甜瓜HD-Zip家族基因的鉴定及在表皮毛发育中的表达分析

【目的】研究HD-Zip家族基因在甜瓜表皮毛发育过程中的表达模式和功能。【方法】利用生物信息学方法对甜瓜HD-Zip家族基因进行全基因组鉴定、染色体定位、系统进化分析、基因结构分析、理化性质分析、保守序列分析、顺式作用元件预测、共线性分析、蛋白互作网络预测和调控该家族基因的MicroRNA预测,并结合甜瓜不同组织部位和不同表皮毛材料的转录组分析及qRT-PCR验证,筛选与甜瓜表皮毛发育相关的基因。【结果】甜瓜基因组编码37个HD-Zip家族成员,不均等地分布在9条染色体上。该家族成员分为4个亚家族,各亚家族成员具有相似的基因结构和保守基序。共线性分析显示,甜瓜HD-Zip家族基因的形成存在着连锁遗传且伴随串联复制、片段复制等染色体复制事件的发生,其基因组进化过程与黄瓜高度相似。顺式元件分析显示,该家族成员含有与表皮毛发育相关的赤霉素、茉莉酸、脱落酸和水杨酸响应元件。调控HD-Zip家族基因的MicroRNA主要有miRNA166、miRNA17和miRNA395家族。不同表皮毛甜瓜材料的转录组分析显示,该家族中CmHDZ1、CmHDZ3、CmHDZ14、CmHDZ17和CmHDZ36基因在无表皮毛材料中表达显著下调,CmHDZ21、CmHDZ23和CmHDZ28基因表达显著上调。进一步在不同表皮毛材料的子房和叶片中的表达模式分析显示,与有表皮毛材料相比,CmHDZ5、CmHDZ14、CmHDZ17基因在无表皮毛材料中表达显著下调,CmHDZ22基因表达显著上调。【结论】甜瓜中编码37个HD-Zip家族基因,基于其在甜瓜不同组织部位和不同表皮毛材料中的表达模式分析,筛选到9个与甜瓜表皮毛发育密切相关的CmHDZs基因,其中CmHDZ1、CmHDZ14、CmHDZ17基因在无表皮毛甜瓜中的表达显著下调,可能参与赤霉素和茉莉酸途径介导的甜瓜表皮毛发育的正调控,CmHDZ22基因在无表皮毛甜瓜中表达显著上调,可能负调控表皮毛的发育。

丹参HD-ZIP基因家族的鉴定与表达分析

为筛选丹参(Salvia miltiorrhiza)中响应高温胁迫的HD-ZIP基因,利用生物信息学研究方法,对丹参全基因组的HD-ZIP基因进行了鉴定和分析,并以天丹1号为材料,通过qPCR技术检测了丹参HDZIP基因在高温胁迫下的表达模式。结果表明,丹参全基因组中包含44个HD-ZIP基因(SmHD-ZIP),不均匀地分布于8条染色体上。SmHD-ZIP可分为HD-ZIPⅠ、HD-ZIPⅡ、HD-ZIPⅢ和HD-ZIPⅣ4个亚家族,序列分析结果表明,这些蛋白质的氨基酸残基数为180~982个,相对分子质量为20.947~109.620 ku。SmHD-ZIP均为亲水蛋白,无跨膜结构域,绝大多数不含信号肽,等电点为4.48~10.91,且几乎都在细胞核表达,蛋白质稳定性较差。44个SmHD-ZIP基因中有10个基因复制事件,均为纯化选择。结构和模体分析结果表明,同一亚家族成员的外显子数目基本一致,HD-ZIPⅢ亚家族成员的外显子数目最多,模体数也最多。模体1、6是SmHD-ZIP的保守模体,模体10、11、12、13、15为HD-ZIPⅢ亚家族特有,模体5为HD-ZIPⅣ亚家族特有。通过分析高温(37℃)胁迫下SmHD-ZIP的表达模式发现,表达量升高和下降的基因数基本一致,在上调表达的基因中,SmHD-ZIP1.11、SmHD-ZIP1.13、SmHD-ZIP2.2、SmHD-ZIP2.5、SmHD-ZIP3.1、SmHD-ZIP3.4、SmHD-ZIP4.9、SmHD-ZIP4.10和SmHD-ZIP4.12的表达量提高了10倍以上,可作为提高丹参耐热性的候选基因资源。

