念珠藻属植物hetR基因的适应性进化分析

以念珠藻属(Nostoc)及其近缘类群hetR基因的51条序列为研究对象,对hetR基因的编码蛋白进行生物信息学分析和系统发育分析,并使用分支模型、位点模型和分支-位点模型进行该基因位点的适应性进化研究。系统发育分析结果显示,51条hetR基因蛋白序列可分为4个大分支。适应性进化分析结果表明,在3种进化模型中,大多数分支及藻株都没有检测到统计学上具有显著性的正选择位点,说明检测的位点大多处于负选择压力下。但在普通念珠藻(Nostoc commune,CHAB2802)中检测到正选择位点(126T),提示念珠藻属植物hetR基因发生了适应性改变。     

弯枝藻属rbcL基因的适应性进化分析

为探讨淡水红藻的叶绿体基因及其适应性进化特征,选取弯枝藻属(Compsopogon)及相近外类群的rbc L基因共17条,利用PAML 4.9软件,对弯枝藻属rbc L基因编码蛋白进行生物信息学分析,并分别采用分支模型、位点模型以及分支-位点模型对基因的选择位点进行检测。结果表明,弯枝藻属rbc L基因编码蛋白的二级结构主要由α螺旋和β折叠构成,结构稳定。采用最大似然法构建的系统发育树表明,内类群为单一物种,分为3个小分支,具有一定地理分布规律。在3种进化模型中均未检测到统计上显著的正选择位点,表明绝大多数位点处于负选择压力下。因此,弯枝藻属rbc L基因未发生适应性进化。     

利用16S rRNA基因分析3种念珠藻的亲缘关系

通过基因克隆和序列测定,获得了地木耳、发菜和葛仙米的16S rRNA序列。以集胞藻为外类群,采用邻接法(NJ)和最大简约法(MP),对14株念珠藻的16S rRNA基因序列进行系统发育分析,两种方法得到的系统发育树基本一致。结果显示:(1)三者间的遗传距离(0.0129~0.0261,平均值0.0203)均大于普通念珠藻的种内遗传距离(0.0007~0.0118,平均值0.0074),超过了种内差异程度,在系统树中这3种念珠藻分别聚簇在不同的分支上;(2)地木耳、发菜和葛仙米与裂褶念珠藻等其它7种念珠藻间的遗传距离(0.0423~0.0996,平均值0.0561)大于三者间的遗传距离,在系统树中聚类较近,而与其它念珠藻聚类较远。据此,可将地木耳、发菜和葛仙米归为念珠藻属3个不同的种,并且它们的亲缘关系较近。     

大黄属(蓼科) 植物ｎｄｈＦ 基因的适应性进化

大黄属(Rheum L.)是蓼科(Polygonaceae)中一个高度分化的大属,广泛分布在亚洲和欧洲的高山和沙漠地区,全世界约60种,其中在青藏高原及其邻近地区发现了约40种。该属种的高度分化曾被推测是第三纪末青藏高原的快速隆升以及第四纪气候的反复变化所引发的适应性辐射导致。为进一步了解大黄属植物辐射式物种分化的分子适应机制,该研究选取34个形态上多样化的大黄属物种,利用系统发育分析软件,在时间框架下采用位点模型和分支模型对大黄属的叶绿体ndhF基因进行了适应性进化分析。结果表明：大黄属植物的分子进化系统树呈现短而平行的辐射式分支式样,显示出典型的物种快速辐射多样化特征;用位点模型检验ndhF基因是否存在经受正向选择(ω>1)时,在氨基酸水平上共鉴定出3个NDHF亚基的正选择位点(188H,465H,551L),对NDHF亚基的二级结构进行分析后发现编码的188H氨基酸位于α螺旋上。大黄属植物可能通过这些结构域的适应性进化,适应青藏高原的快速隆升以及第四纪气候的反复变化而引发的陆地生态系统改变。该研究结果可为今后对该属植物的实验分析提供首选位点。     

