水稻扩展蛋白家族的生物信息学分析

扩展蛋白是植物细胞壁的重要组成部分,具有松驰细胞壁和增加细胞壁柔韧性的作用,在植物的生长发育及抗性等方面起到重要的作用。水稻的全基因组序列统计分析显示,水稻扩展蛋白基因家族包含58个成员,分属于A(34)、B(19)、LA(4)和LB(1)4个亚家族,分布在水稻10条染色体上的58个位点,且同一亚家族成员有成簇存在的现象。扩展蛋白基因长度范围为687~1128 bp,编码蛋白质具有保守的结构域,以及保守的半胱氨酸和色氨酸残基。多数情况下,亚家族成员之间的氨基酸一致率小于35%,而同一亚家族成员之间的氨基酸一致率大于35%。在内含子、外显子组成模式上,水稻扩展蛋白呈现明显的亚家族特异性,除个别基因以外,A类基因含有1或2个内含子,B类含有3个内含子,LA和LB类含有4个内含子。密码子使用统计显示,与其他物种相比,水稻中的扩展蛋白具有更多的密码子使用偏好性,有26个高频密码子存在。研究结果展示了水稻扩展蛋白基因家族的基本信息,为深入研究扩展蛋白基因的功能、探讨物种间的进化关系奠定基础。     

两种茶树全基因组数据的密码子偏好性比较分析

研究密码子偏好性有利于提高两种茶树外源基因表达水平及探讨遗传进化规律。该研究综合运用CodonW 1.4.2、SPSS 22.0软件以及Perl、Python语言,系统分析两种茶树基因组CDS序列,从而得出密码子偏好模式和高频密码子,明确密码子使用的变异来源。结果表明:两种茶树基因组的密码子偏好性主要受突变压力影响,在一定程度上也受到自然选择等因素的影响;两种茶树基因组倾向于使用以A/T结尾的密码子,且它们在密码子使用模式上具有较高的相似性;"云抗10号"(Camellia sinensis var. assamica, CSA)茶树基因的异源表达受体优先选择拟南芥、毛果杨和烟草,"舒茶早"(Camellia sinensis var. assmica, CSS)茶树基因的异源表达受体首选毛果杨。上述结果为分析两种茶树的进化规律、提高它们基因组中的基因异源表达效率提供了重要依据。     

缺Cu~（2＋）和Zn~（2＋）对水稻OsNRAMP家族基因表达与主要金属离子吸收的影响

对野生型水稻进行缺Cu2＋和Zn2＋处理,利用定量RT-PCR技术分析OsNARAMP家族不同基因的表达情况,并采用ICP-MS技术检测在水稻根、茎叶中Fe、Zn、Cu和Mn等元素的积累情况。结果表明水稻中OsNRAMP家族有9个基因,可分为3个亚类;OsNRAMP5可能参与了Cu2＋的吸收和转运,而OsNRAMP2和OsNRAMP3可能参与Zn2＋吸收和转运。同时缺Cu2＋和Zn2＋能刺激Fe2＋离子在水稻根和茎叶中的积累,减缓Mn2＋离子在根中的吸收;而缺Cu2＋减缓水稻中Zn2＋离子的吸收。这些金属离子吸收的情况和OsNRAMP家族可能存在密切关系。     

毛果杨LBD基因家族的全基因组分析

LBD(lateral organ boundaries domain)蛋白是一类植物所特有的转录因子,在调控植物生长发育、营养代谢以及逆境胁迫的响应等方面发挥重要作用。然而,在基因组水平上对毛果杨LBD基因家族的研究还未曾有过报道。本研究利用生物信息学方法,从毛果杨基因组中鉴定出57个LBD基因并预测其分子量和等电点,这些基因分布于毛果杨18条染色体和Scaffold_65、Scaffold_86上。该家族成员基因结构简单,内含子数目不超过2个。进化关系分析显示毛果杨LBD基因可分为ClassⅠ和ClassⅡ两大类,细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅰd、Ⅰe、Ⅱa和Ⅱb等7个亚类。分析基因表达模式发现,该家族成员的表达具有一定时空特异性,并响应氮素胁迫处理。本研究为深入研究毛果杨LBD基因的功能奠定了基础。     

