木薯海藻糖合成酶基因MeTPS6克隆及其在非生物胁迫下的表达分析

[目的]克隆木薯海藻糖合成酶基因MeTPS6,并分析其在干旱、低温、遮荫等非生物胁迫应答中的表达情况,为研究TPS基因功能及抗逆分子机理提供参考.[方法]采用RT-PCR从木薯中克隆MeTPS6基因,并进行生物信息学分析及构建系统发育进化树.采用荧光定量PCR(qPCR)分析MeTPS6基因在干旱、低温和遮荫胁迫下不同木薯品种不同组织中的表达特性及模式.[结果]克隆获得的MeTPS6基因具有一个2565 bp的开放阅读框,编码854个氨基酸,含有TPS家族保守结构域(Glyco_transf_20).MeTPS6蛋白与杨树(Potri.010G104500)和杞柳(SapurV1A.0015s0610)同源蛋白氨基酸序列的相似性分别达92.6%和90.0%,表明木薯与杨树和杞柳的亲缘关系较近.MeTPS6基因的启动子序列中存在大量非生物胁迫相关元件(低温相关元件LTR、干旱相关元件MBS等)、激素相关元件(脱落酸相关的元件ABRE和CE3、水杨酸相关元件TCA-element等)及光响应相关元件(ACE、Box I等).MeTPS6基因在木薯储藏根中的表达量最高,须根次之,二者均显著高于茎、叶柄和叶片中的表达量(P<0.05,下同),且在干旱、低温和遮荫胁迫下,不同组织中的表达模式存在明显差异.对于不同木薯品种,干旱、低温和遮荫胁迫处理均显著诱导其MeTPS6基因表达.在高置信度(Confidence=0.8)的情况下,共找到13个共表达基因,其中有10个为TPS同源基因,表明这些同源基因可能相互协调,共同参与植物生物学过程;另外3个基因(CAT、CAT1和F5M15.5)均编码过氧化氢酶,主要参与保护细胞免受过氧化氢的毒性作用.[结论]MeTPS6基因主要在木薯的根(特别是储藏根)中表达,并从转录水平参与干旱、低温和遮荫胁迫响应,可作为候选基因进一步研究其在木薯抗逆中的功能.     

木薯NOX基因家族成员的生物信息学及其表达分析

[目的]搜索鉴定木薯还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)基因家族成员,分析其生物学信息及在不同组织和非生物胁迫下的表达模式,为深入研究该家族基因对木薯块根发育的调控机理及提高木薯抗逆性提供理论参考.[方法]从JGI数据库下载木薯的基因组序列,由pfam数据库下载4个NOX蛋白结构域相关的HMM文件,通过HMMER程序筛选NOX基因家族成员,利用生物信息学分析软件对该家族蛋白的理化性质、氨基酸序列和结构特征进行分析.基于GEO数据库的转录组测序(RNA-Seq)数据,对木薯NOX基因家族成员在不同组织和干旱胁迫下的表达模式进行分析.[结果]从木薯基因组中共鉴定到15个NOX基因家族成员,包括9个NOX基因和6个FRO基因(NOX祖先基因).FRO基因的外显子数(6~9个)明显少于NOX基因的外显子数(11~14个),且FRO基因的内含子序列较NOX基因短,NOX基因的第一个外显子相对保守.15个NOX基因家族成员分布在木薯的9条染色体和1个结构支架上,且均被定位在染色体末端,除6号染色体有4个基因、8号和14号染色体有2个基因外,其他染色体均只有1个基因.木薯NOX蛋白的分子量和氨基酸数明显高于FRO蛋白,而理论等电点(pI)差异不明显.FRO蛋白含6~9个保守跨膜结构域,而NOX蛋白均只含4个跨膜螺旋区,且均位于第350~750位氨基酸残基.木薯NOX家族蛋白有10个保守结构域,其中Motif1和Motif8存在于所有的NOX和FRO蛋白中,Motif6为NOX蛋白所特有,Motif3只独立存在于FRO蛋白中.NOX蛋白均具有典型的保守结构域和相似的蛋白质结构,其脱氢酶结构域明显折叠成催化域裂缝结构,且C末端氨基酸极度保守.由RNA-Seq数据的基因表达谱可知,NOX基因家族成员在不同木薯叶片、中静脉、叶柄、茎、侧芽、茎尖分生组织、根尖分生组织、易碎胚性愈伤组织、胚性愈伤组织(OES)和贮藏根中均有表达,但呈不同的表达模式,其中,Manes.14G042600和Manes.S089900在储藏根中高表达,Manes.06G128700和Manes.09G172500在须根和根尖分生组织中高表达.在木薯品种KU50和新选048的叶片中,Manes.14G042600基因在干旱胁迫下呈上调表达,推测NOX基因在特定组织及响应非生物胁迫过程中扮演重要角色.[结论]木薯NOX基因家族成员具有保守基因结构,其编码蛋白具有保守的功能域,尤其是C端氨基酸序列;NOX基因表达具有组织特异性,部分成员的表达受非生物胁迫的影响.FRO蛋白和NOX蛋白具有较明显的共进化关系.     

