陆地棉H^(+)-PPase基因家族全基因组鉴定及表达分析

【目的】鉴定陆地棉跨膜质子泵焦磷酸酶(H^(+)-PPase)基因家族成员,并分析其表达模式,为探究该家族基因的功能和调控机制及优质纤维棉育种提供理论依据。【方法】从Pfam数据库获取H^(+)-PPase基因家族(PF03030)的隐马尔可夫模型文件,从陆地棉基因组中筛选包含H^(+)-PPase家族保守结构域的成员,运用生物信息学方法对其理化性质、进化关系、基因定位、共线性关系、基因结构、顺式作用元件和表达模式进行分析,并利用实时荧光定量PCR检测10个在棉纤维发育中表达的侯选基因表达情况。【结果】从陆地棉全基因组水平上鉴定出20个H^(+)-PPase基因家族成员(GhH_PPase1~GhH_PPase20),分布在12条染色体上,基因长度为2531~11810 bp,编码的氨基酸残基数为575~803个,蛋白分子量为60087.76~85197.58 Da,均为疏水性的酸性蛋白,可分为亚族Ⅰ(4个)、亚族Ⅳ(4个)和亚族Ⅴ(12个)三大分支。片段复制事件是陆地棉H^(+)-PPase基因家族扩张的主要驱动力,位于染色体A05和D05上的H_PPase1、H_PPase2、H_PPase11和H_PPase12可能是进化过程中种间传播的主要基因,且陆地棉基因与单双子叶植物的共线性均较低,可能经历了独立的进化事件。有14个GhH_PPases蛋白含有10个保守基序,且排列顺序完全相同;其余6个基因的保守基序差异较明显,可能具有不同的功能。20个GhH_PPases基因启动子区域存在大量光响应元件、胁迫响应元件和激素反应元件。陆地棉H^(+)-PPase基因家族成员的表达具有时空特异性,且相对于其他亚家族,亚族Ⅴ的较多基因在棉花纤维发育过程中发挥更重要的作用。【结论】陆地棉H^(+)-PPase基因家族发生了一定程度的功能分化,多种响应元件协同参与生长发育和逆境应答,部分基因在陆地棉纤维伸长期和次生壁加厚期发挥重要的调控作用。

红麻液泡膜质子泵H^+-PPase(Hcvp1)基因的克隆、序列分析和表达

为了阐明红麻耐盐机理,以耐盐性较强的中红麻16号为材料,从红麻耐盐转录组测序结果中获得了1个与AVP1基因高度相似的Unigene,根据该片段的序列设计引物,直接进行PCR扩增,经Sanger测序获得该基因全长c DNA序列。对该基因序列进行生物信息学分析表明:该基因全长2 298 bp,开放阅读框为2 298 bp,编码765个氨基酸,其编码蛋白质的分子量和等电点分别为80.2 k Da和5.25,与雷蒙德氏棉、甜橙、毛果杨、烟草和大豆的H+-PPase基因核苷酸序列的相似性分别为90%,85%,85%,83%,83%,蛋白质序列的相似性分别为96%,93%,91%,93%,94%,说明该基因与AVP1为同源基因,命名为Hcvp1。qRT-PCR分析表明,该基因的表达量随着Na Cl浓度的增加而增加。这将为Hcvp1基因的功能验证和红麻耐盐机理的研究奠定坚实的基础。

刚毛柽柳液泡膜H^+-PPase基因的克隆与胁迫下的表达分析

通过对刚毛柽柳转录组分析,鉴定获得1个液泡膜H^+-PPase基因的cDNA序列,命名为ThVP1。该cDNA序列全长3 022bp,开放阅读框为2 298bp,编码765个氨基酸,编码蛋白相对分子质量80.37kD,理论等电点5.25。ThVP1编码蛋白的疏水性较强,含有13个跨膜区。氨基酸多序列比对结果显示,ThVP1具有典型的液泡膜H^+-PPase家族3个高度保守片段(CS1、CS2和CS3),与大豆VP1氨基酸序列一致性最高,为93%。系统进化分析表明,ThVP1属于I型液泡膜H^+-PPase基因。实时荧光定量RT-PCR分析显示,NaCl和PEG胁迫下,ThVP1在柽柳根和叶中均呈现明显上调表达,表达量最高达到对照的20.9倍,暗示ThVP1可能在刚毛柽柳抗旱耐盐过程中发挥重要作用。

