[目的]分析Bcl-2 相关抗凋亡(Bcl-2 associated athanogene,BAG)家族蛋白成员在黄瓜和南瓜中响应非生物胁迫以及在黄瓜/南瓜嫁接愈合过程中响应光照的表达模式,为解析黄瓜/南瓜嫁接苗嫁接愈合机理及黄瓜和南瓜等蔬菜的抗性分子育种提供有利基因.[方法]基于黄瓜和南瓜基因组信息,利用生物信息学手段,对黄瓜和南瓜中BAG基因家族进行鉴定,并对其理化特性、染色体定位、基因结构、系统发育和共线性进行了分析.基于公共数据库及黄瓜/南瓜嫁接苗在嫁接愈合过程中转录组测序数据,分析BAG基因在黄瓜和南瓜中响应非生物胁迫以及在嫁接愈合过程中响应光照的表达模式.[结果]在黄瓜和南瓜中分别鉴定到 12 和 18 个BAG家族基因,均分为 2 个亚族,基因成员保守性高,Ⅰ亚家族的BAG主要参与基因调控和逆境响应,而Ⅱ亚家族的BAG主要参与植物的发育过程.黄瓜和南瓜BAG基因分别与拟南芥、水稻、番茄存在多种线性关系,但CsaV3_1G017210与拟南芥、水稻、番茄和南瓜中的BAG基因均不存在线性关系.不同BAG基因具有组织特异性表达模式.CsaV3_6G000970 和CmoCh08G008520(BAG family molecular chaperone regulator 6)在黄瓜和南瓜响应非生物胁迫以及黄瓜/南瓜嫁接苗嫁接愈合过程中均发生上调表达.[结论]BAG家族基因在黄瓜和南瓜对非生物胁迫的响应以及黄瓜/南瓜嫁接苗嫁接愈合过程中对光的响应中具有差异性,协同调控了黄瓜和南瓜的生长发育及嫁接愈合,在黄瓜和南瓜非生物胁迫以及黄瓜/南瓜嫁接苗嫁接愈合过程中发挥着重要作用.

[目的]为解析甘蔗基因组的密码子使用特征,提高异源基因在甘蔗中的表达效率.[方法]以已发布的甘蔗属种(热带种LA-purple、割手密NP-X和AP85-441)及其近缘属种蔗茅(Yunnan2009-3)基因组为数据,利用Python、CodonW1.4.2 进行密码子偏好性分析,同时通过中性绘图、ENC-plot、PR2-plot等分析探讨密码子偏好性形成的影响因素,并结合转录组测序数据分析密码子偏好性参数与基因表达水平的相关性.最后,基于RSCU均值与 7 个主要模式生物种(玉米、高粱、水稻、拟南芥、烟草、大肠杆菌、酿酒酵母)的密码子使用模式进行比较分析.[结果]显示热带种、割手密和蔗茅的基因组都富含GC,平均GC含量为 56.3%,且GC3>GC1>GC2,倾向于使用以G/C结尾的密码子,平均ENC值为 48.45,偏好性较低.中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析表明它们的密码子偏好性受到自然选择、突变压力等多种因素的共同影响,其中自然选择占主导作用.相关性分析表明密码子偏好性参数与基因实际的转录表达水平存在显著相关性,但相关性不强.根据RSCU和?RSCU值,确定了 13 个最优密码子,均以C或G结尾,密码子使用特性在全基因组和染色体组水平上无差异.通过比较发现,甘蔗的核苷酸组成及密码子偏好性与玉米、高粱和水稻较为相似,而与拟南芥、烟草、大肠杆菌和酵母具有显著差异.[结论]甘蔗热带种、割手密和蔗茅的密码子偏好性高度相似,其形成受自然选择和突变因素的影响.此外,对甘蔗优异基因功能异源验证时可优先选择玉米、水稻和高粱作为异源表达系统.

[目的]WUSCHE-相关同源盒(WUSCHEL-related homeobox,WOX)基因家族是植物特有的转录因子家族,在植物生长发育、干细胞分化调控、逆境胁迫响应等过程中扮演重要角色.开展马铃薯WOX基因家族鉴定与功能研究,将为马铃薯遗传改良提供优良基因资源与理论依据.[方法]基于拟南芥、番茄、烟草和水稻WOX蛋白序列,利用HMMER 3.0 和BLASTP鉴定马铃薯WOX基因家族成员,使用MCScanX软件分析WOX基因家族成员在马铃薯种内及种间的共线性,并采用邻接法构建系统发育进化树.利用ExPASy、GSDS等软件分析马铃薯WOX基因家族成员理化性质、基因结构、蛋白motif、启动子区域转录因子结合位点.基于PGSC数据库中马铃薯转录组数据,分析StWOXs在不同组织和非生物胁迫下的表达模式;以可能参与离体再生过程的StWOX5 作为候选基因,利用实时荧光定量PCR技术分析该基因在具有不同离体再生能力的 4 个马铃薯品种(系)再生过程中的表达情况.[结果]鉴定得到 11 个马铃薯WOX基因家族成员,分布在 5 条染色体上,分为WUS、中间和古老共 3 个进化分支,不同分支中StWOXs基因结构、蛋白motif组成、转录因子结合位点类型和数量存在不同程度的差异.表达模式结果表明,马铃薯WOX基因家族成员参与离体再生和非生物胁迫响应,StWOX4/5/11/13在愈伤组织中特异表达,StWUS、StWOX1/3c/4/5/13在甘露醇处理下上调表达,StWOX3a/11 在NaCl处理下上调表达,StWOX4/5/13 在热胁迫中上调表达,且StWOX5 相对表达量与愈伤组织分化率呈正相关.[结论]不同马铃薯WOX基因具有潜在的功能多样性,StWOX5具有促进马铃薯离体再生分化的作用,参与了非生物胁迫反应.