菠菜HD-ZIP Ⅲ基因家族鉴定与表达分析

植物叶片在生长发育过程中,近-远轴极性的建立与维持是叶片正常行使光合效应、呼吸作用、蒸腾作用的结构基础.HD-ZIPⅢ是重要的叶片近轴极性基因,本研究在菠菜(Spinacia oleracea)基因组中鉴定到3个HD-ZIPⅢ基因家族成员,依次命名为SoHB1,SoHB2和SoHB3,并对其蛋白理化性质、保守结构域和进化关系进行了分析.研究结果表明:3个HD-ZIPⅢ蛋白都具有4个保守结构域.共线性分析表明:菠菜SoHB1,SoHB2和SoHB3分别与拟南芥ATHB8,ATREV和ATHB15存在共线性关系.启动子顺式作用元件预测结果表明:菠菜HD-ZIPⅢ家族基因启动子上游包含光响应、逆境胁迫反应、激素响应等顺式作用元件.在不同叶型菠菜种质中的表达模式分析结果表明:单戟型叶片的SoHBs表达量最高;此外,经干旱胁迫处理后,SoHB1,SoHB2和SoHB3的基因表达量普遍下降;对菠菜包括根、茎、薹叶、功能叶、薹叶柄、功能叶柄等部位进行表达分析,发现SoHB1在根部表达最为丰富,SoHB2和SoHB3在薹叶处表达最为丰富.

苹果HD-ZipⅠ家族基因序列特征及其在果实中的激素响应

[目的]对苹果基因组中挖掘得到的HD-Zip Ⅰ(Homeodomain leucine zipper Ⅰ)家族基因进行生物信息预测,结合生理生化数据为苹果果实发育的激素调控网络研究提供最佳候选基因。[方法]应用Ex PASy进行HD-ZipⅠ家族蛋白基本理化性质分析,采用MEME和PLACE软件预测各成员启动子含有的顺式作用元件及其功能,利用GSDS绘制基因内含子/外显子结构示意图;通过内源乙烯浓度、可溶性固形物、可滴定酸、硬度等品质指标检测‘皇家嘎啦’苹果果实在不同激素处理条件下的后熟进程;运用半定量RT-PCR分析HD-Zip I家族各成员对外源激素的响应。[结果]鉴定完整的22个HD-ZipⅠ基因可以细分为5个亚类,同一亚类基因的内含子/外显子结构相似,但仍有差异;各基因起始密码子上游-600 bp区域内广泛分布多个响应赤霉素、细胞分裂素、茉莉酸、乙烯和脱落酸的顺式作用元件,以(GA/TC)8重复序列最为保守和丰富。乙烯和脱落酸两种激素处理后,果实内源乙烯浓度及硬度等各指标变化表现出极高的相似度,均加快了‘皇家嘎啦’果实的后熟进程;不同于其他各家族成员,MdHZ1和MdHZ17两个基因的转录水平在乙烯和脱落酸处理后48 h均被不同程度的上调,而在有延缓果实衰老效果的腐胺(PUT)和赤霉素(GA4)处理组中表现为下调,表明MdHZ1和MdHZ17可能与果实的后熟进程有较为紧密的联系。MdHZ16在成熟果实组织中未检测到表达,其他家族成员的激素响应特性未表现出一定的规律性,表明同一家族内即使结构相似的基因也并不一定呈现相似的表达模式,家族基因上游调控机制有一定的复杂性。[结论]通过苹果基因组扫描获得22个HD-Zip I基因,这些基因编码的蛋白结构相似度较高;基因启动子区域含有多个参与不同激素交互作用的顺式作用元件,这或许为家族成员差异响应各外源激素处理的原因;MdHZ1和MdHZ17两个基因与果实的后熟进程表现出较为紧密的联系,可以作为候选基因进行果实后熟相关方面的深入研究。

大麦HD-Zip基因家族密码子偏好性分析

同源异型域-亮氨酸拉链(homeodomain-leucine zipper,HD-Zip)蛋白在植物生长发育和适应性抗逆过程中发挥着至关重要的调控作用,而密码子偏好性分析是大麦HD-Zip转录因子家族分子进化及功能研究的重要补充。为探究大麦HD-Zip转录因子家族密码子偏好性特征,利用CUSP、CHIPS及CodonW等软件(程序)对32个大麦HD-Zip基因进行了分析。结果显示,大麦HD-Zip家族基因偏好以C或G结尾的密码子,使用频率最高的密码子是CUG,最优密码子为AUC和AGG。该家族基因GC3值分布较分散(0.48~0.98),有62.5%的基因ENC值小于35;GC12与GC3的相关性较强,大多数ENC值频数处于0.03~0.11的范围内,实际ENC值与预期ENC值相近,证明大麦HD-Zip家族基因密码子偏好性较弱,且在进化过程中主要受突变压力的影响。聚类分析表明,基于相对同义密码子使用度的HD-Zip基因聚类与物种进化关系没有必然相关性。对大麦HD-Zip家族代表基因HD-Zip IV 5进行最适受体分析发现,大肠杆菌更适合作为其异源表达受体,遗传转化模式植物中水稻更适合作为该基因的表达受体。本研究为大麦HD-Zip转录因子家族进一步功能研究奠定基础。

