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。     

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。     

决明GRAS基因家族全基因组鉴定及其在盐和干旱胁迫条件下的表达分析

目的: 基于决明(Senna tora L.)全基因组数据,对GRAS家族成员、理化性质、基因结构、进化关系以及胁迫条件下的表达模式进行鉴定和分析。方法: 将决明基因组蛋白数据与拟南芥GRAS成员进行比对,分别利用TBtools、MEGA-X、CLUSTALW、MEME等生物信息学软件和工具,对决明GRAS基因家族成员进行分析。利用qRT-PCR(quantitative real-time PCR)检测干旱和盐胁迫条件下决明根中GRAS基因的表达情况。结果: 50个StGRAS分为9个亚家族,不均等地分布在13条染色体上。结构分析表明,StGRAS34和StGRAS12分别与蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)结瘤信号蛋白NSP1和NSP2高度同源。StGRAS的启动子区域多含有与胁迫响应、激素调节等相关的响应元件。qRT-PCR结果表明,在盐胁迫条件下,StGRAS表达具有明显差异;在干旱胁迫条件下,绝大多数检测基因能够快速响应,表达显著升高;两种胁迫条件下,StGRAS28和StGRAS29表达趋势互补,具有协同调控关系。结论: GRAS基因家族能够广泛参与胁迫响应,其中StGRAS28与StGRAS29可能共同参与介导决明根的盐与干旱胁迫应答,StGRAS34和StGRAS12分别作为决明共生结瘤的NSP1和NSP2,可能与增强结瘤因子信号诱导相关,这为进一步挖掘和研究GRAS基因在决明响应胁迫和共生固氮过程所发挥的作用提供了基础。     

辣椒锌指蛋白DnaJ-Like基因家族鉴定及对高温胁迫的表达响应

植物DnaJ-Like锌指蛋白（DNAJE）是近年来发现的一类具有重要功能的蛋白,在光合作用、质体发育与运动和植物抗逆及防御反应中发挥重要作用。基于辣椒全基因组数据,对辣椒DNAJE基因家族（CaDNAJE）进行鉴定,利用生物信息学方法对基因和蛋白特征、比较进化、共线性关系及高温胁迫下基因表达模式等进行分析。结果表明,CaDNAJE基因家族有28个成员,不均匀的分布在10条染色体和3个Scaffold上,氨基酸序列长度为99-470 aa,分子量为10.05-52.26 kD,理论等电点（pI）为4.75-9.64,其编码蛋白主要定位在叶绿体和细胞核中;辣椒、番茄和拟南芥的比较进化分析可将其分为GroupⅠ 和GroupⅡ 2个亚族,同一亚族具有类似的蛋白保守motif和基因结构;CaDNAJE基因启动子区包含大量光响应、激素响应和胁迫应答元件;辣椒与拟南芥DNAJE之间存在10对共线性基因,辣椒种内仅有1对;辣椒不同组织转录组分析发现,GroupⅠ 中多数成员在各组织中均有高表达,而GroupⅡ 中除CaDNAJE2、CaDNAJE9等基因存在高表达外,多数基因表达量都很低甚至不表达;高温胁迫下,辣椒叶片过氧化氢含量急速上升后降低,丙二醛含量持续升高,抗氧化物酶活性也有不同程度的提高。同时,高温诱导热激转录因子Hsf和热激蛋白HSP耐热相关基因及CaDNAJE基因高表达,在不同胁迫时期发挥调控作用。推测CaDNAJE基因家族可能参与辣椒响应高温胁迫,提高其耐受力,以降低细胞损伤。     