目的 TCp基因家族在植物叶片发育、侧枝形成、花器官形成、植物激素合成与信号转导等生理过程中发挥着关键的作用.对工业大麻Cannabis sativa TCP基因进行全基因组鉴定及表达分析为工业大麻TCP基因家族的功能分析提供科学参考.方法 基于已发布的工业大麻基因组,利用生物信息学方法对工业大麻TCp基因家族成员进行鉴定并对其理化性质、基因结构、以及表达模式进行分析.结果 共鉴定出17个工业大麻TCP基因(CsTCP1～CsTCP17)分为2类3个亚科(PCF、CIN和CYC/TB1),编码的氨基酸长度在163～585 aa,蛋白质相对分子质量为18 310～64 070,蛋白等电点介于4.99～9.36,亚细胞定位大部分为细胞核.共线性进化分析发现,工业大麻与拟南芥、番茄、水稻分别存在9、20和6对同源基因.顺式元件预测结果表示光响应元件和脱落酸元件在TCP基因启动子区域分布广泛.基因表达分析结果表明,工业大麻TCP基因的表达存在组织特异性,大部分在叶和花中高表达.结论 为深入研究工业大麻TCP基因家族的功能奠定了基础,进一步阐明了 TCp基因可能参与工业大麻生长发育的各个阶段,并对工业大麻的药用资源发展提供理论基础.

为探讨铁(Fe)、镉(Cd)胁迫对宁夏枸杞LbFRO(ferric reduction oxidase)、LbZIP(zinc-regulated transporters and iron-regulated transporter-like protein)和LbNRAMP(natural resistance-associated macrophage protein)基因的表达模式的影响,为防治宁夏枸杞黄叶病、培育高效Fe利用枸杞品种和低镉累积品种提供理论基础及技术支持.以宁夏枸杞 1 号组培幼苗为试验材料,利用转录组测序技术分析筛选宁夏枸杞中与Fe和Cd吸收转运相关的基因;利用实时荧光定量PCR技术验证目的基因在Fe、Cd胁迫下的表达变化情况;利用常规PCR方法克隆获得全长序列并进行生物信息学分析;构建酵母表达载体转化Fe/Cd敏感型酵母菌株ΔCCC1/YK44 进行转基因酵母功能验证.结果显示,LbIRT2、LbFRO以及LbNRAMP3 受Fe和Cd胁迫后显著上调表达;系统进化树分析表明宁夏枸杞Fe、Cd响应基因与水稻和拟南芥亲缘关系较近;转基因酵母功能进一步验证了LbFRO、LbIRT2 以及LbNRAMP3能增强酵母对Fe和Cd的敏感性.LbFRO、LbIRT2以及LbNRAMP3可能参与了枸杞对Fe和Cd的吸收和转运.

谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)是植物氮素同化过程中的限速酶.本试验选取茶树(Camellia sinensis)'龙井43'为材料,利用RACE法克隆得到3个茶树CsGS1s基因成员.序列分析显示CsGS1.1、CsGS1.2和CsGS1.3基因全长分别为1634、1482和1398 bp,其开放阅读框长度均为1071 bp,编码356个氨基酸;CsGS1s蛋白均为亲水性、非分泌蛋白,定位在细胞质中且无跨膜结构.序列比对显示CsGS1.1s具有GS1基因家族的特征区域.系统进化树分析表明,CsGS1.1s与拟南芥(Arabidopsis thaliana)、油菜(Brassica napus)、大麦(Hordeum vulgare)、水稻(Oryza sativa)以及玉米(Zea mays)的GS1表现出较近的亲缘关系.CsGS1s组织特异性表明,CsGS1.1和CsGS1.3在根部表达量最高,CsGS1.2主要在叶中表达,但总体来看CsGS1.2在上述器官的表达丰度极低.利用实时荧光定量PCR对茶树在不同氮源处理下的表达进行检测,结果表明,在茶树叶中,CsGS1.1的表达量主要在NO3-处理后期才显著提高,而CsGS1.2和CsGS1.3的表达量则主要受NH4+处理的影响;在茶树根中,CsGS1s的表达水平受铵态氮的诱导显著高于硝态氮,尤其是CsGS1.1和CsGS1.2.

