植物HSP70蛋白家族分子进化特征及其表达模式分析

植物热激蛋白HSP70(heat shock protein 70)与植物抗逆性具有密切的关系,对其深入研究将有助于揭示植物的抗逆生理过程,从而为生产上降低逆境对植物的伤害提供重要的实践指导意义。目前,在模式植物拟南芥和水稻中,HSP70蛋白家族的遗传学和生化功能研究被广泛关注,但该基因家族植物中的系统分子进化、表达模式以及功能预测方面的研究仍不完善。本研究通过收集和整理拟南芥和水稻中所有的HSP70基因序列、基因结构和染色体定位等信息,对比分析了拟南芥和水稻中HSP70家族在分子进化方面的差异;同时,从转录水平上初步分析和阐明该家族基因在植物不同组织部位和不同发育时期的表达差异和功能分化。此外,本研究还围绕花药发育的过程,细致分析了HSP70家族基因的表达变化,推测该家族在花药不同时期可能所扮演的角色。本研究为全面理解HSP70家族在单子叶和双子叶植物中的功能异同分化、以及其参与植物生殖发育过程的功能研究提供重要的科学依据。     

天冬氨酸蛋白酶在拟南芥和水稻中的分子进化、表达模式以及在花药发育中的功能分析

天冬氨酸蛋白酶(aspartic proteases,APs)是一类功能多样化的酶,参与了植物大部分生理和发育过程,但其基因家族在植物中的系统分类、分子进化以及功能方面研究仍很欠缺。本研究收集整理了拟南芥和水稻中APs基因序列、分类、基因结构和染色体定位等信息,对比分析该基因家族在拟南芥和水稻中分子进化方面的差异;利用转录组数据阐明该家族基因在不同组织部位和不同发育时期的表达差异和功能分化。此外,本文还围绕花药发育的过程,细致分析了各亚家族APs基因的表达变化,推测APs在花药发育过程中的可能功能。     

拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析

ABC转运蛋白又称腺苷三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporters),该基因家族是目前已知最大、最古老的蛋白家族之一,在植物中ABC转运蛋白种类繁多、结构复杂、功能多样,涉及植物一切的生命活动过程。本研究系统介绍了拟南芥中131个ABC转运蛋白的亚家族分类、系统命名、蛋白大小以及蛋白亚细胞定位等基因信息,在此基础上,分析了ABC转运蛋白基因在染色体分布以及进化过程中发生的复制事件;其次在47个组织器官或发育阶段中聚类分析了ABC转运蛋白的表达模式和各个亚家族分布规律,结果表明ABC转运蛋白基因的表达具有明显的组织特异性和时空特异性,说明在进化过程中该类蛋白功能也进一步发生分化;我们以花药发育过程为例,说明ABC转运蛋白在花药发育过程中具有较高的协调性,在时空和组织上表达受到严格的调控;最后我们分析了ABC转运蛋白亚家族内部和各个亚家族之间可能存在的蛋白相互作用关系,推测ABC半分子转运蛋白形成同源或异源二聚体发挥功能的可能性,进一步说明ABC转运蛋白在蛋白互作水平上也存在功能多样性和严格的调控关系。     

拟南芥、水稻和杨树JMJC家族全基因组分析

采用HMMER与BLAST相结合的方法确定拟南芥,水稻和杨树三种模式植物全基因组JMJC蛋白基因个数分别为21,20,24,并对其染色体定位,基因结构,保守功能域进行了系统分析,在系统进化分析基础上,将JMJC家族分为11个亚家族,内含子外显子结构分析与MPSS表达模式分析结果也进一步支持了进化关系研究.本研究有助于揭示植物JMJC基因家族的进化历史,为后续JMJ基因家族的功能提供线索,为进一步研究植物JMJC基因家族提供理论基础。     