结球甘蓝PRX基因家族全基因组鉴定与逆境条件下的表达分析

Ⅲ类过氧化物酶（class Ⅲ peroxidases, PRX）在植物生长发育和胁迫响应中发挥重要的作用，本研究利用生物信息学方法对结球甘蓝PRX基因家族进行鉴定，预测其结构和功能，并分析PRX基因在逆境条件下的表达模式，旨在明确甘蓝PRX基因家族的进化关系和功能。结果表明，结球甘蓝基因组中共鉴定出125个BoPRX基因家族成员，不均匀的分布在9条染色体上；编码氨基酸173-488 aa，大部分为亲水蛋白；亚细胞定位预测BoPRX基因大部分定位在叶绿体上。系统进化分析将甘蓝PRX蛋白分为5个亚族，每个亚族的成员都含有相似的外显子/内含子结构和蛋白质保守基序；启动子区域分析发现，BoPRX启动子序列中含有多种与激素和逆境等胁迫响应相关的顺式调控元件；基于转录组数据的热图分析显示，BoPRXs表达在叶绿体中最多。荧光定量PCR分析显示，6个BoPRX基因均受NaCl和PEG诱导上调；在ABA处理下，除BoPRX100外其余基因的表达在大部分时间被抑制，这些基因均受到ABA的差异调控，说明这些BoPRX基因都参与了ABA信号通路。综上所述，本研究揭示了PRX的复杂调控依赖于PRX的类型和信...     

烟草CONSTANS-like基因家族的鉴定与分析

烟草(Nicotiana tabacum)是基因功能分析的模式植物以及重要的经济作物之一, 适宜的生存环境对烟草的生长和繁殖至关重要。COL (CONSTANS-like)基因家族编码蛋白不仅调控植物开花, 而且在植物生物/非生物胁迫响应中发挥重要作用。该研究通过鉴定烟草COL基因家族成员, 分析其基因结构、进化关系、转录调控元件和表达模式, 探究其编码蛋白的生物学功能, 尤其是在烟草响应低温胁迫中的可能作用。结果显示, 在烟草中共鉴定出15个COL基因, 其编码的蛋白理化性质相近; 进化分析结果表明其包括3类, 每个类别的成员之间具有相似的外显子/内含子结构以及motif数量和类型; 烟草COL基因启动子区域含有大量与光、低温、干旱以及植物激素等响应相关的顺式作用元件; 基于二代高通量测序分析结果表明, 低温显著影响烟草COL基因的表达, 但对不同基因的影响存在差异, 不同COL基因的亲本(林烟草(N. sylvestris) (母本)和绒毛状烟草(N. tomentosiformis) (父本))具有表达偏好性, 且这种偏好性大部分会从6-7叶期保持到现蕾期。     

枳LEA基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应

为明确LEA基因在枳非生物胁迫中的作用,研究通过生物信息学方法对枳LEA基因家族进行全基因组的鉴定,并采用qRT-PCR技术分析其在不同非生物胁迫下的表达情况。结果表明:(1)枳基因组中鉴定得到57个LEA基因家族成员,编码蛋白的氨基酸长度在62~945 aa之间,分子质量在6.95~104.98 kD之间。(2)系统进化分析表明,PtrLEA基因可分为8个亚家族,LEA_1~LEA_6、dehydrin和SMP,LEA_2亚族家族成员最多。(3)顺式作用元件分析表明,PtrLEA启动子上存在大量的植物激素、胁迫响应以及生长发育有关的响应元件。(4)转录组数据分析结果显示,LEA基因家族具有组织表达特异性,PtrLEA 15、PtrLEA 17、PtrLEA 23、PtrLEA 51在所有组织中均有高表达,也发现有3个基因在所有组织中不表达。(5)实时荧光定量PCR结果显示:PtrLEA基因在低温、干旱和高盐胁迫处理条件下,与对照相比分别有6、2和6个基因上调表达,推测该基因家族参与多种非生物胁迫应答。     

