三七Expansin家族基因的鉴定及生物信息分析

扩展蛋白(Expansins)作为细胞壁松弛蛋白,是调控细胞壁延展的重要调节因子,参与调控植物细胞壁松弛、细胞膨大与胁迫反应等过程。本研究从三七基因组中共鉴定到24个Expansins基因,其中,EXPA亚家族成员17个,EXPB亚家族成员3个,EXLA亚家族成员1个,EXLB亚家族成员3个,系统进化分析显示它们与不同物种间有一定亲缘关系,表明该家族基因具有一定保守性。通过分析6个生长时期的三七主根中Expansins家族基因表达热图,发现Pn EXP15、Pn EXP17、Pn EXP22、Pn EXP24在三七主根发育过程中显著高表达,可能参与调控细胞壁松弛来调节三七主根的发育,以促进三七主根的膨大。本研究为深入探索三七扩展蛋白家族基因的功能、物种间的进化关系和三七分子育种提供科学参考依据。     

雷蒙德氏棉MAPKKK基因家族全基因组筛选及其同源基因在陆地棉中表达分析

【目的】丝裂原活化蛋白质激酶激酶激酶(Mitogen-activated protein kinase kinase kinase,MAPKKK)家族在植物的胁迫反应和发育过程中起重要调控作用。本研究旨在筛选雷蒙德氏棉MAPKKK基因并分析其功能。【方法】以已鉴定的拟南芥MAPKKK蛋白序列为种子序列,在已发表的雷蒙德氏棉全基因组数据库中,通过本地BLAST以及Pfam和SMART鉴定雷蒙德氏棉MAPKKK基因家族成员;采用MEGA5、GSDS在线工具以及Mapchart进行进化树、基因结构及染色体定位分析;利用已有的陆地棉芯片数据进行响应逆境胁迫和纤维不同发育时期的表达谱分析。【结果】系统鉴定了114个雷蒙德氏棉MAPKKK家族基因,根据基因结构及进化树分析分为Raf、ZIK和MEKK三个亚家族。染色体定位表明,该基因家族广泛分布于13条染色体上,并存在基因复制。与最近公布的78个雷蒙德氏棉MAPKKK家族基因相比对,获得序列完全相同的基因47个。【结论】上述研究结果有助于了解雷蒙德氏棉MAPKKK基因家族的进化与功能,为后续研究棉花乃至棉属MAPKKK基因的功能奠定基础。     

雷蒙德氏棉和亚洲棉TCP基因家族的生物信息学分析

TCP基因家族是植物中特有的一类转录因子家族,涉及了植物的多种生长途径以及各种生理生化反应的信号传导。为了更好地了解TCP基因家族在雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组中的数量和分布情况等,通过生物信息学方法,在雷蒙德氏棉(D5)和亚洲棉(A2)全基因组中分别鉴定出37个TCP基因家族成员,并对TCP家族成员进行基因结构、染色体定位、保守域、进化关系等分析。结果表明,雷蒙德氏棉和亚洲棉全基因组分别编码37个TCP转录因子成员。雷蒙德氏棉30个成员基因分布在10条染色体上,亚洲棉37个成员基因分布在13条染色体上;内含子/外显子结构分析表明,TCP基因结构较为简单,大部分不含内含子;功能结构域分析,发现所有TCP转录因子具有高度保守的TCP结构域;根据结构域差异和系统发育分析的结果,将TCP基因家族分成2个亚族,进一步划分为PCF、CIN、CYC/TB1三个亚类。以上结果为进一步研究棉花TCP基因家族各成员的功能奠定一定的理论基础。     