多浆旱生植物霸王液泡膜H^+-PPase基因片段的克隆及序列分析

根据其他植物H+-PPase基因的保守序列设计一对简并性引物,以霸王叶片总RNA为模板,采用RT-PCR的方法扩增出H+-PPase基因片段并克隆到PUCm-T载体。阳性克隆经PCR鉴定后进行测序,序列分析结果表明,克隆到3个同源的序列片段(898bp),编码299个氨基酸;所得序列与GenBank中注册的高等植物H+-PPase基因核苷酸序列的同源性均在69%以上、氨基酸序列的同源性达78%以上。

百脉根液泡膜H^+-PPase基因的cDNA克隆与分析

采用EST电子克隆和RACE技术从豆科模式植物百脉根中克隆到一个液泡膜H+-PPase基因的cDNA,命名为LcVP1。该cDNA长为2962bp,含2304bp的完整开放阅读框,编码767个氨基酸,其推测的氨基酸序列与绿豆、拟南芥等I类液泡膜H+-PPase的氨基酸序列同源性在80%以上,且有很高的功能区段保守性。该cDNA序列已提交GenBank,登录号为EF440187。半定量RT-PCR表明,LcVP1在根、茎、叶中的表达不同,叶中表达最多,茎中最少。

苹果sMdCAX11基因的功能分析与鉴定

【目的】深入分析苹果sMdCAX11(去掉NRR区域的MdCAX11)基因功能。【方法】分别利用蜜脆苹果果实和拟南芥材料,采用过表达sMdCAX11的试验方法,观察果实、叶片等各组织的表型,并测定不同组织的矿质元素含量,同时对苹果MdCAX11基因启动子区域进行预测分析以及启动子转录活性分析。【结果】瞬时过表达sMdCAX11的苹果果肉颜色变褐,并出现皱缩;同时过表达sMdCAX11的苹果果肉和拟南芥叶片的总Ca含量明显下降,且元素比值(K+Mg)/Ca明显升高。【结论】sMdCAX11基因过表达可导致植株组织的元素分配不均,不同元素间的比例失衡。

液泡膜H^+-PPase与植物耐盐性

文章介绍植物液泡膜H+-PPase的结构、功能及其分子生物学的研究进展,并着重阐述液泡膜H+-PPase在植物耐盐性中的作用。

NaCl胁迫对骆驼蓬幼苗液泡膜H^＋-ATPase和H^＋-PPase活性的影响

研究了不同浓度NaCl胁迫对骆驼蓬幼苗Na+、K+含量及液胞膜H+-ATP酶(H+-ATPase)和H+-焦磷酸酶(H+-PPase)活性的影响。结果表明,NaCl胁迫浓度的增加使骆驼蓬幼苗根、叶中的K+含量下降,Na+含量和Na+/K+比及K+对Na+的吸收和运输选择性增高;根、叶液胞膜H+-ATPase和H+-PPase活性升高,H+-ATP酶耦联比率无显著变化;根液胞膜依赖ATP和PPi的质子泵活性及Na+/H+逆向转运活性先升后降,叶依赖ATP的质子泵活性及Na+/H+逆向转运活性升高,依赖PPi的质子泵活性先升后降。说明液泡膜H+-ATPase和H+-PPase驱动的质子泵和Na+/H+逆向转运活性对Na+在液泡内的积累及其骆驼蓬的耐盐性起重要作用。