PtrWRKY51基因的克隆及抗旱表达特性分析

为明确毛果杨WRKY家族成员PtrWRKY51基因功能,以Nisqually-1株系毛果杨为模板,克隆得到PtrWRKY51基因CDS序列。通过生物信息学分析,结合酵母自激活验证、亚细胞定位及模拟干旱胁迫下的实时荧光定量PCR（qRT-PCR）对PtrWRKY51基因功能进行初步研究。结果表明：PtrWRKY51全长579 bp,编码 192 aa。生物信息学分析及亚细胞定位试验结果表明,PtrWRKY51蛋白为非跨膜碱性不稳定亲水蛋白,定位于细胞核,含有WRKY家族特有的保守结构域,是第IIc类WRKY转录因子;酵母自激活验证试验表明PtrWRKY51基因具有自激活活性;qRT-PCR分析表明,8% PEG6000模拟干旱胁迫下,该基因在胁迫12 h后茎部与叶部相对表达量达到最大值,根部则出现在24 h,研究可为PtrWRKY51抗逆及生物学功能进一步研究提供参考。     

谷子Trithlix转录因子鉴定与生物信息学分析

Trihelix转录因子家族在植物生长发育、生物胁迫和非生物胁迫等方面具有重要的作用,但是目前关于谷子Trihelix转录因子家族研究鲜见报道。本试验共鉴定到34个谷子转录因子,对其进行染色体定位、系统进化树、保守基序、基因结构和不同组织的表达分析发现,该家族成员均含有高度保守的Trihelix结构域,分为5个亚族,同一亚族含有相同的保守基序,同一亚族含有相似的基因结构,在不同的亚族中,组织表达模式不同。本研究初步明确了谷子Trihelix转录因子家族成员进化关系和结构特点,为进一步研究谷子Trihelix转录因子家族的系统发育以及生物学功能奠定了基础,为谷子的分子育种提供科学依据。     

大豆UBC基因家族鉴定及GmUBC46基因的功能初步分析

泛素/26S蛋白酶体途径在植物响应非生物胁迫反应中起着重要的作用。E2(泛素结合酶,UBC)是蛋白质泛素化中重要的泛素结合酶,与E1和E3共同参与蛋白降解途径。本研究通过构建隐马尔可夫模型,鉴定了54个大豆UBC基因,通过进化树分析将该家族成员分为11个亚家族(A-K)。蛋白保守结构域分析表明,GmUBC家族蛋白成员大部分含有保守Motif 1、Motif 2与Motif 3,且均属于泛素结合酶保守结构域。组织定位分析表明大部分GmUBC家族基因成员在大豆根、茎、叶、花等组织中有所表达。转录组数据表明有20个GmUBC基因在干旱、盐或冷胁迫下具有不同的表达模式,启动子顺式作用元件分析发现其胁迫响应过程可能与激素信号转导相关。进一步通过qRT-PCR发现GmUBC46基因能积极响应干旱、盐或冷胁迫诱导上调表达。通过酵母功能验证表明,GmUBC46基因降低了对干旱或盐胁迫的耐受性。综上,本研究初步阐明了大豆UBC基因家族的基本特性及GmUBC46基因的耐逆功能,为后续研究提供了重要依据和参考价值。     

毛果杨固有无序蛋白质基因克隆及胁迫响应分析

为了解毛果杨中固有无序蛋白PtrIDP1（Potri.010G161200.1）基因的相关信息，探究该基因在毛果杨的不同组织、不同逆境胁迫下的表达特性，本研究根据Phytozome数据库中得到的基因全长序列设计引物，克隆得到该基因的目的片段。该基因完整的CDs区序列长度为423 bp，共编码140个氨基酸。构建亚细胞定位表达载体，瞬时转化洋葱表皮细胞，在激光共聚焦显微镜下观察显示，PtrIDP1定位在细胞核内。利用实时定量RT-PCR技术分析了PtrIDP1基因在毛果杨不同组织中的表达特异性和应对非生物胁迫的表达特性。结果表明：PtrIDP1基因在毛果杨的根、茎、叶中均有表达，其中在根部表达量最低，在茎和叶中相对表达量较高。PtrIDP1基因在高盐和干旱胁迫诱导时其表达量的变化模式不同，初步分析认为PtrIDP1基因参与了毛果杨非生物逆境胁迫的响应过程。     