层理鞭枝藻藻蓝蛋白E和F基因的克隆及序列分析

克隆并测定了层理鞭枝藻藻蓝蛋白E和F基因全序列,通过将其氨基酸序列与其他蓝藻的相应序列进行比较,表明层理鞭枝藻中cpcE,cpcF所编码的蛋白质是层理鞭枝藻中α-CPC生命合成的连接酶。     

纳帕海高原湿地噬藻体g20基因系统发育多样性分析

【背景】噬藻体是感染蓝藻的病毒,是水生系统的重要组成部分。它们对宿主种群死亡率有重要影响,是控制蓝藻水华生消的潜在因子,对蓝藻群落结构的调控具有重要意义。大量研究揭示了海洋和淡水环境中噬藻体的高度多样性,但目前对高原湿地中噬藻体的多样性知之甚少。【目的】阐明我国纳帕海高原湿地噬藻体g20基因的遗传多样性,为进一步开展高原湿地微生物资源及其生态功能研究提供理论基础。【方法】采集雨季的水体样品,以衣壳蛋白基因g20为标记基因,利用特异性引物Cps1和Cps8对其进行PCR扩增,得到26条不同的g20基因有效序列,并将其与其他生境中g20基因序列进行主坐标分析和系统发育分析。【结果】与其他海洋和淡水的噬藻体序列相比,纳帕海高原湿地中噬藻体的序列与其他稻田序列更为相近;但也存在部分序列单独聚簇,这可能为纳帕海高原湿地中独有的噬藻体类型。【结论】表明该地区的噬藻体较丰富,并具有一定的独特性。     

中华苜蓿根瘤菌噬菌体的分离及主要壳蛋白基因g23的系统进化分析

【目的】揭示苜蓿根瘤菌噬菌体的形态学特征及主要壳蛋白g23基因的分布地位,为根瘤菌噬菌体的生态学研究提供数据支持。【方法】以中华苜蓿根瘤菌(Sinorhizobium meliloti USDA1002T)为宿主,采用双层平板法分离土壤环境中的苜蓿根瘤菌噬菌体,利用电子显微镜观察纯化的噬菌体形态特征;提取噬菌体DNA,PCR扩增编码噬菌体壳蛋白的g23基因,构建系统进化树,以形态学鉴定和分子生物学相结合的方法,明确分离获得的苜蓿根瘤菌噬菌体g23基因的系统进化地位。【结果】分离获得了3株噬菌体,头部均呈二十面体,直径大小为81–86 nm,尾部有收缩尾鞘,长度大约为54–70 nm。克隆测序结果显示,获得的3株噬菌体g23基因株间相似度较高,但与可培养的Exo T-、Schizo T-、T-、Pseudo T-evens相似度较低。系统进化分析表明,获得的3株噬菌体不隶属于目前已划分的不同环境噬菌体g23基因的分类类群中。【结论】3株噬菌体均属于肌尾噬菌体科的裂性噬菌体,与目前获得的所有噬菌体g23基因相似性较低,属于新的侵染中华苜蓿根瘤菌的噬菌体株。     

膜蕨科植物rbcL基因的适应性进化和共进化分析

膜蕨科植物是薄囊蕨类中种类最多的科,主要分布在潮湿的热带地区,拥有陆生、附生、半附生和攀生等多种生态型。为进一步了解膜蕨科植物辐射式物种分化的分子适应机制,该研究在时间框架下采用位点模型对膜蕨科植物rbc L基因的进化式样进行分析。结果表明:共鉴定出6个氨基酸正选择位点(125I、227L、231A、258F、304S和351L),其中位点304S位于环六上,对维持Rubisco功能有重要作用。此外,还计算了Rubisco大亚基内部氨基酸位点之间的共进化关系,共检测出39组(35个氨基酸)共进化位点,其中位点在α螺旋上的占46%,在β折叠上的占14%。膜蕨科植物rbc L基因这种复杂的进化式样可能与其起源较早有关。鉴于此,基于UCLD分子钟模型对膜蕨科植物的分化时间进行了估计,结果显示膜蕨科植物首次发生分歧的时间在三叠纪早期,瓶蕨属和膜蕨属的分歧时间分别发生在侏罗纪早期和白垩纪晚期,并且得出陆生生态型是其它生态型进化的基础,推测最近几次最热事件可能对物种分化的形成产生一定的作用。该研究结果对认识膜蕨科植物如何应对被子植物兴起所导致的陆地生态系统改变具重要意义。     

