烟草细胞色素P450的基因组学分析

细胞色素P450是一类含血红素的单加氧酶超基因家族, 在植物多种代谢途径中起着重要作用。为了解烟草中的P450的种类和数量, 文章将植物代表性P450蛋白质序列与烟草基因组序列比对, 在烟草基因组中鉴定了44个P450家族共263个成员。将这些烟草P450基因与烟草表达序列标签(EST)比对, 发现173个成员有EST证据。通过与拟南芥中已知的P450蛋白序列比较, 分析了部分烟草P450蛋白序列的特征和二级结构。根据烟草基因芯片数据和部分基因的RT-PCR结果, 发现73个烟草P450基因能够在不同的生长发育时期表达, 其中部分基因具有组织特异性。这些研究结果为烟草P450基因功能的深入分析奠定了基础。     

普通烟草ARF基因家族序列的鉴定与表达分析

ARF(AUXIN RESPONSE FACTOR)基因含有一个B3功能域和具有转录激活或抑制活性的中心功能域,在植物发育过程中起到非常重要的作用。本研究采用生物信息学方法,根据拟南芥ARF基因序列鉴定了普通烟草基因组中的ARF基因,并对家族成员进行了序列特征、系统发生、亚细胞定位和表达模式分析。目前在普通烟草基因组中共得到50个ARF基因成员,其基因结构相对复杂,一般含有10个外显子。亚细胞定位结果表明,少数ARF蛋白定位到线粒体或叶绿体,大多数未检测到定位信号。转录组数据分析表明,ARF基因具有不同的组织表达模式,部分基因表现出组织特异性。这些研究结果为普通烟草ARF基因家族功能的深入研究奠定了基础。     

拟南芥和水稻SET结构域基因家族全基因组鉴定、分类和表达

ET(Su(var), Enhancer of zeste (E(z)), and Trithorax)结构域基因家族是一组含有保守SET结构域的蛋白的统称, 它们参与蛋白甲基化, 影响染色体结构, 并且调控基因表达, 在植物发育中起着重要的作用。分析拟南芥和水稻中SET结构域基因家族进化关系, 对研究这一基因家族中各成员的功能有着重要的意义。我们系统地鉴定了47个拟南芥(Arabidopsis thaliana)和43个水稻(Orysa sativa japonica cultivar Nipponbare)的SET结构域基因, 染色体定位和基因复制分析表明SET结构域基因扩增是由片段复制和反转录引起的, 根据这些结构域差异和系统发育分析把拟南芥和水稻的SET结构域基因划分成5个亚家族。通过分析SET结构域基因家族在拟南芥和水稻各个发育阶段的表达谱, 发现SET结构域基因绝大部分至少在一个组织中表达; 大部分在花和花粉中高表达; 一些SET结构域基因在某些组织中有特异的表达模式, 表明与组织发育有密切的关系。在拟南芥和水稻中分别找到了4个差异表达基因。拟南芥4个差异基因都在花粉管高表达, 水稻4个差异基因有3个在雄性花蕊中高表达, 另一个在幼穗中高表达。     

大豆GeBP转录因子基因家族的生物信息学分析

GeBP转录因子调控植物表皮毛的生长发育,并且参与控制植物叶片的发育。该文利用生物信息学方法,在大豆全基因组范围内搜索GeBP基因家族,并从氨基酸理化性质、基因结构、染色体的物理分布、系统进化、序列比对、功能结构域、组织表达情况等基本特征方面对GmGeBP基因家族进行分析。结果表明:(1)共获得9个GmGeBP转录因子基因家族成员,其中仅2个基因含有内含子,且都只有1个内含子,表明该家族成员基因构造比较简单但稳定。(2)GmGeBP编码的蛋白分子量为39.65~49.24 kD,理论等电点为4.65~9.08;这些成员基本上都是酸性氨基酸,属于亲水性、不稳定蛋白。(3)这9个基因不均匀的分布于7条染色体上,10和20号染色体上分别分布2个GeBP基因,3、5、13、15、19号染色体上各分布1个基因。(4)系统进化分析表明,大豆与拟南芥对应的GeBP成员亲缘关系较近,分别聚类到4个分支,而与水稻的距离较远。(5)结构域分析表明,9个GmGeBP成员都包含DUF573结构域,推测该部分在GeBP转录因子中很可能是与靶标基因顺式作用元件互作的结构域。(6)通过分析大豆GmGeBP转录因子基因家族的组织表达,发现不同基因在大豆不同组织的表达量不同,具有一定的特异性。该文对大豆GeBP转录因子基因家族的分析和鉴定为进一步研究大豆表皮毛发育的分子作用提供了理论基础。     

