高表达水稻WRKY72基因影响拟南芥生长素信号传导

植物转录调控因子WRKY基因家族是一个拥有众多成员的超家族,功能涵盖了植物生长发育的控制与抗病耐逆的调节。我们主要分析了OsWRKY72基因在外源植物拟南芥中的生物学功能。通过转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)的遗传学研究发现外源高表达该基因不单明显地抑制转基因植株的顶端优势,增强植株侧枝的生长,还改变了转基因植株叶片和角果的发育。进一步分析证实,高表达OsWRKY72基因所导致转基因拟南芥植株的表型和其它生理现象都与生长素信号通路改变所导致的表型和生理变化极其相近。这些结果说明OsWRKY72基因在外源植物拟南芥体内高表达后很可能改变了其正常的生长素信号通路。     

番茄WOX转录因子家族的鉴定及其进化、表达分析

WUSCHEL相关的同源异型盒(WUSCHEL-related homeobox,WOX)是一类植物特异的转录因子家族,具有调控植物干细胞分裂分化动态平衡等重要功能。本研究利用番茄(Solanum lycopersicum)基因组数据,通过建立隐马尔科夫模型并进行检索,鉴定了番茄10个WOX转录因子家族成员。多序列比对发现,番茄WOX转录因子家族成员具有高度保守的同源异型结构域;以拟南芥WOX转录因子家族成员序列为参照,通过邻接法、极大似然法、贝叶斯法重建了系统发育树,三者呈现出类似的拓扑结构,番茄和拟南芥WOX转录因子家族共25个成员被分为3个进化支(Clade)和9个亚家族(Subgroup);利用MEME和GSDS对WOX转录因子家族成员的蛋白保守结构域和基因结构进行了分析,同一亚家族内的WOX转录因子家族成员的保守结构域的种类、组织形式以及基因结构具有高度的一致性;利用Perl和Orthomcl对家族成员的染色体定位和同源性关系进行分析,结果表明串联重复的SlWOX3a和SlWOX3b可能来源于一次复制事件;利用番茄转录组数据和qRT-PCR进行表达分析,结果显示家族成员在不同组织中的表达存在差异,暗示了WOX家族的不同成员在功能上可能具有多样性。本研究对番茄WOX转录因子家族成员进行GO(Gene Ontology)注释和比较分析,结果表明该家族成员作为转录因子,可能在组织器官发育、细胞间通讯等过程中发挥作用。     

植物NAC转录因子的研究进展

NAC(NAM、ATAF1/2、CUC2)蛋白家族是植物特异性转录因子超家族,广泛存在于多样的植物中。大多数NAC蛋白具有保守的DNA结合结构域,其大约150个氨基酸位于蛋白质的N末端,并且在C末端区域具有高度可变的转录调节区域。该类家族基因在多个生物过程中发挥关键作用,如植物生长、发育和应激反应网络。因此,NAC转录因子被持续关注。近年来,尤其是近5年来对NAC的家族成员的功能研究获取了突破性的发现。总结NAC转录因子的最新研究进展,旨在为植物的遗传改良和育种提供参考。     

籼稻细胞色素P450超基因家族成员及其EST证据

将预测的籼稻基因同289个已知的拟南芥细胞色素P450基因进行蛋白质序列比对, 在籼稻(Oryza sativa L. ssp. indica)工作框架草图中找到了528个可能的细胞色素P450基因, 初步认定上述籼稻P450基因来自于已在拟南芥中确定的40个P450基因家族. 比较拟南芥和籼稻的细胞色素P450s在基因家族中的分布, 发现这两种植物P450基因的家族分布规律总体相似, 但也有不同, 例如: CYP71, CYP72, CYP76, CYP89, CYP94, CYP709等家族的成员在籼稻中远远多于拟南芥的; CYP705家族的成员在籼稻中没有, 但在拟南芥中却多达33个. 另外, 发现籼稻CYP71和CYP81家族的成员在基因组中成串联重复排列, 它们可能是进化过程中基因复制的结果. 进一步将这些籼稻P450基因的DNA序列同籼稻表达序列标签(expression sequence tags, ESTs)进行核酸序列比对, 为263个可能的籼稻P450s找到了ESTs的证据, 说明这些基因在转录水平上确实有所表达.     

