大豆KNOX基因家族的结构和表达分析

KNOX基因家族编码同源异型盒蛋白, 在植物生长发育过程中起重要调控作用。利用生物信息学手段在全基因组水平上对大豆(Glycine max)KNOX家族基因进行鉴定和分类, 并分析其基因结构、蛋白同源结构域特征以及基因表达方式。研究结果表明: 大豆中的27个GmKNOX基因可以分为GmKNOX I和GmKNOX II两个亚类, 其中GmKNOX I类可分为3个主要的进化支, GmKNOX II类分为2个主要的进化支; 26个GmKNOX基因不均匀地分布在16条染色体上, GmKNOX27尚无法定位。不同组织表达谱的分析表明: GmKNOX I类基因表达部位比较集中, 以茎顶端分生组织中表达量最高; 而GmKNOX II类基因的表达特异性较GmKNOX I类低, 表达部位更广泛。     

大豆KUP/HAK/KT钾转运体基因家族的鉴定与表达分析

该研究基于已公布的大豆基因组序列信息,对大豆KUP/HAK/KT钾转运体基因家族进行了全基因组鉴定,并对该家族成员的基因特征、蛋白结构、染色体定位、基因复制和表达模式等进行了全面分析,为进一步了解该家族基因的功能及培育钾高效大豆品种提供理论支撑。结果表明:(1)在大豆基因组中共鉴定30个KUP/HAK/KT基因(简写为GmHAK01~GmHAK30),这些基因分布在大豆的15条染色体上,串联复制和片段复制可能导致了GmHAKs基因在大豆基因组中的扩增。(2)大豆GmHAKs蛋白间序列一致性很高,均具有12~14个跨膜区,且都定位于质膜上。(3)进化分析表明大豆GmHAKs可聚为4个进化簇ClusterⅠ~Ⅳ,其中ClusterⅡ的成员数目最多(16个),ClusterⅣ的成员数目最少(1个)。(4)所有GmHAKs基因均包含内含子和外显子,其内含子数目在7~9个之间,且同一亚家族的GmHAKs基因大部分具有相似的内含子-外显子分布模式。(5)表达模式分析表明,大豆GmHAKs的表达大致可分为两类:一类是一些组织特异性表达的基因,包括了ClusterⅠ和ClusterⅣ的全部成员,ClusterⅡ的部分成员,他们在根(GmHAK30和GmHAK04)、花(GmHAK03和GmHAK15)、荚(GmHAK10)或种子(GmHAK25)中表达量很高;另外一类是一些非组织特异性表达的基因,包括了ClusterⅢ的全部成员和ClusterⅡ的部分成员,这些基因(GmHAK05、GmHAK17和GmHAK28等)在所有被检测的组织中均有较高的表达;KUP/HAK/KT家族基因表达模式在不同进化簇的差异化结果表明,其在进化过程可能受到了选择的作用。以上研究结果为今后研究KUP/HAK/KT家族基因功能及定向改良大豆的钾吸收物性提供了重要的基因信息,也为大豆钾高效品种的选育提供了理论基础。     

大豆脯氨酸积累相关基因家族鉴定及干旱胁迫表达分析北大核心CSCD

脯氨酸是一种广泛存在的渗透调节物质,在植物生长发育以及响应干旱胁迫的信号途径中具有重要作用。吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)、鸟氨酸转氨酶(δ-OAT)、吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)、脯氨酸脱氢酶(Pro DH)、吡咯啉-5-羧酸脱氢酶(P5CDH)、脯氨酸转运体(Pro T)是影响植物体内脯氨酸积累的关键酶。但关于大豆脯氨酸积累相关基因家族成员的研究尚未见报道。本研究在大豆基因组中鉴定出7个Gm P5CS、2个Gm OAT、2个Gm P5CR、5个Gm Pro DH、3个Gm P5CDH及6个Gm Pro T基因,不均匀地分布在大豆20条染色体中的12条上,发生16对片段复制事件。系统进化树分析发现,大豆脯氨酸积累相关基因家族分为不同的进化分支,同一亚族间的基因结构和保守基序相似。顺式作用元件分析结果显示,脯氨酸积累相关基因家族含响应逆境胁迫及植物激素的顺式作用元件。干旱胁迫下的表达模式分析结果显示,脯氨酸合成代谢相关基因家族成员(Gm P5CS、Gm OAT、Gm P5CR)响应干旱胁迫,在干旱胁迫24 h时显著上调表达;大多脯氨酸分解代谢相关基因家族成员(Gm Pro DH、Gm P5CDH)下调表达,脯氨酸转运相关基因家族成员(Gm Pro T)在干旱胁迫24 h显著上调表达,其中Gm P5CS5、Gm OAT1、Gm Pro T2、Gm Pro T4及Gm Pro DH3~5基因在干旱胁迫下的脯氨酸积累中可能起到关键作用。大豆幼苗P5CS、OAT活性随干旱胁迫时间的延长呈显著上升的趋势,与脯氨酸的积累呈正相关:Pro DH活性随干旱胁迫时间的增长呈显著下降的趋势,与脯氨酸的积累呈负相关。本研究为进一步解析大豆脯氨酸积累相关家族基因响应干旱胁迫的功能提供了参考。     