蕨类植物叶绿体rps4基因的适应性进化分析

在原核生物和植物叶绿体中,RPS4(ribosomal protein small subunit4)在核糖体30S小亚基形成起始过程中发挥重要作用;该蛋白在植物中由叶绿体rps4基因编码。为验证蕨类植物在白垩纪适应被子植物兴起而发生分化的观点,本文以23种蕨类植物为研究对象,利用分支模型、位点模型和分支位点模型对其叶绿体rps4基因进化适应性进行分析。分支模型检测到4个可能存在正选择的分支;位点模型和分支位点模型虽然没有检测出正选择位点,但是位点模型检测出了85个负选择位点。通过研究我们仅仅得出a、b两个代表水龙骨类的分支处于正选择压力下,这与水龙骨类在白垩纪发生辐射式演化的理论相一致。同时rps4基因处于强烈的负选择压力这一事实表明该基因的功能与结构已经趋于稳定。     

毛竹APX基因系统进化与表达分析

抗坏血酸过氧化物酶(aseorbate peroxidase, APX)是植物活性氧代谢中重要的抗氧化酶之一,尤其是叶绿体中清除H₂O₂的关键酶,也是维生素C代谢的主要酶类。该文基于生物信息学方法,利用毛竹的基因组及转录组数据鉴定毛竹中的APX基因家族成员,并对其编码的蛋白基本理化性质、基因结构、启动子元件、系统进化及共线性关系、重复串联基因、GO注释及表达模式进行综合分析,共鉴定出21种编码APX的基因。结果表明:(1)PeAPX基因家族成员多为不稳定疏水蛋白,基因结构、基序及结构域相对较为保守,大多数APX基因具有高度保守的内含子模式。(2)系统进化关系显示毛竹APX基因与水稻APX基因有着较高的同源性关系,PeAPX具有较高的进化保守性。(3)Ka/Ks分析表明PeAPX基因都经历了纯化选择压力,此外在每个APX基因的启动子序列中发现有许多与应激反应和植物激素相关的顺式作用元件,结合表达量分析,表明毛竹APX基因在毛竹生长发育中起着正向促进作用。该研究为进一步了解毛竹APX基因家族基本功能及其抗氧化机制提供了一定的参考,为毛竹APX基因功能的深层次鉴定提供了重要依据。     

携带Paenibacillus polymyxa WLY78固氮基因簇(nif)的重组大肠杆菌Escherichia coli78-7转录组分析

[目的]来自Paenibacillus polymyxa WLY78的固氮基因簇（nifBHDKEfNXhesAnifV）可以转化入Escherichia coli中表达并使重组大肠杆菌合成有固氮活性的固氮酶。本文拟通过对重组大肠杆菌E.coli 78-7的转录组分析以提高其固氮能力。[方法]对固氮条件（无氧无NH₄⁺）和非固氮条件（空气和100 mmol/L NH₄⁺）培养的重组大肠杆菌E.coli 78-7进行转录组分析。[结果]nif基因在两种培养条件下显著表达,说明在重组大肠杆菌中可规避原菌中氧气和NH₄⁺对nif基因的负调控。对于固氮过程必需的非nif基因,如参与钼、硫、铁元素转运的mod、cys和feoAB,这些基因在两种培养条件下表达水平有差异。而参与铁硫簇合成的suf和isc基因簇在两条件下表达水平差异巨大。此外,参与氮代谢的基因在固氮条件下显著上调。[结论]重组大肠杆菌中与固氮相关的非nif基因在该菌的固氮过程中具有较大影响,本文对在异源宿主中调高固氮酶活性研究具有重要意义。     

pMH2, a small plasmid bearing the nif gene cluster of Enterobacter agglomerans 333 as an excisable cassette

