茶树DELLA基因家族的鉴定及表达分析

利用生物信息学方法,从茶树(Camellia sinensis (L.) O. Ktze.)全基因组数据库中分析获得DELLA蛋白的家族成员,并对它们的系统进化关系、蛋白序列特征、基因表达特异性及其与茶树次生代谢物的相关性进行分析。结果显示:茶树基因组中共有5个DELLA基因,分别为:TEA009882 (CsGAI)、TEA022818 (CsRGA1)、TEA010112 (CsRGL1)、TEA008736 (CsRGL2)和TEA020933 (CsRGL3);其编码的氨基酸数量在525～594之间,均定位于细胞核。该蛋白的二级和三级结构分析结果表明,茶树DELLA蛋白结构中含有大量的α螺旋及少量β转角结构。蛋白保守结构域分析结果显示该蛋白与拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.)Heynh.)具有高度的同源性,均具有GRAS、DELLA等保守结构域。基因的表达特异性分析结果表明,在茶树不同组织部位中,TEA009882、TEA022818和TEA010112基因的表达量均较高,而TEA020933和TEA008736的表达量在各组织中均较低;茶树DELLA基因的表达受到干旱、NaCl、低温及茉莉酸甲酯等非生物逆境胁迫的调控,且其表达量与茶树次生代谢物的积累间存在相关性。推测茶树DELLA基因广泛参与了茶树生长发育及非生物逆境胁迫的响应,以及对次生代谢物生物合成过程的调控。     

茶树脯氨酸转运蛋白基因鉴定及表达分析

脯氨酸转运蛋白在植物体内脯氨酸的分配及响应多种非生物逆境胁迫过程中发挥着重要作用。为明确茶树体内脯氨酸转运蛋白家族情况,该研究从全基因组水平鉴定获得茶树脯氨酸转运蛋白家族成员,进行了系统进化关系、蛋白结构、基因表达特异性等分析。结果表明:(1)茶树中有6个脯氨酸转运蛋白基因,长度为1 326～1 725 bp之间,编码氨基酸数目在441～574 aa之间,蛋白质分子质量在48.5～63.0 kD之间,等电点为8.51～9.41,大部分为碱性蛋白,其结构中含有大量的α-螺旋和自由卷曲,少量的延长链和β-转角结构。(2)亚细胞定位分析结果显示,茶树CsProT1、CsProT2、CsProT4、CsProT5和CsProT6蛋白定位于细胞膜,CsProT3蛋白则定位于高尔基体。(3)CsProTs蛋白中含9～11个典型的跨膜结构域,其三级结构与保守基序特征均与拟南芥高度相似,具有高度的保守性,不同成员间氨基酸序列相似性达40.14%。(4)基因表达特异性分析显示,CsProT1,CsProT2和CsProT3基因在各个组织部位的表达量均较高,CsProT4、CsProT5和CsProT6表达量均较低,且CsProT1基因的表达量最高;除CsProT5基因外,CsProTs蛋白家族的基因均受到NaCl、干旱及冷胁迫的诱导表达。(5)蛋白相互作用分析结果显示,CsProTs蛋白可与脯氨酸氧化酶ERD5,脯氨酸生物合成限速酶P5CS1、P5CS2和δ-吡咯啉-5-羧酸脱氢酶ALDH12A1等脯氨酸合成,转运及降解有关的蛋白相互作用,共同调控茶树体内脯氨酸的含量。研究认为,茶树6个CsProTs蛋白可共同参与茶树体内脯氨酸的转运平衡及对多种非生物逆境胁迫响应的过程。     

茶树CsTMFs的克隆与表达分析

基于茶树全基因组数据,筛选鉴定茶树（Camellia sinensis(L.)O. Ktze.）TATA元件调控因子（TATA element modulatory factor,TMF）CsTMFs家族成员。克隆茶树叶片中CsTMFs编码区序列（coding sequence,CDS）全长。使用生物信息学方法对CsTMFs的保守结构域、基因结构、理化性质、蛋白质二级结构和系统发育关系进行分析。基于转录组数据进行组织特异性表达的分析,利用实时荧光定量聚合酶链式反应（real-time fluorescent quantitative PCR,qPCR）方法检测冷胁迫和干旱胁迫下CsTMFs在茶树叶片中的表达情况。结果表明,CsTMFs家族有2个CsTMF基因,序列CDS区长度分别为2 934和2 904 bp,均具有TMF-DNA-bd和TMF-TATA-bd完整保守结构域。CsTMF1和CsTMF2具有组织表达特异性,CsTMF1在花与茎中表达较高,CsTMF2在成熟叶与茎中表达较高。CsTMF1受冷胁迫诱导,CsTMF2受冷胁迫和干旱胁迫抑制。     

