茶树TIFY基因家族鉴定及非生物胁迫下表达分析

TIFY基因家族在茶树激素信号转导及其逆境胁迫具有十分重要的作用。该文利用生物信息学方法对茶树基因组中的TIFY家族进行了鉴定,分析其理化性质、系统进化、基因结构、染色体定位、启动子区顺式作用元件、组织表达模式,并通过RT-qPCR对部分TIFY家族成员进行了非生物胁迫。结果表明:(1)茶树TIFY基因家族成员19个(CsTIFY1～CsTIFY19),分属于4个蛋白亚家族TIFY、JAZ、ZML 和 PPD,且不均匀地分布在8 条染色体上,按照进化关系及结构特点可分为 7 组,每组内具有相似的基因结构与保守基序组成。(2)CsTIFYs基因的启动子区具有多种包含激素和非生物胁迫响应的顺式作用元件,通过实时荧光定量(RT-qPCR)分析其家族成员对在茉莉酸甲酯、盐(20%氯化钠)、冷(4 ℃)以及干旱(20% PEG-6000)处理下反应强烈,部分基因在根与顶芽中有较高的表达量。由此推测,TIFY基因家族可能在茶树激素信号调控、胁迫响应、生长和发育等多方面发挥功能作用。     

茄子Whirly基因家族鉴定和表达分析

Whirly是一类能与单链DNA分子结合的植物特异转录因子,在细胞核以及细胞器内都起着广泛且复杂的作用。为探究茄子Whirly基因的功能和进化关系,本研究开展了基因家族成员生物信息学鉴定,包括系统进化关系、基因结构、保守基序及启动子中的顺式作用元件,分析了其在不同组织、外源激素处理和逆境胁迫下表达模式。结果表明,茄子Whirly基因家族包含两个家族成员,分别命名为SmWHY1和SmWHY2,它们与番茄中Whirly基因亲缘关系最近。SmWHY1和SmWHY2在不同组织中均能表达,在叶片中SmWHY1的表达水平高于SmWHY2,在其他组织中SmWHY2的表达水平高于SmWHY1。两个基因的表达均受到脱落酸、茉莉酸甲酯、水杨酸、低温胁迫和病原菌诱导,但不同处理或基因型响应程度存在差异,在抗绵疫病种质G114中能够保持较高的表达水平。以上结果表明SmWHY1和SmWHY2可能在调控茄子生长发育和逆境响应中具有重要作用。     

高粱LEA基因家族的鉴定及表达分析

有研究表明,干旱、低温和盐等环境胁迫能够诱导LEA基因的表达。为了探索LEA基因家族在高粱响应外界刺激过程中起到的作用,本研究通过生物信息学的方法对LEA基因家族在高粱全基因组水平进行鉴定和分析,于高粱全基因组中共鉴定出35个基因家族成员,不均匀地分布于高粱8条染色体上,结合系统进化树和保守结构域分析结果,将高粱LEA基因家族成员分为7组。亲水性分析和结构无序性预测表明高粱LEA蛋白绝大多数为亲水性且结构无序。基因结构分析显示了各分组基因结构上的保守性。高粱LEA基因的启动子分析发现了一些与激素和非生物胁迫响应相关的顺式作用元件。对激素和干旱胁迫下高粱LEA基因的表达分析发现外界胁迫能够诱导部分高粱LEA基因的表达。     

蒺藜苜蓿LBD转录因子基因家族全基因组分析

LBD是植物中所特有的转录因子基因家族,在调控植物侧生组织发育、营养代谢以及响应逆境胁迫等方面具有重要作用。该研究利用生物信息学手段,从全基因组水平筛选和鉴定了蒺藜苜蓿LBD基因家族,并对基因结构、系统进化、进化压力、保守域、染色体定位以及基因表达模式等进行了分析。研究结果共鉴定出2类5亚类共计56个蒺藜苜蓿LBD家族基因,在8条染色体上均有分布,但分布不均匀。该家族成员外显子数目都不超过2个,结构简单,基因间在进化时存在负向选择作用。基因表达模式分析发现,该家族成员的表达具有一定的时空特异性,并受干旱和氮素调控。该研究结果对蒺藜苜蓿LBD基因功能研究及进化分析具有重要的意义。     