毛果杨ZHD家族全基因组水平鉴定及在干旱胁迫下的表达分析

  目的  对毛果杨Populus trichocarpa ZHD (PtrZHD)家族进行生物信息学以及干旱胁迫下表达特性分析,为研究PtrZHD在干旱胁迫中的功能提供参考。  方法  利用生物信息学方法从全基因组水平鉴定出毛果杨ZHD家族全部成员,并对其进化、理化性质、基因结构、保守基序、启动子顺式作用元件和表达特性进行分析。  结果  毛果杨ZHD家族包括21个成员,可分为7个亚家族;有8对同源基因,且非同义替换率(K_a)/同义替换率(K_s)值远小于1。该家族成员理化性质存在差异,但其结构较为保守,均含有Motif 1;启动子区含有数量不等的激素和非生物胁迫响应元件,不同基因之间响应元件的种类存在差异。在毛果杨PtrZHDs中,分别有1、7和13个基因在根、茎和叶组织中具有偏好性表达特征;PtrZHD家族成员对干旱胁迫的响应具有组织和时间表达特异性,在根、茎和叶部组织中各成员的表达量不同,但随着干旱胁迫时间的增加均呈先上升后下降的趋势。  结论  PtrZHD家族基因对干旱胁迫有不同程度的响应,可调控毛果杨对干旱胁迫的应答。图6表2参27     

香蕉CASP家族全基因组鉴定与分析

[目的]了解香蕉CASP家族成员的生物学功能。[方法]以拟南芥CASP基因作为参考序列,基于香蕉基因组数据,通过Blast鉴定香蕉A、B基因组中的CASP家族成员,并对CASP家族成员进行序列特征及低温下的表达分析。[结果]共鉴定得到61个香蕉CASP家族成员,其中A基因组44个(MaCASP)、B基因组17个(MbCASP); CASP基因编码的蛋白存在DUF588和MARVEL保守结构域;根据与拟南芥的亲缘关系将香蕉A、B基因组中的CASP家族成员分为5类; CASP家族成员启动子顺式作用元件中包含光响应元件、激素响应元件、压力响应元件以及多种生长发育响应元件;在低温胁迫下,6个成员(MaCASP21、MaCASP19、MaCASP32、MaCASP43、MaCASP11、MaCASP16)在4℃时呈现特异性表达。[结论]香蕉CASP家族具有功能的多样性,且CASP家族成员在A、B基因组中存在一定的差异,还可能参与低温响应过程。     

木薯MeTPS1基因克隆、表达及生物信息学分析

海藻糖-6-磷酸合成酶(trehalose-6-phosphate synthase,简称TPS)是海藻糖生物合成途径中的关键酶,提高TPS基因的表达量可以增强植物在干旱、低温等非生物胁迫条件下的抗逆性。木薯是重要的热带经济作物和粮食作物,在严重干旱、低温或密植(遮阴)条件下,木薯块根产量会显著减少。为了研究TPS基因在木薯抗逆中的功能,通过同源基因克隆的方法,从木薯叶片中克隆了1个TPS基因MeTPS1,该基因含有1个2 781 bp的开放阅读框,编码926个氨基酸,含有TPS家族保守结构域。系统进化树分析表明,MeTPS1与杨树、杞柳中同源基因的亲缘关系较近,序列相似性分别达到88.1%、89.4%。启动子元件分析表明,MeTPS1含有干旱诱导元件(MBS)、热胁迫响应元件(HSE)、防御和胁迫响应元件(TC-rich repeats)以及光响应元件(ACE、Box I、Box 4)等。实时荧光定量PCR分析表明,MeTPS1在叶片中的表达量最高,在须根和储藏根中表达量最低,并且MeTPS1基因的表达能被干旱、低温和遮阴处理显著诱导,但对ABA处理无明显响应。这些结果表明,MeTPS1在转录水平参与木薯干旱、低温和遮阴胁迫的响应,可将其作为候选基因进一步研究其在木薯抗逆中的功能。     