玉米逆境胁迫响应基因ZmbZIP71的克隆与表达分析

从玉米抗旱自交系CN165中克隆得到了与逆境胁迫相关的bZIP（Basic Leucine Zipper Protein）基因ZmbZIP71。ZmbZIP71基因的开放阅读框为471 bp,编码156个氨基酸,相对分子量为17.59 kDa,等电点pI为9.24。ZmbZIP71蛋白包含真核生物中高度保守的bZIP结构域。ZmbZIP71基因编码区的基因组序列全长为1050 bp,包括2个外显子和1个内含子。利用实时荧光定量PCR方法分析ZmbZIP71基因在玉米不同组织中的表达差异及其在非生物胁迫下的表达模式,结果表明,该基因在雄穗和雌穗中的表达量较高,并且受干旱、低温和ABA的胁迫诱导上调表达,在盐胁迫下下调表达。     

棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4启动子的克隆及序列分析

棉纤维是纺织行业的重要原材料。赤霉素能够促进棉纤维的生长发育,而DELLA蛋白又是赤霉素信号转导通路中的关键调控因子,因此研究棉花DELLA蛋白基因表达的调控模式,对阐明棉纤维生长发育的分子生物学机理具有重要意义。本研究根据两个棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4序列设计特异引物,以陆地棉新陆早13号的基因组DNA为模板,用基因组步移法克隆了棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4的启动子。对两个启动子进行序列分析表明,这两个启动子均具有真核生物典型的核心启动子区,同时也都具有一个或多个光响应元件和赤霉素响应元件,说明这两个基因可能受到光信号和赤霉素信号的调控,这与其它植物中DELLA蛋白的表达模式是一致的。此外,这两个启动子还具有各种转录调控相关的顺式作用元件,比如其它激素类的响应元件和逆境胁迫响应元件,说明棉花中DELLA蛋白基因可能在响应其它激素信号以及逆境胁迫中也起到一定的作用。     

茶树CsGIF1基因的克隆及其对非生物胁迫的响应分析

GRF-INTERACTING FACTOR(GIF)基因是植物叶发育相关的一类重要调控因子,调节植物叶器官的发育。该研究采用RT-PCR方法从茶树‘龙井43’的叶片cDNA中克隆得到CsGIF1基因,并利用荧光定量PCR分析了高温(38℃)、低温(4℃)、干旱(200g·L-1 PEG)、盐胁迫(200mmol·L-1 NaCl)下CsGIF1基因的表达水平,以明确CsGIF1基因对非生物胁迫的应答特性,为茶树CsGIF1基因的逆境调控以及功能研究奠定基础。结果表明:(1)CsGIF1基因长666bp,编码221个氨基酸,具有高度保守的SNH结构域;CsGIF1蛋白为亲水性蛋白,理论相对分子质量为23 380,理论等电点为6.30;酸性氨基酸、碱性氨基酸、芳香族氨基酸和脂肪族氨基酸所占比例分别为7%、9%、5%和13%;蛋白质二级结构显示,茶树CsGIF1蛋白由38.01%的α-螺旋、10.41%的β-折叠、12.22%的延伸主链和39.37%的随机卷曲组成。(2)qRT-PCR分析显示,茶树CsGIF1基因对于4种非生物胁迫均有响应,但不同处理响应不同。其中在胁迫2h时,高温和低温胁迫下,CsGIF1基因相对表达量显著增加,分别为对照的3.54和5.69倍,且高低温胁迫下,CsGIF1基因响应明显大于干旱和盐胁迫。在高温、低温、干旱、盐等不同胁迫处理下,茶树‘龙井43’中CsGIF1基因的表达水平与对照相比均差异明显。     