毛竹扩展蛋白基因的鉴定及其表达分析

为全面了解毛竹中扩展蛋白的分子特征和表达模式,本研究利用生物信息学方法在毛竹基因组中共鉴定出43个扩展蛋白基因家族成员,属于4个亚家族（EXPA、EXPB、EXLA和EXLB）,分别包含18、17、7和1个成员,分布在37个Scaffold上。除PeEXPA1没有内含子和PeEXLB1含有11个内含子外,其它毛竹扩展蛋白基因的内含子为1~5个。毛竹扩展蛋白基因编码蛋白长度为91~508个氨基酸,所有的氨基酸都具有高频密码子,大部分蛋白为碱性亲水性蛋白。大部分毛竹扩展蛋白二级结构中β转角占比例最少,而β折叠占比例最大,各亚家族多数成员具有类似的三级结构。qRT-PCR结果表明,18个EXPA亚家族成员在不同组织表达存在明显差异,除PeEXPA2、PeEXPA6外其它基因表达的最高值均出现在叶片中,表明它们可能在叶片生长过程中发挥着重要作用。     

芜菁BrrHMA2.1和BrrHMA2.2基因的克隆与表达

该研究以芜菁(Brassica rapa var.rapa)为材料,克隆得到重金属ATP酶(HMA)家族1对同源基因BrrHMA2.1(GenBank登录号:MG_283237)和BrrHMA2.2(GenBank登录号:MG_283238),并对其蛋白质序列特征和基因表达模式进行分析。结果表明:(1)BrrHMA2.1和BrrHMA2.2基因的全长开放阅读框分别为2 619和2 724bp,分别编码872和907个氨基酸;序列结构分析显示,BrrHMA2.1和BrrHMA2.2蛋白含有6个跨膜区和HMA蛋白家族保守结构域;系统进化树结果显示,BrrHMA2.1和BrrHMA2.2蛋白与拟南芥HMA家族成员AtHMA2进化关系最近。(2)亚细胞定位结果表明,BrrHMA2.1和BrrHMA2.2蛋白都定位于细胞膜上。(3)qRT-PCR分析表明,芜菁生长初期BrrHMA2.1和BrrHMA2.2基因在叶中的表达量最高;随着生长时间的延长,叶中的表达量逐渐降低,而根中的表达量逐渐增加。(4)研究发现,BrrHMA2.1受Cd~(2+)、Zn~(2+)、Na~+、Mg~(2+)胁迫诱导表达,BrrHMA2.2受Cd~(2+)、Na~+、Cu~(2+)胁迫诱导表达,表明2个基因可能参与这些金属离子的转运过程。该研究结果为进一步研究植物HMA基因在重金属吸收和转运过程中的功能奠定了基础。     

毛果杨GATA基因家族全基因组水平鉴定及表达分析

GATA转录因子基因家族在植物生长发育、细胞分化以及响应环境变化中具有重要作用。然而,目前在木本植物中尚无该基因家族全基因组水平的分析报导。本项研究从基因组水平对毛果杨GATA家族成员的数量、基因结构、染色体定位、系统进化、编码蛋白的理化特征和保守基序等信息进行了系统分析,结果表明,毛果杨GATA家族包含39个基因,共分布于15条染色体上,其中5号染色体上含有6个基因,9号、13号和19号染色体含有基因数量为1,其余染色上无基因分布。该家族各基因的结构与编码蛋白的基本特性均存在一定异性,可分成4个亚族。qRT-PCR研究表明,GATA家族各基因在不同发育阶段的茎部表达量存在明显差异,且盐胁迫对各基因的表达特性影响显著。以上结果表明,毛果杨GATA家族基因在复制后,基因的结构与功能产生了明显分化,其中部分基因在毛果杨次生生长与盐胁迫响应中可能具有重要作用。本项研究为全面解析毛果杨GATA家族各成员在其生长发育与盐胁迫响应中的生物学功能奠定了基础。     

植物重金属转运蛋白P_(1B)-ATPase结构和功能研究进展

植物调节体内重金属的累积量以维持自身生存,其中,金属阳离子转运蛋白发挥了关键作用。P1B-ATPase是在生物中广泛存在的P-ATPase中的一个亚族,也是P-ATPase多个亚族中唯一参与重金属稳态的转运蛋白。拟南芥中共发现8个P1B-ATPase。研究表明,P1B-ATPase在植物体内具有维持金属的稳态、转运以及金属解毒的功能;与金属离子在根部区域的活化、吸收、地上部分的运输、贮存,以及植物对重金属的耐受性均相关。以下综述了P1B-ATPase的进化分类、结构特征以及功能方面的最新研究进展,并展望了其在植物修复领域的应用前景。     