拟南芥花药绒毡层细胞中具有基因簇特征的基因进化和功能分析

在植物基因组中,除了同源基因成簇现象外,近年来还发现一些具有共表达特性的异源基因也能够以基因簇形式存在,但这些异源基因簇的进化和生物学功能尚不清楚。花药发育和花粉形成是植物进化出的特有的生殖生物学过程,同时产生了一些在花药绒毡层中特异表达和特定功能的基因簇基因。该研究通过筛选和分析花药绒毡层中基因簇基因的分子特性、表达调控、基因年龄和基因重复进化等信息,探讨花药基因簇基因与植物开花功能进化之间的关系。结果表明,在拟南芥(Arabidopsisthaliana)中共筛选到84个(13个基因簇)花药绒毡层特异高表达的基因簇基因,它们主要产生于串联重复事件,76%的基因出现在开花植物分化后的阶段,主要参与生殖发育、花粉鞘组成和脂代谢等生物学过程。研究初步解析了拟南芥花药绒毡层中基因簇基因的基本特征、生物学功能和基因进化机制,为深入揭示植物基因簇基因的遗传学功能奠定了基础。     

拟南芥花药绒毡层细胞中具有基因簇特征的基因进化和功能分析

在植物基因组中, 除了同源基因成簇现象外, 近年来还发现一些具有共表达特性的异源基因也能够以基因簇形式存在, 但这些异源基因簇的进化和生物学功能尚不清楚。花药发育和花粉形成是植物进化出的特有的生殖生物学过程, 同时产生了一些在花药绒毡层中特异表达和特定功能的基因簇基因。该研究通过筛选和分析花药绒毡层中基因簇基因的分子特性、表达调控、基因年龄和基因重复进化等信息, 探讨花药基因簇基因与植物开花功能进化之间的关系。结果表明, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中共筛选到84个(13个基因簇)花药绒毡层特异高表达的基因簇基因, 它们主要产生于串联重复事件, 76%的基因出现在开花植物分化后的阶段, 主要参与生殖发育、花粉鞘组成和脂代谢等生物学过程。研究初步解析了拟南芥花药绒毡层中基因簇基因的基本特征、生物学功能和基因进化机制, 为深入揭示植物基因簇基因的遗传学功能奠定了基础。     

水稻中过敏原蛋白全基因组预测及生物学功能分析

世界范围内过敏症状的流行趋势日益严峻,水稻作为单子叶模式植物和人类主要粮食作物,对水稻中致敏性物质的研究具有重要意义。但目前基于水稻全基因组水平预测和分析过敏原的研究尚缺少相关报道。本研究利用生物信息学方法在全基因组层面上,在水稻基因组数据库中和过敏原数据库中,共筛选和获得了657个过敏原基因/蛋白(属于109个蛋白家族),并进一步对这些候选的水稻过敏原基因/蛋白进行了表达模式、家族分类和功能预测分析;以及在进化上分析了水稻过敏原基因/蛋白家族成员的同源蛋白在低等到高等植物中分布情况,结果表明致敏性可能随着基因家族中成员的功能分化而变化;进一步结合水稻花粉和种子转录组芯片数据,细化分析和获得了148个水稻花粉过敏原和116个水稻种子过敏原,并在基因家族和功能分类上进行了对比分析。本研究结果初步明确了水稻过敏原基因/蛋白家族的进化特点、组织表达特性和生物学功能,为进一步研究水稻以及其他单子叶植物中的过敏原奠定了基础。     

水稻SDG736抑制拟南芥FLC表达调控开花时间

130～150个氨基酸组成SET (Su (var) 3-9, Enhancer-of-zeste, Trithorax)结构域构成了组蛋白赖氨酸甲基转移酶特异性催化位点。SET结构域蛋白在进化上高度保守,广泛调控植物的生长发育。进化分析结果显示水稻SET结构域家族成员可分为7个不同的亚家族(KMT1, KMT2, KMT3, KMT6, KMT7, S-ET和RMT)。KMT3亚家族可能涉及开花调控或花的发育,其中包含5个拟南芥基因和5个水稻同源基因。拟南芥SDG4通过H3K4/K36甲基化的活性调控花发育,结果表明水稻同源基因SDG736超量表达,可促进拟南芥开花。对拟南芥开花途径相关的基因进行定量分析显示,超量表达的SDG736拟南芥植株中FLC基因表达量降低,而SCO1基因的表达量增加。     