雷蒙德氏棉Plant U-box(GrPUBs)基因家族生物信息学分析

PUBs蛋白调控了作物的生长发育及响应非生物胁迫和生物胁迫的过程。为探讨棉花中U-box类型泛素连接酶家族,本研究利用生物信息学方法分析了二倍体雷蒙德氏棉中PUBs的数目、进化、基因结构、结构域分布及基因表达模式。结果表明,雷蒙德氏棉中有93个Gr PUBs基因家族成员,基因长度为1 101~11 191 bp。亚细胞定位预测结果表明,Gr PUBs编码产物大部分定位在细胞质和细胞核中,少数定位在胞外基质线粒体中。根据除U-box以外所含结构域将该家族成员分为7类,分别含有UFD2结构域、ARM结构域、激酶结构域、只含U-box、WD-40、TPR以及异构酶结构域。Gr PUBs基因家族染色体定位显示,基因在13条染色体上均有分布,但分布不均匀。在第5条染色体最多,有11条基因序列,第4、第12和Scaffold染色体上的基因最少,仅有2条。基因结构分析表明,基因内含子的数目变化较大,在0~17之间,且具有相似结构的基因,其编码蛋白聚为一类。基因表达模式分析发现。几乎1/3的基因在花中优势表达,个别基因在开花后10 d、20 d、30 d和40 d的种子中表达量高于在叶和花中的表达,如Gorai.006G251300。本试验为深入研究U-box类型泛素连接酶在棉花生长发育及抗逆的机理提供了理论指导。     

基于CRISPR/Cas9系统构建拟南芥EXPA多基因编辑表达载体

CRISPR/Cas9系统是一种由sg RNA及Cas9核酸酶组成的适应性免疫系统,已被成功运用于多种植物基因组编辑。扩展蛋白(expansin, EXP)是一类可以使细胞壁伸展和松弛的细胞壁蛋白,对植物的各个组织生长发育都有着重要的作用,由EXPA、EXPB、EXLA和EXLB 4个不同的基因家族组成。本研究以拟南芥的EXPA基因为例,通过CRISPR/Cas9系统构建拟南芥EXPA多基因编辑的表达载体,并利用农杆菌介导CRISPR/Cas9表达载体的方法转化拟南芥,以创制拟南芥扩展蛋白多基因突变体,为后续的研究提供突变体材料。     

雷蒙德氏棉DnaJ蛋白的生物信息学预测及盐胁迫下的表达分析

Dna J蛋白是一类很大的蛋白家族,是近年来研究较多的与胁迫反应等相关的蛋白。本文利用生物信息学手段,系统研究了雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii)Dna J蛋白的数目、分类、染色体定位、亚细胞定位、进化以及在旱地棉(Gossypium aridum)和克劳茨基棉(G.klotzschianum)盐胁迫下的表达模式。结果显示:雷蒙德氏棉基因组有119个Dna J蛋白,长度从73个氨基酸到2574个氨基酸不等;在13条染色体上不均匀分布,且具有不同的亚细胞定位;Dna J结构域大致被分为9个小组,每个小组都有与拟南芥同源的基因;盐胁迫下,鉴定到旱地棉和克劳茨基棉共同差异表达的Dna J基因3个,在旱地棉盐胁迫整个过程中差异表达的基因2个。雷蒙德氏棉Dna J基因家族的鉴定和分析,将为进一步研究Dna J基因家族的功能奠定一定的基础。     

雷蒙德氏棉KNOX基因家族全基因组鉴定及表达分析

为探究KNOX基因家族在棉花生长发育中的调控作用,本研究以雷蒙德氏棉为材料,利用生物信息学的方法全基因组鉴定KNOX家族成员,并对其保守结构域、进化模式、染色体定位、基因结构和基因表达情况进行分析。共鉴定到22个KNOX基因,分布于10条染色体上,其中13个基因发生了片段复制。除GrKNOX9和GrKNOX15外,其余GrKNOX蛋白均含有KNOX1,KNOX2,ELK和HOX四个典型结构域。Gr KNOX基因家族进化聚类成两组：ClassⅠ和ClassⅡ。ClassⅠ组包含13个基因,ClassⅡ组含有9个基因。GrKNOX基因在叶片、花瓣、开花后10、20、30和40 d的种子中的表达分析显示,ClassⅠ组成员表达模式差别较大,ClassⅡ组成员表达模式较相似。GrKNOX12、GrKNOX1、GrKNOX17、GrKNOX2、GrKNOX11、GrKNOX3和GrKNOX22在测定的组织中表达量均较高;GrKNOX6、GrKNOX16和GrKNOX19在开花后20、30和40 d的种子中表达量较高,推测这3个基因参与调控棉花种子发育过程。本研究为进一步探究KNOX基因家族在棉花...     