五个鸡群中催乳素基因密码子使用频率与产蛋量的关系分析

通过鸡催乳素基因编码区基因扫描,发现3个SNP位点,分别是外显子2的C1607T、外显子5的C5749T和T5821C,3个SNP均没有改变氨基酸的编码.同时发现不同的单倍型间存在不同的密码子使用频率.对5个鸡群共370只鸡进行SSCP的基因型检测,共发现7种单倍型,结合44周龄产蛋量分析,发现不同单倍型的平均产蛋量存在显著性差异.结合密码子使用频率分析,发现使用高频密码子的单倍型个体产蛋量相对高.通过酶联免疫方法检测催乳素表达量,结果显示,使用高频密码子的个体,激素水平较高,其中使用2个高频密码子的单倍型个体和使用1.5个密码子的单倍型个体之间存在极显著差异.研究结果表明,密码子使用频率与产蛋量在一定的范围内呈现正相关趋势.     

毛果杨CNGC家族全基因组鉴定及胁迫响应分析

植物环核苷酸门控离子通道（cyclic nucleotide-gated channels,CNGC）家族具有多种生物学功能,尤其是在植物的生长发育及逆境胁迫响应中发挥着重要的作用。本研究通过生物信息学方法及qRT-PCR对PtrCNGC家族成员蛋白的基本理化性质与结构特征、系统发育、基因结构和保守基序、启动子顺式作用元件,以及基因表达模式进行分析。结果表明：在毛果杨（Populus trichocarpa）全基因组中共鉴定出19个PtrCNGC基因,PtrCNGC家族成员可分为4个亚群（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ亚群）,其中第Ⅳ亚群分为2个亚组（Ⅳa组和Ⅳb组）。PtrCNGC基因编码的蛋白均为碱性蛋白,此外,该家族仅有1个成员为疏水性蛋白,其余成员全部为亲水性蛋白。19个PtrCNGC不均匀地分布于毛果杨的11条染色体上,剩余8条染色体上没有成员分布。PtrCNGC家族包含7对同源基因且它们之间的K_a/K_s值均远小于1。PtrCNGC家族各亚群成员之间的基因结构、蛋白保守基序分布差异较小。启动子顺式作用元件预测分析发现,PtrCNGC基因序列启动子区域存在响应多种激素以及逆境胁迫相关的作用元件。qRT-PCR结果表明,PtrCNGC家族在不同组织中的表达具有特异性,在茎中的表达量较高,在根和叶中的表达量较低;在盐胁迫和干旱胁迫下,PtrCNGC家族同一分支上的多数成员表现出相似的表达模式。本研究结果为进一步研究毛果杨CNGC家族在非生物胁迫中的功能提供参考。     

Comparative expression analysis of heavy metal ATPase subfamily genes between Cd-tolerant and Cd-sensitive turnip landraces

The heavy metal ATPase(HMA)subfamily is mainly involved in heavy metal(HM)tolerance and transport in plants,but an understanding of the definite roles and mechanisms of most HMA members are still limited.In the present study,we identified 14 candidate HMA genes named BrrHMAl—BrrHMA8 from the turnip genome and analyzed the phylogeny,gene structure,chromosome distribution,and conserved domains and motifs of HMAs in turnip(Brassica rapa var.rapa).According to our phylogenetic tree,the BrrHMAs are divided into a Zn/Cd/Co/Pb subclass and Cu/Ag subclass.The BrrHMA members show similar structural characteristics within subclasses.To explore the roles of BrrHMAs in turnip,we compared the gene sequences and expression patterns of the BrrHMA genes between a Cd-tolerant landrace and a Cd-sensitive landrace.Most BrrHMA genes showed similar spatial expression patterns in both Cd-tolerant and Cd-sensitive turnip landraces;some BrrHMA genes,however,were differentially expressed in specific tissue in Cd-tolerant and Cd-sensitive turnip.Specifically,BrrHMA genes in the Zn/Cd/Co/Pb subclass shared the same coding sequence but were differentially expressed in Cd-tolerant and Cd-sensitive turnip landraces under Cd stress.Our findings suggest that the stable expression and up-regulated expression of BrrHMA Zn/Cd/Co/Pb subclass genes under Cd stress may contribute to the higher Cd tolerance of turnip landraces.     

