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。     

山新杨LTP家族基因生物信息学及表达模式分析

以山新杨（Populus davidiana×P. alba var. pyramidalis）LTP家族基因为研究对象,初步分析该家族基因的序列特征和表达模式,筛选材性和抗性相关PdbLTP基因,为LTP基因的分子调控机制研究及林木遗传改良提供候选基因。通过蛋白性质分析、多序列比对分析、进化树分析初步分析LTP家族基因的序列特征。利用荧光定量PCR（qRT-PCR）分析重力、NaCl及PEG胁迫处理下山新杨LTP家族基因的表达模式。查找获得8条 PdbLTP基因序列,2条亚家族PdbGLTP基因序列。CDS序列长度在294~396 bp。LTP家族蛋白为疏水性蛋白且具有8个半胱氨酸的保守结构。qRT-PCR结果显示,PdbLTP1、PdbLTP3、PdbLTP5、PdbLTP7基因在应拉木中表达上调;PdbLTP1、PdbLTP2、PdbLTP3、PdbLTP5基因在茎中表达量最高;除PdbLTP5外,其它基因均受盐胁迫诱导;PdbLTP1、PdbLTP2、PdbLTP3、和PdbLTP5受干旱胁迫诱导。PdbLTP基因家族成员在调控山新杨木质部发育和抵抗非生物胁迫中发挥作用。     

甘蓝型油菜扩展蛋白家族的全基因组鉴定及其对缺硼胁迫响应的差异分析

以甘蓝型油菜(Brassica napus L.)硼高效品种‘青油10号’和硼低效品种‘Westar 10’为研究对象,采用生物信息学分析、转录组测序和实时荧光定量PCR技术,鉴定其基因组中扩展蛋白的家族成员,并对该基因家族响应缺硼胁迫的表达差异进行分析。结果显示,甘蓝型油菜基因组中包含109个扩展蛋白,可分为4个亚家族,包括:79个扩展蛋白A(BnaEXPAs)、21个扩展蛋白B(BnaEXPBs)、5个类扩展蛋白A(BnaEXLAs)和4个类扩展蛋白B(BnaEXLBs)。同一亚家族中的扩展蛋白具有相对保守的基因结构和蛋白质基序组成。这些扩展蛋白基因分布在19条染色体上,其中10个位于硼高效QTL区间内。转录组测序分析结果表明,缺硼胁迫时‘青油10号’的根、幼叶和老叶中分别有40、18和30个扩展蛋白基因显著上调或下调表达;而‘Westar10’中分别有27、24和41个扩展蛋白基因显著上调或下调表达。其中‘青油10号’根中的BnaC04.EXPA6a,幼叶中的BnaA09.EXPA5以及老叶中的BnaA09.EXPA16、BnaC04.EXPA3、BnaCnn.EXPA5b和BnaA03.EXPA8基因的表达水平均显著高于‘Westar10’。研究结果说明甘蓝型油菜基因组中扩展蛋白基因家族数量庞大,其中高、低效品种间和不同硼水平中差异表达的扩展蛋白可能在甘蓝型油菜低硼适应性中发挥重要作用。     

甘蓝型油菜扩展蛋白家族的全基因组鉴定及其对缺硼胁迫响应的差异分析（英文）

以甘蓝型油菜(Brassica napus L.)硼高效品种‘青油10号’和硼低效品种‘Westar 10’为研究对象,采用生物信息学分析、转录组测序和实时荧光定量PCR技术,鉴定其基因组中扩展蛋白的家族成员,并对该基因家族响应缺硼胁迫的表达差异进行分析。结果显示,甘蓝型油菜基因组中包含109个扩展蛋白,可分为4个亚家族,包括:79个扩展蛋白A(Bna EXPAs)、21个扩展蛋白B(Bna EXPBs)、5个类扩展蛋白A(Bna EXLAs)和4个类扩展蛋白B(Bna EXLBs)。同一亚家族中的扩展蛋白具有相对保守的基因结构和蛋白质基序组成。这些扩展蛋白基因分布在19条染色体上,其中10个位于硼高效QTL区间内。转录组测序分析结果表明,缺硼胁迫时‘青油10号’的根、幼叶和老叶中分别有40、18和30个扩展蛋白基因显著上调或下调表达;而‘Westar10’中分别有27、24和41个扩展蛋白基因显著上调或下调表达。其中‘青油10号’根中的Bna C04.EXPA6a,幼叶中的Bna A09.EXPA5以及老叶中的Bna A09.EXPA16、Bna C04.EXPA3、Bna Cnn.EXPA5b和Bna A03.EXPA8基因的表达水平均显著高于‘Westar10’。研究结果说明甘蓝型油菜基因组中扩展蛋白基因家族数量庞大,其中高、低效品种间和不同硼水平中差异表达的扩展蛋白可能在甘蓝型油菜低硼适应性中发挥重要作用。     

