甘蔗ScNRAMP基因家族的鉴定与生物信息学分析

NRAMP蛋白(natural resistance-associated macrophage proteins)家族在植物响应重金属胁迫时具有重要作用,能够转运Fe²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺等重金属离子。为探究甘蔗ScNRAMP基因家族的特征,该文基于甘蔗割手密基因组鉴定了ScNRAMP基因家族,并进行了理化特性、基因结构、顺式作用元件、保守基序、结构域和进化关系等分析。结果表明:甘蔗ScNRAMP基因家族含有29个成员,不均匀分布在19条染色体上; 编码蛋白均为不稳定蛋白,无信号肽,亚细胞均定位在质膜上; 各成员保守基序有6～10个不等,跨膜数有6～12个不等,二级结构主要构成元件为α-螺旋和无规则卷曲; 顺式作用元件分析表明甘蔗ScNRAMP基因家族可能通过激素代谢参与逆境胁迫和生长发育等生物过程; 利用割手密的RNA-seq转录组表达数据进行的组织特异性分析发现,ScNRAMP在甘蔗不同发育阶段的叶和茎中具有时空表达特性; 进化树分析将甘蔗ScNRAMP家族成员分为3个亚家族(I、Ⅱ和Ⅲ)。该研究在全基因组水平上系统地鉴定了现代栽培甘蔗祖先种之一割手密NRAMP基因家族,既为进一步了解甘蔗NRAMP基因家族提供了基础,也为后续甘蔗重金属研究提供了重要候选基因。     

香蕉果实冷胁迫相关MaWRKY11转录因子的特性、互作蛋白筛选与鉴定

为探讨香蕉(Musa acuminata)响应冷胁迫的分子机制,从香蕉果实冷害的数字基因表达谱中筛选并分离了1 个WRKY转录因子,命名为MaWRKY11。MaWRKY11 具有2 个WRKY 保守结构域,属于I 类WRKY 成员,定位于细胞核,是核蛋白。MaWRKY11 具有转录激活活性,且激活区在N 端。实时荧光定量PCR 分析表明MaWRKY11 受冷胁迫诱导,外源茉莉酸甲酯(MeJA)处理减轻香蕉果实冷害的同时也上调了其表达。另外,酵母双杂交筛选表明,MaWRKY11 可与脱水诱导的早期应答蛋白MaERD 相互作用。这些表明MaWRKY11 可能通过与逆境相关蛋白如MaERD 互作来响应香蕉果实的冷胁迫。     

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。     

甜菜BvHAK基因家族全基因组鉴定及其在盐处理下的表达分析

高亲和性K⁺转运蛋白（high-affinity K⁺ transporter,HAK）是植物中最重要的K⁺转运蛋白家族之一,在植物K⁺吸收和转运过程中发挥重要功能。为探究甜菜BvHAK基因家族成员生物学功能及基因表达模式,采用生物信息学手段,预测了蛋白质的理化性质、基因结构、染色体定位、系统进化、保守基序、三维结构、互作网络、启动子顺式作用元件,并通过qRT-PCR分析了盐胁迫下BvHAKs基因在甜菜不同组织中的表达水平。共鉴定出10个甜菜BvHAK基因家族成员,含有8-10个外显子、7-9个内含子;平均氨基酸个数为778.30,平均分子量为88.31 kDa,等电点为5.38-9.41,跨膜区为11-14个。BvHAK4、-5、-7和-13定位在质膜,而其余定位在液泡膜。系统进化分析发现,高等植物HAK可分为5个簇,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ簇,其中Ⅱ簇成员可进一步分为Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc等3个亚簇;BvHAK家族成员则分布在前4簇,分别含有1、6、1和2个成员。甜菜BvHAK基因家族主要含有胁迫响应元件、激素响应元件和生长发育响应元件。进一步对BvHAK基因在盐处理下甜菜不同组织中的表达模式分析发现,50和100 mmol/L NaCl不同程度地诱导甜菜地上部和根部BvHAK基因家族成员的表达;高盐（150 mmol/L）则下调了其在地上部的表达水平。这些结果表明,BvHAK基因家族在响应盐胁迫过程中起重要作用。     

