小桐子转化酶基因家族的生物信息学分析及表达特性

转化酶是植物蔗糖代谢与抗逆性形成的关键酶。基于小桐子基因组数据,鉴定到16个小桐子转化酶基因,并对其系统进化、基因结构、理化性质、保守基序及表达特性进行了分析。结果表明,小桐子转化酶基因家族聚类为3个亚家族,中性/碱性转化酶α亚组与酸性转化酶基因包含6或7个外显子,β亚组包含4或5个外显子。同时,酸性转化酶N端都包含信号肽序列,且都鉴定到GH32家族保守的-NDPNG/A-与-MWECV/P-基序。qRT-PCR表达分析显示,JcC-INVD基因在小桐子子叶中表达量最高,而在根中表达量较低,且在叶中属于低温诱导基因。     

NAC家族生物信息学分析

目的:探讨NAC基因结构和分布特点,了解NAC基因之间的进化关系。方法:从NCBI下载获得目标序列,通过染色体定位、比对、拼接得到新的mRNA,翻译为蛋白质,得到保守基序,再比对,绘制系统发育树进行分析。结果:生物信息学分析发现NAC家族基因在5个物种的基因组中都有分布;大多数NAC基因都有3个以上的外显子,绝大多数NAC基因仅1个NAM结构域,大多数NAM结构域都具有两端的保守基序,大多数NAM结构域位于2个相邻外显子上;NAC蛋白在单、双子叶植物分化上已有功能上的分歧。结论:NAC家族基因分布广,结构多为3个外显子,1个拥有两端保守基序的NAM结构域位于2个相邻外显子上。该研究为鉴定并获得NAC全长序列奠定了基础。     

茉莉酸信号途径中转录抑制因子JAZ蛋白家族的分子进化分析

茉莉酸在植物的生长发育、应激反应和次生代谢过程中起着重要的调控作用。转录抑制因子JAZ（Jasmonate ZIM-domain）蛋白则是茉莉酸信号从SCF^coi1受体复合物向下游茉莉酸应答基因转导的纽带。采用比较基因组学的方法。从多谱系的角度对植物JAZ蛋白家族进行分子进化分析并取得以下研究结果。（1）在藻类植物、苔藓植物、蕨类植物、裸子植物及单、双子叶植物6个不同谱系的15种代表植物基因组中,鉴定了82个JAZ同源基因,其中在低等藻类植物基因组中没有鉴定到JAZ同源基因,提示JAZ家族基因可能起源于陆生植物。（2）系统发育分析表明,在植物基因组中JAZ蛋白家族可分为10个保守的亚家族,而谱系特异扩增尤其是串联重复和区段重复可能是陆生植物JAZ家族基因扩增与进化的主要机制,并导致多个谱系特异的JAZ亚家族产生。（3）基因结构分析表明,JAZ家族基因含有0一7个数目不等、62—4222bp长度不等的内含子,提示在植物基因组进化过程中,JAZ家族基因可能发生内含-丢失或内含子插入缺失,进而导致基因外显子．内含子结构的多样性。该研究结果将为植物JAZ蛋白家族的深入研究提供参考。     

植物莽草酸途径EPSPS蛋白的分子进化和基因结构分析

EPSPS既是植物、微生物和真菌等生物芳香族氨基酸生物合成途径——莽草酸途径中的关键酶,也是除草剂草甘膦的靶标酶。EPSPS的克隆能为草甘膦抗性转基因作物的研发提供候选基因。该研究运用比较基因组学方法,通过对41种不同植物的43条EPSPS蛋白序列进行进化分析,取得主要结果如下:(1)不同植物EPSPS蛋白的相似性很高,且具有相同的结构域、保守基序和保守位点,但是其叶绿体转运肽序列差异显著;(2)系统发育分析表明,EPSPS基因按照双子叶植物纲和单子叶植物纲分为2个大的分支,各个小的分支又按照植物的种属亲缘关系进行分支和聚类;(3)基因结构分析表明,植物EPSPS基因基本都含有8个外显子和7个内含子,且所对应外显子的长度相当,而内含子的长度差异很大,说明在植物基因组进化过程中造成EPSPS基因结构差异的主要因素是内含子的改变。研究结果将为揭示植物EPSPS蛋白的结构功能提供参考。     