苹果SRS基因家族的鉴定与功能分析北大核心CSCD

SHI-related sequence(SRS)基因家族通过介导激素变化以调控植物成花及生长发育,并且在适应环境胁迫中起重要调控作用。该研究基于苹果(Malus domestica Borkh.)基因组数据,通过生物信息学手段鉴定苹果SRS基因家族成员,并分析SRS基因家族特点与功能及表达情况。结果表明:(1)苹果MdSRS基因家族共包含11个成员,分别命名为MdSRS1-MdSRS11,不均匀地分布在苹果的9条染色体上。(2)MdSRS蛋白包含229~414个不等的氨基酸残基,等电点分布在6.38~9.36之间;亚细胞定位结果表明,MdSRS蛋白大多分布于细胞膜,在细胞核、叶绿体中也有分布。(3)通过引入拟南芥、水稻、番茄及杨树的SRS基因进行系统发育分析表明,将11个MdSRSs分成5个亚族(A-A),在A4中分布最多。(4)顺式作用元件分析表明,11个MdSRSs启动子上游2 000 bp序列分布有激素、环境适应性和逆境诱导等响应元件。(5)荧光定量PCR结果显示,苹果MdSRS基因家族在盐胁迫和干旱胁迫下总体呈下调表达,在ABA胁迫后大多呈上调表达,是具有很大潜力的抗性候选基因,说明SRS家族对ABA调节等非生物胁迫具有调控作用。研究认为,SRS家族的11个成员均参与了调控干旱、盐及ABA胁迫多种逆境的响应,推测在实际苹果生产中对抵御不良环境具有重要作用。     

芥菜WOX基因家族的全基因组鉴定与分析

WUSCHEL相关-同源盒(WUSCHEL related-homeobox, WOX)基因家族是一类植物特有的转录因子基因家族,在植物的生长发育过程中发挥重要作用。本研究利用芥菜(Brassica juncea)基因组数据,通过HUMMER、Smart等软件进行检索筛选,共鉴定出51个WOX基因家族成员。利用Expasy在线软件对这些家族成员的蛋白质分子量、氨基酸序列长度、等电点等进行分析,并利用生物信息学软件对芥菜WOX基因家族进化关系、保守区域、基因结构等进行系统性分析,将芥菜WOX基因家族分为古老支、中间支和WUS支/现代支3个亚家族。结构分析表明,同一亚家族内的WOX转录因子家族成员的保守结构域的种类、组织形式以及基因结构具有高度的一致性,而不同亚家族之间呈现一定的多样性。51个WOX基因不均匀分布于芥菜18条染色体上,这些基因的启动子大多含有响应光、激素和非生物逆境胁迫相关的顺式作用元件。利用转录组数据和实时荧光定量PCR (real-time fluorescence quantitative PCR, qRT-PCR)分析发现,芥菜WOX基因的表达具有时空特异性,其中B...     

蓖麻RcACA基因家族鉴定及非生物胁迫下表达模式分析

自抑制Ca^(2+)-ATPase酶(auto-inhibited Ca2+-ATPase,ACA)作为Ca2+-ATPase的亚家族之一,在植物细胞内维持Ca2+浓度平衡发挥着重要的作用。为探究蓖麻(Ricinus communis)RcACA基因家族的功能及基因表达模式,文中采用生物信息学手段鉴定蓖麻RcACA基因家族成员,预测分析了其基础的理化性质、亚细胞位置、蛋白的二级和三级结构、保守域、保守基序、基因结构、染色体位置及共线关系、进化特征、启动子顺式作用元件,并通过蓖麻转录组数据中的表达量(fragments per kilobase of exon model per million mapped fragments,FPKM)分析RcACA基因在非生物胁迫下的表达模式。结果表明,在蓖麻中共鉴定到8个RcACA基因家族成员,均是酸性蛋白且定位在细胞质膜;所有蛋白的二级和三级结构中α-螺旋和不规则卷曲较多;RcACA基因被聚为3类,同一类别中基因的结构与保守基序相似;均有典型的4个结构域RcACA3–RcACA8,还有1个Ca^(2+)-ATPase N端自抑制结构域(N-terminal autoinhibitory domain);RcACA基因多位于染色体长臂,拥有2对共线关系。RcACA基因编码区上游拥有较多的光响应作用元件,激素诱导类作用元件较少。种间聚类显示ACA基因在物种间的进化是保守的。组织表达模式分析显示,RcACA基因拥有明显的组织表达特异性,且多数基因在雄花中表达量最高;非生物胁迫表达分析表明,RcACA2–RcACA8在高盐和干旱胁迫下均上调表达,RcACA1在低温胁迫的0–24 h上调表达,表明RcACA基因积极地响应非生物胁迫。上述结果为探究RcACA基因在蓖麻生长发育和逆境胁迫中的作用提供了理论参考。     