拟南芥和水稻SET结构域基因家族全基因组鉴定、分类和表达

ET(Su(var), Enhancer of zeste (E(z)), and Trithorax)结构域基因家族是一组含有保守SET结构域的蛋白的统称, 它们参与蛋白甲基化, 影响染色体结构, 并且调控基因表达, 在植物发育中起着重要的作用。分析拟南芥和水稻中SET结构域基因家族进化关系, 对研究这一基因家族中各成员的功能有着重要的意义。我们系统地鉴定了47个拟南芥(Arabidopsis thaliana)和43个水稻(Orysa sativa japonica cultivar Nipponbare)的SET结构域基因, 染色体定位和基因复制分析表明SET结构域基因扩增是由片段复制和反转录引起的, 根据这些结构域差异和系统发育分析把拟南芥和水稻的SET结构域基因划分成5个亚家族。通过分析SET结构域基因家族在拟南芥和水稻各个发育阶段的表达谱, 发现SET结构域基因绝大部分至少在一个组织中表达; 大部分在花和花粉中高表达; 一些SET结构域基因在某些组织中有特异的表达模式, 表明与组织发育有密切的关系。在拟南芥和水稻中分别找到了4个差异表达基因。拟南芥4个差异基因都在花粉管高表达, 水稻4个差异基因有3个在雄性花蕊中高表达, 另一个在幼穗中高表达。     

中间锦鸡儿CiUPF0114克隆与表达及豆科UPF0114基因家族成员分析

本研究克隆了中间锦鸡儿一个CiUPF0114基因,该基因编码框长876 bp,编码291个氨基酸的蛋白质,预测等电点9.83,分子量32.13 kD。利用荧光定量PCR检测发现,在干旱、脱水和冷处理后,CiUPF0114基因转录水平的表达量均明显上调。通过全基因组筛选,获得了29个来自于8种豆科植物以及模式植物拟南芥和水稻中的UPF0114基因家族成员,并对其进行了系统进化分析、基因结构和保守基序分析。系统进化分析将UPF0114基因分成A和B两个亚家族,A亚家族又分成A1和A2两个组,本研究中克隆的中间锦鸡儿CiUPF0114属于B亚家族成员。通过对蛋白长度、结构域数量、分子量、等电点、基因结构和保守基序的分析发现,29个UPF0114基因差异不大,说明该基因家族成员在进化上相对保守。该研究为进一步验证CiUPF0114基因的功能奠定了基础。     

森林草莓MYB家族鉴定及生物信息学分析

为研究草莓MYB基因家族,采用生物信息学方法检索森林草莓(Fragaria vesca L.)基因组中MYB基因,并对其基因结构、蛋白保守结构域、染色体定位、基因进化及花药发育过程中表达水平进行分析。结果表明,草莓基因组中可能含有105个R2R3-MYB、4个MYB3R、1个MYB4R基因,它们不均匀分布在7条草莓染色体上,其中5号染色体上数量最多为26个,部分基因在染色体上形成基因簇。理化分析发现这些MYB蛋白长度和大小差异较大,但均具有保守的R2和R3型结构域,R重复单元均含有特征性的氨基酸,包括最保守的有序间隔出现的色氨酸(W)残基。通过系统进化关系和基因结构信息,草莓MYB基因家族被分成了34个亚组(A1～A34),同时利用拟南芥基因功能预测草莓中对应的直系同源基因的功能,结果表明草莓MYB基因家族参与调控黄酮物质合成、细胞发育、生物/非生物胁迫。花药发育过程中表达水平分析发现FvMYB2、FvMYB85、FvMYB74、FvMYB28在花药发育的5个时期中表达量逐渐升高,尤其是发育后期表达量较高,表明这些基因可能调控花药发育过程。本研究结果为草莓MYB基因家族的功能研究提供参考。     

