茄子TCP基因家族全基因组的鉴定与分析

TCP (teosinte branched1/cincinnata/proliferating cell factor)转录因子是植物特有转录因子家族,在植物整个生长发育过程中都有着很重要作用。目前,在茄子(Solanum melongena L.)中还没有关于TCP转录因子的相关报道。本研究利用生物信息学方法在茄子基因组数据库中鉴定出分布于11条染色体上的29个茄子TCP家族基因(eggplant TCP,SmTCP)。研究结果显示,该家族所有成员均含有编码TCP保守结构域的序列。这些成员氨基酸长度范围为201–538 aa,外显子数为1或2。亚细胞定位显示,有3个SmTCP (SmTCP02/03/21)蛋白位于细胞质中,其他SmTCP蛋白都位于细胞核中。系统发育树和序列特征分析均将29个SmTCP基因分成ClassⅠ(PCF)和ClassⅡ(CIN和CYC/TB1)两大类。共线性分析发现,17对(21个)SmTCP基因存在共线性关系,且这些存在共线性关系的基因都属于片段复制。基因表达模式分析显示,29个SmTCP基因家族成员在15个组织或器官中都有表达,但是不同成员的表达模式存在差异,其中CIN亚家族的4个基因(SmTCP18/19/20/25)在3个不同生长期的叶片中均较高表达。SmTCP启动子区域的顺式作用元件分析共发现4类顺式作用元件。本研究从多个角度分析了SmTCP基因分子基础,研究了TCP转录因子对茄子生长发育的影响,为茄子分子育种提供理论参考。     

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。     

甘薯基因组TCP转录因子鉴定与逆境胁迫表达分析

基于甘薯(Ipomoea batatas(L.)Lam.)全基因组序列,利用生物信息学方法鉴定筛选了全基因组中的TCP(teosinte branched1/cincinnata/proliferating cell factor)转录因子,并分析了甘薯苗期在蔓割病菌胁迫及块根储藏期低温胁迫下TCP基因的表达差异。结果显示,甘薯基因组中共有27个TCP转录因子,其中ClassⅠ13个、ClassⅡ(CIN)8个、ClassⅡ(CYC/TB1)6个。甘薯TCP以单个基因或基因簇的形式不均匀分布在15条染色体上,其中6对基因存在潜在复制关系。甘薯ClassⅡ(CYC/TB1)转录因子含有R结构域,其氨基酸序列较为保守。在TCP家族中共发现10个保守基序(motif),基序的氨基酸序列长度为15~60个,其中motif 1含有TCP结构域,motif 3含有R结构域,TCP转录因子的保守基序种类在组间存在一定差异。逆境胁迫下甘薯的转录组数据分析结果表明,TCP转录因子在苗期受蔓割病侵染后有2个差异表达基因;在块根储藏期受低温胁迫下有11个差异表达基因。     

小麦苗期盐胁迫下DREB基因的表达

为了从全基因组和转录组水平鉴定响应盐胁迫的小麦DREB (dehydration responsive element binding,DREB) 基因,该研究对小麦耐盐材料CH7034苗期施加盐胁迫后的根部样本进行Illumina转录组测序,从中分离TaDREB家族成员的表达数据和可变剪接信息,并对其下游靶基因进行预测;利用 qRT PCR对盐胁迫响应TaDREB成员和预测靶基因进行验证。结果显示：(1)从小麦中共鉴定出48个DREB成员(204个拷贝序列),命名为TaDREB1~TaDREB48,分布于21条染色体。(2)TaDREB家族分为14组(G1~G14),位于G2、G5、G10和G14的TaDREB成员受NaCl胁迫后转录水平均无显著变化,其余组中共有25个(52%) TaDREB成员表现出对盐胁迫不同程度的响应;其中有9个成员在盐胁迫后持续上调(含5个新报道基因),有2个成员表现为持续下调;蛋白互作预测结果显示,下调成员TaDREB35的编码蛋白可能会受到1个小麦RING型E3泛素连接酶作用而降解。(3)盐胁迫后有9个成员TaDREB3、TaDREB6、TaDREB16、TaDREB19、TaDREB21、TaDREB24、TaDREB25.12、TaDREB43和TaDREB47发生了可变剪切变化。(4)从转录组差异表达基因中进一步鉴定出3个起始密码子上游2 000 bp序列,包含DRE/CRT元件且在A/B/D组间表达趋势一致的候选靶基因TaRD29、TaGLOS和TaCKX。(5)qRT PCR验证结果显示,上调成员中,除TaDREB19外,其余成员以及TaDREB16均表现出持续上升的趋势;下调成员中只有TaDREB25和TaDREB35的表达量呈持续下降的趋势;3个预测靶基因的表达量均持续上升,验证结果与转录组测序结果一致。该研究鉴定出的11个盐胁迫响应TaDREB成员以及预测的3个下游靶基因为小麦耐盐机制解析和分子育种奠定了基础。     