木质素生物合成酶CCR基因的生物信息学分析

肉桂酰辅酶A还原酶(Cinnamoyl-CoA reductase,CCR)是催化木质素特异途径的第一个关键酶,是调节碳素流向木质素潜在的控制关节点,对木质素单体的生物合成起着重要作用。通过NCBI数据库收集来自裸子植物、单子叶植物及双子叶植物的35条CCR基因的完整信息,对35条CCR基因的cDNA及其编码的氨基酸序列的进化规律、理化性质、结构域、导肽、信号肽、跨膜结构域、亲/疏水性以及蛋白质结构等性状进行了生物信息学分析与预测,构建了CCR基因的系统发育树。分析结果表明,单子叶植物CCR基因中GC的含量明显高于双子叶植物;CCR基因编码的氨基酸序列存在9个保守区域;所编码氨基酸的理化性质基本一致,但单子叶、双子叶及裸子植物的CCR基因编码主要氨基酸的种类和含量存在着差异;CCR蛋白的N-端存在一个脱氢酶/差向异构酶/辅酶Ⅰ结合蛋白的结构域,无导肽、信号肽及跨膜结构域,属亲水性蛋白;进化树绘制以及同源建模结果表明,CCR基因的进化和植物的进化基本一致,CCR蛋白三级结构模型的空间结构稳定,建模结果可靠。分析结果对于深入研究CCR蛋白在木质素合成中的作用具有一定的理论指导意义。     

葡萄、桃和可可基因组的进化分析

本研究以葡萄、桃和可可为研究对象,基于比较基因组学,利用基因同源共线性方法对基因组内的结构和基因组间同源信息进行比对分析,确定了物种基因组内和基因组间的同源片段。通过统计3个物种基因组间的同源共线基因的保留情况发现,葡萄基因组的保留情况最好,桃次之(为73.4%),可可最差(为68.9%),其丢失均可能是由于双子叶植物共有的三倍化导致基因组稳定性遭到破坏。另外,共线基因间的同义核苷酸替换率的频数分布证实,葡萄、桃和可可仅经历过一次古老的全基因组三倍化,并未经历最近的全基因组加倍,且可可基因组进化最快,葡萄基因组进化最保守;3个物种的分歧时间分别为:葡萄(~110 Mya)、可可(~90 Mya)、桃(~80 Mya)。本研究将为3个物种及双子叶植物基因组的结构、功能和进化等研究提供重要的理论依据。     

海岛棉WRKY转录因子的全基因组鉴定及响应黄萎病菌侵染的表达分析

WRKY蛋白是植物中一类重要的转录因子,其在很多生物过程中都发挥有重要作用。目前,关于海岛棉(Gossypium barbadense L.)WRKY转录因子的研究相对较少。本研究利用生物信息学方法在海岛棉基因组中鉴定出180个WRKY转录因子(GbWRKY)。根据基因结构及系统进化关系,可将GbWRKY基因分为3组(I～III),II组又可细分为5个亚组(IIa～IIe)。GbWRKY基因在染色体上分布不均匀。基因重复事件分析表明,全基因组复制及区段重复事件是GbWRKY基因数量增多的主要原因。表达分析发现,有61个GbWRKY基因在黄萎病菌(Verticillium dahliae)侵染条件下呈现差异表达,表明它们在黄萎病菌胁迫应答过程中发挥作用。本研究结果揭示了海岛棉WRKY转录因子的结构、进化及表达特征,为进一步研究棉花WRKY基因的功能提供了理论指导。     