水稻生物钟相关基因的表达特征鉴定及其功能预测分析

水稻作为我国重要农作物,其营养生长和生殖发育过程都受到严格的生物钟的控制,因此,生物钟基因的表达变化也是决定水稻产量和种子质量的主要决定因素之一。为了更全面系统的了解生物钟基因在水稻生长和发育过程中的功能,本研究采用生物信息学共表达方法,筛选和鉴定水稻和拟南芥中生物钟基因,并对比分析了这些生物钟基因在单双子叶模式植物中的可能功能。从水稻表达谱公共数据库中筛选与生物钟基因表达密切相关732个基因,并对筛选出的水稻生物钟相关基因进行表达特性、节律性、生物功能预测及其与拟南芥的对比分析,结果表明水稻和拟南芥的生物钟基因可能都具有在生物钟核心振荡器部分功能相对保守的特点。功能预测分析也还表明水稻生物钟基因参与了8类生物学过程,尤其在应激反应和代谢过程的方面具有明显富集性,从而间接佐证了水稻对于外界环境的响应及其代谢过程具有严格时间调控的分子机理。     

银杏MADS-box基因家族的表达及系统发育分析

MADS-box基因是真核生物中一类编码转录调控因子的基因家族,在植物花器官发育中发挥重要的调控作用。为了探究MADS-box家族基因在银杏花发育中的功能,本文对银杏花芽分化4个时期的样品进行转录组测序,筛选其中的MADS-box家族基因,利用生物信息学方法对筛选到的基因进行表达模式、蛋白结构、细胞定位和系统进化分析。结果显示:共得到15个银杏MADS-box家族基因。表达分析表明,目标基因根据表达模式可以分为3种类型。分析目标基因的编码序列显示,15个银杏MADS-box蛋白的主要构件均为α-螺旋和无规则卷曲;亚细胞定位预测主要在细胞核内;所有表达产物均包含MADS结构域。聚类分析显示,银杏MADSbox基因家族可分为6个亚类。银杏MADS-box基因家族中的new Gb2734、Gb38883、Gb28587和Gb33168可能在银杏开花调控中发挥重要作用;Gb16301可能是银杏花器官的发育过程中的关键基因。     

植物烯酰辅酶A还原酶家族的基因鉴定和分析

植物烯酰辅酶A还原酶(ECR)是超长链脂肪酸合成的最后一步关键酶。植物中,针对ECR的基因多集中于拟南芥,而鲜有其它植物中ECR基因鉴定的报道,更没有针对其基因全面鉴定及家族进化的报道。本研究首先从拟南芥ECR蛋白序列中鉴定得到了编号为PF02544.12的结构域,进而从8种从藻类到被子植物的基因组中鉴定得到了48条ECR家族成员。进化树构建结果表明,此家族基因可进一步细分为4个亚家族,其中3个亚家族中的拟南芥基因均得以阐明,分别为ECR、PPRD和DET2基因;这3个亚家族成员在从藻类到高等植物的各基因组中均存在,且ECR和PPRD的数目在被子植物中极为保守,表明其在植物中发挥重要且根本的功能。第4个亚家族仅在陆地植物中存在,且基因拷贝数在各陆地物种中极为保守,暗示其在陆地植物中起重要作用。ECR和PPRD基因编码蛋白较大,而各基因疏水性较高,且不稳定系数较高。本研究为进一步全面阐明植物中ECR基因的功能提供了基础。     

水稻与拟南芥跨膜蛋白14家族的分子进化特征与功能分析

脂类既是植物生命活动重要的能量来源,也是细胞膜系统不可或缺的结构成分,在植物生长发育和逆境反应等生命活动过程中都起到至关重要的作用。随着脂类代谢研究的不断深入,植物脂类合成通路已渐渐明晰,其中连通不同细胞器间脂类合成中间物质运送的膜蛋白也正被不断发现,但对质体脂类转运蛋白还鲜有报道。跨膜蛋白14家族(Transmembrane 14 family, Tmemb14 family)是一个新发现的跨膜蛋白家族,目前只有拟南芥FAX1 (Fatty Acid Export 1)和斑马鱼TMEM14已被克隆鉴定,该家族其他成员的生物学功能还未见报道。AtFAX1参与植物质体长链脂肪酸的跨膜外运,其功能丧失显著降低植物生物量并影响花粉发育和育性。本研究通过生物信息手段对拟南芥和水稻中的跨膜蛋白14家族成员的进化关系、蛋白理化性质、结构域功能和编码基因的表达模式进行了分析,揭示了Tmemb14家族成员在单、双子叶植物进化中的功能分化,为进一步研究跨膜蛋白14家族成员的生理功能提供了理论依据。     