紫花苜蓿Na^＋/H^＋逆向转运蛋白基因在拟南芥中表达提高转基因植株的耐盐性

以紫花苜蓿(Medicago sativa)为材料,利用反转录PCR方法分离了NHX1全长cDNA(命名为MsNHX1)。Southern杂交结果表明,在紫花苜蓿中存在一个小的液泡型Na+/H+逆向转运蛋白基因家族。序列分析表明,该基因所编码的蛋白与拟南芥、水稻和棉花中液泡型Na+/H+逆向转运蛋白具有较高的同源性。在洋葱表皮细胞中瞬时表达MsNHX1-GFP融合基因的结果表明,MsNHX1定位在液泡膜上。Northern杂交发现该基因的表达受高浓度NaCl诱导。MsNHX1在盐敏感酵母突变体中表达可以提高转化子对NaCl的耐受性,说明MsNHX1具有转运Na+的功能。在拟南芥中表达MsNHX1能显著提高植株耐受盐胁迫的能力;而且在受到盐胁迫时,转基因植株比野生型的渗透调节能力更强,生物膜受破坏程度降低,光合能力增强。以上研究结果表明MsNHX1是一个液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白,在植物耐受盐胁迫过程中起重要作用。

唐古特白刺液泡膜Na^+/H^+逆向运输蛋白基因NtNHX1的克隆与表达分析

植物液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白具有将胞质中过多的Na+区隔化在液泡内,从而减轻过量Na+对细胞质的伤害,同时维持细胞的渗透势,利于植物抵御盐胁迫。以2年生唐古特白刺嫩叶为试材,采用RT-PCR和RACE方法从叶片中获得1个NHX基因cDNA全长,命名为NtNHX1,GenBank登录号为KF751928。序列分析结果表明:NtNHX1全长2 134 bp,包含281 bp的5’非编码区、218 bp的3’非编码区和29 bp的poly(A)尾巴。该cDNA编码1个544个氨基酸的多肽,等电点为8.14,推测分子质量为59.9 kDa。通过与其他物种的NHX1氨基酸序列比对,NtNHX1基因与柑橘同源性最高达81%。NtNHX1基因存在12个跨膜结构域,其中TM3跨膜结构域上具有高度保守的氨氯吡嗪脒结合位点(LFFIYLLPPI)。该位点与Na+有竞争作用。相对荧光定量PCR分析表明,NtNHX1在根、茎、叶中均有表达,叶中的表达量明显高于茎和根;在高浓度盐(200 mmol·L-1NaCl)处理下,NtNHX1在叶中的转录水平显著增强,在处理12 h后表达量达到最大值。由此推断,NtNHX1基因的表达与盐胁迫的诱导和调节有关。

一个新的水稻液泡膜Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆及表达特征

通过RT-PCR技术从水稻幼苗组织中克隆了一个新的Na+/H+逆向转运蛋白基因OsNHX2,它编码一条长544氨基酸的多肽。OsNHX2与水稻和拟南芥的液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白OsNHX1、AtNHX1氨基酸序列一致性分别为78%和77%。基因结构分析表明OsNHX2与OsNHX1具有类似的外显子和内含子构成,但不同于拟南芥AtNHX1,表明OsNHX2与OsNHX1可能起源于单双子叶植物分化后的水稻染色体复制。半定量RT-PCR方法检测了OsNHX2与OsNHX1在水稻耐盐品种韭菜青与盐敏感品种IR28的地上部与根部的表达。结果表明:耐盐品种韭菜青的OsNHX2与OsNHX1基因在盐胁迫下表达持续增强,而在盐敏感品种IR28的地上部,OsNHX2基因在盐胁迫处理后1h表达增强后立即减弱,根部的表达则基本不变,而IR28地上部与根部OsNHX1则在盐胁迫处理初期表达增强,随后即减弱。研究结果表明水稻两个液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因OsNHX2、OsNHX1在盐敏感程度不同的水稻品种中表达有所不同,液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因的转录调控可能是决定水稻耐盐能力的一个重要因素。

小麦Na^+/H^+反转运蛋白基因的克隆和特性(英文)

以水稻 (OryzasativaL .)Na+ /H+ 反转运蛋白cDNA片段为探针 ,从小麦盐胁迫cDNA文库中筛选和克隆了 2个小麦Na+ /H+ 反转运蛋白基因 ,分别命名为TaNHX1和TaNHX2。序列分析表明TaNHX1为 2 0 2 9bp ,包含一个完整的 16 38bp的ORF ,编码 5 4 6个氨基酸 ,其中含有DIFFIYLLPPI跨膜区。TaNHX2为 16 93bp ,包含部分ORF及 80 8bp的 3′_UTR。这 2个基因与已知的水稻、拟南芥 (Arabidopsisthialiana)和滨藜 (Atriplexgmelini)中的同类基因NHX的相似性约为 70 %。RT_PCR分析表明小麦苗经 4 0 0mmol/LNaCl处理 1h后 ,TaNHX1的转录水平有所提高。