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。     

植物启动子的化学因素诱导元件

启动子是位于结构基因5'端上游区域调控基因转录的一段DNA序列。已在植物启动子中鉴定出许多与诱导表达相关的顺式作用元件,这些元件对各种物理、化学刺激做出反应,调控基因表达。文章从化学因素诱导表达启动子入手,介绍植物表达启动子中激素、伤害、NaCl诱导顺式作用元件研究的进展。     

茄子自噬相关基因ATG8家族鉴定及表达分析

自噬相关基因ATG8在调节植物生长发育和胁迫响应中发挥着关键作用。本研究通过生物信息学技术分析ATG8在茄子基因组中的分布、结构及进化等,并研究了其在茄子不同组织、外源激素和冷处理下的表达情况。结果表明,从茄子基因组中共鉴定到7个ATG8基因,分布在6条染色体上。理化性质分析显示茄子ATG8基因编码的蛋白包含118~166个氨基酸残基,等电点在6.29~9.16之间;基因结构和保守基序分析表明,ATG8基因家族成员具有保守的基因结构和蛋白基序;启动子区域含有多种激素响应和逆境响应的顺式作用元件;茄子中有3对ATG8基因存在共线关系;茄子与拟南芥和番茄ATG8基因家族成员间分别存在10和11对共线关系。组织表达分析表明茄子ATG8主要在不同的花器官中表达,表明其可能与茄子花发育有关;此外,表达模式分析结果显示7个茄子ATG8基因对冷胁迫和ABA、MeJA、SA等外源激素均有不同程度的响应,表明ATG8基因家族在茄子生长发育、胁迫和激素响应中具有重要的功能。     

植物启动子的诱导模序

启动子是位于基因 5′端并负责该基因转录的DNA序列。诱导性启动子中有一些对伤害、真菌侵染、紫外线照射、激素等做出应答反应的顺式作用元件 ,被称为模序。已在植物启动子中鉴定出许多与诱导表达相关的模序 ,如伤害诱导模序 ,真菌诱导模序 ,植物激素诱导模序和光诱导模序等。这些模序作为启动子的顺式元件对各种诱导因子做出反应、调控基因的表达。     

KT/HAK/KUP potassium transporters gene family and their whole-life cycle expression profile in rice (<Emphasis Type="Italic">Oryza sativa</Emphasis>)

KT/HAK/KUP potassium transporter protein-encoding genes constitute a large family in the plant kingdom. The KT/HAK/KUP family is important for various physiological processes of plant life. In this study, we identified 27 potential KT/HAK/KUP family genes in rice (Oryza sativa) by database searching. Analysis of these KT/HAK/KUP family members identified three conserved motifs with unknown functions, and 11-15 trans-membrane segments, most of which are conserved. A total of 144 putative cis-elements were found in the 2 kb upstream region of these genes, of which a Ca2+-responsive cis-element, two light-responsive cis-elements, and a circadian-regulated cis-element were identified in the majority of the members, suggesting regulation of these genes by these signals. A comprehensive expression analysis of these genes was performed using data from microarrays hybridized with RNA samples of 27 tissues covering the entire life cycle from three rice genotypes, Minghui 63, Zhenshan 97, and Shanyou 63. We identified preferential expression of two OsHAK genes in stamen at 1 day before flowering compared with all the other tissues. OsHAK genes were also found to be differentially upregulated or downregulated in rice seedlings subjected to treatments with three hormones. These results would be very useful for elucidating the roles of these genes in growth, development, and stress response of the rice plant.     

Modification of gibberellin production and plant development in Arabidopsis by sense and antisense expression of gibberellin 20-oxidase genes

Gibberellin (GA) 20-oxidase catalyses consecutive steps late in GA biosynthesis in plants. In Arabidopsis, the enzyme is encoded by a gene family of at least three members (AtGA20ox1, AtGA20ox2 and AtGA20ox3) with differential patterns of expression. The genes are regulated by feedback from bioactive GAs, suggesting that the enzymes may be involved in regulating GA biosynthesis. To investigate this, we produced transgenic Arabidopsis expressing sense or antisense copies of each of the GA 20-oxidase cDNAs. Over-expression of any of the cDNAs gave rise to seedlings with elongated hypocotyls; the plants flowered earlier than controls in both long and short days and were 25% taller at maturity. GA analysis of the vegetative rosettes showed a two- to threefold increase in the level of GA4, indicating that GA 20-oxidase normally limits bioactive GA levels. Plants expressing antisense copies of AtGA20ox1 had short hypocotyls and reduced rates of stem elongation. This was reflected in reduced levels of GA4 in both rosettes and shoot tips. In short days, flowering was delayed and the reduction in the rate of stem elongation was greater. Antisense expression of AtGA20ox2 had no apparent effects in long days, but stem growth in one transgenic line grown in short days was reduced by 20%. Expression of antisense copies of AtGA20ox3 had no visible effect, except for one transgenic line that had short hypocotyls. These results demonstrate that GA levels and, hence, plant growth and development can be modified by manipulation of GA 20-oxidase expression in transgenic plants.     