雷蒙德氏棉SWEET基因家族的全基因组鉴定和进化分析

为了探索SWEET基因家族在棉花中的分布和作用,基于二倍体D基因组雷蒙德氏棉基因组数据,利用生物信息学方法对SWEET基因家族完成了全基因组水平的鉴定,并进行了系统发育、基因结构、染色体定位和跨膜结构域分析。共获得31个雷蒙德氏棉SWEET基因,分散或成簇分布在11条染色体上,分为3个不同功能的亚家族;跨膜结构域预测显示大部分雷蒙德氏棉SWEET基因含7个跨膜结构域,少部分含6或7个跨膜结构域;基因结构分析显示除GrSWEET6、GrSWEET7、GrSWEET9、GrSWEET19含4个内含子外,其余27个SWEET基因均含有5个内含子。这些结果将为进一步深入研究SWEET基因在棉花生长发育中功能奠定坚实的数据基础。     

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。     

雷蒙德氏棉Argonaute基因家族的生物信息学预测与分析

Argonaute(AGO)蛋白是参与小RNA调控通路的重要元件,在生命体的生长发育过程中发挥着重要作用。本研究利用AGO蛋白的保守域在雷蒙德氏棉基因组中进行同源比对,鉴定出15个成员,并对其进行进化关系、染色体定位、基因结构、保守域、时空表达模式等分析。结果表明:该家族成员基因长度从3335到9086bp不等,其中11个基因被定位到7条染色体上;该家族成员可分为3个亚族,包含5个小组,各亚族内、小组间成员也存在很高的保守性;发现每个基因都有不同的时空表达模式,且各小组内成员之间存在协同和互补2种表达模式,找到在花器官特异表达的基因1个,胚珠中特异表达的基因3个。本文首次对棉花中AGO基因家族进行了鉴定和生物信息学分析,为进一步研究AGO基因家族在棉花中的功能奠定了基础。     

Genome-Wide Selection of MAPKKK Gene Family in Gossypium raimondii and the Expression of Orthologs in Gossypium hirsutum

[Objective] The MAPKKK gene family plays an important regulating role in response to multiple abiotic stresses and the development of plant. This study aims to identify MAPKKK genes of Gossypium raimondii and analyze their functions. [Method] In this study, based on G. raimondii genome database and bioinformatics method, G. raimondii MAPKKK family genes were identified and analyzed. Using the MEGA5, GSDS and Mapchart program, the phylogenetic tree, gene structure and chromosomes location analyses were accomplished. Based on the existing microarray data in cotton and comparative profiles of these MAPKKK genes, different expression of them in multiple abiotic stresses and the expression at different cotton fiber developmental stages were analyzed. [Result] A sum of 114 MAPKKK genes were identified systematically in G. raimondii and classified into 3 subfamilies (Raf, ZIK and MEKK) according to the gene stucture and phylogenetic tree analyses. They were distributed on all the 13 chromosomes of G. raimondii, and segmental duplication and tandem duplication events may have occurred. Compared with the recently released 78 genes of G. raimondii MAPKKK family genes, 47 sequences are exactly the same ones. [Conclusion] The results are helpful to understand the evolution and function of MAPKKK gene family. Our results provide a foundation for future functional characterizations of MAPKKK genes in cotton and probably other Gossypium plants.     