砀山酥梨TCP基因家族全基因组鉴定与分析

TCP蛋白是植物特有的转录因子家族之一,在植物生长和发育等多个过程起到重要作用。本研究利用生物信息学方法对砀山酥梨TCP基因家族成员、染色体定位、进化分析、亚组分类、保守域结构和保守元件进行了相关分析。结果显示,梨TCP基因家族含有34个成员;进化分析表明,根据进化树拓扑结构将其分为两类:ClassⅠ和ClassⅡ,其中ClassⅡ可被分为CYC/TB1和CIN两个小组。结构域分析表明,梨TCP基因家族TCP结构域高度保守;保守元件分析表明,梨TCP基因家族包含5个保守元件:元件1是TCP保守域;元件2为R结构域,元件3、4和5为功能尚未鉴定的结构域,所有梨TCP蛋白都含有元件1,ClassⅡ组中CYC/TB1小组包含特异元件2。以上结果将为今后揭示梨TCP基因的功能提供重要的理论基础。     

香蕉ADA1家族成员鉴定及其在生物和非生物胁迫下的表达分析

Spt-Ada-Gcn5-乙酰转移酶(Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase, SAGA)是高度保守的辅助转录起始复合物,转录接头蛋白-激活的改变/缺失亚基1 (alteration/deficiency in activation 1, ADA1),也称作组蛋白H2A功能互作因子1 (histone H2A functional interactor 1, HFI1),它是SAGA核心模块中的一个亚基,在植物的生长发育和抗逆性方面发挥着重要的作用。为了解香蕉ADA1的分子特性,本研究基于香蕉基因组数据库,对香蕉ADA1基因家族成员进行鉴定,分析其基本理化性质、系统进化、选择压力、启动子顺式作用元件及生物与非生物胁迫下的表达等。结果显示,香蕉A、B及阿宽蕉基因组中分别有10、6、7个ADA1家族成员;成员均为不稳定的亲水性蛋白,均保守地含有SAGA-Tad1结构域,MaADA1和MbADA1均可与SAGA核心模块中的SAGA相关因子11 (SAGA-associated factor 11, Sgf11)互作;系统发育显示香蕉ADA1基因家族成员可划分为3个亚族,进化过程中大多受纯化选择;香蕉ADA1基因家族成员的基因结构差异性较大;香蕉ADA1基因家族成员含有多个响应激素的作用元件;MaADA1-1可能对香蕉在低温胁迫下的抗性起着重要的作用,MaADA1均响应香蕉枯萎病菌胁迫。本研究表明,ADA1基因家族成员在香蕉中高度保守,并可能响应生物与非生物胁迫。     

烟草TCP家族成员鉴定及表达分析

TCP家族作为植物特有的转录因子,在植物发育的不同方面发挥着重要作用。为筛选烟草中TCP家族成员,本研究通过全基因组同源比对,鉴定烟草与拟南芥TCP家族同源序列。利用生物信息学的方法分析其理化性质、系统进化关系、顺式作用元件等;筛选AtTCP3/AtTCP4的同源基因,并利用RT-qPCR检测在20% PEG6000处理下的基因表达量变化。结果表明烟草中含有TCP家族成员63个,其氨基酸序列长度范围为89−596 aa,蛋白亲水性(grand average of hydropathicity, GRAVY)范围为−1.147−0.125,等电点(isoelectric point, pI)范围为4.42−9.94,内含子个数为0−3,亚细胞定位均位于细胞核。保守结构域和系统进化关系分析结果表明,烟草TCP家族可分为PCF、CIN和CYC/TB1这3个亚家族且每个亚家族具有稳定序列。基因启动子区顺式作用元件结果表明,TCP家族基因含有低温顺式作用元件(LTR)及多种胁迫及代谢调控相关的元件(MYB、MYC)等顺式作用元件。基因表达模式分析表明,AtTCP3/AtTCP4同源基因(NtTCP6、NtTCP28、NtTCP30、NtTCP33、NtTCP42、NtTCP57和NtTCP63)在20% PEG6000处理下表达量显著上调表达/下调表达,并发现NtTCP30和NtTCP57基因对干旱胁迫响应较为明显。研究结果剖析了烟草基因组中的TCP家族,为烟草抗旱基因功能研究及品种培育提供了候选基因。     