玉米KNOX基因家族鉴定及组织和逆境表达分析

为揭示玉米转录因子KNOX家族基因功能,采用生物信息学手段在玉米基因组水平鉴定KNOX家族成员,并对家族基因逆境和组织表达谱进行分析.结果 显示:(1)玉米基因组有22个ZmKNOX基因,根据其在染色体上的位置依次命名为ZmKNOX1-ZmKNOX22;编码蛋白质亚细胞定位预测发现,除ZmKNOX5、ZmKNOX11、...     

大豆miR-171基因家族的进化与功能分析

运用生物信息学方法在miRBase搜索大豆miR-171(gma-miR-171)基因家族的序列,分析gma-miR-171序列的进化特征并预测其靶基因。结果表明,在miRBase中共搜索到21条gma-miR-171基因家族序列。序列分析发现,gma-miR-171基因家族序列保守性较差,只有2个碱基完全保守。对gma-miR-171基因进行定位,21个成员分散在12条染色体上,其中Chr06上gma-miR-171基因最多,共4个。进化分析表明,位于同一条染色体上的gma-miR-171基因没有表现出较近的亲缘关系。靶基因预测获得14个gma-miR-171基因家族的靶基因,包括蛋白激酶、磷酸酶、输出蛋白、转录因子等,说明gma-miR-171基因家族在大豆中具有广泛的调控功能。     

桃WRKY基因家族全基因组鉴定和表达分析

WRKY转录因子是植物中最大的转录调控家族之一,在生物和非生物胁迫以及植物生长和发育过程中起着重要调控作用.本文利用HMMER 3.0软件,使用WRKY保守域全蛋白序列(Pfam数据库编号:PF03106)鉴定桃(Prunus persica L.)基因组中的WRKY基因;利用DNAMAN 5.0,WebLogo 3,MEGA5.1,MapInspect和MEME等软件对其蛋白序列进行生物信息学分析.本文共鉴定得到61个桃WRKY基因.进化树分析结果显示,桃WRKY蛋白分为Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ类型,类型Ⅰ分为Ⅰ-C亚组和Ⅰ-N亚组,类型Ⅱ分为Ⅱ-a,II-b,II-c,II-d和II-e亚组.WRKY结构域分析显示,WRKY结构域高度保守,绝大多数都含有WRKYGQK七肽和锌指结构.染色体定位分析显示,桃WRKY基因分布于8条染色体中,呈不均匀分布.内含子和外显子结构分析表明,WRKY基因结构进化高度保守.保守元件分析表明,桃WRKY基因家族包含5个保守元件,元件1,2和3为WRKY盒,元件4,5为未知盒.桃WRKY基因家族都包含有WRKY盒,类型Ⅰ中含有2个WRKY盒;II-d亚组中含有未知元件5.半定量和荧光定量PCR结果显示,16个WRKY基因均在桃的根,茎,叶,花和果中表达,但其相对表达水平不同.     

葡萄NCED基因家族进化及表达分析

9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)是植物体内ABA生物合成的关键限速酶, 参与植物对干旱、外源ABA和高盐的响应过程, 降低环境胁迫对植株的危害。基于全基因组鉴定分析葡萄(Vitis vinifera) NCED基因家族成员, 探讨各成员的物种进化关系及各个基因成员在不同组织中的时空表达模式及对干旱、ABA和高盐(NaCl)胁迫的响应, 为进一步揭示该基因家族成员的生物学功能奠定基础。在葡萄基因组中共发现12个NCED基因。其推测的编码蛋白质长度在510 (VvNCED2)-625 aa (VvNCED10)之间。VvNCED蛋白的分子量最大值是70.53 kDa (VvNCED10), 最小值是57.85 kDa (VvNCED2)。在从祖先基因分化之后, 葡萄NCED基因发生了5次复制事件, 同时有2次丢失事件。NCED1/2、NCED3/4、NCED6/7和NCED9/10基因对被认为是通过片段复制产生。上述4对复制基因复制时间分布在3.08-120.0百万年前, 晚于单双子叶植物分化的时间。与对照相比, VvNCED1在ABA处理48小时后显著上调(72.1%), 而VvNCED2显著下调(84.0%)。VvNCED6只在干旱处理14、21和28天的根系中表达量高于对照, 分别为对照的2.49、1.05和1.09倍。VvNCED7只在干旱处理14天的根系中表达量高于对照, 为对照的1.07倍。在ABA处理72小时后, VvNCED3表达量较对照显著下调(59.5%), 而VvNCED4较对照显著上调(169.9%)。VvNCED3/VvNCED4分别在NaCl处理24和48小时出现显著性峰值, 较对照分别上调219.2%和114.4%。保守结构域不同组成和不同胁迫处理下差异表达模式是NCED蛋白发生功能分化的基础。推测NCED在进化过程中发生的功能分化有利于复制事件的发生。     