水稻Trihelix转录因子家族全基因组分析及功能预测

Trihelix转录因子家族在植物生长发育以及响应逆境胁迫等方面发挥着重要作用,但目前基于水稻全基因组水平鉴定和分析该基因家族的研究尚未见相关报道。本文利用生物信息学方法在水稻基因组数据库中鉴定到Trihelix家族成员31个,序列聚类和功能结构域分析发现该家族均含有高度保守的、特征性的Trihelix结构域;根据亲缘关系远近和结构域特点,将其分为5个亚家族(Ⅰ~Ⅴ)。通过与拟南芥、二穗短炳草和高粱中Trihelix家族的聚类分析发现,这4个物种中Trihelix家族的分类相一致,但每个物种均含有不同亚家族的成员,表明该基因家族的分化早于物种的分化。基于MEME程序分析水稻Trihelix转录因子家族的保守基序与聚类分析结果具有较高的一致性。染色体区段复制分析表明,部分Trihelix家族成员在水稻以及水稻与其他物种之间存在种内和种间的染色体区段复制;生物芯片数据分析发现,Trihelix基因家族在水稻不同组织中、以及对6种不同植物激素的响应呈现多样化的表达谱。采用RiceFREND在线数据库分析发现,水稻Trihelix转录因子家族的20个成员与其他蛋白存在互作关系。本研究结果初步明确了水稻Trihelix转录因子家族的进化特点、染色体分布、染色体区段复制关系、组织表达、激素应答,以及该家族蛋白与其他蛋白质的互作情况,为进一步揭示Trihelix转录因子家族的分子进化规律和生物学功能奠定了基础。     

4种模式植物LRR Ⅷ-2亚家族基因的鉴定和进化历史分析

全基因组重复与串联重复是发生基因重复的重要机制,也是基因组和遗传系统多样化的重要动力。LRR-RLK编码富含亮氨酸重复的类受体蛋白激酶,是被子植物进化史上发生大规模扩张而形成的多基因家族。拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtLRR-RLK包含15个亚家族,AtLRRⅧ-2是其中发生串联重复比例最高的亚家族。通过分析拟南芥、杨树(Populustrichocarpa)、葡萄(Vitis vinifera)和番木瓜(Carica papaya) 4种模式植物中LRR Ⅷ-2亚家族基因的扩张及差异保留情况,结果显示, LRR Ⅷ-2在杨树中的扩张程度最高,在拟南芥和葡萄中的扩张程度居中,但在番木瓜中发生丢失。拟南芥、杨树和葡萄LRR Ⅷ-2亚家族具有旁系同源基因对,但在番木瓜中未发现旁系同源基因。除杨树中的1对旁系同源基因外, 4种模式植物中LRR Ⅷ-2亚家族的旁系和直系同源基因都受到较强的纯化选择作用。对LRR Ⅷ-2亚家族进化历史的深入分析有助于理解基因重复在植物进化中的作用和意义,可为预测同源基因功能及解析其它基因家族进化历史提供参考。     