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。     

谷子PAL基因家族全基因组的鉴定和表达分析

苯丙氨酸解氢酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)基因家族参与苯丙烷类代谢过程,通过调控植物抗病次生物质的合成在植物抗逆反应中发挥重要作用。为明确谷子PAL基因家族在逆境胁迫下的表达规律,该研究利用生物信息学方法对谷子PAL基因家族进行鉴定和表达分析。结果表明:谷子具有11个PAL基因,在进化树中可分为3个亚家族,SiPAL7独自进化为一支。通过构建蛋白结构域发现PAL基因家族成员均含有保守的PAL结构域。启动子分析显示,PAL基因含有应答激素、逆境胁迫等多种因子的顺式作用元件,说明PAL基因广泛参与不同生物学调控过程。RT-qPCR结果显示,谷子PAL基因家族多为诱导型表达,不同光照条件下PAL基因表达量变化明显,不同基因具有不同响应模式,说明谷子PAL基因家族在参与光调节反应中发挥重要作用。谷子PAL基因高度保守,广泛响应不同非生物胁迫,具有表达特异性。该研究结果为揭示PAL基因家族在调节谷子抗性及胁迫应答过程中的作用提供了参考。     

多胺对盐胁迫下黄瓜SOS2基因家族表达的影响

该研究基于黄瓜基因组数据库,利用生物信息学和荧光定量PCR等方法,对黄瓜SOS2基因家族进行全基因组鉴定,并对其表达特性进行系统分析。结果表明：(1)在黄瓜基因组中,共鉴定到 15个SOS2基因(CsSOS2 1~CsSOS2 15),且不均匀分布在5条染色体上;亚细胞定位显示SOS2蛋白主要位于细胞质膜。(2)系统进化分析显示,CsSOS2 2和CsSOS2 6与AtSOS2亲缘关系更近。(3)顺式作用元件预测显示,SOS2基因启动子序列主要含有干旱诱导和防御应激响应元件。(4)结构分析显示,SOS2蛋白所含保守基序的排列顺序完全一致,且主要含有STKc和NAF保守结构域,这些结构可能在基因响应盐胁迫过程中起调控作用。(5)荧光定量试验表明,SOS2基因家族主要在黄瓜的根和叶片响应盐胁迫时上调表达,其中,盐胁迫处理1 d时有5个基因上调表达,并随处理时间延长盐胁迫下的基因表达有所下调;增施多胺显著上调了CsSOS2 1~CsSOS2 5、CsSOS2 8、CsSOS2 9、CsSOS2 12和CsSOS2 15在不同组织中的表达,说明盐胁迫下多胺能诱导黄瓜SOS2基因家族的表达,进而参与植物耐盐分子网络的调控。     

铁皮石斛SPL膜结合(STM)转录因子的全基因组鉴定及表达分析

SPL转录因子广泛参与植物生长发育、胁迫响应等过程。目前,没有关于铁皮石斛SPL膜结合(SPL with transmembrane motif)转录因子即STM转录因子的研究。为了探究STM转录因子在铁皮石斛生长发育及胁迫响应等方面的作用,该文在铁皮石斛全基因组水平鉴定出4个STM转录因子,并对DoSTM基因家族成员进行生物信息学分析,又利用逆转录PCR研究了DoSTM在不同组织部位及不同逆境处理下的表达情况。结果表明:(1)DoSTM1-4为亲水蛋白,均具有SBP保守结构域和一些激素响应位点。(2)4个DoSTM在根茎叶中均有表达,DoSTM2在叶中的相对表达量最低; DoSTM1/3/4的相对表达水平均无明显差异。(3)DoSTM1-4在低温、高温、干旱胁迫下的相对表达水平都有显著变化,DoSTM1/3/4的表达量降低最为明显,故推测DoSTM与植物体内激素响应、温度变化响应及抗旱性有关。这些结论为后续进一步开展铁皮石斛STM转录因子的研究提供了参考。     

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。     

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。     

Genome-Wide Identification and Expression Analysis of the CrRLK1L Gene Family in Apple (Malus domestica)

It has been reported that members of the Catharanthus roseus receptor-like kinase1-like kinase (CrRLK1L) gene family detect cell wall integrity, cell-to-cell communication, and biotic and abiotic stress. We performed a comprehensive study including the genome-wide identification, characterization, and gene expression analysis of CrRLK1Ls in apple (Malus domestica). Sixty-seven M. domestica CrRLK1Ls (MdCrRLK1Ls) were identified based on their domain structure. Molecular weight and pI ranged from 52.36–141 kDa and 5.05–8.9, respectively. They were distributed across 16 of the 18 chromosomes and classified into five phylogenetic branches. Exon-intron structural analysis indicated a wide range of exon numbers. Collinearity analysis showed that both segmental-and tandem-duplication contributed to the expansion of this family. Cis-elements in the MdCrRLK1L promoter region responded mainly to light, circadian rhythm, phytohormones, and biotic or abiotic stress. Many members exhibited tissue-specific expression patterns and differentially expressed under biotic stresses, which may contribute to the different functional roles of MdCrRLK1Ls under physiological stress and/or pathological conditions. This study provides new insights into the CrRLK1Ls in Malus spp.

