大豆再生相关基因GmARF的生物信息学及表达分析

生长素响应因子(auxin response factor,ARF)在植物生长和发育中起到了非常关键的作用。本研究利用实验室前期转录组测序技术得到的差异表达基因Gm ARF,并应用PLACE数据库、Interpro、expasy数据库、SOPMA、Phyre、Protscale、MEGA5等工具对该基因的启动子元件、编码氨基酸的功能、亲水性、等电点、二级结构、三级结构、同源进化树及KEGG通路进行分析。并研究了对其在外源激素处理下的表达分析。结果表明:其前体序列具有很多与再生相关的响应元件,理论等电点为6.28,稳定系数为60.45,属于不稳定蛋白,Gm ARF编码的蛋白属于生长素蛋白,有一个B3超家族的保守结构域,一个生长素响应因子,以及一个PB1结构域,二级结构中23.33%为α螺旋结构,49.67%为不规则卷曲,8.59%为α转角,18.42%为延伸链,三级结构共有194个氢键,9个螺旋结构,32个转角结构,亲水性平均系数为-0.497,Gm ARF基因与苜蓿亲缘较近,其KEGG通路属于植物激素信号调节通路中色氨酸代谢途径,q RT-PCR结果表明在外源激素处理下,Gm ARF的表达量显著提高,说明Gm ARF基因作为正调控因子参与大豆再生过程。本研究的初步结果对今后进一步研究该基因的功能,提高大豆再生率,建立稳定的大豆再生体系提供了理论基础。     

大豆GmGolS2基因启动子的克隆及功能分析

本研究利用PCR技术克隆了大豆Gm Gol S2基因的启动子序列。系统进化树分析表明,Gm Gol S2与沙冬青的Gols亲缘关系最近。利用Plant CARE分析启动子元件发现,在Gm Gol S2基因启动子序列中含有多个与逆境胁迫、激素等反应相关的元件。在The Bio-Analytic Resource for Plant Biology数据库中分析了Gm Gol S2的同源基因At Gol S2在不同逆境胁迫处理时的基因表达情况,结果表明该基因具有组织表达特异性,并参与盐胁迫、渗透胁迫及干旱胁迫等反应。RT-PCR结果表明Gm Gol S2基因受干旱诱导上调表达。     

大豆类黄酮生物合成关键酶CHS基因的克隆及表达分析

根据查尔酮合成酶(CHS)基因DNA序列的保守区域设计了PCR引物,通过RT-PCR扩增从大豆叶片中克隆出3个参与类黄酮合成的CHS基因,分别命名为GmCHS1、GmCHS2和GmCHS3。在大豆基因组数据库进行同源比对,发现这3个基因分别与大豆基因组上Gm08g11610、Gm05g28610和Gm08g11520相对应,DNA序列一致性达95%～98%,推导氨基酸序列一致性达98%以上。进化分析显示,大豆中3个CHS蛋白与决明、菜豆CHS蛋白亲缘关系较近。表达分析显示,这3个基因在不同品种间有表达水平的差异,这可能是不同大豆品种中类黄酮含量不同的重要原因之一。     

大豆GmDnaJ1蛋白对几种重金属胁迫的响应研究

通过对大豆铝胁迫下的转录组测序分析,发现一个差异表达的基因,其编码一个具有101个氨基酸残基的Dna J-like分子伴侣蛋白-Gm Dna J1(Glycine max Dna J1),等电点为8.97;序列分析表明该蛋白具有典型的高度保守的J domain功能域,是一种类型III的J蛋白;通过对其序列的同源性及进化关系分析,推测该蛋白可能响应重金属胁迫。为进一步探究Gm Dna J1是否能够对重金属胁迫产生应答反应,试验分别以0或100μmol·L-1Cu2+、Pb2+和Cd2+溶液胁迫处理的不同时间(0、12、24、48和72 h)大豆根尖RNA为材料,通过实时定量PCR研究了该蛋白基因的表达特征。结果表明:与对照相比,Gm Dna J1受Cu、Pb和Cd等重金属的诱导而强烈表达,呈现先升高后降低的趋势,其中Pb、Cd处理24 h后表达水平达到峰值,而Cu处理48 h后达到峰值;此外,Gm Dna J1对Cu、Pb和Cd胁迫的响应程度也不同,表明该基因对这三种重金属的响应模式存在差异。根据以上研究结果,推测大豆Gm Dna J1蛋白不仅响应铝毒胁迫,而且可能在响应重金属胁迫方面具有重要的作用,参与了大豆对重金属毒害的抵抗。该结果为深入研究Gm Dna J1在重金属胁迫响应中的功能及其分子机制提供了一定的依据。     