拟南芥泛素家族的全基因组分析

泛素家族是一类含有保守性泛素结构域的蛋白质统称,主要通过ATP依赖性的泛素-蛋白水解酶复合体通路选择性降解细胞蛋白的各种生理活动。本研究基于HMM模型,已知泛素氨基酸序列作为训练集,搜索拟南芥信息资源数据库并鉴定AtUBQ家族成员,然后对这些基因编码的蛋白质序列进行基因结构分析、染色体定位、多序列联配、系统发育树构建和组织差异表达分析。结果表明,AtUBQ家族中共有13个推定的AtUBQ基因,命名为AtUBQ01~AtUBQ13,均属无内含子基因且结构基本相同,非均匀分布于拟南芥5条染色体;AtUBQ家族可划分为A、B和C3个亚家族,其中76.92%的基因编码蛋白质属于A亚家族;EST搜索发现除AtUBQ02和AtUBQ07基因无EST数据支持外,余下的AtUBQ基因在拟南芥根、芽和叶等7个组织中呈现差异表达,仅见AtUBQ08和AtUBQ10基因在上述7个组织中均表达,而AtUBQ03基因仅表达于叶中。本研究结果可为进一步开展该家族的生物学功能和分子进化机制的研究提供基础资料。     

菜粉蝶osiris基因家族鉴定与发育动态

osiris基因家族是昆虫特异性基因,迄今尚未在昆虫纲以外的物种中发现同源基因。本研究利用菜粉蝶转录组数据,鉴定了菜粉蝶16个osiris基因家族成员,分属11个亚家族。通过与菜粉蝶基因组比对,发现菜粉蝶osiris基因均为断裂基因,外显子数量为3-15个;通过结构域分析,发现菜粉蝶Osiris完整编码蛋白含有信号肽和一个未知功能结构域DUF1676,且多数Osiris蛋白含跨膜结构域。系统发育分析表明,osiris基因家族成员与其他昆虫种类相应成员更似直系同源,而非种内基因扩张,再次验证了osiris基因是在昆虫物种分化之前就已形成的多基因家族。发育转录组基因表达分析表明,osiris家族不同成员表达量在不同发育阶段趋势几乎完全一致,多在菜粉蝶1龄幼虫和5龄幼虫高表达,卵期、蛹期与成虫期低表达,预示着osiris基因家族不同成员转录调控机制的相似性与发育的相关性。     

苹果DREB转录因子家族全基因组鉴定与分析

DREB转录因子属于AP2/ERF转录因子家族,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异性结合,调控与逆境应答基因的表达,因而在植物应对低温、干旱、高盐等逆境胁迫中发挥重要作用。该研究利用苹果全基因组数据,通过生物信息学手段鉴定苹果DREB转录因子家族成员,并分析DREB转录因子家族保守域特点与功能及表达情况。结果表明:从苹果全基因组中共鉴定出60个DREB转录因子家族成员,与拟南芥和水稻相比基本一致,通过引入拟南芥DREB基因进行系统发生分析,进一步可以将其细分为6个亚组;结构域和保守元件分析表明,DREB基因家族含有一个AP2保守结构域;染色体定位表明,苹果DREB基因分布于11条染色体上,部分基因存在串联复制现象;基因结构分析显示,该亚家族基因不含内含子。利用同源拟南芥RNA-Seq数据分析结果表明,DREB转录因子家族对低温、ABA调节等非生物胁迫具有调控作用,同时在DREB亚家族中每个亚组响应不同的非生物胁迫;通过分析DREB基因在不同组织中的表达情况,结果显示DREB基因在植物根部中的表达量最强,其次是叶。     

植物GH3基因家族的生物信息学分析

植物生长素在植物的生长发育过程中至关重要,GH3基因家族是植物生长素早期应答的成员。本研究采用比较基因组学的方法,利用已经分离的拟南芥GH3(Gretchen Hagen3)蛋白为检索序列,在全基因组水平上搜索拟南芥、水稻、葡萄、白杨和苜蓿的GH3基因的同源序列。最终确定了59个GH3候选基因,其中拟南芥19个,水稻14个,葡萄9个,白杨14个,苜蓿3个。对同源序列作进一步的多序列联配、MEME、ESTs和系统发生表达分析,结果表明:GH3基因家族的基本特征在单双子叶植物分离之前就已经形成;GH3结构域在蛋白质间较保守,可以分为3个亚家族,其中个别蛋白发生了基序丢失;59个同源蛋白中的40个成员找到了ESTs的证据,且表达部位多样,不同成员之间的表达部位存在差异。该研究结果将为植物的GH3基因家族的研究提供参考。     

甜瓜海藻糖-6-磷酸合成酶基因鉴定及表达

为了明确甜瓜海藻糖-6-磷酸合成酶基因(CmTPS)家族信息及对逆境信号的响应,该研究采用生物信息学方法,通过拟南芥TPS家族基因与甜瓜基因组数据库比对,从甜瓜基因组中共鉴定出7个海藻糖-6-磷酸合成酶基因,按照其在染色体上的位置分别命名为CmTPS1~7。系统进化分析结果显示,CmTPS4和CmTPS7为第1类,二者均含有16个内含子,推测其编码产物均具有海藻糖-6-磷酸合成酶(TPS)活性;其余5个CmTPS基因归为第2类,分别含有2~4个内含子;在这7个甜瓜TPS中,除CmTPS3只有TPS结构域外,其余CmTPS都含有TPS、TPP及UDP-forming结构域;蛋白序列比对结果显示,甜瓜TPS家族各成员间相似性较低(15.90%~57.31%);亚细胞定位预测表明,CmTPS1、CmTPS2和CmTPS6定位在细胞核内,其余4个CmTPS定位在细胞质内。qRTPCR表达分析表明,低温胁迫下甜瓜叶片可能以CmTPS4为主要的TPS编码基因;CmTPS基因家族对盐胁迫较为敏感,同时在ABA信号传递中起调控作用。这为进一步研究甜瓜TPS基因家族奠定了基础。     