毛竹谷胱甘肽过氧化物酶基因分子特征及其表达模式分析

利用生物信息学以及分子生物学方法对毛竹(Phyllostachys edulis (Carriere) J. Houzeau)谷胱甘肽过氧化物酶基因(GPX)的分子特征以及表达模式进行分析。结果显示,在毛竹中共鉴定出9个GPX家族成员基因(PeGPX1-PeGPX9),均具有6个外显子以及5个内含子,PeGPXs编码蛋白的长度为168~235 aa,相对分子量在18.41~25.54 kD,等电点范围为5.88~9.48。亚细胞定位预测结果发现,除PeGPX5定位在线粒体上,其他PeGPXs都定位在叶绿体上。在PeGPXs启动子中含有多种与胁迫和激素相关的顺式作用元件。qRT-PCR分析结果表明,强光、低温、GA₃、NAA和MeJA处理均可引起毛竹叶片中PeGPXs表达量发生明显变化。     

桃ERF转录因子家族生物信息学分析及 芽萌发相关基因筛选

以中油四号油桃(Prunus persica var. nectarina)为研究对象, 利用MEGA 6.0、MEME、GSDS和DNAMAN 6.0等软件对桃ERF家族数据进行生物信息学分析, 鉴定得到102个ERF转录因子家族基因, 并通过构建系统进化树将这102个基因分为10个子家族(I-X)。基因结构分析表明, 有81个基因不含内含子, 20个基因含有1个内含子, 有1个基因与其它成员差异较大, 含有5个内含子。保守元件分析表明, ERF家族包含20个保守元件, 其中Motif 1、Motif 2和Motif 4都属于AP2/ERF结构域, 同一个保守元件主要出现在同一个子家族中, 并且大部分保守元件的功能未知。VIII子家族基因的荧光定量PCR分析表明, 在桃叶芽处于不同的发育状态时, PpeERF068的表达量存在较大差异, 光照培养箱中培养的桃芽在萌发过程中各时期表达量变化趋势进一步表明该基因可能与叶芽萌发有关, 将其命名为PpeEBB1。该研究为进一步揭示PpeEBB1的分子机制奠定了基础, 并为桃树的栽培管理和熟期调控了提供理论指导。     

毛竹油菜素内酯受体激酶基因的分子特征及表达模式分析

为探究毛竹(Phyllostachys edulis)油菜素内酯(brassinolide,BL)受体激酶基因的分子特征和表达模式,采用生物信息学方法对毛竹中BL受体激酶基因进行了分析,并应用实时定量PCR技术对基因的表达模式进行了研究。结果表明,在毛竹基因组中共获得8条BL受体激酶基因同源序列(PeBRLs),分别属于4个亚家族。8个PeBRLs编码858~1 224氨基酸,分子量为92~130 kDa。PeBRLs结构相对保守,激酶区均具有BL受体激酶特有的3个保守结构域;除PeBRL1-1具有2个跨膜结构域外,其余PeBRLs只有1个跨膜结构域。8个PeBRLs全部定位在细胞膜上,属于典型的膜嵌合蛋白。实时定量PCR结果显示,每个亚家族成员基因的组织特异性表达模式基本一致,但不同亚家族之间差异明显;在不同发育阶段的竹笋中,PeBRLs的表达呈现为4种变化趋势。因此,8个PeBRLs在毛竹不同组织和笋的不同发育阶段可能发挥着不同的作用。     