大豆ERF转录因子基因GmERF8的克隆与表达分析

ERF转录因子广泛存在于植物中并且参与植物应对生物及非生物胁迫的响应。本研究利用RT-PCR技术从大豆中克隆获得1个新的ERF转录因子基因Gm ERF8,开放阅读框全长627 bp,编码1个由208个氨基酸残基组成的分子量为23.43 k D的蛋白。蛋白结构预测发现,该蛋白含有1个典型的AP2/ERF结合域,2个预测的核定位信号和1个保守的EAR抑制元件。进化分析表明Gm ERF8蛋白与烟草Nt ERF3蛋白的同源性最高。实时荧光定量PCR表明,Gm ERF8在大豆的根和叶中表达量较高。ABA、高盐和低温处理均使Gm ERF8表达量下降;乙烯(ET)和干旱处理则使Gm ERF8的表达量先下降后升高。转录调节能力分析结果显示,Gm ERF8可以抑制报告基因的表达。上述实验结果表明,Gm ERF8可能作为转录抑制子参与大豆对环境胁迫的应答。     

HMMER及同源比对预测大豆病程相关蛋白

病程相关蛋白(pathogenesis related proteins,PRs)是病理或病理相关环境下诱导产生的一类蛋白,它的产生与积累是植物体应答生物或非生物胁迫的主要特征之一.近年来大量PR蛋白被鉴定,根据它们的结构特征,生物功能以及进化关系等将PR蛋白分为14个家族.然而,在重要的粮食和油料作物的大豆中发现的PR蛋白却很少,本文通过搜索拟南芥、水稻、玉米以及豆科植物所有的已有的PR蛋白,根据其保守结构域利用BLAST程序和HMMER程序同时预测大豆中可能存在的PR蛋白,通过两种方法的预测和比较整合,共得到大豆9个家族的36个PR蛋白序列.并对它们的连锁群分布、基因结构、基因长度及进化关系进行了详细的分析.发现PR家族成簇分布于Gm05、Gm10、Gm13、Gm15、Gm17、Gm19和Gm20等几个连锁群,基因普遍存在序列较短,大部分都小于1 000 bp,且内含子数目较少,结构相对简单的特点.在PR4家族中,其家族成员亲缘关系都非常相近,而PR1-4和PR1-3等与该家族其它成员亲缘关系较远的情况.本研究结果预测的PR蛋白为大豆抗病育种以及抗病基因工程研究提供了良好的基础,同时为大豆中其它家族基因预测研究以及其它物种基因家族研究提供参考方法.     

大豆GmABI4基因克隆及表达分析

该研究基于大豆基因组数据库,根据拟南芥ABI4蛋白的氨基酸序列,经比对分析,获得了大豆中的2个GmABI4基因,分别命名为GmABI4-1(GenBank登录号为XM_014766551.1)和GmABI4-2(GenBank登录号为NM_001249003)。TMHMM软件和系统进化转录分析表明,这2个基因编码的蛋白均不具有信号肽,二级结构主要以无规则卷曲和延伸链为主;进化树分析表明,大豆GmABI4和野生大豆亲缘关系较近。荧光定量PCR分析表明,GmABI4-1与GmABI4-2基因在大豆种子与豆荚中的表达量均高于根、茎、叶、花等其他组织,推测可能与调控大豆种子生命活动相关。     

菜用大豆CIPK基因对逆境胁迫及激素的响应特征

CIPK(calcineurin B-like-interacting protein kinase)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,在植物响应逆境胁迫和激素信号转导中发挥重要作用。本研究利用大豆基因组数据库,在全基因组水平鉴定获得52个CIPK蛋白激酶。蛋白比对分析发现所有Gm CIPK含有高度保守特征性的N端激酶区、连接区和C端调控区。系统进化树分析发现大豆Gm CIPK与拟南芥、水稻CIPK分类一致,分为4个亚家族,且每个亚家族含有3个不同物种的成员,表明Gm CIPK基因的分化早于物种的分化。启动子分析表明,多数Gm CIPK基因的启动子区含有逆境和激素应答元件。组织表达分析发现,Gm CIPK基因呈现多样化的组织表达特性。进一步选取组织表达量相对较高的14个Gm CIPK进行荧光定量PCR分析,结果表明这些菜用大豆CIPK基因在不同程度上均受高温、干旱、高盐胁迫以及ABA、ACC、SA、Me JA激素的诱导表达。采用蛋白同源比对和蛋白互作在线数据库对拟南芥及大豆同源CIPK蛋白激酶与其他蛋白的互作关系进行了预测分析,发现17对同源CIPK与其他蛋白(激酶、磷酸酶、转录因子等)存在互作。本研究为菜用大豆CIPK基因的功能研究与利用奠定了基础。     