A small plasmid containing the entire nif gene cluster of Enterobacter agglomerans 333 as an excisable cassette has been constructed, using pACYC177 as a vector. Two cosmid clones taken from a gene library of E. agglomerans plasmid pEA3 were used as a source of nif genes. A SmaI fragment of peaMS2-2, containing the H,D,K,Y,E,N,X,U,S,V,W,Z,M,L,A and B genes and an ApaI fragment of peaMS2-16 containing nifA,B,Q,F and J were selected to construct pMH2. The resulting plasmid of 33 kb carries the complete nif gene cluster as a nif cassette on a single XbaI fragment. The nif construct pMH2 in Escherichia coli strains has significant nitrogenase activity compared to wild-type E. agglomerans 333. The nif gene cluster construct was found to be very stable.     

毛尖紫萼藓抗旱相关基因Gp-LEA的克隆与表达分析

以毛尖紫萼藓干旱cDNA文库中获得的一段与LEA基因同源性较高的EST序列为基础,采用RACE技术分离该基因cDNA全长序列,命名为Gp-LEA。Gp-LEA基因的cDNA全长814bp,开放阅读框456bp,编码含151个氨基酸蛋白质。生物信息学分析结果显示,Gp-LEA蛋白为稳定蛋白,分子质量为16.612kD,理论等电点（pI）为5.06,含有LEA₂功能结构域,不属于跨膜蛋白且不存在信号肽。系统发生分析表明,Gp-LEA基因编码蛋白与花旗松LEA蛋白亲缘关系最近。荧光定量PCR分析显示,Gp-LEA基因在复水和快速干旱模式下均能表达。推测Gp-LEA基因在毛尖紫萼藓的复水和干旱过程中起着重要作用。     

Using reverse micelles as microreactor for hydrogen production by coupled systems of Nostoc / R. palustris and Anabaena / R. palustris

Uptake hydrogenase negative mutants of bloom forming cyanobacteria (Nostoc and Anabaena) and the fermentative bacteria Rhodopseudomonas palustris P₄ were used together for producing hydrogen within the reverse micelles fabricated by N-ethyl hexyl sodium sulfosuccinate (AOT) in isooctane and cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) in benzene. The rate of H₂ production in AOT/isooctane reverse micellar system was found to be more promising in comparison to the CTAB/Benzene reverse micellar entrapment. After mutagenesis in 2.0% (v/v) ethyl methane sulphonate (EMS) mutants of Nostoc and Anabaena were selected on BG-11 plates (containing 2% agar) and then used for analysis of produced hydrogen. In comparison to the unmutated Nostoc with R. palustris (within AOT/isooctane) the coupled system of mutated Nostoc and R. palustris produced H₂ by 3.9-fold higher rate, which is 8.6 mmol H₂/h/mg protein. Whereas, mutated Anabaena coupled with R. palustris produced 4.8 times higher hydrogen production within (AOT)/isooctane reverse micelles in comparison to the unmutated Anabaena with R. palustris. Effect of nitrogen to carbon ratio (N/C) on hydrogen production was studied and Anabaena/R. palustris and Nostoc/R. palustris systems were, respectively, found to generate 11.2 and 9.8 mmol H₂/h/mg protein continuously for 3 days. Effects of temperature and light intensity were also investigated and we found that 32°C temperature and 1,000 Lux light intensity are the optimum values in these systems. Addition of sodium dithionite also resulted in further enhancement of the rate and duration of hydrogen production in both (mutated Nostoc/R. palustris and mutated Anabaena/R.␣palustris) systems.     