木薯SCARECROW-LIKE(SCL)基因克隆、生物信息学及非生物胁迫下表达分析

[目的]克隆木薯SCARECROW-LIKE(MeSCL)基因,对其进行生物信息学分析,并检测其在非生物胁迫下的表达情况,为深入研究木薯MeSCL基因响应非生物胁迫的调控机制提供理论参考.[方法]以木薯品种D346为材料,采用RT-PCR克隆MeSCL基因编码区(CDS)序列,并利用生物信息学分析软件进行序列特征分析,采用实时荧光定量PCR检测其在干旱、盐、氧化和低温胁迫下木薯叶片中的表达情况.[结果]克隆获得的MeSCL基因编码区(CDS)序列全长1655 bp,与参考序列(GenBank登录号LOC110627921)仅存在2个碱基的差异,开放阅读框(ORF)的长度为1560 bp,编码519个氨基酸,编码蛋白分子量为57.84 kD,等电点(pI)为6.08,脂肪系数为80.46%,总平均亲水性指数为-0.195,为亲水性蛋白,含有1个信号肽、6个从内部到外部的跨膜螺旋区和5个从外部到内部的跨膜螺旋区,定位于细胞核和内质网中,属于GRAS蛋白家族成员,具有该家族的保守结构域.MeSCL蛋白三级结构模型显示,该蛋白含有14个典型的α螺旋、10个β-折叠和36个β-转角.MeSCL蛋白与橡树HbSCL蛋白的相似性最高,为90.80%,与蓖麻RcSCR、胡杨PeSCL、毛果杨PtSCR、可可树TcSCR和哥伦比亚锦葵HuSCL蛋白的相似性在80.00%左右.MeSCL基因受干旱、盐、氧化和低温胁迫诱导表达量整体呈升高趋势,但在不同处理时间的表达量存在明显差异,其中,干旱和氧化胁迫下,MeSCL基因均在处理24 h时表达量最高,分别是对照的6.05和11.17倍,而盐和低温胁迫下,MeSCL基因均在处理6 h时表达量最高,分别是对照的11.76和3.80倍.[结论]MeSCL基因参与木薯植株的非生物胁迫响应,正向调控其抗非生物胁迫能力.     

谷子XTH基因家族与抗旱相关基因的分析

[目的]木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶(XTH)属于糖苷水解酶GH16家族,其家族成员可能在植物响应逆境胁迫的过程中发挥重要作用,为深入挖掘谷子抗旱基因,进而选育谷子抗逆新品种,[方法]本研究利用生物信息学手段,对谷子XTH基因家族进行了分析。[结果]从谷子基因组数据库中鉴定出16个XTH基因。结构分析表明:SiXTH家族成员在基因结构及编码区序列上较为保守,含1~3个内含子;谷子XTH蛋白含有XTH家族典型的保守基序DEIDFEFLG;预测SiXTH基因家族成员在启动子区域含有响应逆境胁迫的顺式作用元件。在干旱胁迫下,通过比较两个谷子品种勾勾母鸡咀及晋汾16在干旱胁迫下基因的相对表达水平,我们发现了3个上调表达和1个下调表达的SiXTH基因。[结论]因此推测,同一类基因其基因结构及蛋白结构域相似,且XTH基因家族在谷子应答干旱胁迫的过程中起一定的作用,同时本研究也为深入探究XTH基因家族成员的功能奠定了一定的基础。     