棉属四倍体AD1与二倍体A2、D5基因组的同源SSR分析

SSRs(Simple sequence repeats)是一类广泛存在于动植物基因组的DNA短串联重复序列,是重要的基因组分子标记。比较不同基因组同源SSR的差异,有利于了解相近物种间的进化过程。文章使用雷蒙德氏棉基因组(D₅)、亚洲棉基因组(A₂)全基因组序列和陆地棉(AD₁)的限制性酶切基因组测序数据,进行全基因组SSR扫描,比较了A组和D组的SSR分布情况,通过识别3个基因组之间的同源SSR,比较它们之间同源SSR重复序列的差异。结果发现,A组和D组同源SSR的分布规律非常相似,但A组与AD组的同源SSR保守性比D组与AD组同源SSR的保守性强。与AD组同源SSR相比,A组中重复序列长度增长的SSR数量约为长度缩短的SSR数量的5倍,在D组中这一比值约为3倍。可以推测,四倍体AD组在与A组、D组的平行进化过程中,由于基因组融合,导致SSR的重复序列长度变化速率与二倍体A、D组有差异,同时这种差异可能导致了AD组SSR重复序列长度在进化过程中与二倍体相比有变短的趋势。文章首次对3个棉花基因组的同源SSR进行了系统地比较,发现了同源SSR在棉属四倍体基因组和二倍体基因组中的显著差异,为进一步揭示棉属基因组的进化规律提供了基础。     

拟南芥耐盐基因ENH1在陆生植物中的进化

[目的]ENH1是最近鉴定的拟南芥耐盐基因,编码一个叶绿体定位的蛋白,N末端具有一个PZD结构域,C末端具有一个RUBR结构域;功能上与活性氧自由基的脱毒有关,本文研究ENH1基因的进化历史和功能分化。[方法]从陆地植物基因组中获得同源蛋白,重建这个基因家族的系统发生,通过生物信息学手段研究其蛋白质结构域组织,蛋白质相互作用和表达谱。[结果]总共获得35个ENH1同源蛋白序列,大多数物种保持一个基因拷贝,系统发育上单子叶与双子叶被明确划分,并获得高度的支持,在进化过程EHN1蛋白获得了PDZ结构域。[结论]功能上,这个基因家族通过获得PZD结构域适应被子植物细胞的复杂功能要求,ENH1样基因可能涉及叶绿体的多种功能,此外,ENH1基因家族适合作为系统发育重建的分子标记。     

雷蒙德氏棉HSP70基因家族的进化分析及其同源基因在陆地棉中的表达分析

热激蛋白70家族(HSP70)是一类在植物中高度保守的分子伴侣蛋白,在细胞中协助蛋白质正确折叠。文章利用隐马可链夫模型(HMM)在雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii L.)全基因组范围内进行HSP70基因家族成员进化分析,共得到30个HSP70家族成员。利用生物信息学对雷蒙德氏棉HSP70基因的结构、染色体分布、基因倍增模式以及系统进化进行分析,结果表明,HSP70基因家族根据亚细胞定位结果可分为不同的基因亚家族,各亚家族中HSP70基因具有相对保守的基因结构;染色体片段重复和串联重复是雷蒙德氏棉HSP70基因家族扩增的主要方式。通过对不同物种的HSP70基因家族进行系统进化分析可知,HSP70亚组的分化发生在单细胞植物形成前,且细胞质型HSP70成员大量扩增。比较陆地棉棉纤维发育不同时期的深度测序表达谱,发现HSP70基因可能参与棉纤维的生长发育。本研究结果有助于了解棉属植物HSP70基因家族的功能,以期为深入研究棉纤维发育过程中的分子调控机理提供基础。     

Genome-wide identification and analysis of the aldehyde dehydrogenase (ALDH) gene superfamily of Gossypium raimondii

Background

Aldehyde dehydrogenases (ALDHs) are members of the NAD(P)⁺-dependent protein superfamily which catalyzes aliphatic and aromatic aldehyde oxidation to non-toxic carboxylic acids. ALDH genes may offer promise for improving plant adaptation to environmental stress. Recently, elucidated genome sequences of Gossypium raimondii provide a foundation for systematic identification and analysis of ALDH genes. To date, this has been accomplished for many plant species except G. raimondii.