大豆GolS基因家族鉴定及盐旱胁迫下的表达分析

肌醇半乳糖苷合成酶（galactinol synthase,GolS）是棉子糖家族寡糖（raffinose family oligosaccharides,RFOs）生物合成途径中的关键酶,在植物对非生物胁迫的反应中发挥重要作用。然而,关于大豆（Glycine max）GolS基因家族成员的分子结构特征还未见研究报道。本研究在全基因组水平上鉴定了6个大豆GolS基因家族成员,并对其理化性质、染色体定位、进化关系、基因结构、保守基序、二级结构、三级结构、组织特异性表达模式以及盐和干旱胁迫下的表达量进行了分析。结果表明：6个大豆GolS基因不均匀地分布在4条染色体上,6个大豆GolS蛋白的等电点为5.45-6.08,分子量变化范围为37 567.07-38 817.59 Da,氨基酸数量为324-339 aa;亚细胞定位预测结果发现4个蛋白定位在叶绿体上,2个蛋白定位在细胞质。系统进化树分析表明,大豆GolS基因家族成员在进化树中呈现出两两紧邻的现象,在进化上较为保守。6个基因成员含有的外显子数目为3或4。二级结构和三级结构预测表明,该家族所有成员蛋白质的空间结构主要由α螺旋和无规则卷曲结构组成,有较少的β转角结构和延伸链结构。组织特异性表达分析表明,6个GmGolS家族成员在种子、根、根毛、花、茎、豆荚、根瘤和叶中均有不同程度表达。基于qRT-PCR的表达分析显示,盐旱处理后所有GmGolS基因成员表现出不同程度的上调表达,表明这些基因可能与植物的耐盐抗旱响应有关。本研究结果为后续开展大豆GolS基因的功能解析奠定了基础。     

石榴WRKY基因家族全基因组鉴定与表达分析

WRKY蛋白是一类在植物生长发育过程及生物与非生物胁迫过程中起重要调控作用的转录因子。该研究利用石榴全基因组数据,采用生物信息学的方法,对石榴WRKY转录因子家族成员蛋白理化性质、系统进化、基因结构、保守基序、顺式作用元件、蛋白互作及基因共表达和转录组表达模式进行系统分析。结果共鉴定出69个PgWRKY基因;分组鉴定和进化分析显示WRKY蛋白可分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ共三大类型。顺式作用元件分析表明,PgWRKY基因广泛参与到非生物胁迫中;蛋白互作网络与共表达分析暗示PgWRKY基因在同一胁迫应答中可能作用一致并同时诱导表达;RNA-Seq数据分析表明,PgWRKY基因有一定的组织表达特异性,广泛参与植物营养、生殖生长以及根部逆境胁迫应答过程。     

太子参谷胱甘肽-S-转移酶基因家族生物信息学及表达分析

GSTs (glutathione-S-transferases)是一个普遍存在于植物体内,多基因家族编码的多功能蛋白酶。为研究GSTs基因家族在太子参中对其生长发育以及活性成分合成调控的潜在功能,该文基于隐马尔可夫模型在太子参中鉴定到30个谷胱甘肽-S-转移酶(PhGSTs)的基因家族成员。结果表明:30个PhGSTs基因同时具有高度保守的N-端结构域和复杂多变的C-端结构域,分属于6个亚家族,有10个motif区,其中motif1、motif 2、motif 3同属于所有家族,motif 4仅属于Tua亚家族。PhGST蛋白质三级结构有明显的相似之处,N端主要由3个α螺旋和4个β折叠构成βαβαββα结构域,C端均由α螺旋构成,不同亚家族的C端α螺旋数目及组合方式各不相同,但始终维持相似的三维结构。PhGST基因在太子参植物中具有不同的组织表达特异性,PhGSTU1、PhGSTU8、PhGSTU9等在太子参块根中优势表达,PhGSTF2在茎和叶中优势表达。水分胁迫处理后有4个基因积极响应干旱胁迫,PhGSTZ1的响应最为明显;同时也有PhGSTU8、PhEFB1γ3等4个基因随土壤含水量增加呈上调表达。该文鉴定出30个PhGST基因,并分析了其在太子参中的表达模式,为PhGSTs基因家族在太子参活性成分的合成调控及逆境响应等生理过程中的功能研究奠定理论基础。     