表观遗传修饰是指在不改变基因序列的情况下,通过对DNA和组蛋白等一系列可逆的共价修饰调控生物体的基因表达,在应对生物和非生物因素胁迫以及适应环境变化的过程中发挥着非常重要的作用.最近的研究表明,表观遗传修饰参与水稻/拟南芥抵御细菌入侵的免疫反应(包括效应识别、信号转导和快速防御反应等).对基因组DNA甲基化、组蛋白修饰(甲基化/去甲基化、乙酰化/去乙酰化和泛素化)和小RNA在内的表观遗传修饰在水稻/拟南芥对病原细菌入侵的防御反应中的功能和分子调控机制进行了综述,有助于系统地全面理解表观遗传抗病性,为其抗病育种提供理论支持和基因资源.

类钙调磷酸酶B蛋白(calcineurin B-like protein,CBL)互作蛋白激酶(CBL-interacting protein kinase,CIPK)通过感应钙信号,在植物生长发育、逆境生理等生命活动中发挥重要作用.本研究利用RACE技术首次从珍稀药用铁皮石斛中克隆到4个CIPK基因cDNA全长,DoCIPK1、DoCIPK2、DoCIPK3和DoCIPK4 (GenBank 注册号KT957557、KT957558、KT957559和KT957560),编码蛋白分别含473、449、451、440个氨基酸,分子质量依次为53.50、50.93、51.50、50.16 kDa,等电点7,99、9.25、8.81、9.11;与多种植物CIPKs蛋白一致性在70％～90％、69％～80％、78％～93％、66％～82％之间;各含1个蛋白激酶的保守结构域(分别为第21～275、14～268、16～271、12～266位氨基酸)、1个CIPK家族特有的NAF/FISL结构域(335～391、313～370、310～369、305～362)和多个功能基元;4个蛋白均无信号肽或跨膜域,预测主要分布在质膜、内质网等亚细胞水平,与拟南芥AtCIPK24三维结构类似;DoCIPK1、DoCIPK3分别隶属于拟南芥和水稻CIPKs分子进化树的E、A类群,DoCIPK2和DoCIPK4属于C类群;DoCIPK1基因在石斛叶和茎中的相对表达量无显著差异,根中表达量为叶中的0.35倍;DoCIPK3转录本在茎和根中的丰度分别为叶中3.36倍和3.47倍;DoCIPK2与DoCIPK4的表达模式相似,二者在叶和茎中的相对表达量无显著差异,根中表达量分别为叶中的2.08倍和7.86倍.DoCIPK1、DoCIPK2、DoCIPK3和DoCIPK4基因克隆、生物信息特征及表达特性为下一步研究基因在铁皮石斛生理适应中的分子功能奠定基础.

少根紫萍(Landoltia punctata)是一种浮水生、多功能、高环境适应能力的能源植物,为了解其生理特性的分子机制,利用少根紫萍转录因子预测数据与拟南芥、水稻、玉米数据库数据进行宏观比较,并结合转录组测序技术对少根紫萍营养胁迫后转录因子表达分析.结果显示,少根紫萍有1 076个转录因子,分属于66个家族,其中在bZIP、WRKY、AP2/ERF-ERF、MYB、NAC、MADS-box等家族基因数明显减少,一定程度上解释了浮萍高黄铜低木质素、难开花的生理特性;少根紫萍在营养胁迫下偏向上调AP2/ERF-ERF、MYB、bHLH家族特定基因和下调AP2/ERF-ERF、WRKY家族特定基因来响应营养胁迫,尤其是AP2/ERF-ERF、WRKY两个家族中特定基因表达下调在响应水体营养胁迫中有非常重要的作用.本研究在转录因子层面对浮萍的生理特性,特别针对营养胁迫下转录因子的表达进行了探究,可为建立浮萍水生模式植物系统、深入探讨少根紫萍响应营养胁迫机制以及改造成耐受胁迫的高效淀粉积累能源植物提供理论指导.

低温胁迫(冷害和冻害)严重影响植物的生长发育和地理分布,是制约作物产量和品质的主要因素之一.在自然界,植物通过感知低温信号并启动一系列响应机制来抵御冷冻伤害.MAP蛋白激酶家族在植物响应逆境胁迫信号过程中发挥重要作用,但其是否参与冷冻胁迫信号传递仍不清楚.最近,朱健康、杨淑华和种康研究团队先后报道了拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)通过MAPK级联反应途径参与冷冻胁迫应答反应,通过磷酸化ICE1来调控其稳定性,并阐明了ICE1提高植物抗冷冻能力的分子机制.他们的研究完善了ICE1介导的低温应答网络,是植物低温应答研究领域的重要突破,并为未来的作物分子设计育种提供了强有力的理论依据.