Results

In this study, thirty unique ALDH sequences that code for 10 ALDH families were identified in the G. raimondii genome. Phylogenetic analysis revealed that ALDHs were split into six clades in G. raimondii, and ALDH proteins from the same families were clustered together. Phylogenetic relationships of ALDHs from 11 plant species suggest that ALDHs in G. raimondii shared the highest protein homology with ALDHs from poplar. Members within ALDH families possessed homologous exon–intron structures. Chromosomal distribution of ALDH did not occur evenly in the G. raimondii genome and many ALDH genes were involved in the syntenic region as documented by identification of physical locations among single chromosomes. In addition, syntenic analysis revealed that homologues of many G. raimondii ALDHs appeared in corresponding Arabidopsis and poplar syntenic blocks, indicating that these genes arose prior to G. raimondii, Arabidopsis and poplar speciation. Finally, based on gene expression analysis of microarray and RNA-seq, we can speculate that some G. raimondii ALDH genes might respond to drought or waterlogging stresses.

Conclusion

Genome-wide identification and analysis of the evolution and expression of ALDH genes in G. raimondii laid a foundation for studying this gene superfamily and offers new insights into the evolution history and speculated roles in Gossypium. These data can be used to inform functional genomic studies and molecular breeding in cotton.     

Cloning and nucleotide sequence of the urea amidolyase gene from Candida utilis

Urea amidolyase (EC 3.5.1.45) is an important multi-functional enzyme for the degradation of urea. The urea amidolyase gene from Candida utilis CA(u)-37 (DUR1,2^c) was cloned by plaque hybridization, and the nucleotide sequences of DUR1, 2^c and its flanking regions were determined. DUR1, 2^c was found to be composed of 5,490 base pairs and 1,830 amino acid residues. Using Edman degradation of the purified enzyme, it was revealed that the amino-terminal residue (methionine) was processed for maturation. A TATA-box like sequence was found 112 bases upstream from the translation start site (ATG). The site of the poly (A) tail was found 54 bases downstream from the translation stop site (TGA), since cDNA of DUR1, 2^c was synthesized from mRNA and sequenced. The nucleotide sequences of the urea amidolyase gene from Saccharomyces cerevisiae and DUR1, 2^c were very similar to each other (65.3%), as were the deduced amino acid sequences (67.2%). The molecular weight of DUR1, 2^c was calculated to be 200,700. This value corresponded to the result obtained from SDS-polyacrylamide gel electrophoresis of the purified enzyme. The enzyme functions in a dimeric form. Three important regions were found in the amino acid sequence of urea amidolyase through the homology search. It was predicted that each region was equivalent to the active site of allophanate hydrolase, that of urea carboxylase, and the biotin-binding site. This was verified by deletion analysis of the DUR1, 2^c gene in S. cerevisiae. The function of the upstream region of the C. utilis gene is also discussed.     

高通量筛选诱变菌株降低黄酒发酵氨基甲酸乙酯前体积累

【目的】氨基甲酸乙酯是发酵食品中普遍存在的一种潜在危害物。黄酒中氨基甲酸乙酯的前体主要是尿素和乙醇。本研究通过高通量筛选策略降低黄酒发酵过程中尿素的积累,从而降低氨基甲酸乙酯积累。【方法】以一株黄酒生产工业菌株酿酒酵母XZ-11为研究对象,采用ARTP诱变和高通量筛选策略,获得尿素积累量较低菌株。使用实时定量PCR技术检测氮代谢中尿素代谢和转运相关基因(DUR1,2和DUR3)的变化。【结果】筛选得到一株尿素高效稳定性利用菌株5-11C。其尿素积累量比酿酒酵母XZ-11降低了50.6%。实时定量荧光PCR结果表明,与尿素代谢和转运相关的基因(DUR1,2和DUR3)表达量分别提高了3.3和2.2倍。【结论】高通量筛选策略可以用于降低黄酒生产过程中氨基甲酸乙酯前体尿素的含量。由于未采用基因工程手段,避免了可能的法规问题,消费者易于接受,在发酵食品行业具有较好的应用前景。     