辣椒ARF基因家族的鉴定与表达分析

为进一步研究辣椒ARF(Auxin Response Factor)基因家族在其生长发育及逆境胁迫中的作用,利用生物信息学方法从辣椒基因组中鉴定出20个ARF基因,这些基因不均匀地分布在辣椒12条染色体上。进化关系显示辣椒ARF基因可分为ClassⅠ和Ⅱ两大类,进一步可细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅰd、Ⅰe、Ⅱa和Ⅱb等7个亚类。基因结构图表明,该基因家族由1~15个外显子构成,且各基因在不同发育时期不同组织中的表达量不同,具有一定的特异性。qRT-PCR结果表明,高盐胁迫可以明显激活或抑制ARF基因家族的表达。     

普通烟草ARF基因家族序列的鉴定与表达分析

ARF(AUXIN RESPONSE FACTOR)基因含有一个B3功能域和具有转录激活或抑制活性的中心功能域,在植物发育过程中起到非常重要的作用。本研究采用生物信息学方法,根据拟南芥ARF基因序列鉴定了普通烟草基因组中的ARF基因,并对家族成员进行了序列特征、系统发生、亚细胞定位和表达模式分析。目前在普通烟草基因组中共得到50个ARF基因成员,其基因结构相对复杂,一般含有10个外显子。亚细胞定位结果表明,少数ARF蛋白定位到线粒体或叶绿体,大多数未检测到定位信号。转录组数据分析表明,ARF基因具有不同的组织表达模式,部分基因表现出组织特异性。这些研究结果为普通烟草ARF基因家族功能的深入研究奠定了基础。     

表达谱基因芯片

表达谱基因芯片具有高通量、缩微、多参数、平行化等优点.在功能基因组学研究中正发挥越来越重要的作用.就其原理、应用、存在问题及解决策略等进行了综述.     

Effects of Manganese Toxicity on the Growth and Gene Expression at the Seedling Stage of Soybean

In order to investigate the effects of Manganese (Mn) toxicity stress on the growth and gene expression at the seedling stage of soybean, soybean seedlings were treated with normal Mn concentration (5 μmol/L MnSO₄) and excess Mn concentration (100 μmol/L MnSO₄) by the method of hydroponic culture in this study. When soybean was subjected to Mn toxicity stress, excessive Mn could affect seedling growth, root development, the number of Mn oxide spots in leaves, and the Mn accumulation content in different parts of soybean. With the increase of exogenous Mn concentration and the prolongation of culture time, the shoot and root biomasses of soybean decreased significantly, but the plant height of soybean had no obvious effects. The total root length, root surface area and root volume of soybean decreased significantly, but the taproot length, taproot tip length and root diameter did not change significantly. The number of Mn spots in the primary leaves (first leaf) was significantly more than that in the old leaves (second leaf) and the youngest leaves (fourth leaf). The Mn concentration in leaves was significantly higher than that in roots, and the Mn concentration in the old leaves was significantly higher than that in youngest leaves with the method of inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). Moreover, the results in the present study suggested that the 10 selected genes were significantly up-regulated or down-regulated by Mn toxicity in the old and young leaves by quantitative real-time PCR (qRT-PCR) analysis. This indicates that these genes might be important in the process of regulation in old and young leaves of the physiological responses and ion transporting to Mn toxicity stress.     

番茄AT-hook基因家族的鉴定及胁迫条件下的表达分析

AT-hook蛋白家族在植物生长发育、器官构建及逆境胁迫和激素信号应答中发挥重要作用。本研究在番茄基因组范围内,利用生物信息学方法对番茄AT-hook基因家族的成员、分布、结构和功能进行分析。结果表明,番茄AT-hook家族包含32个成员,分为3种类型,其中类型Ⅰ含有13个成员;遗传进化分析表明番茄AT-hook基因成员与拟南芥家族基因具有相似分类。利用实时荧光定量PCR对番茄32个基因开展组织表达分析,结果表明AT-hook基因具有表达差异,主要在根和花中表达较高。氧化胁迫分析结果表明,32个基因受ABA、SA、盐、高温和低温诱导表达,其中部分基因显著上调或下调表达,很可能参与了番茄逆境胁迫条件下的防御应答反应。本研究结果将为番茄AT-hook家族基因的深入研究提供依据,为进一步解析番茄AT-hook基因的功能奠定基础。     

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。