三疣梭子蟹Na^＋/H^＋-exchanger基因克隆鉴定及在盐度胁迫下的表达分析

为研究Na^+/H^+-exchanger基因在三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)盐度胁迫过程中的功能作用,克隆了三疣梭子蟹Na^+/H^+-exchanger基因并进行表达分析。结果显示,Na^+/H^+-exchanger基因(Gen Bank:KU519329)全长4233 bp,5?和3?非编码区(UTR)长分别为519和753 bp,开放阅读框(ORF)长2961 bp。编码986个氨基酸,预测蛋白质分子量和等电点分别为110.8 k D和7.42,具有信号肽和典型的Na^+/H^+-exchanger蛋白结构域,含12个跨膜α螺旋;三疣梭子蟹Na^+/H^+-exchanger基因与普通滨蟹(Carcinus maenas)同源性最高,达到87.2%,系统进化分析也显示该序列与普通滨蟹聚为一支;表达分析显示,三疣梭子蟹Na^+/H^+-exchanger基因在鳃中表达量最高;在低盐(盐度5、10和20)胁迫过程中,Na^+/H^+-exchanger基因在0—12h上调表达明显,在24—168h间表达量呈下降趋势;在高盐(盐度50)胁迫初期(0—12h),该基因表达量相对稳定,之后(24—168h)显著下调表达。研究表明低盐显著诱导Na^+/H^+-exchanger基因的高表达,推测三疣梭子蟹Na^+/H^+-exchanger基因在低盐环境下发挥重要的渗透调节功能。

海滨雀稗液泡膜H^+-PPase(PvVP1)5′端的克隆和序列分析

根据已公布液泡膜H+-PPase基因家族同源序列保守区设计简并引物,克隆出海滨雀稗中PvVP1基因的中间序列,然后用快速扩增cDNA末端(rapid amplification of cDNA end,RACE)方法,从海滨雀稗中克隆到PvVP15′cDNA序列。该序列ORF长1605bp,编码535个氨基酸,其编码序列、氨基酸序列与玉米相应基因的同源性分别为93%和99%。

改良TAIL-PCR技术在小麦PM H^＋ -ATPase基因启动子克隆中的应用

以小麦基因组DNA为模板,利用改良的热不对称交织PCR(TAIL-PCR)技术成功克隆到小麦PM H+-AT-Pase基因的上游侧翼序列,测序结果表明,该序列全长363 bp.序列分析结果表明,GGGCGGG序列位于-141^-135 bp;TATA-box位于基因转录起始位点CAT-box上游-37^-32 bp;-70^-80 bp间没有发现CCAAT-box;ATG位于CAT-box下游203~205 bp处,5’UTR(非编码区)序列全长202 bp,表明该序列为小麦H+-ATPase启动子序列.

液泡膜H^+-PPase及其对逆境胁迫的反应

概述了液泡膜Ｈ~＋-ＰＰａｓｅ的分子组成、生化性质、生理功能及该酶对逆境的响应。

北美海蓬子Na^+/H^+逆向运输蛋白基因的克隆及拟南芥转化分析

Na+/H+逆向运输蛋白在植物耐盐性方面起着极为重要的作用。根据在不同植物中功能相同的同源基因保守序列设计引物,通过RT-PCR方法从真盐生植物北美海蓬子(Salicornia Bigelovii Torr.)中克隆出包括有1683bp的完整编码区在内的2591bp(GenBank登陆号为DQ157454)的Na+/H+逆向运输蛋白基因(SbNHX1)cDNA序列。将该基因编码区序列构建到植物表达载体pVKH-35S-pA上,并通过农杆菌介导转化到模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,得到T3代转入单基因种子。200mmol/L的NaCl胁迫培养结果显示,转基因拟南芥在200mmol/L的NaCl胁迫条件下生长状况好于野生型植株,植物表现有一定的耐盐性。