Phylogenetic diversity and relationship among Gossypium germplasm using SSRs markers

Gossypium species represent a vast resource of genetic multiplicity for the improvement of cultivated cotton. To determine genetic diversity and relationships within a diverse collection of Gossypium, we employed 120 SSR primers on 20 diploid species representing seven basic genome groups of the genus Gossypium, five AD allotetraploid cotton accessions while T. populnea served as an outgroup species. Out of 120 SSR primers, 49 pairs are polymorphic, which produced a total of 99 distinct alleles with an average of 2.0 alleles per primer pair. A total of 1139 major SSR bands were observed. Genetic similarities among all the diploid species ranged from 0.582 (between G. herbaceum and G. trilobum) up to 0.969 (between G. arboreum and G. herbaceum). Phylogenetic trees based on genetic similarities were consistent with known taxonomic relationships. The results also indicated that G. raimondii is the closest living relative of the ancestral D-genome donor of tetraploid species and the A-genome donor is much similar to the present-day G. herbaceum and G. arboreum. Ancient tetraploid cotton species were formed by hybridizing and chromosome doubling between them, then different tetraploid cotton species appeared by further geographical and genetic isolation and separating differentiation. The results showed that SSRs could be an ideal means for the identification of the genetic diversity and relationship of cotton resources at the genomic level.     

Expression profiling of <Emphasis Type="Italic">Streptomyces peucetius</Emphasis> metabolic genes using DNA microarray analysis

Doxorubicin (DXR) and daunorubicin (DNR) are anthracycline antibiotics produced by Streptomyces peucetius and widely used as cancer chemotherapeutic agents. To improve their productivity, regulation of DXR/DNR synthesis genes as well as central metabolic pathway genes must be understood more clearly. So far, studies have focused on DXR/DNR gene regulation. To investigate the correlation between the central metabolic pathway genes and DXR/DNR productivity, we selected 265 genes involved in glycolysis, fermentation, the citric acid cycle, butanoate metabolism, etc., and searched for their sequences in the S. peucetius genome by comparing gene sequences to those of Streptomyces coelicolor. The homologous genes were amplified by PCR and arrayed on glass microarray slides. Gene expression was monitored under two different growth media conditions, R2YE and NDYE. Genes involved in the production of malonyl-CoA and propionyl-CoA, the main precursors for doxorubicin synthesis, were mainly upregulated in NDYE media. Genes related to acetyl-CoA and the urea cycle were also upregulated. These changes in gene expression were confirmed by real-time RT-PCR.     

西藏大花红景天RcCATs与RcSODs基因克隆及功能分析

为探究过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)基因家族成员在西藏大花红景天高原恶劣生境适应性中的作用,利用生物信息学和qRT-PCR技术对其RcCATs和RcSODs基因家族成员的序列和表达模式进行了分析,并构建RcCAT和RcSOD1的pYES2.0表达载体与pGBKT7诱饵载体,分别进行了酵母胁迫分析和拟南芥酵母文库中互作蛋白的筛选。结果显示:(1)大花红景天中共有2条RcCAT基因,3条RcSOD基因和1条Cu/Zn SOD铜伴侣基因RcCCS。生物信息学分析显示上述基因的氨基酸序列与其同源基因具有较高的相似性(66.37%～94.51%),且均没有跨膜结构域,亚细胞位置预测RcCATs位于过氧化物酶体,RcSODs和RcCCS位于细胞质或线粒体。(2)qRT-PCR结果显示6个基因在根、茎、叶三个器官中均有表达且主要在叶片中表达,低温胁迫和植物激素ABA对基因表达量的影响显著。(3)酵母胁迫结果显示异源表达RcCAT和RcSOD1基因的阳性酵母菌株在冷、热、盐、碱、重金属和H₂O₂胁迫下的细胞活力均比pYES2.0空载菌株高。(4)通过酵母双杂交共筛选到4个与RcCAT互作明显的基因AtbHLH121(AT3G19860)、AtCPCK2(AT2G23070)、AtGRP4(AT5G50750)和AtRAPTOR1B(AT3G08850),3个与RcSOD1互作明显的基因AtEMB(AT5G11890)、AtMBP2(AT1G52030)和AtRH8(AT4G00660)。综上结果表明,大花红景天能够通过RcCATs和RcSODs基因广泛参与调控其生长发育、胁迫响应等代谢途径来适应高原恶劣的环境。     