小立碗藓扩展蛋白基因家族的鉴定与生物信息学分析

扩展蛋白(Expansins,EXP)是一类基因家族,几乎参与了植物发育的全过程,从种子萌发到果实成熟都有扩展蛋白的参与。该研究利用生物信息学的方法对小立碗藓(Physcomitrella patens) Expansin基因家族成员进行鉴定,分析了其基因结构、染色体定位以及系统发生关系。结果表明:小立碗藓基因组中含有Expansin A(EXPA) 32个、Expansin-like A(EXLA) 6个,并未发现Expansin-like B(EXLB)及Expansin B(EXPB)。扩展蛋白氨基酸序列长度在228～290 aa之间,编码蛋白质具有两个保守的结构域Pollen_allerg_1和DPBB_1。蛋白质亚细胞定位预测结果表明:运用CELLO在线工具预测发现小立碗藓中约4/5的EXP家族基因定位于细胞外;而Euk-mPLoc预测结果则显示小立碗藓EXP基因家族成员全定位于细胞外。基因结构分析表明,小立碗藓中约68%Expansin基因有含有1～3个内含子。以上结果可为深入研究小立碗藓扩展蛋白基因的分子进化与生物学功能奠定基础。     

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。     

十字花科植物PEBP基因家族的分子进化

近年来植物基因组测序物种数量的指数增长, 为我们对植物环境适应性状的遗传和变异的全面理解提供了保障。磷脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidylethanolamine-binding protein, PEBP)在植物的开花转变和株型建立中起着重要作用, 一直是植物生物学研究关注的热点领域之一。然而对该家族并没有利用新近测序的基因组数据进行比较基因组分析, 制约了对其在分子水平上的进化研究。为了确定PEBP基因家族的分子进化机制, 本研究利用生物信息学方法开展了7种十字花科植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、琴叶拟南芥(A. lyrata)、小鼠耳芥(A. pumila)、亚麻荠(Camelina sativa)、甘蓝(Brassica oleracea)、白菜(B. rapa)和油菜(B. napus)的PEBP基因家族成员的全基因组鉴定、结构特征和比较进化分析。从7个物种中共鉴定出91个PEBP基因, 系统进化分析表明它们分属5个亚家族: MFT、FT/TSF、TFL1、CEN和BFT。基因结构分析发现甘蓝、白菜和油菜的CEN基因内含子明显比其余4个物种的内含子长。蛋白结构域分析表明MFT比其他4个亚家族成员少了一个motif 2, TFL1比其他亚家族多了motif 8。选择压力分析发现7个物种PEBP同源基因均受到较强的纯化选择, 其中TFL1亚家族受到的纯化选择最弱。共线性分析表明十字花科植物PEBP基因家族随古代多倍体事件发生不同程度的扩张, TSF在甘蓝、白菜和油菜中丢失。非生物胁迫下, 在拟南芥中过量表达小鼠耳芥的一个MFT基因, 转基因拟南芥种子的萌发率明显低于野生型, 暗示MFT基因在调控种子萌发上的功能保守。本研究为深入研究十字花科植物PEBP基因的进化特征和生物学功能奠定了基础。     

Expansin gene loss is a common occurrence during adaptation to an aquatic environment

Expansins comprise a superfamily of plant cell wall loosening proteins that can be divided into four individual families (EXPA, EXPB, EXLA and EXLB). Aside from inferred roles in a variety of plant growth and developmental traits, little is known regarding the function of specific expansin clades, for which there are at least 16 in flowering plants (angiosperms); however, there is evidence to suggest that some expansins have cell‐specific functions, in root hair and pollen tube development, for example. Recently, two duckweed genomes have been sequenced (Spirodela polyrhiza strains 7498 and 9509), revealing significantly reduced superfamily sizes. We hypothesized that there would be a correlation between expansin loss and morphological reductions seen among highly adapted aquatic species. In order to provide an answer to this question, we characterized the expansin superfamilies of the greater duckweed Spirodela, the marine eelgrass Zostera marina and the bladderwort Utricularia gibba. We discovered rampant expansin gene and clade loss among the three, including a complete absence of the EXLB family and EXPA‐VII. The most convincing correlation between morphological reduction and expansin loss was seen for Utricularia and Spirodela, which both lack root hairs and the root hair expansin clade EXPA‐X. Contrary to the pattern observed in other species, four Utricularia expansins failed to branch within any clade, suggesting that they may be the result of neofunctionalization. Last, an expansin clade previously discovered only in eudicots was identified in Spirodela, allowing us to conclude that the last common ancestor of monocots and eudicots contained a minimum of 17 expansins.     