雷蒙德氏棉Argonaut基因家族的生物信息学预测与分析

Argonaute(AGO)蛋白是参与小RNA调控通路的重要元件,在生命体的生长发育过程中发挥着重要作用.本研究利用AGO蛋白的保守域在雷蒙德氏棉基因组中进行同源比对,鉴定出15个成员,并对其进行进化关系、染色体定位、基因结构、保守域、时空表达模式等分析.结果表明:该家族成员基因长度从3335到9086bp不等,其中11个基因被定位到7条染色体上;该家族成员可分为3个亚族,包含5个小组,各亚族内、小组间成员也存在很高的保守性;发现每个基因都有不同的时空表达模式,且各小组内成员之间存在协同和互补2种表达模式,找到在花器官特异表达的基因1个,胚珠中特异表达的基因3个.本文首次对棉花中AGO基因家族进行了鉴定和生物信息学分析,为进一步研究AGO基因家族在棉花中的功能奠定了基础.     

亚洲棉和雷蒙德氏棉PEBP家族基因的鉴定及该家族基因在陆地棉组织中表达分析

磷脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidyl ethanolamine-binding proteins,PEBP)基因家族广泛存在于真核生物中,在被子植物中主要起着促进或抑制开花和控制株型的作用。利用亚洲棉(Gossypium arboreum,A2)和雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii,D5)的基因组数据库,分别搜索到8个棉花PEBP同源基因,都包含4个外显子和3个内含子,编码的蛋白都存在PEBP家族的保守基序和关键氨基酸位点,表明二倍体棉花中至少存在8个PEBP家族基因。进化分析表明,8个PEBP基因分属于3个亚家族,含FLOWERING LOCUS T(FT)-like亚家族1个、TERMINAL FLOWER 1(TFL1)-like亚家族5个(包括3个TFL1和2个BFT)、MOTHER OF FT AND TFL1(MFT)-like亚家族2个。实时荧光定量PCR分析陆地棉(Gossypium hirsutum)8个PEBP基因在根、茎、叶、幼苗顶端分生组织、花、胚珠和25 d的纤维组织中的表达,表明FT1在叶片中表达量最高,其次在纤维、胚珠和花中;MFT1在各组织中均表达,但在纤维中表达量最高,其次是花和叶片中,而MFT2以在叶片中表达为主;TFL1a、TFL1b和TFL1c均在根中表达量最高,但TFL1c在叶片、花和胚珠中也有相对较高的表达;BFT1和BFT2在叶片中表达量最高,但除幼苗顶端分生组织外,BFT1在其他各组织中的表达明显高于BFT2。这些结果表明,PEBP家族基因在棉花的生长发育中可能具有不同的功能。     

棉花溶血磷酸酯酰转移酶(LPAT)家族基因的发掘和表达分析

棉花油脂合成相关代谢在控制油分形成、纤维发育等进程中起着重要作用。溶血磷脂酰基转移酶(LPAT)是植物油脂代谢过程中的一个关键酶。本研究利用雷蒙德氏棉全基因组数据库,通过生物信息学技术,鉴定并获得8个棉花LPAT家族基因的全序列和染色体定位等信息。通过序列比对进行系统进化和分类分析,明确这8个家族基因分布在6条染色体上,分为4亚类,其中第I类和第III类中各含2个基因、第II类1个、第IV类3个。组织表达分析表明这8个基因在棉花营养和生殖阶段均表现表达多样性。LPAT6和LPAT8在17 d胚珠中表达水平很高,推测在油脂合成代谢调控中起重要作用。8个LPAT基因均在纤维中优势表达,其中LPAT2、LPAT3和LPAT4表达水平更高,推测LPAT家族基因的表达参与棉纤维发育进程。     