拟南芥转录因子GRAS 家族基因群响应渗透和干旱胁迫的初步探索

GRAS家族是一类植物特有的转录调控因子, 已有报道表明该家族基因在植物生长发育和光信号转导过程中具有重要作用。目前在拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组中已鉴定了33个GRAS家族基因。利用功能基因组学和生物信息学手段,通过基因芯片数据挖掘和基因功能预测, 对拟南芥GRAS家族基因在渗透和干旱胁迫过程中的应答模式进行了初步探索, 提出了一类响应渗透胁迫和干旱胁迫的拟南芥GRAS家族基因。以SCL13为例, 利用基因芯片相关性和GO分析, 对其在渗透胁迫信号转导过程中可能的调控机制进行了预测和分析。这一研究将为阐明GRAS家族基因参与水分胁迫的分子机制提供新的思路, 同时也为植物抗逆分子育种提供候选基因。     

拟南芥转录因子GRAS家族基因群响应渗透和干旱胁迫的初步探索

GRAS家族是一类植物特有的转录调控因子,已有报道表明该家族基因在植物生长发育和光信号转导过程中具有重要作用.目前在拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组中已鉴定了33个GRAS家族基因.利用功能基因组学和生物信息学手段,通过基因芯片数据挖掘和基因功能预测,对拟南芥GRAS家族基因在渗透和干旱胁迫过程中的应答模式进行了初步探索,提出了一类响应渗透胁迫和干旱胁迫的拟南芥GRAS家族基因.以SCL13为例,利用基因芯片相关性和GO分析,对其在渗透胁迫信号转导过程中可能的调控机制进行了预测和分析.这一研究将为阐明GRAS家族基因参与水分胁迫的分子机制提供新的思路,同时也为植物抗逆分子育种提供候选基因.     

小立碗藓LysM型类受体激酶基因家族生物信息学分析

植物LysM型类受体激酶(lysin motif receptor-like kinase,LYKs)是植物中发现的一类重要的RLK,在植物生长发育、抵御逆境胁迫等方面具有不可忽视的作用,是植物中基因功能的研究热点。为更好地了解小立碗藓中的LYK基因,该文利用生物信息学的方法对小立碗藓(Physcomitrella patens) LysM型类受体激酶基因家族成员进行鉴定及分析。通过分析小立碗藓LYK家族成员的基本物理信息、基因结构、染色体定位及系统发生关系,初步探讨了其LYK基因结构、进化与功能间的联系。结果表明:(1)小立碗藓中共有21个LYK基因,其氨基酸序列大小在625～755 aa之间,分子量为69.54～82.02 kDa,等电点在5.98～7.78之间。(2)将小立碗藓所有LYK蛋白与3种典型模式植物(水稻、拟南芥和蒺藜苜蓿)的LYK蛋白共同构建系统进化树,所有LYK蛋白被分为4个亚组(LYK-I、LYK-Ⅱ、LYR-I和LYR-Ⅱ)。小立碗藓各亚组内成员的基因结构、保守域特征显示出较为相似的特征,由此推测其可能具有相同或相似的功能。(3)染色体定位发现21个LYK基因集中分布于4条染色体上并出现小型基因簇,这可能与基因功能相联系。该文分析了小立碗藓LysM型类受体蛋白激酶基因家族的基本信息,可为后续深入研究其LYK基因家族成员的生理生化功能奠定基础。     

拟南芥F-box基因At3g16740的表达分析

拟南芥At3g16740基因为F-box基因家族成员,其功能尚不清楚.通过连续和瞬时光照处理分析,发现蓝光、红光和远红光都诱导At3g16740基因的表达,其中远红光的诱导作用最明显.蓝光受体cry1、cry2,红光受体phyB或远红光受体phyA突变导致At3g16740基因表达的光诱导作用减弱或者消失,表明该基因为光信号通路相关基因.通过实时荧光定量PCR分析At3g16740基因在拟南芥不同组织器官中的表达,发现其在拟南芥根、茎、叶、花和果荚中都有表达,花和果荚中的表达量最高,推测该基因可能参与植物花和/或果荚的发育.酵母双杂交分析发现,At3g16740蛋白通过F-box结构域与拟南芥ASK(arabidopsis-SKP1-like)家族成员ASK1、ASK2和ASK11相互作用,表明At3g16740是SCF(Skp、Cullin、F-box)复合物的成员.     