荔枝VQ基因家族鉴定及参与非生物胁迫应答的功能分析

【目的】鉴定荔枝（Litchi chinensis）VQ基因家族,并分析其在不同组织的表达模式及在低温、高温、干旱和盐胁迫下的应答。【方法】利用生物信息学方法在荔枝全基因组中鉴定LcVQ基因,并对其理化性质、亚细胞定位、基因结构和保守基序等进行分析;利用MEGA 6.0软件构建系统发育树,分析荔枝、拟南芥和水稻VQ蛋白的系统发育关系;使用实时荧光定量PCR（quantitative real-time PCR,qRT-PCR）技术验证LcVQs对多种非生物胁迫的响应情况。【结果】荔枝中共鉴定获得可聚类为9个亚族的18个VQ基因（LcVQ1-LcVQ18）,依次分布在荔枝的11条染色体上,其编码蛋白的氨基酸数介于111~427 aa之间,分子质量为12.48~45.49 kD;除LcVQ15和LcVQ17定位于细胞质之外,其余LcVQ蛋白均定位于细胞核。顺式作用元件预测分析结果表明,LcVQs启动子区域包含大量植物生长发育响应元件、激素响应元件及逆境响应元件。转录组数据分析结果显示,不同组织中LcVQs的表达量具有明显差异,总体上分为普遍性表达和特异性表达。qRT-PCR结果显示,在低温、高温、干旱和盐胁迫处理下的3 h内,与对照相比分别有4,3,3,4个LcVQs明显上调表达,可快速响应相应胁迫。【结论】荔枝全基因组中有18个VQ家族成员,具有典型VQ保守结构域,能差异化响应多种非生物胁迫,为研究其抗逆机制奠定了基础。     

DREB转录因子与植物非生物胁迫抗性研究进展

干旱、高盐、低温等非生物逆境胁迫严重影响植物的生长发育和作物产量。转录因子在调节植物生长发育以及对外界环境胁迫的响应方面起着重要作用。DREB类转录因子即干旱应答元件结合蛋白是AP2/EREBP转录因子家族的一个亚家族,拥有保守的AP2结构域,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异结合,在非生物逆境胁迫条件下调节一系列下游胁迫诱导逆境应答基因的表达,从而提高植物耐逆性。就DREB转录因子的结构特点、表达调控以及提高转基因植株胁迫耐受性的最新研究成果进行了评述。     

茶树CsLEA5基因的克隆及表达分析

该研究以茶树‘龙井长叶’为材料,克隆获得了茶树胚胎发育晚期丰富蛋白基因CsLEA5的cDNA序列,该序列全长515 bp,包含一个375 bp的开放阅读框,编码124个氨基酸,预测蛋白分子量为13.5 kD,理论等电点为5.92。蛋白序列分析结果显示,CsLEA5为高亲水性和稳定性蛋白,且含有一个典型的LEA_3保守结构域,属于LEA蛋白中LEA_3亚家族成员。CsLEA5基因启动子区域包含多种与逆境响应相关的顺式作用元件,如乙烯响应元件（ERE）、胁迫响应元件（STRE）、创伤响应元件（WUN motif）及MYB、MYC转录因子识别位点等。qRT PCR分析显示,CsLEA5基因表达具有明显的组织特异性,在叶片中的表达量最高,其次是嫩茎,而在其他组织器官中的表达量较低,且CsLEA5基因表达受低温和干旱胁迫的诱导。研究表明,CsLEA5基因可能在茶树响应低温和干旱胁迫过程中发挥重要作用。该研究对了解茶树抗逆分子机制,筛选抗性候选基因资源提供了重要理论依据。     

番茄低温响应转录因子SlNAC41克隆及表达分析

NAC转录因子在调控植物生长发育、生物及非生物逆境应答中发挥着重要作用。前期,我们通过对番茄幼苗在低温胁迫下的基因表达谱进行分析,发现Unigene SGN-U212711受低温诱导表达强烈。本研究从番茄中克隆了该基因,命名为Sl NAC41,其开放阅读框（ORF）1 173 bp,编码390个氨基酸,蛋白N端具有典型的NAM结构域,属于NAC转录因子家族成员。预测Sl NAC41蛋白分子量为43.5 k Da,等电点为5.2。实时荧光定量PCR分析表明,Sl NAC41在番茄各组织均有表达,在花中的表达量最高,在红熟果中的表达量最低。低温、干旱、高盐、甲基紫精（MV）、脱落酸（ABA）及乙烯利（ETH）处理均能诱导该基因的表达,其中,以低温和干旱诱导表达最为强烈。利用PLACE和Plant CARE对启动子序列进行预测分析发现,Sl NAC41启动子区含有大量响应光、病原菌侵染、激素、低温、脱水及盐胁迫的顺式作用元件。这些结果表明,Sl NAC41可能在番茄生物及非生物胁迫应答中发挥重要调控作用。     