欧耧斗菜AP2/ERF基因家族鉴定及盐胁迫下表达分析

AP2/ERF转录因子在植物生长发育和响应非生物胁迫中发挥着重要作用。为探究欧耧斗菜(Aquilegia vulgaris)中AP2/ERF对盐胁迫的响应,该研究基于前期试验获得的盐胁迫下转录组数据,通过生物信息学方法筛选欧耧斗菜AP2/ERF家族基因,分析其生化特征、保守基序、系统进化等,并对其在盐胁迫处理下不同时间的根与叶中的表达量变化进行分析,利用qRT-PCR技术对候选基因表达量进行验证。结果表明:(1)筛选出86个AvAP2/ERF基因,其编码的氨基数目为132～722个,分子量为14 763.30～79 069.47 Da,等电点介于4.49～9.68之间,偏酸性蛋白较多,均为亲水性蛋白; 对AvAP2/ERF蛋白进行亚细胞定位预测,大多数定位于细胞核。(2)二级结构以无规则卷曲和α-螺旋为主,均具有AP2保守结构域,有两个高度保守的基序Motif 1和Motif 2。(3)在盐胁迫下,71个AvAP2/ERF基因表达量发生变化,其中叶片中差异表达基因18个、根中19个; 欧耧斗菜与拟南芥AP2/ERF基因聚类为5个亚家族、15个亚组,通过表达分析及同源关系,确定3个响应盐胁迫的基因AvAP2/ERF-56、AvAP2/ERF-61与AvAP2/ERF-80,其qRT-PCR结果与转录组数据一致。该研究结果为深入探究欧耧斗菜AP2/ERF基因的功能及逆境响应机制奠定了基础。     

糜子黄、黑种皮遗传及转录组学分析

同源异型域-亮氨酸拉链(homedomain-leucine zipper,HD-Zip)转录因子广泛参与植物的生长发育和抗胁迫过程。该研究通过生物信息学方法对青稞HD-Zip基因家族进行全基因组分析鉴定,并采用qRT-PCR技术分析非生物胁迫下该基因的表达特性,为深入探讨青稞HD-Zip转录因子的生物学功能及其在高原作物抗逆育种中的应用奠定基础。结果表明：(1)成功从青稞基因组中共鉴定出41个HD-Zip基因家族成员,依次命名为i>HvvHD-ZipⅠ-1~Ⅳ-13,且这些基因在7条染色体上呈不均匀分布。(2)理化性质分析发现,HvvHD-Zip蛋白包含197～885个不等的氨基酸残基;分子量范围在19 914.36～94 014.87 Da;亚细胞定位表明HvvHD-Zip蛋白都位于细胞核。(3)根据多序列比对、系统进化、基因结构和保守基序差异将其聚为4个亚家族,各亚家族分类特征与系统聚类结果一致。(4)顺式作用元件预测分析发现,i>HvvHD-Zip基因启动子中含有11种植物激素和胁迫响应元件。(5)qRT-PCR结果显示,HvvHD-Zip Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ亚家族基因对各胁迫响应明显;与根组织相比,多数i>HvvHD-Zip基因在叶组织中响应明显(上调或下调);与冷和盐胁迫相比,i>HvvHD-Zip各基因对旱胁迫响应较强。     