     

香蕉中4条乙醇脱氢酶基因的克隆及表达分析

该研究采用RACE技术从香蕉中克隆了4条乙醇脱氢酶基因——MaADH1(GenBank No.KM253748)、MaADH2(GenBank No.KM253749)、MaADH3(GenBank No.KM253750)、MaADH4(GenBank No.KM253753),且在核苷酸水平上4条基因与2A基因组中的乙醇脱氢酶同源性较高;遗传进化树分析显示,MaADH2、MaADH3和MaADH4属于乙醇脱氢酶第I类,而MaADH1不属于第I类,也不属于第Ⅲ类。半定量RT-PCR分析显示,4条基因在不同器官中的表达量不同;不同激素、不同非生物胁迫以及生物胁迫处理后4条基因的表达显示,MaADH2受ABA、乙烯、茉莉酸、水杨酸、干旱和涝害诱导表达,最大表达量分别为 19.14、 428.19、 68.21、 61.79、53.73和108.43;MaADH3受盐胁迫诱导表达,最大表达量为220.27;MaADH1和MaADH4在不同处理后的表达量变化不明显。研究表明,在香蕉中MaADH2可以作为ABA、乙烯、茉莉酸、水杨酸、干旱和涝害的标记基因,MaADH3可以作为盐害的标记基因。     

香蕉MaTPS1基因序列及其表达特性分析

通过随机克隆测序法,从香蕉根系cDNA文库中获得海藻糖合成酶基因,命名为MaTPS1。MaTPS1扩增获得cDNA序列,全长3 946bp,开放阅读框2 562bp,编码853个氨基酸。生物学信息分析表明,MaTPS1蛋白属于不稳定蛋白,等电点4.72,具有TPS和TPP结构域。序列预测分析表明,MaTPS1蛋白定位于细胞质中,不存在信号肽,为跨膜疏水蛋白。与已知植物TPS氨基酸同源序列比对结果显示,一致性达74.81%,其中与2种马来西亚野生蕉、玉米、野茶树、中果咖啡的TPS编码氨基酸序列一致性分别为100%、79.91%、71.33%、63.93%和65.13%。器官特异性分析表明,MaTPS1在香蕉的根、球茎、假茎、叶、花和果实中都有表达,其中在根、球茎、假茎和花中表达量较高。qRT-PCR分析表明,ABA、ACC、干旱、低温、盐害和枯萎病胁迫处理后,MaTPS1表达量在盐胁下增加,于24h时达到最高,而在其他胁迫下较正常条件下降低。研究认为,MaTPS1可能参与调控香蕉抗盐胁迫机制,从而提高香蕉耐盐性。     

香蕉肉桂醇脱氢酶基因的克隆及表达分析

肉桂醇脱氢酶(CAD)在木质素合成过程中起关键作用。通过RACE(rapid-amplification of cDNA ends)方法从香蕉根系cDNA均一化全长文库中获得一个肉桂醇脱氢酶基因,命名为MaCAD1(GenBank登录号为KF582533)。MaCAD1是香蕉MYB基因编码框全长cDNA,包含一个1 077bp的最大开放阅读框(ORF),编码358个氨基酸。蛋白质序列同源比对发现,其含有完整的醇脱氧酶的典型保守结构域,属于典型的CAD蛋白。系统进化树比对分析表明,MaCAD1与水稻OsCAD6(CAD39907)的亲缘关系较近。组织特异性研究表明MaCAD1基因组成型表达于香蕉各个组织。在耐病和感病品种中,MaCAD1均上调表达,但在耐病品种中MaCAD1在所有时间点相对于对照增加的倍数均高于感病品种,表明MaCAD1基因在香蕉的抗病性中起着重要作用,MaCAD1可以作为一个新的响应枯萎病侵染的标记基因。     

木薯FER基因家族的全基因组鉴定和表达分析

植物铁蛋白(Ferritin, FER)既能存储铁,又能响应各种非生物胁迫。该研究基于全基因组水平对木薯(Manihot esculenta)的FER基因家族进行分析,结果表明, 从木薯中共鉴定到4个FER基因,根据系统发育树将木薯FER基因划分为2支,所有成员均包含Euk_Ferritin的功能结构域并位于叶绿体内。木薯FERs基因位于LG7~LG10染色体上;基因共线性分析表明,共有3对潜在的复制基因对,无串联重复事件;Ka/Ks值表明,MeFER同源基因经过了纯化选择;该家族含有响应激素和胁迫诱导的顺式作用元件;qRT-PCR分析表明,MeFER基因的表达具有组织特异性,MeFER4基因响应多种胁迫,且在干旱胁迫下响应最为显著。该研究为木薯FER基因家族的功能研究奠定了基础。