猕猴桃Aux/IAA基因家族的鉴定与表达

在猕猴桃全基因组范围内鉴定生长素/吲哚乙酸(Aux/IAA)基因家族,利用生物信息学方法分析其理化性质、结构特征及共线性关系等,并采用实时荧光定量PCR分析Aux/IAA家族基因在不同组织及部分家族成员在外源激素胁迫下的表达模式,为揭示该家族基因在猕猴桃发育过程中的功能奠定基础。结果表明:(1)猕猴桃基因组含有50个Aux/IAA家族基因,编码氨基酸序列介于125~391 aa,蛋白分子量介于14.06~42.48 kD,等电点介于4.33~9.51;Aux/IAA家族基因不均匀的分布于21条不同染色体上,且分布最多的23号染色体上含有11个基因;聚类分析将其分为9个亚族。(2)大部分Aux/IAA家族基因含有4个不同的保守结构域,多数成员均含有Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ结构域,部分基因缺失Ⅰ结构域;基因结构分析表明该家族基因包含1~5个内含子;基因组内序列分析发现该家族基因含有23对重复基因对,包括20对片段重复和3对串联重复;与拟南芥的组间共线性分析发现有36个基因与拟南芥基因存在共线性关系。(3)亚细胞预测显示该家族基因大部分定位于细胞核;启动子顺式作用元件分析发现该家族启动子包含光、激素以及响应生物与非生物胁迫等相关作用元件。(4)实时荧光定量PCR分析表明,Aux/IAA家族基因有组织表达特异性,各成员对外源激素响应的时间和强度不同,绝大多数基因在激素处理的早期下调表达,而AcIAA1a和AcIAA18a相对表达量呈现上调表达,响应模式的差异也说明了Aux/IAA家族各个基因在调控猕猴桃发育过程中功能上的差异性。研究认为,猕猴桃Aux/IAA家族基因具有功能多样性,且存在基因复制现象的基因部分表现出组织表达模式相似性,推测在功能上可能有冗余,在进化过程中该基因可能受到环境胁迫而导致序列的缺失或基因复制。     

拟南芥GHMP基因家族成员的组织表达及生物信息学分析

利用生物信息学方法获得拟南芥全基因组中12个GHMP基因家族成员。通过实时定量PCR技术研究这12个基因在不同组织中的表达,结果显示它们具有组织表达特异性。构建了拟南芥中GHMP基因家族成员的系统进化树。启动子区调控元件分析表明,大多数GHMP成员包含有光响应、生物钟及其它逆境胁迫响应的相关元件,预测这些GHMP基因家族成员可能参与了植物的光信号、生物钟及相关的逆境胁迫信号转导途径。     

拟南芥RALF多肽家族的功能多样性初步分析

绿色植物中的快速碱化因子(Rapid alkalinization factor,RALF)为一类进化保守的多肽信号分子,以基因家族形式存在。模式植物拟南芥中至少存在35个RALF基因成员,前期研究显示拟南芥RALF家族的部分成员,比如RALF1/23,RALF4/19可分别作为Cr RLK1L类蛋白受体激酶家族成员FERONIA及BUPS1/2的配体,调控细胞伸长、植物免疫应答及双受精等过程,但是RALF家族其他成员是否具有生物学活性,以及不同成员之间是否具有功能性差异均尚不清楚。因此,本研究异源表达了19个代表性的RALF,并对其生物学活性和功能性差异进行了分析。实验结果表明,19个RALF均对根的生长起到不同程度的抑制作用,进一步挑选了部分代表性RALF成员进行了活性氧(Reactive oxygen species,ROS)迸发及丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK)磷酸化实验分析,实验结果表明,我们确证了11个RALF蛋白参与了MAPK信号的响应,同时,证实16个RALF蛋白抑制了由flg22引起的ROS的释放。此外,不同RALF成员在下胚轴细胞伸长上的作用也存在明显差异,比如RALF10促进下胚轴的伸长。以上研究结果表明不同RALF之间既存在功能冗余性,又存在功能性差异。本研究丰富了对RALF功能复杂性和多样性的认识。     