水芹肉桂醇脱氢酶基因的克隆与表达特性分析

以‘八卦洲水芹’及其紫色叶柄突变型水芹‘南选八卦洲紫水芹’为实验材料,利用RT-PCR方法从‘南选八卦洲紫水芹’中克隆得到水芹肉桂醇脱氢酶(CAD)基因,命名为OjCAD。OjCAD基因开放阅读框长为1 074bp,编码357个氨基酸。OjCAD蛋白相对分子质量为39 143.10,理论等电点为6.91,属于MDR家族。系统进化分析显示,水芹OjCAD与同属伞形科的胡萝卜CAD进化关系最近,具有高度保守性。OjCAD编码的蛋白属于疏水蛋白,空间结构主要由7个α-螺旋和17个β-折叠组成。实时定量PCR分析显示,OjCAD基因在紫色和非紫色水芹的叶片和叶柄中相对表达量存在差异,水芹OjCAD基因在叶片中的表达量显著高于叶柄,在‘八卦洲水芹’中的表达量高于‘南选八卦洲紫水芹’。该研究结果为进一步分析水芹木质素生物合成奠定了基础。     

甘蓝型油菜BnFLA基因的克隆及表达分析

利用同源克隆法从甘蓝型油菜中获得了1个类成束阿拉伯半乳聚糖蛋白基因(FLA),命名为BnFLA。BnFLA基因开放阅读框长为1 200bp,编码399个氨基酸,分子量为42 885.9Da,等电点为6.37。预测的BnFLA蛋白包含N-端信号肽、2个AGP-like结构域、2个fasciclin-like结构域和C-端GPI-anchor序列。系统进化分析表明BnFLA氨基酸序列与BrFLA17和AtFLA2进化关系较近,一致性分别为98%和87%。qRT-PCR分析表明,BnFLA基因在油菜各组织均有表达,并以下胚轴中表达量最高,其次为子叶,茎秆中表达最少;BnFLA基因的表达受到GA3、BR、IAA、ABA和NaCl的诱导,但受6-BA、蔗糖、低温和PEG抑制。研究认为,油菜中BnFLA基因可能参与激素信号转导途径和非生物胁迫应答。     

盐穗木HcDmc1基因的克隆和表达分析

根据盐穗木盐胁迫下响应的转录组测序结果,克隆获得盐穗木DNA损伤修复基因的cDNA序列,其开放阅读框1 035bp,编码344个氨基酸,命名为HcDmc1。保守结构域分析显示,该基因编码的蛋白具有RecA蛋白家族典型的保守结构域;统进化树分析显示HcDmc1为独立的分支;亚细胞定位于细胞质,为无信号肽、不跨膜的稳定亲水性蛋白。实时荧光定量PCR分析表明,盐穗木在100mmol/L NaCl胁迫7d后,同化枝中HcDmc1基因表达迅速上调并达到最大值,约为对照组的6.58倍;在700mmol/L NaCl胁迫14d后根中HcDmc1基因表达最高,约为对照的1.79倍。研究表明,HcDmc1基因表达受盐胁迫诱导。     

巨桉BRI1基因的克隆和表达分析

为了解BRI1基因在巨桉中的功能,采用PCR技术克隆了EgrBRI1基因,分析了EgrBRI1的生物信息学和亚细胞定位,并对EgrBRI1基因响应激素和胁迫的差异表达进行了分析。结果表明,EgrBRI1基因全长3 893 bp,编码1 197个氨基酸。EgrBRI1蛋白稳定,空间结构复杂,存在3个motifs,主要定位于细胞膜。茉莉酸甲酯和油菜素内酯(BR)处理后,EgrBRI1基因在叶片中的表达上升,而水杨酸处理则没有明显的变化。盐胁迫和冷胁迫下,EgrBRI1基因表达表现为先下降后上升的趋势。因此,EgrBRI1基因能快速对外施激素做出响应,并在巨桉抗逆方面发挥重要作用,这可能是通过对BR信号的响应来实现的。