大豆再生相关基因GmRUB1的克隆及表达分析

大豆再生过程涉及细胞的分裂和分化、器官的决定和形成。RUB1基因在物质的转移和积累以及泛素化过程等多层次、多途径发挥着重要的调控作用。本研究利用实验室前期转录组测序技术得到差异表达基因GmRUB1,该基因是大豆再生中泛素化过程重要的组成部分,应用PLACE数据库、Interpro、expasy数据库、SOPMA、Phyre、Protscale、MEGA5等工具对该基因的启动子元件、编码氨基酸的功能、亲水性、疏水性、等电点、二级结构、三级结构、同源性比较进行分析。并研究了该基因在大豆品种东农50各器官中的表达分析。结果表明,其前体序列具有很多与再生相关的响应元件,理论等电点为7.67,脂肪系数为79.34,稳定系数为48.06,属于不稳定蛋白,GmRUB1编码的蛋白属于泛素结合蛋白,有一个泛素化过程中的E2连接酶的结构域,二级结构中24.59%为α螺旋结构,39.34%为不规则卷曲,10.93%为β转角,25.14%为延伸链,三级结构共有122个氢键,6个螺旋结构,18个转角结构,亲水性平均系数为-0.389,GmRUB1基因与苜蓿亲缘较近,qRT-PCR结果表明GmRUB1的表达量在果实中较高,说明GmRUB1基因可能参与大豆再生过程。随后对该基因进行了克隆及表达载体构建。上述结果初步分析了GmRUB1基因编码氨基酸的生物信息学及表达情况。并通过对其进行克隆和载体构建,对今后进一步研究该基因的功能,提高大豆再生率,建立稳定的大豆再生体系提供了理论基础。     

欧洲红豆杉AP2/ERF转录因子基因序列分析

以东北红豆杉AP2转录因子氨基酸序列为查询序列,搜索比对欧洲红豆杉基因组草图数据得到一个AP2转录因子全长序列,并命名为TbAP2。同时,利用生物信息学方法对TbAP2基因序列及其编码蛋白进行了特征分析和功能预测,发现该基因全长1 817bp,编码一个217个氨基酸的ORF;TbAP2相对分子量为23.68×103,等电点为4.92,亚细胞定位分析推测该转录因子定位在细胞核中,保守结构域分析发现其含有一个典型的AP2结构域,除与东北红豆杉具有99%的高一致性外,还分别与杨树、苜蓿和大豆的AP2蛋白具有81%、80%和78%的高一致性,进化树分析表明,相近科属植物的AP2转录因子归为一类,红豆杉AP2转录因子与玉米的AP2转录因子亲缘关系最近。本研究获得了TbAP2基因电子序列,为更好地利用分子生物学技术调控紫杉醇的生物合成提供理论基础。     

大豆GmDAO1基因的功能预测及表达分析

本研究通过在大豆基因组数据库中检索拟南芥AtDAO1在大豆中的同源基因,获得了GmDAO1基因序列。通过对GmDAO1基因编码的氨基酸序列及启动子序列进行生物信息学分析,我们发现GmDAO1基因CDS序列全长951bp,编码316个氨基酸。GmDAO1编码的蛋白为亲水性蛋白,具有1个N-糖基化位点、3个激酶磷酸化位点与1个豆蔻酰化位点。结构域分析表明GmDAO1含有双加氧酶与2OG-Fe(II)加氧酶结构域,是2-酮戊二酸依赖性双加氧酶基因(2-ODD)家族的成员。GmDAO1预测的启动子区域含有与激素、胁迫、光应答、生物钟调控和转录因子结合相关的顺式作用元件。系统进化分析结果表明DAO1在豆科植物进化过程中比较保守。组织特异性表达分析结果显示GmDAO1在叶片中表达量最低,在根中表达量最高。因此我们推测其可能参与生长素的代谢途径。     