Functional divergence in the Arabidopsis LOB-domain gene family

The Arabidopsis LOB-domain (LBD) gene family is composed by 43 members divided in two classes based on amino acid conservation within the LOB-domain. The LOB domain is known to be responsible for DNA binding and protein-protein interactions. There is very little functional information available for most genes in the LBD family and many lbd single mutants do not exhibit conspicuous phenotypes. One plausible explanation for the limited loss-of-function phenotypes observed in this family is that LBD genes exhibit significant functional redundancy. Here we discuss an example of one phylogenetic subgroup of the LBD family, in which genes that are closely related based on phylogeny exhibit distinctly different expression patterns and do not have overlapping functions. We discuss the challenges of using phylogenetic analyses to predict redundancy in gene families.     

沙地云杉LBD基因家族鉴定及盐胁迫响应分析北大核心CSCD

沙地云杉(Picea mongolica)是我国稀有珍贵树种,具有耐旱、耐寒、耐沙埋的优良抗性。LBD(lateral organ boundaries domain)是植物侧生器官中重要的转录因子,在植物生长发育和胁迫应答进程中起关键作用,但目前尚未报道有关沙地云杉中LBD基因家族的研究。本研究参考挪威云杉全基因组数据及沙地云杉转录组数据鉴定沙地云杉LBD基因,进行生物信息学分析并利用qRT-PCR检测LBD基因在不同组织(茎尖、主根、侧根、茎和叶)及盐胁迫胁迫条件下的表达水平。结果表明,在沙地云杉转录组中共鉴定出30个LBD基因(PmLBD1-30),蛋白序列长度在119~309 aa之间,分子量为10.5~33.4 kD,等电点介于5.15~9.26之间,Cell-PLoc亚细胞定位显示均位于细胞核中;所有的LBD蛋白结构域、基因结构高度保守,并由相似的基序组成;根据系统发育树可将其分为5个亚家族(Class I a~e),沙地云杉在各类中的成员依次为4,11,5,1,9个;qRT-PCR试验结果显示,PmLBDs在不同组织中均有表达,如PmLBD2/5/18/19在茎中高表达,ClassⅠb中的PmLBD9/20/23基因在侧根中强烈表达;大多数PmLBDs的表达强烈响应盐胁迫,17个PmLBD基因在盐处理后上调表达,而6个PmLBD基因在盐处理后下调表达,且同一亚族基因表达情况呈现相似趋势。     

水稻AT-hook基因家族生物信息学分析

AT-hook是一种小型的DNA结合蛋白基序, 在哺乳动物非组蛋白染色体的高移动组蛋白(HMG-I/Y)中首次发现。对其它生物的研究表明, AT-hook蛋白在染色质结构组装、靶细胞特异性结合、转录调控和生长发育的调控中发挥重要作用。利用生物信息学方法, 从水稻(Oryza sativa)基因组中鉴定出了45个编码AT-hook蛋白的基因, 并对这些基因的系统进化、染色体定位及其编码蛋白的结构和功能等进行了系统的生物信息学分析。结果表明, 水稻AT-hook蛋白的结构和特性分化不显著; 45个水稻AT-hook基因可划分成5个亚族; 染色体复制是基因家族成员扩增的进化途径之一。基因数字表达分析结果显示, AT-hook基因主要在水稻幼穗中表达, 并通过qRT-PCR验证了部分基因的数字表达结果。     

Comparison and evolution analysis of two rice subspecies LATERAL ORGAN BOUNDARIES domain gene family and their evolutionary characterization from Arabidopsis

The plant specific LATERAL ORGAN BOUNDARIES (LOB) domain (LBD) gene family has a potential role in lateral organ development. Thirty-five LBD genes in a japonica rice (Nipponbare) (designated OsJLBD) and in an indica rice (9311) (designated OsILBD) were identified based on the current databases of the two rice subspecies. A new rice LBD gene with two LOB domains and two predicted coiled coil structures in both subspecies was found, which is not found in other plant species based on the current NCBI Genbank database. OsJLBD and OsILBD genes have similar chromosomal distribution pattern. Both OsJLBD and OsILBD genes can be divided into 7 subclasses (classes Ia-e, II and III (see )) and no subclass-specific expression pattern was observed. No introns have been predicted in all class Ie genes in both OsJLBD and OsILBD subfamilies. The genome and tandem duplication has contributed to the neofunctionalization and formation of new rice subclasses, but the mechanism of diploidization and limited tandem duplication have contributed to fewer LBD genes in rice than in Arabidopsis. Functional studies of genes in subclasses may help to determine whether special sequence structure (intron-exon, spacing characters of motifs) has caused special expression pattern of subclasses.