植物进化发育生物学的形成与研究进展

植物进化发育生物学是最近十几年来才兴起的一门学科,它是进化发育生物学的主要分支之一。进化发育生物学的产生经历了进化生物学与胚胎学、遗传学和发育生物学的三次大的综合,其历史可追溯到19世纪初冯.贝尔所创立的比较胚胎学。相关研究曾沉寂了近一个世纪,直到20世纪80年代早期,动物中homeobox基因被发现,90年代初花发育的ABC模型被提出,加之对发育相关基因研究的不断深入,才使基因型与表型联系了起来,进而促进了进化发育生物学的飞速发展。目前进化发育生物学已成为21世纪生命科学领域的研究热点之一。本文详细阐述了进化发育生物学产生和发展的历程,综述了最近十几年来植物进化发育生物学的主要研究进展。文中重点介绍了与植物发育密切相关的MADS-box基因在植物各大类群中的研究现状,讨论了植物进化发育生物学领域的研究成果对花被演化、花对称性以及叶的进化等重要问题的启示。     

大麦NF-YC基因鉴定及在盐胁迫下的表达分析

核因子Y (NF-Y)是由NF-YA、NF-YB和NF-YC三个亚基组成的一类真核细胞转录因子,主要参与植物生长发育调控和非生物胁迫信号传递。该研究利用生物信息学方法解析了大麦(Hordeum vulgare) NF-YC基因家族功能。首先,基于大麦基因组数据库鉴定出11个HvNF-YC成员,分布在除第2号染色体以外的其余6条染色体上,内含子0–5个。系统进化分析显示,大麦、拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa) NF-YC基因家族成员可分为5个亚家族。基因复制分析显示, 6个HvNF-YC基因存在片段复制,3个HvNF-YC基因存在串联复制。启动子顺式作用元件分析显示,大多数HvNF-YC基因启动子含有与非生物胁迫及激素响应相关的顺式作用元件。对HvNF-YC家族成员在不同组织不同时期的表达模式分析表明,不同成员的时空表达存在明显差异,其中HvNF-YC9和HvNF-YC11可能在籽粒发育初期发挥重要作用。通过分析耐盐型和盐敏感型大麦品种根和叶中HvNF-YC表达量变化,发现HvNF-YC3、HvNF-YC6和HvNF-YC10主要在盐胁...     

粗山羊草CCT家族基因序列分析及激素响应

开花是植物生长发育的重要过程。CCT家族基因在植物中广泛存在, 参与植物花期的调控过程。该文从粗山羊草(Aegilops tauschii)全基因组中分离出26个CCT基因, 它们分布于7对染色体上, 按照排列顺序将其命名为AetCCT1-26。AetCCT蛋白分子量介于14.9 kDa (AetCCT3)-83.2 kDa (AetCCT12)之间, 其中有25个蛋白包含完整的CCT保守结构域。系统发育分析显示, 12对粗山羊草/乌拉尔图小麦(Triticum urartu) CCT蛋白和9对粗山羊草/水稻(Oryza sativa) CCT蛋白为直系同源蛋白。通过公共数据的数字表达分析表明, AetCCT具有组织特异性和组成型2种表达形式, 其中AetCCT3、AetCCT4、AetCCT7及AetCCT9等9个基因在大部分组织中都有表达, 而AetCCT15、AetCCT21和AetCCT25等基因分别在种子、叶和根等少数组织中特异表达。AetCCT家族可以响应不同外源激素, 施用激素24小时和72小时后各成员对激素响应整体表现一致, 但不同成员对于不同激素的响应存在差异, 表明该家族成员在功能和行使方式等方面具有一定的多样性, 可能参与不同生长发育过程。光照条件影响AetCCT的表达, 说明光照和春化作用是影响与调控该家族基因表达的重要因素。研究结果有助于探索小麦(T. aestivum)进化、驯化和演变的规律, 以及认识重要农艺性状的形成与互作网络。     

小桐子半胱氨酸蛋白酶家族和相应miRNAs的鉴定及其对低温锻炼的响应

小桐子(Jatropha curcas)是一种极具潜力的能源植物及冷敏植物,12°C低温锻炼可显著提高其耐冷性。在全基因组水平上对小桐子半胱氨酸蛋白酶家族及靶向其基因的miRNAs进行鉴定、生物信息学分析和表达特性分析,并对该基因家族成员与miRNAs互作参与调控小桐子对低温锻炼的响应进行解析。结果表明,在小桐子基因组...     

玉米ZmPHO2基因家族克隆及其低磷胁迫下的表达

PHO2(编码一个泛素结合酶E2)作为磷高亲和转运体PHT1的负调控子,在维持植物体内磷的动态平衡中发挥重要作用。该研究以拟南芥和水稻中的PHO2为基础,从玉米自交系B73基因组中鉴定出9个ZmPHO2基因家族成员,在系统进化关系上将其分为3类。在玉米自交系178中克隆了上述9个基因的CDS全长序列,保守结构域分析发现,ZmPHO2蛋白质序列中均有1个由约130个氨基酸组成的泛素结合酶E2催化结构域(UBCc),其中包含1个重要的保守氨基酸(半胱氨酸)。实时荧光定量结果表明,低磷胁迫处理后,所有ZmPHO2基因均有表达,并呈现不同的表达模式,主要表现为叶与根之间的组织差异和玉米自交系178与9782之间的基因型差异,而在同一组织多数基因间的表达差异不明显。其中,ZmPHO2;H2在自交系9782的根中持续下调表达,但在叶中持续上调表达,表明ZmPHO2;H2可能参与调控磷素在叶与根之间的运输,以维持地上部分和地下部分磷的平衡。     