马铃薯低氮肥胁迫响应TCP转录因子的鉴定与分析

TCP转录因子是植物特有的一类转录因子,参与植物生物学过程的多个方面。为研究马铃薯TCP转录因子在响应低氮肥胁迫中的作用,该研究以氮肥供应不足(0.05 mmol·L^-1)和氮肥供应充足(7.5 mmol·L^-1)条件下马铃薯的根和叶片构建4个转录组文库进行测序,并对差异表达的TCP转录因子进行分析。结果表明:(1)在4个转录组文库中共鉴定TCP转录因子24个,它们主要分布在2号、3号、6号染色体上。(2)经结构域分析显示,24个TCP 转录因子均具有典型的basic-Helix-Loop-Helix结构域。(3)经系统进化分析显示,马铃薯与拟南芥TCP蛋白可聚集在一起,分属于10个亚类。(4)转录组测序结果显示,在低氮肥胁迫下,大多数TCP转录因子被抑制表达,有3个TCP转录因子在根中显著性差异表达,5个TCP转录因子在叶中特异性表达。(5)根据GO功能注释分析和马铃薯TCP转录因子与拟南芥TCP转录因子的亲缘关系分析推测,这些TCP转录因子参与了马铃薯对低氮肥胁迫的响应。该研究结果为进一步研究马铃薯与其他粮食作物TCP转录因子响应低氮肥胁迫的分子功能奠定了基础。     

遮阴对柠檬香茅中萜类化合物及其合成酶基因影响研究

为获取柠檬香茅(Cymbopogon citratus)中萜类化合物及其合成酶基因信息,以正常生长及遮阴下的柠檬香茅嫩叶为材料,进行代谢组学和转录组学结合q RT-PCR验证分析。代谢组分析结果表明,柠檬香茅所含萜类共23种,包括单萜4种、倍半萜4种、二萜8种、三萜3种和四萜4种。在遮阴下,柠檬香茅的二萜类银杏内酯C和四萜类虾青素相对含量更高。转录组测序结果表明,单萜生物合成涉及4类合成酶的24个基因,二萜生物合成涉及11类合成酶的49个基因,倍半萜和三萜生物合成涉及12类合成酶的58个基因,其中6类合成酶的8个基因在遮阴下的相对表达量显著提高,而前萘二烯加氧酶(c64786.0)基因正好相反。q RT-PCR分析表明,遮阴下4个FPKM值差异明显的萜类合成酶基因表达的变化趋势与转录组测序结果一致,但不同合成酶基因的差异表达量存在差异。因此,柠檬香茅所含4类共23种萜类化合物由27类合成酶共131个基因编码而来,不同光照强度影响9个合成酶基因的表达和2种萜类化合物含量。     

茶树GRF基因家族的全基因组鉴定及表达分析

生长调控因子(growth regulating factor,GRF)是植物特有的转录因子家族,在植物生长发育过程中起重要调控作用。该研究利用生物信息学的方法,从茶树基因组中鉴定获得11个CsGRF转录因子家族成员,且均具有完整的特征结构域QLQ和WRC。CsGRF家族成员含有3~6个外显子,基于系统进化关系将CsGRF家族分为6组,且与葡萄及猕猴桃GRF家族的亲缘关系更为接近。不同组织转录组数据分析结果表明,该家族在生长活跃的茶树嫩梢部位高表达。上游启动子区域分析发现大量与植物发育、激素及胁迫响应密切相关的顺式作用元件。荧光定量检测发现,分别有10个和2个CsGRF成员在低温和干旱胁迫处理后呈现显著上调表达,其中CsGRF8和CsGRF11对2种非生物胁迫均有响应;并发现受ABA、MeJA和GA激素处理诱导分别有9个、3个和6个CsGRF基因的表达水平差异显著。研究表明,CsGRF基因家族在茶树生长发育过程及应激反应中起作用,推测CsGRF基因可能通过各种激素信号转导途径参与胁迫响应过程。     

独行菜种子bHLH类转录因子基因家族及幼苗laICE1表达对冷胁迫的响应

该研究在转录组数据基础上,以独行菜(Lepidium apetalum Willd.)种子耐受和不能耐受低温萌发的2组样本为材料,对其bHLH转录因子家族成员进行分析,并对该家族成员表达差异极显著的laICE1基因进行克隆、序列分析、结构预测,以探讨独行菜幼苗中laICE1基因表达对低温胁迫的响应特征。结果表明:(1)萌发中的独行菜种子,至少有83个bHLH转录因子序列表达,相对于低温萌发停滞组,在低温萌发耐受组的独行菜种子中,有10个下调、13个上调、60个表达差异不显著。其中表达量极显著下调的序列c20009_g1具有1 503bp开放阅读框,GO注释到ICE1基因,该基因命名为laICE1。(2)laICE1基因编码500aa,蛋白分子量为54 635.19kD,理论等电点为5.45,分子式为C2364H3742N688O758S22;该蛋白具有保守结构域bHLH。(3)定量分析表明,laICE1基因在非低温胁迫的独行菜种子中的表达量显著低于一直处于低温胁迫中不能进行萌发的独行菜种子,这与转录组数据库中该序列表达情况一致;而laICE1基因在独行菜幼苗期经低温处理后,其表达量显著上调,表明laICE1基因可能在独行菜幼苗耐受低温生长中具有一定的作用。     