荆芥HD-Zip基因家族的全基因组鉴定及分析

【目的】鉴定荆芥Schizonepeta tenuifolia的HD-Zip基因家族,利用生物信息学方法分析其在全基因组中的分布和相关特征以及在不同时期中的表达规律,为该家族基因的进一步研究奠定基础。【方法】根据已经表征的HD-Zip基因,筛选荆芥基因组内的HD-Zip基因序列,利用MEME、PlantCARE、NCBI、MEGA X、MCScanX、Circos等在线网站及软件对蛋白序列进行基本理化性质分析、进化树构建、染色体定位、基因结构分析、共线性基因分析等。【结果】在荆芥全基因组中共鉴定到42条HD-Zip基因序列,它们可被分为4个亚家族,分别含有16、7、5、14个基因,亚家族之间的基因长度、结构及保守基序差异显著,但在亚家族内部保守,荆芥基因组与拟南芥Arabidopsis thaliana基因组共线性分析发现有37对基因,可能具有相似的生物学功能。荆芥的4个亚家族基因的顺式元件中均高频出现了光响应、脱落酸响应、MeJA响应等元件,在不同生长时期的叶片及部位的转录组数据中具有不同的表达趋势,Ⅰ亚家族主要在幼叶中表达,Ⅱ和Ⅲ亚家族主要在根中在表达,Ⅳ亚家族主要在叶中表达。【结论】在荆芥基因组中共获得42条HDZip基因序列,被分为4个亚家族(HD-ZipⅠ~Ⅳ),亚家族内部高度保守,亚家族之间差异显著,其基因结构、保守结构域及表达模式不同。亚家族Ⅰ和Ⅱ,亚家族Ⅲ和Ⅳ亲缘关系更近,HD-Zip基因具有组织表达差异性,协同调控了荆芥的生长发育和次生代谢。

辣椒HD-Zip基因家族鉴定、系统进化及表达分析

【目的】鉴定辣椒HD-Zip基因家族,并利用生物信息学方法系统分析其在基因组中的分布、基因结构、进化分化特征及在不同组织中的时空表达特异性,解析该家族的进化特征及生物学功能。【方法】根据已报道及PlantTFDB数据库中的拟南芥HD-Zip序列,利用本地BLAST工具在我国辣椒测序品种‘遵辣1号’基因组中比对,并利用Pfam、SMART工具进一步验证。采用EMBOSS Programs、MEGA、GSDS、MEME、MCScanX、OrthoMCL、Circos等软件预测辣椒HD-Zip基因家族成员蛋白理化性质,构建系统进化树,定位染色体,分析基因结构、基因复制类型及直系、旁系同源基因。基于GEO数据库,运用R软件、本地perl语言及Cytoscape分析辣椒HD-Zip组织表达差异并绘制共表达网络。【结果】本研究在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条辣椒HD-Zip,命名为CaHDZ01-CaHDZ42。CaHDZs长度跨度较大,70%CaHDZ蛋白的pI小于7.0。除CaHDZ42,其余基因不均匀地分布在12条染色体上,部分基因为片段复制。该基因家族可分为4个亚族,分别含有18、9、5、10个HD-Zip,基因结构及蛋白结构域差别显著。辣椒、番茄和拟南芥3个物种中的直系同源基因对数目大体相同,但同为茄科的辣椒和番茄之间的稍多;辣椒中的旁系同源基因少于番茄和拟南芥,说明辣椒基因组的倍增事件并没有使CaHDZs明显扩增。对无油樟、水稻、玉米、番茄、马铃薯、辣椒‘CM334’、辣椒‘Zunla-1’、毛果杨、葡萄以及拟南芥9个代表物种的HD-Zip进化特征分析结果表明,从被子植物开始,HD-Zip基因家族就稳定存在4个亚族。推测在形成4个亚族前,HD-Zip分为两组,其中一组分化成Ⅰ和Ⅱ亚族,而另一组则分化成为Ⅲ和Ⅳ亚族。CaHDZs在根、茎、叶、花芽、花和果实不同发育时期的表达模式分析结果显示,4个亚族具有不同程度的表达趋势。其中Ⅰ亚族基因在辣椒不同组织中的表达量均较高,且不同成员间表达模式不同,CaHDZ22在茎中的表达最高,表明该基因可能对辣椒茎的生长有重要作用。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ亚族基因在不同组织中的表达量相对较低,但部分基因在特定组织中具有较大的表达量。如CaHDZ34在辣椒果实成熟后期具有较大高的表达量,CaHDZ02和CaHDZ28在果实膨大时表达较高,CaHDZ04在果实成熟前期具有较高的表达量。CaHDZs表达网络中有33对基因表达趋势的相关系数(PCC)大于0.8,6对大于0.9,表明CaHDZs协同调控了辣椒的生长发育,不同亚族之间也具有协同性。【结论】在‘遵辣1号’基因组中鉴定获得42条CaHDZs,可分为4个亚族,不同亚族的基因结构、蛋白保守结构域及表达模式不同。在进化过程中,辣椒HD-Zip保守性高,数目没有明显扩增,Ⅰ和Ⅱ亚族、Ⅲ和Ⅳ亚族关系更近。CaHDZs具有组织表达差异性,协同调控了辣椒的生长发育。