三裂叶薯SPL基因家族鉴定、表达及miR156的调控分析

SQUAMOSA promoter binding protein-like(SPL)是一类广泛存在于植物中的转录因子,均含有一个高度保守的SBP结构域(SQUAMOSA-PROMOTER BINDING PROTEIN)。本研究通过SBP结构域的隐马尔可夫模型、Blastp、CDD和SMART等程序从栽培甘薯的二倍体近缘野生种三裂叶薯(Ipomoea triloba L.)全基因组中鉴定出26个SPL基因家族成员。它们不均匀分布于三裂叶薯的12条染色体上。利用系统进化分析将新鉴定的26个三裂叶薯ItbSPL基因和来源于苔藓植物、单子叶植物、双子叶植物的116个SPL基因构建进化树,并根据拟南芥AtSPL基因家族的分类标准将26个ItbSPL基因家族分为7组。GSDS 2.0基因结构和MEME 4.12.0保守基序分析表明,不同进化分支中的ItbSPL基因的外显子/内含子数目及其蛋白基序组成差异明显。利用拟南芥中已知功能的SPL对ItbSPL基因的功能进行预测,发现三裂叶薯ItbSPL家族基因成员可能与植物开花、逆境胁迫、次生代谢产物等生物学过程相关。通过预测microRNA156(miR156)的作用位点发现,在26个ItbSPL基因中14个含有miR156的作用位点,其中13个ItbSPL基因具有PCR扩增产物。利用qRT-PCR检测13个候选靶基因及miR156在三裂叶薯叶、茎、根中的表达量,发现13个ItbSPL均在茎中的表达量最低,显著低于叶与根中的表达,而miR156则在茎中的表达量最高,在根中的表达量最低,初步推测这13个ItbSPL是miR156的靶基因。以上研究结果为六倍体栽培甘薯SPL基因家族成员的鉴定、进化分析及功能研究提供了方法和基础。     

人工microRNAs对拟南芥At1g13770和At2g23470基因的特异沉默

DUF647(Domain of unknown function 647)蛋白家族是在真核生物中广泛存在的、高度保守的蛋白家族。拟南芥中该基因家族共有6个成员,迄今为止拟南芥DUF647家族中4个成员的功能尚不清楚。文章以拟南芥内源MIR319a前体为骨架,构建了敲减DUF647家族中2个基因At1g13770和At2g23470表达的人工microRNAs(Artifical microRNAs,amiRNAs)。利用WMD(Web microRNA designer)平台设计分别靶向At1g13770和At2g23470基因的amiRNAs序列,通过重叠PCR置换拟南芥MIR319a前体序列。构建融合amiRNAs前体的植物表达载体pCHF3-amiRNAs,在农杆菌介导下转化拟南芥。RT-PCR分析表明,amiRNAs能够显著抑制At1g13770和At2g23470基因的表达,获得了抑制效果明显的转基因株系。At2g23470-amiRNA转基因植株At2g23470转录水平的下调导致育性严重下降。文章为进一步研究这两个基因的功能奠定了良好的基础。     

人工microRNAs对拟南芥At1g13770和At2g23470基因的特异沉默

DUF647 (Domain of unknown function 647) 蛋白家族是在真核生物中广泛存在的、高度保守的蛋白家族。拟南芥中该基因家族共有6个成员, 迄今为止拟南芥DUF647家族中4个成员的功能尚不清楚。文章以拟南芥内源MIR319a前体为骨架, 构建了敲减DUF647家族中2个基因At1g13770和At2g23470表达的人工microRNAs(Artifical microRNAs, amiRNAs)。利用WMD(Web microRNA designer)平台设计分别靶向At1g13770和At2g23470基因的amiRNAs序列, 通过重叠PCR置换拟南芥MIR319a前体序列。构建融合amiRNAs前体的植物表达载体pCHF3-amiRNAs, 在农杆菌介导下转化拟南芥。RT-PCR分析表明, amiRNAs能够显著抑制At1g13770和At2g23470基因的表达, 获得了抑制效果明显的转基因株系。At2g23470-amiRNA转基因植株At2g23470转录水平的下调导致育性严重下降。文章为进一步研究这两个基因的功能奠定了良好的基础。     