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。     

PPR蛋白在植物生长发育中的作用

PPR蛋白在陆生植物中属于最大的蛋白家族之一,其成员种类和数量均十分庞大。PPR蛋白主要的功能是通过在多种细胞器中进行定位从而参与细胞核和细胞器中特异单链RNA的转录后修饰和编辑,在植物生长发育的多个阶段均发挥着重要的作用。多数PPR蛋白编码基因的突变体呈现异常的发育表型,如胚胎致死、发育迟缓及绿化延迟等。对近年来植物PPR蛋白的分类、定位、RNA修饰的机制及其对植物生长发育影响进行了综述,并展望了植物PPR发挥功能区域和参与的调控网络研究。     

毛果杨羧酸酯酶基因家族的功能研究

羧酸酯酶(CXE)是一类具有α/β折叠结构域的水解酶类,在植物生长发育和胁迫响应中发挥着重要作用。该研究以毛果杨(Populus trichocarpa)植株为材料,通过TBLASTN搜索和手动校正鉴定毛果杨CXE基因,并分析CXE基因家族基本特征、基因结构和表达模式,通过亲和层析纯化大肠杆菌表达的毛果杨CXE蛋白,然后利用荧光法和pH指示剂法测定CXE蛋白酶学活性,为深入揭示林木CXE基因家族的功能奠定基础。结果表明:(1)从毛果杨基因组中共鉴定出52个CXE基因,且52个CXE蛋白都含有完整的α/β水解酶结构域;毛果杨52个CXE基因分为3个类型,每一类型分别有39、4和9个CXE基因。(2)毛果杨CXE基因在染色体上的分布不均匀,其中有28个CXE基因以基因簇的形式分布在6条染色体上,其余24个CXE基因分散分布在16个染色体上。(3)毛果杨8个CXE基因在木质部、韧皮部、叶、小枝和根等5个组织部位均未检测到表达,其余44个CXE基因在5个组织部位呈现差异性表达。(4)在大肠杆菌中表达并纯化了5个毛果杨CXE蛋白(PtCXE4、5、6、41、43),且5个蛋白对植物体内发现的24个天然底物的催化能力测定发现,PtCXE5可以催化天然底物的个数最多(11个);酶学性质分析表明,5个蛋白都可以催化4-甲基伞形酮乙酸酯(4-MU acetate)和4-甲基伞形酮丁酸酯(4-MU butyrate)水解,却都不能催化4-甲基伞形酮月桂酸酯(4-MU laurate)和4-甲基伞形酮棕榈酸酯(4-MU palmitate)水解,且随着底物碳链长度的增加,蛋白的催化活性也随之下降;酶活性的pH依赖性分析发现,在pH6.0～9.0范围内,随着pH的升高5个蛋白的催化活性均呈现升高的趋势。     

PPR蛋白在植物细胞器组分转录后调控中的作用机制

PPR (pentatricopeptide repeats)蛋白是陆生植物中最大的蛋白家族之一,是一类RNA结合蛋白,参与细胞器基因的转录后加工过程,对细胞器的生物合成和功能具有深远影响。PPR突变后造成叶绿体光合电子传递链和线粒体呼吸链等进程受损,最终通过影响光合作用或者呼吸作用,造成植株生长发育异常,影响产量、育性、籽粒品质等。近年来,关于该蛋白家族成员参与植物生长发育的报道越来越多,但由于该家族庞大,大部分成员的功能还未被解析。本文系统总结了目前PPR蛋白调控细胞器基因转录后加工的分子机理及对细胞器和植株发育的影响,提出PPR家族还未解决的问题,为深入解析该基因家族的功能及育种应用提供理论基础。     

枳LEA基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应

为明确LEA基因在枳非生物胁迫中的作用,研究通过生物信息学方法对枳LEA基因家族进行全基因组的鉴定,并采用qRT-PCR技术分析其在不同非生物胁迫下的表达情况。结果表明:(1)枳基因组中鉴定得到57个LEA基因家族成员,编码蛋白的氨基酸长度在62~945 aa之间,分子质量在6.95~104.98 kD之间。(2)系统进化分析表明,PtrLEA基因可分为8个亚家族,LEA_1~LEA_6、dehydrin和SMP,LEA_2亚族家族成员最多。(3)顺式作用元件分析表明,PtrLEA启动子上存在大量的植物激素、胁迫响应以及生长发育有关的响应元件。(4)转录组数据分析结果显示,LEA基因家族具有组织表达特异性,PtrLEA 15、PtrLEA 17、PtrLEA 23、PtrLEA 51在所有组织中均有高表达,也发现有3个基因在所有组织中不表达。(5)实时荧光定量PCR结果显示:PtrLEA基因在低温、干旱和高盐胁迫处理条件下,与对照相比分别有6、2和6个基因上调表达,推测该基因家族参与多种非生物胁迫应答。