4种模式植物LRR VIII-2亚家族基因的鉴定和进化历史分析

全基因组重复与串联重复是发生基因重复的重要机制, 也是基因组和遗传系统多样化的重要动力。LRR-RLK编码富含亮氨酸重复的类受体蛋白激酶, 是被子植物进化史上发生大规模扩张而形成的多基因家族。拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtLRR-RLK包含15个亚家族, AtLRR VIII-2是其中发生串联重复比例最高的亚家族。通过分析拟南芥、杨树(Populus trichocarpa)、葡萄(Vitis vinifera)和番木瓜(Carica papaya) 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族基因的扩张及差异保留情况, 结果显示, LRR VIII-2在杨树中的扩张程度最高, 在拟南芥和葡萄中的扩张程度居中, 但在番木瓜中发生丢失。拟南芥、杨树和葡萄LRR VIII-2亚家族具有旁系同源基因对, 但在番木瓜中未发现旁系同源基因。除杨树中的1对旁系同源基因外, 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族的旁系和直系同源基因都受到较强的纯化选择作用。对LRR VIII-2亚家族进化历史的深入分析有助于理解基因重复在植物进化中的作用和意义, 可为预测同源基因功能及解析其它基因家族进化历史提供参考。     

杨树重金属相关异戊二烯化植物蛋白(HIPPs)基因的鉴定及表达分析

金属伴侣在植物的生理活动中发挥关键作用，负责结合金属离子并将其转运至靶蛋白以维持细胞的金属离子稳态。目前关于HIPP （heavy metal-associated isoprenylated plant protein）金属伴侣蛋白的特性和功能分析多集中于模式植物拟南芥。本研究在毛果杨（Populus trichocarpa）中鉴定了14个PtHIPPs蛋白，均具有两个保守的金属离子结合基序MXCXXC，氨基末端可以形成βαββαβ二级结构，羧基末端具有保守的异戊二烯化基序；一些PtHIPPs还具有赖氨酸和/或甘氨酸富集区。根据基因结构、蛋白质的保守基序和进化树分析，PtHIPPs蛋白可分为3个亚组。PlantGenIE的组织特异性表达数据及荧光定量PCR鉴定结果显示，毛果杨PtHIPPs基因及小黑杨（Populus simonii×Populus nigra）PnHIPPs基因具有特定的组织表达特异性且存在差异。此外，利用缺铜及过量铜离子处理小黑杨植株不同时间后，不同组织部位中PnHIPPs基因的表达模式发生改变。本研究为鉴定木本模式植物杨树HIPPs蛋白在维持铜离子稳态过程中发挥的作用提供了参考依据。     

小黑杨PsnHB22基因在烟草中的遗传转化研究

HD-Zip转录因子在光信号转导、非生物胁迫、叶片发育等方面发挥重要的作用，HB22转录因子是HD-ZipⅠ亚家族的成员之一。为研究PsnHB22基因的功能，从小黑杨（Populus simonii×P.nigra）cDNA中克隆PsnHB22基因并构建植物表达载体进行烟草（Nicotiana tabacum）的遗传转化，以获得该基因过量表达的转基因株系。对转基因株系进行PCR、qRT-PCR分子检测后观察表型，结果显示在营养生长时期，转基因烟草叶片窄小并且株高显著低于野生型对照。测定转基因烟草及野生型叶片的叶绿素含量，发现转基因烟草叶绿素含量显著高于野生型。由此推测PsnHB22基因在植株高生长、光合作用及叶片的形态建成等过程中起着重要的作用。     