磷酸肌醇激酶FAB1调控拟南芥根毛伸长

FAB1/PIKfyve是介导PI(3,5)P2 (磷脂酰肌醇3,5-二磷酸)生物合成的磷酸肌醇激酶。在动物和酵母(Saccharomyces cerevisiae)中, PI(3,5)P2参与调控胞内膜运输,但在植物中的研究较少。该文通过分析拟南芥(Arabidopsis thaliana) FAB1的T-DNA插入突变体的表型解析PI(3,5)P2的生物学功能。拟南芥FAB1基因家族包含FAB1A、FAB1B、FAB1C和FAB1D四个基因。研究发现,fab1a/b呈现雄配子体致死的表型。利用遗传杂交获得fab1b/c/d三突变体,发现FAB1B、FAB1C和FAB1D功能缺失导致根毛相比野生型变短,经FAB1特异性抑制剂YM201636处理后的野生型中也观察到相似的短根毛表型。此外, fab1b/c/d三突变体中DR5转录水平降低。同时,外源施加生长素类似物2,4-D和NAA能部分恢复fab1b/c/d植株短根毛的表型,但fab1b/c/d突变体对生长素转运抑制剂(1-NOA和TIBA)的敏感性与野生型相似。此外,FAB1B/C/D功能缺失使根毛中ROS的含量减少且影响肌动蛋白的表达。上述结果表明, FAB1B/C/D通过调控生长素分布、ROS含量和肌动蛋白的表达影响拟南芥根毛伸长。     

Mg~(2 )转运基因AtMGT6功能互补分析

Mg2 是植物细胞中含量最丰富的二价阳离子,在植物体内起重要作用.在模式植物拟南芥中发现了一个与Mg2 转运相关的拥有10个成员的基因家族-AtMGT家族,有一些成员已被鉴定具Mg2 转运功能.对此家族成员之一AtMGT6的生理功能进行了初步研究.采取的方法是用RTP-CR方法从野生型拟南芥中获得AtMGT6的cDNA,克隆到pMD18T-载体上,测序后亚克隆到pTrc99A载体上构建重组表达质粒.重组质粒电转化至细菌突变株MM281,经IPTG诱导表达,在NM-inimalMedium中检测其Mg2 转运功能.功能互补实验结果表明AtMGT6基因确实编码Mg2 转运基因,但其转运能力相对较低,可能属于低亲和性的Mg2 转运基因.     

向日葵AGO和DCL基因家族的鉴定和表达分析

为了解向日葵(Helianthus annuus)的Argonaute (AGO)和Dicer-like (DCL)的功能,利用拟南芥(Arabidopsis thaliana)的AGO和DCL基因序列在向日葵基因组数据库中进行同源比对,对向日葵AGO和DCL家族成员进行生物信息学分析。结果表明,从向日葵中鉴定到15个Ha AGOs和5个HaDCLs家族成员;这2类基因在染色体上的分布均不均匀。系统发育分析表明,与拟南芥相似,HaAGO家族成员可分为3个分支,HaDCL可分为4个分支;所有的HaAGO都具有保守的N domain、DUF1785、PAZ和PIWI结构域,Ha DCL家族成员都含有PAZ和RIBOc结构域。表达分析表明,Ha DCL3a和Ha DCL3b在茎和花序中高度表达;亚细胞定位表明Ha AGO多定位于细胞核。这表明向日葵中可能存在典型的RNAi干扰机制,并可能参与了协调向日葵的生长发育过程。     

