,参与植物生长发育、形态建成及抗逆境胁迫等过程。从玉米黄早4中获得一个含有2个B3-DNA结合域的基因,为B3超家族基因,命名为ZmREM。该基因全长1 047 bp,编码含有349个氨基酸的蛋白。Blast比对结果表明,ZmREM和谷子含有B3结构域蛋白、高粱的假定蛋白相似性分别为81%和84%。ZmREM基因是组成型表达,在根中表达量最高。同时ZmREM基因的转录水平可以为干旱、盐、冷和热所诱导。因此,ZmREM可能参与玉米多种非生物胁迫应答途径。