玉米HD-ZIP I亚家族基因鉴定及表达分析

转录因子是植物响应逆境胁迫的重要调节因子,在其整个生长发育过程中发挥着重要的作用。HD-ZIP家族蛋白是植物中特有的一大类转录因子,包含4个亚家族(HD-ZIP I^IV),其中HD-ZIP I亚家族成员主要参与干旱、渗透压等极端环境和ABA及乙烯等激素处理的响应过程。本文采用隐马可夫模型(HMM)在玉米参考基因组中鉴定到17个HD-ZIP I亚家族成员,这些基因不均匀分布于玉米6条染色体上,与水稻的亲缘关系要近于拟南芥。玉米HDZIP I亚家族基因在玉米7种组织中表现出多种表达模式,具有明显的组织表达特异性。另外, HD-ZIP I亚家族基因对高盐、淹水及冷害等不同的逆境胁迫处理呈现出不同的响应模式及响应程度差异。5种不同激素处理后,玉米HD-ZIP I亚家族基因也表现出复杂的响应模式。这些结果为进一步解析玉米HD-ZIP I亚家族基因的生物学功能和作用机理提供了一定的参考价值。

森林草莓HD-ZipⅠ亚家族基因的鉴定及表达分析

[目的]本文旨在鉴定森林草莓同源异型域-亮氨酸拉链家族(homeodomain-leucine Zipper,HD-Zip)Ⅰ亚家族的转录因子,分析其序列属性及表达模式,为其进一步功能研究和利用奠定基础。[方法]运用生物信息学方法,鉴定和分析森林草莓HD-ZipⅠ亚家族基因的系统进化关系、蛋白基序、基因结构、复制方式及启动子元件等;利用公共转录组数据和荧光定量PCR技术,分析其在花和早期果实中以及黑暗、脱落酸(ABA)、6-苄氨基嘌呤(6-BA)或水杨酸(SA)处理的离体叶片中的表达模式。[结果]森林草莓HD-ZipⅠ亚家族包含11个基因,它们含有0~3个内含子,相对均匀地分布在第1和3~7号染色体上。全基因组/片段复制是HD-ZipⅠ亚家族基因扩张的主要复制方式。光和激素响应元件是其启动子区所占比例最高的2类顺式作用元件。转录组数据显示,多数HD-ZipⅠ基因在森林草莓除成熟花粉粒和胚之外的花和早期果实组织中表达量较高。5个HD-ZipⅠ亚家族基因的定量结果表明,FvH 4_1g20230、FvH4_5g36570、FvH4_5g15520和FvH4_7g32570基因在ABA、6-BA或SA处理3和6 h时有响应;FvH 4_7g32570基因在黑暗时被诱导,FvH4_5g36570、FvH4_7g32570、FvH4_1g20230、FvH4_5g15520基因在ABA诱导的离体叶片衰老过程中发生显著的表达变化;而在6-BA处理的叶片中,这5个基因的表达与对照相比均无持续的显著变化。[结论]HD-ZipⅠ亚家族基因很可能在黑暗和ABA诱导的森林草莓离体叶片衰老过程中起重要的调控作用,并参与森林草莓花和早期果实的发育以及激素响应过程。