Evolutionary divergence of β–expansin structure and function in grasses parallels emergence of distinctive primary cell wall traits

Expansins are wall‐loosening proteins that promote the extension of primary cell walls without the hydrolysis of major structural components. Previously, proteins from the EXPA (α–expansin) family were found to loosen eudicot cell walls but to be less effective on grass cell walls, whereas the reverse pattern was found for EXPB (β–expansin) proteins obtained from grass pollen. To understand the evolutionary and structural bases for the selectivity of EXPB action, we assessed the extension (creep) response of cell walls from diverse monocot families to EXPA and EXPB treatments. Cell walls from Cyperaceae and Juncaceae (families closely related to grasses) displayed a typical grass response (‘β–response’). Walls from more distant monocots, including some species that share with grasses high levels of arabinoxylan, responded preferentially to α–expansins (‘α–response’), behaving in this regard like eudicots. An expansin with selective activity for grass cell walls was detected in Cyperaceae pollen, coinciding with the expression of genes from the divergent EXPB–I branch that includes grass pollen β–expansins. The evolutionary origin of this branch was located within Poales on the basis of phylogenetic analyses and its association with the ‘sigma’ whole‐genome duplication. Accelerated evolution in this branch has remodeled the protein surface in contact with the substrate, potentially for binding highly substituted arabinoxylan. We propose that the evolution of the divergent EXPB–I group made a fundamental change in the target and mechanism of wall loosening in the grass lineage possible, involving a new structural role for xylans and the expansins that target them.     

Portrait of the expansin superfamily in Physcomitrella patens: comparisons with angiosperm expansins

BACKGROUND AND AIMS: Expansins are plant cell wall loosening proteins important in a variety of physiological processes. They comprise a large superfamily of genes consisting of four families (EXPA, EXPB, EXLA and EXLB) whose evolutionary relationships have been well characterized in angiosperms, but not in basal land plants. This work attempts to connect the expansin superfamily in bryophytes with the evolutionary history of this superfamily in angiosperms. METHODS: The expansin superfamily in Physcomitrella patens has been assembled from the Physcomitrella sequencing project data generated by the Joint Genome Institute and compared with angiosperm expansin superfamilies. Phylogenetic, motif, intron and distance analyses have been used for this purpose. KEY RESULTS: A gene superfamily is revealed that contains similar numbers of genes as found in arabidopsis, but lacking EXLA or EXLB genes. This similarity in gene numbers exists even though expansin evolution in Physcomitrella diverged from the angiosperm line approx. 400 million years ago. Phylogenetic analyses suggest that there were a minimum of two EXPA genes and one EXPB gene in the last common ancestor of angiosperms and Physcomitrella. Motif analysis seems to suggest that EXPA protein function is similar in bryophytes and angiosperms, but that EXPB function may be altered. CONCLUSIONS: The EXPA genes of Physcomitrella are likely to have maintained the same biochemical function as angiosperm expansins despite their independent evolutionary history. Changes seen at normally conserved residues in the Physcomitrella EXPB family suggest a possible change in function as one mode of evolution in this family.     

Inducible Repression of Multiple Expansin Genes Leads to Growth Suppression during Leaf Development

Expansins are cell wall proteins implicated in the control of plant growth via loosening of the extracellular matrix. They are encoded by a large gene family, and data linked to loss of single gene function to support a role of expansins in leaf growth remain limited. Here, we provide a quantitative growth analysis of transgenics containing an inducible artificial microRNA construct designed to down-regulate the expression of a number of expansin genes that an expression analysis indicated are expressed during the development of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) leaf 6. The results support the hypothesis that expansins are required for leaf growth and show that decreased expansin gene expression leads to a more marked repression of growth during the later stage of leaf development. In addition, a histological analysis of leaves in which expansin gene expression was suppressed indicates that, despite smaller leaves, mean cell size was increased. These data provide functional evidence for a role of expansins in leaf growth, indicate the importance of tissue/organ developmental context for the outcome of altered expansin gene expression, and highlight the separation of the outcome of expansin gene expression at the cellular and organ levels.