Genome-Wide Identification and Analysis ofGRGene Family in Cotton

[Objective] Glutathione reductase (GR) gene family is involved in biological processes such as plant growth and abiotic stress response, but its characteristics and functions in cotton have not been known yet. This study aims to explore the role of GR genes in cotton genome evolution and abiotic stress response through the whole genome identification and characterization of GR genes, thus providing a theoretical basis for future studies on the roles of the GR genes in enhancing abiotic stress tolerance in cotton. [Method] The GR genes in Gossypium hirsutum, G. barbadense, G. raimondii and G. arboreum were all identified using bioinformatics software. The physicochemical properties, sequence characteristics, chromosomal location, phylogeny and expression patterns were analyzed. [Result] A total of 18 GR genes were identified. The number of GR genes in G. hirsutum, G. barbadense, G. raimondii and G. arboreum was 6, 6, 3 and 3, respectively. Phylogenetic analysis revealed that GR genes were divided into two sub-groups. The genes in the same subgroup exhibited similar gene structure in relation to exon-intron ratios. The ratios of the non-synonymous mutations (K_a) and homologous mutations (K_s) were all less than 1, indicating that the GR genes underwent strong purification selection during their evolution process. The analysis of the expression patterns of GR genes in upland cotton indicated that all the GR genes responded actively to the stress environment; but under different abiotic stresses, the gene expression patterns were significantly different. [Conclusion] The study explored the evolution and function of the GR gene family in the four cotton genomes, providing a theoretical basis for future studies of cotton GR genes.     

亚洲棉和雷蒙德氏棉MATE基因家族生物信息学及其同源基因在陆地棉中的表达分析

多药和有毒化合物排出(MATE)蛋白家族是1个次级转运蛋白家族。为了更好地了解亚洲棉和雷蒙德氏棉中MATE蛋白的种类和数量,利用2种二倍体棉花基因组的氨基酸和c DNA数据库对MATE基因家族进行筛选,并分析亚洲棉和雷蒙德氏棉全基因组中MATE基因的种类和进化关系。结果显示,在亚洲棉基因组中初步鉴定了34个MATE基因,而在雷蒙德氏棉中筛选出42个MATE基因。基因结构和系统进化的比较分析表明,进化关系近的MATE基因在结构上基本是一致的。同时对陆地棉中克隆的Gh TT12及与其同一族的部分MATE基因进行荧光定量分析,推测其所在同一族的MATE基因功能可能与转运原花青素有关。这些结果为进一步深入分析棉花MATE基因的功能以及在原花青素转运中的作用提供了理论基础。     

Genome-Wide Identification and Functional Prediction of Phytochelatin Synthase Gene in Upland Cotton

[Objective] Heavy metal stress rise advertise effects on growth and development in plant, from which phytochelatin synthase (PCS) plays key roles to protect plant cells. This article will present studies on the gene amount, structure, distribution and features. [Method] PCS gene family in cotton are analyzed based on completely global genome sequence cotton species including Gossypium hirsutum ((AD)1), G. raimondii (D5) and G. arboreum (A2), for further understanding of those genes and protein family features. In this study, we conducted the analysis involving in identification on PCS family members, special protein domain comparison, polygenetic analysis, gene structure prediction and Cysteine survey. [Result] 2, 2 and 4 PCS genes were identified out in G. raimondii (D5), G. arboreum (A2) and G. hirsutum ((AD)1), respectively. All these 8 PCS genes had phytochelatin and phytochelatin_C domains and strictly conserved amino acid residues related to catalytic activity. Cotton PCS protein family members could be divided into 2 sub-group, and these members belongs to sub-group I or sub-group II are close todicotyledon or nematode, respectively. What’s more, there are some difference in both gene structure and Cys distribution between those 2 sub-groups. Less integrity of exons in PCS genes in G. raimondii, comparing to G. hirsutum and G. arboreum. [Conclusion] Comparing to sub-group II, the PCS genes from sub-group I should be higher catalytic activity. G. hirsutum and its donor G. arboreum probably are more heavy metal tolerant than G. raimondii. Based on the results, this research will provide some insights on further functional study.