五种重金属离子对克氏原螯虾（Procambarus clarkiai）的急性毒性作用研究

采用静水生物法、充气和恒温法研究了5种重金属离子对克氏原螯虾的急性毒性作用,并以直线内插法得出了24 h、48 h、72 h和96 h的半致死量（LD50）.研究结果表明：重金属离子的毒性顺序由大到小依次为：Hg2＋、Cd2＋、Cu2＋、Pb2＋和Zn2＋.根据毒性分级标准,5种重金属离子对克氏原螫虾均为高毒物,其安全质量浓度依次为：0.0143 mg/L、0.0322 mg/L、0.0401 mg/L、0.1995 ms/L和0.2795 mg/L.以浓度对数和死亡率进行回归分析,分别得出了5种重金属离子对螯虾24 h、48 h和96 h的回归方程.     

Novel Zn2+ coordination by the regulatory N-terminus metal binding domain of Arabidopsis thaliana Zn(2+)-ATPase HMA2

Arabidopsis thaliana HMA2 is a Zn2+ transporting P1B-type ATPase required for maintaining plant metal homeostasis. HMA2 and all eukaryote Zn2+-ATPases have unique conserved N- and C-terminal sequences that differentiate them from other P1B-type ATPases. Homology modeling and structural comparison by circular dichroism indicate that the 75 amino acid long HMA2 N-terminus shares the betaalphabetabetaalpha folding present in most P1B-type ATPase N-terminal metal binding domains (N-MBDs). However, the characteristic metal binding sequence CysXXCys is replaced by Cys17CysXXGlu21, a sequence present in all plant Zn2+-ATPases. The isolated HMA2 N-MBD fragment binds a single Zn2+ (Kd 0.18 microM), Cd2+ (Kd 0.27 microM), or, with less affinity, Cu+ (Kd 13 microM). Mutagenesis studies indicate that Cys17, Cys18, and Glu21 participate in Zn2+ and Cd2+ coordination, while Cys17 and Glu21, but not Cys18, are required for Cu+ binding. Interestingly, the Glu21Cys mutation that generates a CysCysXXCys site is unable to bind Zn2+ or Cd2+ but it binds Cu+ with affinity (Kd 1 microM) higher than wild type N-MBD. Truncated HMA2 lacking the N-MBD showed reduced ATPase activity without significant changes in metal binding to transmembrane metal binding sites. Likewise, ATPase activity of HMA2 carrying mutations Cys17Ala, Cys18Ala, and Glu21Ala/Cys was also reduced but showed a metal dependence similar to the wild type enzyme. These observations suggest that plant Zn2+-ATPase N-MBDs have a folding and function similar to Cu+-ATPase N-MBDs. However, the unique Zn2+ coordination via two thiols and a carboxyl group provides selective binding of the activating metals to these regulatory domains. Metal binding through these side chains, although found in different sequences, appears as a common feature of both bacterial and eukaryotic Zn2+-ATPase N-MBDs.     

6种重金属对赤子爱胜蚓的急性毒性效应与风险评价

【背景】近年来,土壤重金属污染问题日益凸显,对生态环境、食品安全和人体健康构成了严重威胁,其急性毒性尚未明确。【方法】采用滤纸接触法和人工土壤法测定了铜(Cu2+)、锌(Zn2+)、镍(Ni+)、镉(Cd2+)、铅(Pb2+)和锰(Mn2+)等6种重金属对赤子爱胜蚓的急性毒性效应,并参照欧盟指令91/414/EEC标准评价了其环境风险。【结果】滤纸接触法48h测定结果表明,6种重金属对蚯蚓的LC50为3.17(2.53～3.81)～90.42(69.45～140.47)μg.cm-2,其毒性次序为Cu2+>Zn2+>Ni+>Cd2+>Pb2+>Mn2+。人工土壤法14d测定结果表明,6种重金属对蚯蚓的LC50为1347(1236～1453)～6936(6144～8930)mg.kg-1,其毒性次序为Cu2+>Cd2+>Ni+>Zn2+>Mn2+>Pb2+。风险评价结果显示,Cu2+、Zn2+、Ni+、Cd2+、Pb2+和Mn2+等6种重金属的暴露比(toxicity/exposureratio,TER)分别为3.37、4.46、8.68、1428、13.87和5.85。【结论与意义】6种重金属对土壤动物蚯蚓均具有潜在的毒性效应。Cu2+、Zn2+、Ni+、Mn2+等4种重金属对赤子爱胜蚓存在急性毒性风险,而Cd2+和Pb2+对赤子爱胜蚓的急性毒性风险水平是可接受的。该评价结果可为我国制定基于风险的土壤环境质量标准提供依据。     