甜橙SPL基因家族的鉴定及其在成花诱导中的表达分析北大核心CSCD

SQUAMOSA promoter binding protein-like(SPL)基因家族在植物成花转变与花器发育中起重要调控作用。该研究基于甜橙(Citrus sinensis)基因组数据,对甜橙SPL家族成员及其启动子区进行生物信息学分析,并采用qRT-PCR检测其在甜橙不同花期、不同品种花芽和叶片的表达特异性,为深入探讨CsSPLs基因在甜橙成花诱导中的功能奠定基础。结果表明:(1)共鉴定出15个含有SBP保守结构域的甜橙SPL基因,分别命名为CsSPL1~CsSPL15,且分布在6条染色体上。(2)CsSPL1~CsSPL15基因编码的氨基酸长度为130~1075 aa,分子量为14.73~118.75 kD;系统发育分析将15个CsSPLs分成8个亚族,除CsSPL4外,其他CsSPLs均与拟南芥SPL家族成员聚类。(3)顺式作用元件分析表明,CsSPLs启动子中含有大量光响应元件,推测CsSPLs可能在甜橙响应光调控过程中发挥重要作用。(4)转录组数据分析显示,CsSPLs在甜橙愈伤组织、花、叶片和果实中均有表达,其中CsSPL3、CsSPL4、CsSPL7、CsSPL8、CsSPL12、CsSPL13、CsSPL14和CsSPL15在花和叶片中较高表达。(5)qRT-PCR检测显示,CsSPLs在甜橙不同花期、不同品种花芽和叶片组织中的表达均有显著上调趋势,且采样各时期下早花品种‘赣南早’花芽和叶片中CsSPLs的表达量均高于对照品种‘纽荷尔’。研究认为,甜橙成花组织内CsSPLs基因的高表达是其花期提前的主要因素。     

油茶DELLA基因的克隆和表达分析

为了解油茶(Camellia oleifera)中DELLA基因功能及其表达特性,采用PCR技术从‘长林4号’油茶中克隆了5个DELLA基因,命名为CoDELLA1~CoDELLA5,对其编码的5个CoDELLA蛋白进行生物信息学分析,并对5个DELLA基因的表达模式以及激素响应活性进行了分析。结果表明,5个CoDELLA基因的编码区长度分别为1 791、1 875、1 848、1 593和1 581 bp,分别编码597、625、616、531和527个氨基酸。5个CoDELLA蛋白的氨基酸序列相似度较高,丝氨酸残基为主要的潜在磷酸化位点,CoDELLA蛋白N端均含有典型的DELLA结构域。不同物种中DELLA蛋白的系统发育存在差异,CoDELLA与茶树的CsDELLA同源性最高。CoDELLA基因在油茶不同组织中的表达也存在差异,且赤霉素和独脚金内酯等多种激素和非生物胁迫对其表达具有调控作用。CoDELLA基因可能在油茶的生长发育和非生物胁迫响应中发挥重要作用。     

中华按蚊含LY结构域的胰蛋白酶基因的分子特征及表达模式分析

【目的】在全基因组鉴定中华按蚊Anopheles sinensis 含LY结构域的胰蛋白酶(LY-trypsin)基因,探究其分子特征、表达模式以及系统发育关系。【方法】以NCBI数据库中冈比亚按蚊An. gambiae、埃及伊蚊Aedes aegypti、黑腹果蝇Drosophila melanogaster和致倦库蚊Culex quinquefasciatus胰蛋白酶家族基因的氨基酸序列为询问序列,通过本地Blast搜索鉴定中华按蚊基因组中胰蛋白酶基因,将中华按蚊LY-trypsin基因依据其结构域特征及系统发生关系进行命名LY-trypsin。运用生物信息学方法预测中华按蚊LY-trypsin基因的结构、在scaffold的定位、结构域、系统发育关系,及其在中华按蚊不同发育时期、成蚊不同组织和吸血前后雌成蚊中的表达模式。【结果】在中华按蚊全基因组上共鉴定得到27个中华按蚊LY-trypsin基因;在黑腹果蝇、冈比亚按蚊、致倦库蚊和埃及伊蚊基因组中未鉴定到LY-trypsin基因。中华按蚊27个LY-trypsin基因分别编码329~1 125个氨基酸,分子量在36.8~125.5 kD之间,等电点在4.73~8.94间。其中, 20个LY-trypsin具有信号肽,信号肽长度在10~62个氨基酸之间。这27个中华按蚊LY-trypsin基因的外显子数为1~5个,内含子长62~20 093 bp。这27个中华按蚊LY-trypsin基因被定位在11个scaffold上,其编码蛋白均有YWTD保守基序(LY基序);其中16个LY-trypsin基因所编码的氨基酸序列具有含丝氨酸、组氨酸和天冬氨酸催化三联体的活性位点。系统发育结果表明,27个中华按蚊LY-trypsin基因聚类为4个分支。在不同发育阶段,半数以上的中华按蚊LY-trypsin基因显示出相似的表达模式,在幼虫阶段均高水平表达;在中华按蚊不同成蚊组织中,LY-trypsin基因均有不同程度的表达;吸血前后雌蚊中仅有个别基因表达,并未发现表达特异性。【结论】本研究在中华按蚊基因组中首次鉴定出LY trypsin基因,并揭示了这些LY-trypsin基因的分子特征和表达模式,为LY-trypsin基因的进一步研究提供了信息框架。     