木薯PYL13基因克隆及表达分析

[目的]解析木薯脱落酸(ABA)受体PYR/PYL/RCARs家族基因(MePYL13)在木薯块根采后生理性变质(PPD)过程中的功能作用,为后续探索ABA信号通路在木薯PPD中的功能及作物抗逆育种打下基础.[方法]从木薯品种SC8中克隆MePYL13基因,应用生物信息学分析方法对其编码蛋白的理化性质、亲疏水性、保守结构域及二、三级结构等进行预测,对基因上游启动子进行元件分析,通过亚细胞定位观察MePYL13蛋白在植物细胞中的定位情况,并利用实时荧光定量PCR检测MePYL13基因在木薯PPD过程中的相对表达量.[结果]克隆获得的MePYL13基因编码区(CDS)长度663 bp,编码220个氨基酸,蛋白分子量23.957kD,理论等电点(Ip)为6.74.MePYL13蛋白与巴西橡胶树(XP 021654464.1)PYL家族蛋白的氨基酸序列同源性最高,为91.55%,表明MePYL13蛋白氨基酸序列具有高度保守性.从MePYL13基因启动子鉴定获得与非生物胁迫逆境相关的响应元件,包括厌氧诱导元件(ARE,AAACCA)、光响应元件(ATCT-motif,AATCTAATCC)、干旱MYB元件(MBS,TAACTG)及ABA应答元件(ABRE,AAACAGA)和分生组织表达相关元件(CAT-box,GCCACT)等;MePYL13蛋白在木薯细胞的细胞核和细胞质上均有表达.随着PPD进程的推移,MeP YL13基因相对表达量整体上呈上升趋势,至PPD后期(48 h)其相对表达量是0h时(PPD前)的16倍,即MePYL13基因受木薯块根PPD的显著诱导.[结论]MePYL13基因是PYR/PYL/RCARs家族成员,可能在木薯块根PPD过程中发挥正向调控作用,为培育木薯PPD改良品种提供了潜在基因资源.     

花生KNOX基因家族的全基因组鉴定及组织表达分析

为研究花生KNOX基因家族在生长发育以及非生物胁迫响应中的功能，本研究采用生物信息学手段在栽培种花生基因组水平上对KNOX基因家族成员进行鉴定，并对其理化性质、基因结构、蛋白质保守结构域、系统进化、启动子顺式作用元件以及组织与逆境下的表达模式进行分析。结果显示：花生基因组中共有26个KNOX基因家族成员，分布在17条染色体上，绝大多数编码酸性蛋白，均为亲水性蛋白，并全部定位于细胞核。系统发育分析可将花生KNOX家族分为ClassⅠ和ClassⅡ两个亚家族，并进一步分为4个亚组。启动子分析发现一些与生长发育、激素和胁迫响应相关的顺式作用调控元件。全生育期组织表达分析结果显示，ClassⅠ类基因表达组织特异性明显，主要在花、营养茎尖、生殖茎尖、果针等组织中高表达；ClassⅡ类基因时空表达更广泛。在7种非生物胁迫处理下，部分基因表达量变化较大，其中5个基因响应特定胁迫，RT-qPCR验证了2个特异性响应PEG胁迫的基因。本研究为进一步探究花生KNOX基因在生长发育、逆境响应中的功能奠定了基础。     

毛果杨BBX基因家族鉴定与生物信息学分析

BBXs(B-box)转录因子家族在植物生长发育和胁迫反应中发挥重要作用。本研究利用生物信息学手段在毛果杨（Populus trichocarpa）基因组筛选并鉴定出28个PtBBXs基因家族成员，对该家族成员进行结构和表达分析表明，PtBBXs基因不均匀地分布于15条染色体上，其编码的氨基酸残基数介于184～514，全部为酸性蛋白质。依据基因结构和蛋白质保守基序，可将其分为5个组（A～E），全基因组加倍事件是PtBBXs家族基因数量扩增的主要方式。PtBBX家族基因的启动子区域包含大量激素（脱落酸、赤霉素，和水杨酸等）与非生物胁迫（干旱、低温）响应相关的元件，大多数PtBBXs基因在叶片中高表达，而少量PtBBXs基因（PtBBX5/11/12/28）在根或花序中高表达。转录组数据分析表明，PtBBXs在响应非生物胁迫过程中分工不同，组A和组D的多数成员响应了茉莉酸、水杨酸和低温处理，组B(PtBBX16/19)和组C(PtBBX1/2)基因同时响应盐和干旱胁迫。这些结果为今后进一步挖掘PtBBX基因家族成员功能，以及创制林木抗逆新种质，提供了重要的理论依据。