84K杨4CL3/4CL5基因克隆及生物信息学分析

木质素是木材的重要组成成分,主要起机械支持、水分运输及防御病虫害等作用。4CL酶是控制木质素合成途径中的关键酶之一。利用PCR技术从84K杨幼叶cDNA中克隆得到Pag4CL3/4CL5基因,GenBank 登录号分别为MK183033（Pag4CL3）及MK183034（Pag4CL5）。利用生物信息学软件,对这两个基因的功能和特征进行分析。结果发现84K杨中4CL3/4CL5蛋白与毛果杨中4CL3/4CL5蛋白相似度高达97%;此外,均含有SSGTTGLPKGV和GEICIRG两个保守基序;亚细胞定位预测显示Pag4CL3/4CL5蛋白主要定位在内质网中,推测可能是一种膜蛋白;蛋白的亲水性预测Pag4CL3/4CL5均为亲水性蛋白。通过qRT-PCR分析Pag4CL3/4CL5在不同组织部位中的表达差异,结果发现Pag4CL3在叶及茎中表达量较高,在根和顶芽中表达量较低;Pag4CL5在叶及根中表达量较高,在茎和顶芽中表达量较低,两个同源基因表达具有组织部位的差异性。Pag4CL3和Pag4CL5可能在叶中共同行使功能,Pag4CL5主要在根中行使功能,Pag4CL3主要在茎中行使功能。     

长白落叶松过氧化氢酶LoCAT1基因克隆及表达分析

为了解长白落叶松过氧化氢酶(CAT)基因的相关信息,探究该基因在长白落叶松不同组织中及不同逆境胁迫下的表达特性,本研究根据长白落叶松转录组数据库中获得的CAT1基因全长序列设计引物,克隆得到长白落叶松CAT1基因,命名为LoCAT1。该基因完整的开放阅读框(ORF)长度为954bp,共编码317个氨基酸。系统进化树分析结果显示,LoCAT1基因与北美云杉、银杏等CAT基因亲缘关系较近。利用实时定量RT-PCR技术分析了LoCAT1基因在长白落叶松中的组织表达特异性和应对非生物胁迫的表达模式。结果表明:LoCAT1基因在长白落叶松的根、茎、叶中均有表达,其中在茎部表达量最低,在叶中相对表达量最高。在非生物胁迫下,LoCAT1基因在长白落叶松根、茎、叶中的表达均发生了变化,但表达模式不同。在NaCl处理后,根和茎中LoCAT1基因均表现为下调表达,在12h时表达量最低,而叶中LoCAT1基因表达在24h明显受抑制,随后被上调表达,胁迫96h时表达量最高。PEG6000处理后,根和茎中LoCAT1基因的表达在胁迫早期被明显抑制,随后被上调表达。而叶中LoCAT1基因的表达在所有时间点均表现为上调表达。本研究推测长白落叶松LoCAT1基因可能参与了植物响应逆境胁迫的应答。     

毛竹萜类合成酶基因家族序列鉴定与表达分析

通过生物信息学方法,对毛竹(Phyllostachys edulis(Carrière)J.Houzeau)TPS基因家族的成员进行鉴定,并对其编码蛋白的理化性质、基因结构、进化关系、蛋白结构、启动子元件及表达模式进行了分析。结果表明,毛竹全基因组含有14个TPS候选基因,大小为693~2439 bp。编码蛋白等电点为5.08~8.17。系统发育分析结果显示,毛竹含有TPS-a、TPS-b、TPS-e/f、和TPS-g 4个亚家族,成员数目分别为6、5、2、1个。TPS蛋白质二级结构中,α-螺旋和无规则卷曲所占比重较大;毛竹TPS基因家族各成员蛋白三维结构比较相似。基因启动子分析共获得50个调控元件,可分为6大类,其中光响应相关元件数量最多,共包含17个顺式调控元件。基于转录组测序数据构建的基因表达谱热图分析结果表明,Pe TPS在叶、花和笋等7个组织中的表达差异明显,表现出组织特异性,其中Pe TPS9仅在早花期花序中表达,Pe TPS8仅在叶中表达。