香蕉MaARF19-1基因的克隆及序列分析

利用PCR方法从香蕉中克隆了一个生长素响应因子基因,命名MaARF19-1,并对其进行序列分析。结果表明,该基因全长3 411 bp,编码1 136个氨基酸,分子量为126 578.50 u,理论等电点pI为6.26;MaARF19-1蛋白的氨基酸组成中,Gln占比13.12%为最高,Trp占比1.06%为最低,其亲水性氨基酸均匀分布在整个肽链中,多于疏水性氨基酸;通过Motif Search工具发现了B3、Auxin_resp、AUX_IAA family3个结构域,序列观察还发现一段Q-富集区,表明该蛋白为具有转录激活功能的生长素响应因子;多序列比对和进化树分析表明,MaARF19-1编码的蛋白与其他植物中ARF19编码的蛋白具有较高的一致性。     

大蜡螟中类肽聚糖识别蛋白Gm21的鉴定、基因克隆及序列分析

为了调查毒素蛋白免疫下大蜡螟Galleria mellonella L.产生的免疫相关蛋白,采用双向电泳的方法,从大蜡螟血淋巴中鉴定得到一种昆虫肽聚糖识别蛋白Gm21,通过RT-PCR、cDNA末端快速扩增(RACE)技术克隆得到其全长基因,该基因全长cDNA具有完整的编码框,编码211个氨基酸,序列分析表明该蛋白是一种具有潜在酰胺酶活性的S型肽聚糖识别蛋白.本研究中Gm21蛋白在免疫压力下的上调表达及其cDNA序列的克隆,对进一步深入研究昆虫肽聚糖识别蛋白的功能具有重要的意义.     

大豆E2泛素结合酶基因GmUBC1的克隆及在拟南芥中的异源表达

E2泛素结合酶(ubiquitin-conjugating enzyme)参与植物的抗逆、生长发育等多种生物途径的调控,其功能研究在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中的报道较多,但在重要经济作物大豆(Glycine max)中鲜有报道。本研究从大豆"南农94-16"中克隆了1个与大豆子叶折叠突变体可能相关的基因Glyma.12G161200,序列分析结果表明该基因编码一个E2泛素结合酶,因此将其命名为GmUBC1。该基因编码区全长为462 bp,编码一个含153个氨基酸的蛋白,预测其分子量为17.25 kDa,等电点为6.74。利用qRT-PCR技术对GmUBC1在大豆不同组织中的表达模式及其对不同非生物胁迫和激素处理的响应模式进行分析,发现该基因在开花后40d种子中表达量最高,在PEG、低温、JA和ABA处理下表达下调。亚细胞定位分析发现GmUBC1蛋白在整个细胞内都有表达。进一步在拟南芥中异源表达GmUBC1,发现转基因株系的千粒重和总氨基酸含量显著提高,表明异源过表达GmUBC1可以调控种子重量和氨基酸含量,为大豆品质改良提供了基因资源。     

大豆PEBP基因家族的分析

磷脂酰乙醇胺结合蛋白(PEBP,phosphatidyl ethanolamine-binding protein)基因家族在动物、植物和微生物中广泛存在,在控制植物开花和种子休眠中起重要作用。本研究对大豆PEBP基因家族进行了分析,发现了27个大豆PEBP基因的候选序列,其中16个具有完整PEBP结构域的全长序列被认为是大豆Gm PEBP家族基因。Gm PEBP基因分布在9条染色体上,基因结构高度保守。通过系统发生分析,可将大豆Gm PEBP基因家族成员分为FT-like、TFL1-like和MFT-like 3个亚族,并且发现Gm PEBP家族成员数目按照大豆物种特异性的方式进行了扩张。对重复基因的Ks分析表明,绝大多数重复基因主要由5900万年前和1300万年前的大豆基因组复制所致。     

大豆PEBP基因家族的初步分析

磷脂酰乙醇胺结合蛋白(PEBP,phosphatidyl ethanolamine-binding protein)基因家族在动物、植物和微生物中广泛存在,在控制植物开花和种子休眠中起重要作用。本研究对大豆PEBP基因家族进行了分析,发现了27个大豆PEBP基因的候选序列,其中16个具有完整PEBP结构域的全长序列被认为是大豆Gm PEBP家族基因。Gm PEBP基因分布在9条染色体上,基因结构高度保守。通过系统发生分析,可将大豆Gm PEBP基因家族成员分为FT-like、TFL1-like和MFT-like 3个亚族,并且发现Gm PEBP家族成员数目按照大豆物种特异性的方式进行了扩张。对重复基因的Ks分析表明,绝大多数重复基因主要由5900万年前和1300万年前的大豆基因组复制所致。     