小立碗藓WRKY基因家族生物信息学分析

WRKY作为最先在植物中发现的转录因子,在植物生长发育等过程中发挥重要作用。为了更好地研究小立碗藓WRKY蛋白的结构与功能,该文以Pfam数据库中WRKY基因家族数据(登录号为PF03106)为材料,分析了小立碗藓(Physcomitrella patens)WRKY基因家族成员的理化性质、蛋白质的二级结构预测、染色体定位、内外显子分布及系统进化关系。结果表明:(1)小立碗藓WRKY基因家族成员共有38个基因,根据WRKY保守结构域个数和锌指结构类型分成Ⅰ、Ⅱ两大类,不含第Ⅲ类(锌指结构为C2HC型),其中部分基因WRKY保守结构域发生变异。(2)WRKY蛋白氨基酸长度在216~775 aa之间、相对分子质量在24.5~82.8 kDa之间,亚细胞定位显示WRKY家族成员蛋白质定位于细胞核中。(3)WRKY蛋白的二级结构以α-螺旋、延伸链、β-转角、无规卷曲四种构成元件构成,除PpWRKY11(α-螺旋为主)外,其余无规卷曲占比高达70%。(4)与拟南芥的系统进化关系表明,植物在进化过程中WRKY家族成员的数目与进化方式发生改变,WRKY基因家族成员外显子的个数为3~7个。(5)小立碗藓WRKY基因家族成员无规则分散于21条染色体上,并未形成基因簇。该研究通过分析WRKY基因家族的基本结构与性质,能为后续深入研究WRKY转录因子的功能奠定基础。     

我多组学关联分析揭示表观等位基因在拟南芥环境适应性进化中的作用及机制

表观等位基因一般是指仅由DNA甲基化差异引起的表达量不同的等位基因,对植物形态结构和各种生理过程具有重要影响。但自然条件下环境因素对植物表观等位基因的影响还不清楚,同时表观等位基因在植物环境适应性进化中的作用和机制还亟待探究。为了在全基组水平鉴定拟南芥(Arabidopsis thaliana)中与特定环境因素相关的表观等位基因,并分析它们参与拟南芥环境适应性进化的可能机制,本研究利用623株拟南芥生态型的转录组、甲基化组和种源地气候数据进行多组学关联分析,并同时进行了蛋白互作网络和基因富集分析。以春季和夏季降水量为例,本研究最终鉴定到5个基因(AGL36、AT2G34100、AT4G09360、LSU4和AT5G56910)可能具有相应的表观等位基因,基因内部或附近特定区域不同甲基化水平对它们的表达可能具有调控作用。其中与种子发育有关的印记基因AGL36首次被发现可能作为表观等位基因参与拟南芥环境适应性进化,其他4个基因均与生物胁迫响应有关。自然条件下降水量能影响当地病虫害的严重程度,而DNA甲基化能通过影响这4个免疫基因的表达来影响拟南芥免疫能力。在长期演化过程中有利于个体适应当地降水模式的表观等位基因受到正向选择,这可能是这些表观等位基因参与拟南芥降水适应性进化的潜在机制。通过蛋白互作网络、GO功能分析和KEGG通路分析,本研究还首次发现LSU4可能与LSU基因家族其他成员一样参与硫代谢网络,并通过影响硫代葡萄糖苷代谢参与拟南芥生物胁迫响应。     

拟南芥短肽激素PROPEP基因家族在根生长中的作用机理

AtPROPEP是拟南芥(Arabidopsis thaliana)具有7个成员的基因家族, 编码内源短肽激素。AtPROPEP基因家族编码的蛋白质C端23个氨基酸短肽能够被2个同源激酶受体AtPEPR1和AtPEPR2识别并结合, 引起下游反应。然而, 对于该家族成员AtPROPEP2,3−6的表达对茉莉酸(JA)和水杨酸(SA)的响应以及在根生长中的作用并不清楚。GUS染色和定量RT-PCR分析结果表明, AtPROPEP2–6的表达对于JA和SA的响应不同, 暗示着它们可能通过不同的方式参与植物的先天免疫反应。AtPROPEP3和AtPROPEP4过表达植株的表型分析表明, AtPROPEP3和AtPROPEP4促进拟南芥根的生长。