遮阴对柠檬香茅类黄酮及其合成酶基因差异表达研究

为了解柠檬香茅(Cymbopogon citratu)中类黄酮及其合成酶基因信息,以阳光直射及遮阴环境下生长的柠檬香茅嫩叶为材料,进行代谢组、转录组结合qRT-PCR验证分析。结果表明,柠檬香茅中含有11类共69种黄酮化合物,其中芦丁、去甲基托罗沙黄酮、紫云英苷及葡萄糖醇等类黄酮化合物在遮阴环境下相对含量显著降低;类黄酮生物合成涉及10类酶54个基因,其中类黄酮3''羟化酶(c99177.1)等4个酶基因在遮阴环境下相对表达量显著降低,而异黄酮合成酶(c51975.0)等6个酶基因相对表达量正好相反;其中5个类黄酮合成酶基因在光照及遮阴柠檬香茅中的上下调表达趋势与转录组测序结果中FPKM值变化一致,而二者检测结果中差异表达倍数存在差异。遮阴使柠檬香茅中大多黄酮类化合物相对含量降低,而其合成酶基因上下调表达趋势规律不明显。     

苦荞转录因子基因FtbHLH4的克隆及其对非生物胁迫的应答

根据苦荞花期转录组数据,克隆得到1个苦荞bHLH类转录因子基因,命名为FtbHLH4。采用实时荧光定量PCR技术,分析了非生物胁迫对苦荞芽期FtbHLH4基因表达的影响。序列分析表明,苦荞FtbHLH4基因DNA全长1 852bp,由7个外显子和6个内含子构成,符合GT-AG剪接原则;cDNA序列包含1个1 062bp的开放阅读框,编码353个氨基酸,具有bHLH类蛋白典型的螺旋-环-螺旋保守结构域。在脱落酸(ABA)、NaCl和PEG模拟干旱胁迫下,苦荞芽期FtbHLH4基因表达量均持续上升,至48h时达最大,分别为胁迫前的11.3倍、12.0倍和6.1倍。而在冷胁迫和UV-B胁迫下,苦荞芽期FtbHLH4基因表达量迅速下降,分别于6h和12h降低至胁迫前的24%和23%。研究推测FtbHLH4基因以不同机制参与了苦荞对非生物胁迫的应答过程。     

沙棘HrTCP转录因子家族鉴定及其干旱胁迫下的表达分析

TCP家族是植物特有的响应高盐、干旱等非生物胁迫的重要转录因子。该研究基于沙棘转录组数据,利用生物信息学与qRT-PCR对HrTCP转录因子家族进行鉴定,预测其家族成员的结构和功能,为解析TCP转录因子调控沙棘抵御干旱胁迫的作用机制奠定基础。结果表明:(1)获得了11个HrTCP转录因子成员,并命名为HrTCP2/4/7/8/11/13/15/17/18/19/20,编码氨基酸序列长度在218～590之间,蛋白质相对分子量为23.44～61.78 kD;亚细胞定位预测发现,除HrTCP13/17/18蛋白定位于细胞质,其余8个蛋白均定位于细胞核。(2)在干旱(15%PEG-6000)和高盐(200 mmol/L NaCl)胁迫后HrTCP4/7/19/20基因表达量呈不同程度上升趋势,其中HrTCP20表达量极显著高于对照,分别是对照的24倍与23倍。(3)外源激素脱落酸(0.1 mmol/L ABA)和茉莉酸甲酯(0.1 mmol/L MeJA)处理后,HrTCP7/19/20基因表达量也均呈上升趋势,其中,ABA诱导下HrTCP19基因表达量达到最高,是对照的16倍,而MeJA诱导下HrTCP20基因表达量上升最高,是对照的5倍。研究发现,HrTCPs转录因子家族成员可受干旱、高盐和激素诱导表达,进而调控沙棘对干旱胁迫的响应。