水稻种子发育期间特异锌指蛋白基因的筛选与分析

.锌指蛋白基因是植物基因组中最大最复杂的基因家族之一.大部分的锌指模体存在于转录因子中,它们在转录水平上参与植物生长发育及植物对生物和非生物胁迫的反应.为了解锌指蛋白基因在水稻种子发育中的作用,本研究通过多种数据库搜索获得了878个水稻锌指蛋白基因.从中选取311个利用RT-PCR技术分析它们在水稻成熟期根、茎、叶、花及不同发育阶段种子中的表达特征.结果发现,共有196个基因能在至少1个水稻器官中表达,其中10个为种子特异性表达基因.进一步分析发现,10个特异表达基因在水稻种子不同发育阶段中的表达具有种子阶段表达特异性.同时分析它们的基因及蛋白结构特点,结果显示它们的结构较简单,其中3个蛋白含有线粒体靶肽,5个蛋白含有CCCH锌指结构域.另外,分析种子特异性表达基因上游调控区的顺式作用元件,结果表明它们都含有TATA-box、CAAT-box和种子特异调控元件,除此之外还发现了光、激素和胁迫反应相关调控元件.这些结果为进一步研究它们在种子发育过程中的生物学功能提供了有用的线索.     

Distinct and overlapping roles of two gibberellin 3-oxidases in Arabidopsis development

Gibberellin (GA) 3-oxidase, a class of 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases, catalyzes the conversion of precursor GAs to their bioactive forms, thereby playing a direct role in determining the levels of bioactive GAs in plants. Gibberellin 3-oxidase in Arabidopsis is encoded by a multigene family consisting of at least four members, designated AtGA3ox1 to AtGA3ox4. It has yet to be investigated how each AtGA3ox gene contributes to optimizing bioactive GA levels during growth and development. Using quantitative real-time PCR analysis, we have shown that each AtGA3ox gene exhibits a unique organ-specific expression pattern, suggesting distinct developmental roles played by individual AtGA3ox members. To investigate the sites of synthesis of bioactive GA in plants, we generated transgenic Arabidopsis that carried AtGA3ox1-GUS and AtGA3ox2-GUS fusions. Comparisons of the GUS staining patterns of these plants with that of AtCPS-GUS from previous studies revealed the possible physical separation of the early and late stages of the GA pathway in roots. Phenotypic characterization and quantitative analysis of the endogenous GA content of ga3ox1 and ga3ox2 single and ga3ox1/ga3ox2 double mutants revealed distinct as well as overlapping roles of AtGA3ox1 and AtGA3ox2 in Arabidopsis development. Our results show that AtGA3ox1 and AtGA3ox2 are responsible for the synthesis of bioactive GAs during vegetative growth, but that they are dispensable for reproductive development. The stage-specific severe GA-deficient phenotypes of the ga3ox1/ga3ox2 mutant suggest that AtGA3ox3 and AtGA3ox4 are tightly regulated by developmental cues; AtGA3ox3 and AtGA3ox4 are not upregulated to compensate for GA deficiency during vegetative growth of the double mutant.     

水稻抗逆相关基因的分子进化分析

植物在进化过程中为了适应外界环境,已经具有一套完整的抵抗外界特殊环境的调控系统。但是,关于水稻抗逆相关基因的分子进化方面的研究还未见报道。文章通过Plant Tolerance Gene Database数据库,获得22个水稻抗逆相关基因。利用比较基因组学和生物信息学方法对水稻抗逆相关基因的进化动态进行研究,结果表明水稻抗逆相关基因在低等植物中比较保守;随着植物的不断进化和生存环境的改变,其基因数量也随之增加。具有相似抗性功能的基因往往具有相似的基因结构和基序(motif)结构。文章还发现4个保守motif 的存在：HRDXK、DXXSXG、LLPR和GXGXXG(X代表任意氨基酸)。在GSK1、RAN2抗逆基因中发现了3个特有的motif结构：GSK1特有的P-rich motif,RAN2特有的G-rich motif和E-rich motif。推测这些保守的motif结构与基因的抗逆功能密切相关。进化速率分析结果表明,尽管植物抗逆性相关基因在进化过程中受到较强的纯化选择作用,但是仍然有50%的抗逆性相关基因存在正选择位点。这些正选择位点的存在有可能为基因适应外界环境变化提供了重要的物质基础。