铜、锌、镉对唐鱼胚胎及初孵仔鱼的急性毒性及安全浓度评价

采用静水法生物测试研究铜（Cu2＋）、锌（Zn2＋）和镉（Cd2＋）对唐鱼（Tanichthys albonubes）胚胎和初孵仔鱼的急性毒性及安全浓度评价。结果显示,Cu2＋对唐鱼胚胎12、24h LC50分别为2.4092mg/L和0.4039mg/L;Zn2＋和Cd2＋对唐鱼胚胎24h LC50分别为372.9mg/L和50.0mg/L。Cu2＋对唐鱼初孵仔鱼12、24和48h LC50都是0.3228mg/L,其安全浓度为0.0986mg/L;Zn2＋对唐鱼初孵仔鱼24、48h LC50分别为72.44mg/L和25.17mg/L,其安全浓度为0.9116mg/L;Cd2＋对唐鱼初孵仔鱼24、48h LC50分别为36.5mg/L和20.59mg/L,其安全浓度为1.9654mg/L。结果表明,重金属元素对唐鱼胚胎和初孵仔鱼毒性依次为Cu2＋〉Cd2＋〉Zn2＋。     

P-type ATPase heavy metal transporters with roles in essential zinc homeostasis in Arabidopsis

Arabidopsis thaliana has eight genes encoding members of the type 1_B heavy metal–transporting subfamily of the P-type ATPases. Three of these transporters, HMA2, HMA3, and HMA4, are closely related to each other and are most similar in sequence to the divalent heavy metal cation transporters of prokaryotes. To determine the function of these transporters in metal homeostasis, we have identified and characterized mutants affected in each. Whereas the individual mutants exhibited no apparent phenotype, hma2 hma4 double mutants had a nutritional deficiency phenotype that could be compensated for by increasing the level of Zn, but not Cu or Co, in the growth medium. Levels of Zn, but not other essential elements, in the shoot tissues of a hma2 hma4 double mutant and, to a lesser extent, of a hma4 single mutant were decreased compared with the wild type. Together, these observations indicate a primary role for HMA2 and HMA4 in essential Zn homeostasis. HMA2promoter- and HMA4promoter-reporter gene constructs provide evidence that HMA2 and HMA4 expression is predominantly in the vascular tissues of roots, stems, and leaves. In addition, expression of the genes in developing anthers was confirmed by RT-PCR and was consistent with a male-sterile phenotype in the double mutant. HMA2 appears to be localized to the plasma membrane, as indicated by protein gel blot analysis of membrane fractions using isoform-specific antibodies and by the visualization of an HMA2-green fluorescent protein fusion by confocal microscopy. These observations are consistent with a role for HMA2 and HMA4 in Zn translocation. hma2 and hma4 mutations both conferred increased sensitivity to Cd in a phytochelatin-deficient mutant background, suggesting that they may also influence Cd detoxification.     

外源NO对缺镁胁迫下玉米幼苗生长和离子平衡的影响

研究了在缺镁胁迫下,外源NO对缺镁玉米幼苗生长、根系活力和离子含量的影响。结果表明,缺镁胁迫使玉米幼苗株高、根长和干鲜重下降,根系活力降低,N元素在地上部和根部分配失调,新叶和老叶中Mg2＋、Cu2＋、Fe3＋、Mn2＋等离子含量下降,Ca2＋、K＋、Zn2＋等离子含量上升。根中Mg2＋离子含量下降,Ca2＋、K＋、Zn2＋、Cu2＋、Fe3＋、Mn2＋等离子含量上升。用100μmol·L-1一氧化氮供体硝普钠（SNP）处理后,玉米幼苗株高、根长、干重和鲜重均提高,根系活力增强,改善了N代谢,新叶中Ca2＋、K＋和Zn2＋等离子含量下降,Mg2＋、Cu2＋、Fe3＋和Mn2＋等离子含量提高,老叶中Mg2＋、Ca2＋、K＋和Zn2＋等离子含量下降,Cu2＋、Fe3＋和Mn2＋等离子含量提高,根中Mg2＋、Ca2＋、K＋、Cu2＋、Zn2＋、Fe3＋和Mn2＋离子含量均下降。实验结果表明,NO保护玉米幼苗免受缺镁胁迫的影响。