分泌蛋白特异性基因陷阱的设计与验证

蛋白质分子向细胞外分泌的过程有赖于信号肽的介导.基因陷阱是功能性基因克隆的一种有效方法,经典的基因陷阱以geo作为报告基因,对所克隆的基因类型没有选择性.将绿脓杆菌外毒素、2A序列、IL-2受体穿膜区以及新霉素磷酸转移酶的基因依次融合构建新型报告基因——peo,该报告基因能够特异性地甄别具有信号肽编码序列的基因.为验证peo对信号肽编码序列的特异性甄别作用,以peo为报告基因,构建了3种质粒载体,分别模拟用基因陷阱载体进行筛选时可能出现的3种情况,通过转染HeLa细胞、G418筛选以及碱性磷酸酶检测,证明peo能够有效地区分信号肽和非信号肽编码序列,以peo为报告基因改造的基因陷阱载体可以用于分泌蛋白基因的筛选.     

蛇足石杉COBRA基因家族的分子生物信息学及表达分析

为探明蛇足石杉COBRA基因家族成员分子生物信息学特征及组织表达规律,该文基于蛇足石杉的全长转录组数据,通过生物信息学技术对该家族成员(HsCOBRAs)的理化性质、结构域、保守基序、顺式作用元件、基因表达量等进行分析。结果表明:(1)在蛇足石杉全长转录组中共筛选出24个HsCOBRAs家族成员,其中酸性蛋白9个,稳定蛋白11个,疏水性蛋白5个,具有跨膜结构的蛋白7个,具有信号肽的蛋白3个。(2)亚细胞定位在细胞壁、叶绿体、细胞核、细胞膜上。(3)结构分析发现HsCOBRAs有7种结构域和6种保守基序,部分成员具有高度保守的CCVS结构。(4)HsCOBRAs具有CAAT-box、TATA-box等45种顺式作用元件。(5)HsCOBRA2在叶、孢子、茎、芽胞中的表达量均最高。该研究结果可为HsCOBRAs的进一步研究及生物学功能验证等提供理论依据。     

头花杜鹃、陇蜀杜鹃及杜鹃属植物叶绿体基因组比较分析

头花杜鹃(Rhododendron capitatum)和陇蜀杜鹃(R. przewalskii)是极具观赏价值的野生花卉和药用植物。为探讨头花杜鹃和陇蜀杜鹃叶绿体基因组的遗传结构及进化特征,该研究利用 Illumina HiSeq 4000 平台对头花杜鹃和陇蜀杜鹃的叶绿体全基因组进行测序,经组装和注释后,结合 7 个已发表的杜鹃属植物叶绿体全基因组进行比较基因组学分析和系统发育分析。结果表明:(1)头花杜鹃和陇蜀杜鹃叶绿体全基因组呈典型的环状四分体结构,均由一个大单拷贝区(105 990、109 191 bp)、一个小单拷贝区(2 617、2 606 bp)和一对反向重复区(45 825、47 516 bp)构成,全长分别为200 257、206 829 bp。(2)头花杜鹃和陇蜀杜鹃叶绿体基因组中共鉴定出 263 个SSR位点,大部分 SSR 偏好使用 A/T 碱基,密码子偏好使用 A/U 结尾。(3)杜鹃属植物叶绿体全基因组中普遍存在基因丢失以及基因组重排等结构变异现象。该研究丰富了杜鹃属植物的基因组资源,为头花杜鹃、陇蜀杜鹃的资源开发、遗传进化、育种及系统发育相关研究提供了理论参考。