甘蓝型油菜HD-ZIP基因家族的鉴定和表达分析

为揭示HD-ZIP蛋白家族成员在甘蓝型油菜全基因组中的分布及相关特征,通过生物信息学方法共鉴定出74个HD-ZIP转录因子,分别被定位到甘蓝型油菜的19条染色体和8条随机序列;这74个HD-ZIP蛋白都含有高度保守的HD-ZIP结构域;系统发育进化树将该家族成员聚为4大类;共线性分析发现大部分基因不仅在A和C染色体组间存在共线性,而且在各自染色体组内也存在串联重复事件;基因表达分析发现,大部分HD-ZIP家族基因在根和叶中均有表达,并且在根中表达的基因多于叶片,受到盐胁迫处理时,大部分基因表达量会增加。初步明确了甘蓝型油菜HD-ZIP家族成员结构特点和相关功能,为进一步研究甘蓝型油菜HD-ZIP蛋白家族基因的生物学功能奠定了基础,为油菜抗性育种工作提供科学依据。

抗盐基因Gm01g04890大豆子叶节遗传转化研究

利用根癌农杆菌介导的大豆子叶节转化方法,将转录因子HD-Zip家族基因Gm01g04890分别导入测序品种Willimas 82(W82)和小粒豆品种东农50(DN50)两种大豆品种的子叶节中.探讨了种子萌发时间、农杆菌菌液浓度、侵染条件、共培养时间和乙酰丁香酮(AS)浓度等因素对大豆子叶节形成不定芽的影响,优化了大豆子叶节遗传转化体系.T0代再生植株经草铵膦筛选以及RT-PCR检测,Gm01g04890基因已成功转入并整合于大豆基因组,获得了转Gm01g04890基因的DN50大豆抗性植株.

普通烟草HD-Zip Ⅲ家族全基因组鉴定和表达分析

植物HD-Zip Ⅲ家族基因在维持分生组织生长、调节避荫反应、决定新生叶背腹性方面起着重要作用。我们通过生物信息学分析对普通烟草(Nicotiana tobacum)TN90基因组序列中的HD-Zip Ⅲ进行广泛预测,并分析了其理化性质、基因结构、进化关系、亚细胞定位、表达谱等信息。本研究在栽培烟草TN90中发现了19个HD-Zip Ⅲ基因的候选序列,通过系统发生分析,可将栽培烟草HD-Zip Ⅲ基因家族成员分为两个亚家族。所有基因参与烟草叶、茎、根、花等各个器官的不同发育时期的表达。这些研究为烟草HD-Zip Ⅲ基因功能的深入分析提供了理论依据。

HD-Zip基因家族的结构、功能与表达模式

HD-Zip基因家族作为植物所特有的转录因子,在植物的生长发育过程中起到极其重要的调节作用。本研究以拟南芥中HD-Zip基因家族的研究为主体,结合其在其他植物中的相关研究,根据已有的实验研究和生物信息学分析,从四个亚家族的角度,简要介绍了其主要的结构、功能与表达模式,以期为后续研究提供一定参考。

森林草莓HD-Zip Ⅳ亚基因家族的全基因组鉴定与分析

同源异型域-亮氨酸拉链蛋白(homeodomain-leucine-zipper, HD-Zip)作为高等植物所特有的一种转录因子,参与了高等植物形态建成、生长发育和逆境调控。本研究采用生物信息学方法,旨在鉴定和注释森林草莓中HD-ZipⅣ亚基因家族的全基因组序列,分析FvH4HDZIV基因的系统和分子进化,明确HD-ZipⅣ基因的分布,同时分析FvH4HDZIV基因结构与其启动子顺式调控元件。结果表明,森林草莓中预测具有8个HD-ZipⅣ基因,氨基酸的长度范围为698~830,分子量范围为78 060.90~89 980.74 kD,等电点为5.4~7.52,亚细胞定位得到Fv H4HDZI蛋白均定位于细胞核;本试验获得的8个目标基因分散在森林草莓7条染色体中的5条染色体上,LG2和LG4上无FvH4HDZIV基因的分布,在连锁群1、5、7上均定位了2个FvH4HDZIV基因;通过建立系统进化树进行进一步分析,发现的FvH4HDZIV8位于Ⅰ-a,FvH4HDZIV2和FvH4HDZIV4位于Ⅲ-a,FvH4HDZIV1和FvH4HDZIV3位于Ⅴ-a中;同时,所有成员都有内含子,内含子的数目在8~12,数目相对稳定,且数量较多,内含子相位分析结果表明大多数内含子采用相位0方式剪接;此外,通过对启动子调控元件分析发现,森林草莓HD-Zip Ⅳ基因启动子区域存在多种调控元件,由此可推测,它们可以被多种转录因子以及各种内源和外源因素调控,从而参与生物体的各种功能。本研究结果为HD-Zip Ⅳ基因家族参与森林草莓生物功能的进一步研究提供了生物信息学参考依据。