香樟全基因组WRKY基因家族的鉴定与分析

WRKY转录因子基因家族是植物特有的一类基因,在植物次生代谢、生物和非生物胁迫中起着重要的调节作用。本研究通过生物信息学方法,在香樟(Cinnamomum camphora (L.) Presl.)全基因组中鉴定了60个WRKY基因(CcWRKY),并将其分为Group Ⅰ~ Ⅲ,其中,Group Ⅰ和Ⅲ的成员发生了收缩现象;片段复制是CcWRKY基因扩张的主要驱动力;Group Ⅰ有完整的WRKY结构域和锌指基序,但Group Ⅱ、Ⅲ存在结构域和锌指基序的丢失和变异现象;CcWRKY基因的启动子区域具有激素类和胁迫类响应顺式作用元件;基因表达分析结果显示,在贫瘠环境(未施肥)中大多数CcWRKY基因在香樟各个组织中高表达,而环境适宜(施肥)条件下,基因表达量降低。     

Dominant and pleiotropic effects of a GAI gene in wheat results from a lack of interaction between DELLA and GID1

Dominance, semidominance, and recessiveness are important modes of Mendelian inheritance. The phytohormone gibberellin (GA) regulates many plant growth and developmental processes. The previously cloned semidominant GA-insensitive (GAI) genes Reduced height1 (Rht1) and Rht2 in wheat (Triticum aestivum) were the basis of the Green Revolution. However, no completely dominant GAI gene has been cloned. Here, we report the molecular characterization of Rht-B1c, a dominant GAI allele in wheat that confers more extreme characteristics than its incompletely dominant alleles. Rht-B1c is caused by a terminal repeat retrotransposons in miniature insertion in the DELLA domain. Yeast two-hybrid assays showed that Rht-B1c protein fails to interact with GA-INSENSITIVE DWARF1 (GID1), thereby blocking GA responses and resulting in extreme dwarfism and pleiotropic effects. By contrast, Rht-B1b protein only reduces interaction with GID1. Furthermore, we analyzed its functions using near-isogenic lines and examined its molecular mechanisms in transgenic rice. These results indicated that the affinity between GID1 and DELLA proteins is key to regulation of the stability of DELLA proteins, and differential interactions determine dominant and semidominant gene responses to GA.     

Functional analysis of cotton orthologs of GA signal transduction factors GID1 and SLR1

Gibberellic acid (GA) is both necessary and sufficient to promote fiber elongation in cultured fertilized ovules of the upland cotton variety Coker 312. This is likely due to the temporal and spatial regulation of GA biosynthesis, perception, and subsequent signal transduction that leads to alterations in gene expression and morphology. Our results indicate that the initiation of fiber elongation by the application of GA to cultured ovules corresponds with increased expression of genes that encode xyloglucan endotransglycosylase/hydrolase (XTH) and expansin (EXP) that are involved in promoting cell elongation. To gain a better understanding of the GA signaling components in cotton, that lead to such changes in gene expression, two GA receptor genes (GhGID1a and GhGID1b) and two DELLA protein genes (GhSLR1a and GhSLR1b) that are orthologous to the rice GA receptor (GID1) and the rice DELLA gene (SLR1), respectively, were characterized. Similar to the GA biosynthetic genes, expression of GhGID1a and GhGID1b is under the negative regulation by GA while GA positively regulates GhSLR1a. Recombinant GST-GhGID1s showed GA-binding activity in vitro that was augmented in the presence of GhSLR1a, GhSLR1b, or rice SLR1, indicating complex formation between the receptors and repressor proteins. This was further supported by the GA-dependent interaction of these proteins in yeast cells. Ectopic expression of the GhGID1a in the rice gid1-3 mutant plants rescued the GA-insensitive dwarf phenotype, which demonstrates that it is a functional GA receptor. Furthermore, ectopic expression of GhSLR1b in wild type Arabidopsis led to reduced growth and upregulated expression of DELLA-responsive genes.