胡杨Na^+/H^+反向运输载体(PeNHX2)基因的克隆与序列分析

植物液泡膜上Na+/H+反向运输载体(Na+/H+antiporterNHX)已被证明在盐胁迫中发挥关键作用,该研究旨在从胡杨中克隆获得耐盐相关的的完整cDNA序列,为进一步比较胡杨的耐盐基因的差异,探讨胡杨的耐盐分子机理奠定了基础,并为通过转基因手段提高木本植物的耐盐能力提供侯选基因。根据已发表NHX的同源基因序列,采用特异性引物扩增核心片段,并结合5’与3’RACE技术,成功地从胡杨(populus euphratica)克隆获得PeNHX2,其cDNA全长1638bp。测序和序列分析结果表明该基因与已发表毛白杨(Populus tomentosa)PtNHX基因在核酸水平及蛋白质水平上同源性均达到最高,依次为90.6%和88.25%。利用DNAMAN软件进一步分析得知,该基因与新疆盐生植物中所克隆获得的的犁苞滨藜(Atriplex dimorphostegia)AdNHX1、灰绿藜(Chenopodium glaucum)CgNHX1、盐爪爪(Kalidium foliatum)KfNHX同源性也较高,核酸水平上依次为75.1%、74.8%、74.3%,蛋白质水平依次为78.3%、79.0%、78.3%。PeNHX2与NCBI已注册的部分PeNHX1序列,在核酸或蛋白质水平同源性(72.34%和73.72%)均较低,分析它们可能同属于胡杨NHX基因家族,相关生物学功能有待于进一步研究。

刺槐Na^+/H^+逆向转运蛋白RpNHX1基因的分离和生物信息学分析(英文)

盐分胁迫严重影响植物生长和产量。为了研究木本植物对盐分的适应性,利用5'RACE技术,从刺槐中克隆得到液泡Na^+/H^+逆向转运蛋白基因RpNHX1。该基因长度为2281 bp,含有一个开放阅读框,编码535氨基酸残基组成的蛋白,该蛋白序列与大豆GmNHX1和拟南芥AtNHX1相似,氨基酸的同源性分别达85%和69%,RpNHX1属于NHX亚族的NHX-I分枝。用生物信息学的方法预测RpNHX1具有所有Na^+/H^+逆向转运蛋白共同的结构特点,即含有疏水的N末端,10个跨膜螺旋区域和一个具有调节功能的C端亲水区域,其中氨氯吡嗪咪敏感基序和CaM结合域也是保守的。在4和5的螺旋区域之间,存在有一串带负电荷氨基酸,显示出有规律的排列模式,这些模式在生物界中的Na^+/H^+转运蛋白中是保守的。结合亲疏水资料,我们认为Na^+/H^+转运通道结构可能存在于这一区域。另外,也分析了RpNHX1可能的糖基化、酰基化和磷酸化位点。从这些数据中可以看出,RpNHX1可能在细胞中起到Na^+区隔化作用。

大米草Na^+/H^+泵基因3′cDNA末端的克隆和序列分析

根据大米草Na+/H+泵基因已克隆的一段基因组DNA序列的保守区设计引物,利用RACE技术,从大米草中分离并克隆出Na+/H+泵基因的一段cDNA片段,长度为793 bp.该cDNA片段编码区推导出的氨基酸序列在NCB I网站上BLAST,结果显示该氨基酸序列与多种植物的Na+/H+泵的C端氨基酸序列相似.该结果可以推断所克隆的cDNA片段为大米草Na+/H+泵基因的3′端.将该cDNA对应的氨基酸序列与以前克隆的大米草Na+/H+泵基因的一段DNA所对应的氨基酸序列拼接,然后与多种植物的Na+/H+泵进行对位排列.结果显示,该氨基酸序列与芦苇、水稻、小麦、大麦、玉米、拟南芥和滨藜等植物的Na+/H+泵基因对应的氨基酸序列有较高的相似性,其中与禾本科植物的相似性程度更高.