秦艽1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-焦磷酸还原酶基因(GmHDR)的克隆和表达分析

龙胆苦苷(gentiopicroside)等裂环烯醚萜苷类化合物是中药秦艽中主要的有效成分,属于萜类化合物的衍生物,1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-焦磷酸还原酶(1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl-4-diphosphate reductase,HDR)是植物萜类物质合成的关键酶之一。该研究在实验室高通量测序的基础上,采用RT-PCR方法克隆了秦艽HDR基因(即Gm HDR基因),利用生物信息学的方法分析了Gm HDR编码氨基酸序列的理化性质、信号肽、转运肽、亚细胞定位、保守结构域和高级结构等特征,并采用实时定量PCR分析了HDR的表达模式。结果表明:秦艽Gm HDR基因包含一个完整的长1 392 bp的ORF框,编码463个氨基酸;Gm HDR与萝芙木、艾菊等植物HDR蛋白具有很高的一致性(≥84%),无跨膜结构域,有叶绿体转运肽等结构,主要定位于叶绿体中。实时定量PCR结果显示,Gm HDR基因在秦艽的花中进行表达量高,在叶、茎和根等部位表达较低。Gm HDR在序列上与其他植物的HDR蛋白序列特征上存在很大的相似性;Gm HDR基因主要在秦艽花中表达,可能主要参与花中萜类物质的合成。该研究结果可为今后研究秦艽环烯醚萜类化合物的生物合成机制提供依据。     

莲藕CBF2基因cDNA克隆及序列分析

目的:克隆莲藕CBF2基因的c DNA全长并对其进行序列分析。方法:根据已有的ESTs序列,设计3'和5'端RACE引物,运用RACE技术克隆莲藕CBF2基因c DNA全长。结果:克隆得到全长为1 560bp c DNA序列,其中包括350bp的3'非编码区和124bp的5'非编码区及一个1 086 bp的完整开放阅读框,编码362个氨基酸,序列末端有poly(A)尾。其核苷酸序列与NCBI数据库中大豆DREB2C/CBF2、马铃薯DREB2A/CBF2、黄瓜DREB2A/CBF2及花生DREB2A/CBF2的同源性较高,分别为83%、77%、76%和76%,因此把该基因命名为Lr CBF2。氨基酸序列进化树分析表明该基因与葡萄相关基因亲缘关系较近。结论:分离克隆得到莲藕CBF2基因,为进一步研究莲藕中该基因的功能奠定基础。     

酿酒酵母Cu/ZnSOD基因的克隆和序列分析

超氧化物歧化酶(SOD)是一种十分重要的生物体防御氧化损伤的酶,其制品在医药、食品、化妆品等领域具有广泛应用前景,因此对SOD研究越来越受到学术界的广泛关注,而对微生物SOD的研究又具有特殊的意义和实际应用价值。故本研究对酿酒酵母Cu/ZnSOD基因进行克隆及序列分析,根据酿酒酵母Cu/ZnSOD基因登录号,成功扩增了Cu/ZnSOD基因的编码区序列,并对酿酒酵母Cu/ZnSOD基因的氨基酸序列、编码的蛋白质结构、亲疏水性以及同源进化树进行分析,结果显示,酿酒酵母Cu/ZnSOD基因编码区cDNA长度为462bp,编码154个氨基酸,位于10号(X)染色体622480bp到623090bp区域;Cu/ZnSOD编码的蛋白为亲水性蛋白;酿酒酵母Sod基因与粗糙脉孢菌、烟曲霉菌、白色念珠菌、汉逊德巴利酵母的Sod基因聚在同一个进化树分支上,说明它们的Sod基因之间可能具有较近的亲缘关系。Cu/ZnSOD氨基酸序列中并没有信号肽及跨膜结构域的的存在。本研究将有利于更深入的研究Cu/ZnSOD基因在防御氧化损伤中的关键作用,提高酿酒酵母SOD产率。     

大豆GATL基因家族结构、进化和表达分析

本研究利用同源检索的方法在大豆数据库中全基因组分析获得18个大豆GATL基因,大豆GATL基因的基因结构保守,其中16个成员不含内含子;其后对其编码蛋白的理化特点、亚细胞定位和信号肽进行了分析;通过邻接法构建了该家族的进化树,以了解GATL家族成员的进化关系;表达模式分析发现,家族成员呈现出各自的表达特点;成员启动子区顺式作用元件分析发现了大量的植物激素和胁迫响应相关元件。本研究为进一步分析基因家族成员的功能提供了理论依据。