小拟南芥MKK基因家族全基因组鉴定及进化和表达分析

丝裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase,MAPKK或MKK)是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)级联的重要组成部分,在植物的生长发育和胁迫应答过程中发挥重要作用。目前,已在多种植物中鉴定了MKK基因家族,但在十字花科植物小拟南芥(Arabidopsis pumila)中MKK基因家族的系统鉴定与分析尚未见报道。为了探索小拟南芥MKK基因家族的进化和功能,本研究通过全基因组分析鉴定了小拟南芥中16个MKK基因,散布于小拟南芥的10条染色体上。基于系统发育分析和多重序列比对,将这些基因分为5个亚族:A亚族(5个)、B亚族(2个)、C亚族(4个)、D亚族(3个)和E亚族(2个)。分子进化和共线性分析表明小拟南芥中存在7对复制基因,分别是ApMKK1-1/1-2、ApMKK2-1/2-2、ApMKK3-1/3-2、ApMKK4-1/4-2、ApMKK5-1/5-2、ApMKK9-1/9-2和ApMKK10-1/10-2,其中ApMKK1-1/1-2在复制事件之后发生了加速进化。结合ApMKKs启动子区的顺式元件分布和ApMKKs在成熟叶片、茎、花和果实以及盐胁迫下的表达模式,结果发现复制基因的表达具有组织特异性和功能多样性。部分复制基因在组织中的表达模式存在差异,但在盐胁迫下的表达模式却基本相同。本研究结果为解析MKK介导的小拟南芥发育过程和非生物胁迫信号转导通路的复杂机制奠定了基础。     

毛果杨nsLTP基因家族全基因组水平鉴定及其表达特性分析

植物非特异性脂质转移蛋白（non-specific lipid transfer proteins,nsLTP）是一类多基因家族编码碱性蛋白,负责脂肪酸体外结和与膜之间的磷脂转移,在植物生长发育和逆境胁迫响应中扮演着重要角色。目前为止,尚无模式植物毛果杨（Populus trichocarpa）nsLTP家族的研究报导。本研究从全基因组水平对PtrnsLTP家族成员的基因数量、亲缘关系、基因结构、编码蛋白保守基序等特性进行了分析,结果表明：PtrnsLTP家族共由39个基因组成,进化成5个亚家族,其中A亚族含有6个基因、B亚族含有2个、C亚族含有13个、D亚族含有3个、E亚族含有15个。PtrnsLTP家族包含7对旁系同源基因,其中1对大于1,6对Ka/Ks均远小于1,且这6对基因均处于同一个大的进化分支上,进化压力的不同导致基因间的功能出现了分化,编码蛋白均含有Motif 1和 Motif 2保守基序。利用qRT-PCR技术并结合杨树转录组数据对PtrnsLTP的组织表达与盐胁迫响应特性研究发现：各家族成员在毛果杨根、茎和叶中均有表达且经qRT-PCR技术验证后与网站预测结果基本吻合,有11、15和13个成员分别在根、茎和叶中有较高的表达,表明该基因家族参与了杨树不同组织的生长发育;NaCl胁迫下,该家族39个基因中分别有26个成员在根部、14个成员在叶部表达量随着胁迫时间的增加而升高,而32个基因在茎部表现为先升高后降低的趋势。本研究结果对于PtrnsLTP家族基因生物学功能的鉴定与盐胁迫响应基因资源的工作有着积极的推动作用。     

百脉根类LATERAL ORGAN BOUNDARIES基因的分离及表达方式

植物顶端分生组织可分为中央区,周缘区和肋区。在植物胚后发育中,侧生器官产生于顶端分生组织的周缘区。顶端分生组织和侧生器官之间的边界的建立和维持是一个非常重要的发育过程,许多调节子参与控制这个过程。拟南芥的LATERAL ORGAN BOUNDARIES（LOB）基因具有独特的表达模式,其表达的范围与上述的边界区域重合。LOB基因隶属于一个大的基因家族一,OB结构域基因家族。该家族编码的蛋白在N端具有一个保守的LOB结构域,该家族LOB基因以外的成员也参与拟南芥不同的发育过程。为了探讨在与拟南芥亲缘关系较远的豆科中LOB同源基因的功能,我们在豆科模式植物百脉根中分离了3个LOB同源基因,命名为LjLOB基因,并用RNA原位杂交方法研究了这3个基因的表达模式。研究结果显示,LjLOB1和LjLOB3都强烈地在小叶原基的基部表达,这种表达模式可能与小叶原基和复叶原基之间的边界相关。而LjLOB4则在发育中的花芽不同轮之间的边界上表达。百脉根中这3个基因具有不同的表达模式,强烈地提示它们的功能发生了分歧：LjLOB1和LjLDB3可能在复叶发育中具有重要功能;而LjLOB4则可能参与了花的发育。