异源四倍体油菜HAKs家族核心基因的鉴定及其功能初步解析

[目的]HAKs家族基因编码高亲和力K^(+)转运蛋白,在K^(+)吸收和运输过程中发挥关键作用。鉴定甘蓝型油菜HAKs家族核心基因,研究不同养分胁迫下核心基因表达的响应,不仅可加深对HAKs功能的理解,也可为HAKs介导油菜营养胁迫抗性的遗传改良提供基因资源参考。[方法]对甘蓝型油菜HAKs基因家族进行全基因组鉴定和分析,其中包括系统发育关系、基因结构、保守基序、染色体定位、顺式作用元件。利用不同养分胁迫下的转录组数据对HAKs家族基因进行差异基因表达分析,并用Cytoscape构建共表达网络图。以低钾抗性品系“H280”和低钾敏感品系“L49”为材料,在低钾胁迫下进行水培试验,使用ICP-MS分析了“H280”和“L49”根部K+含量,RT-qPCR以及亚细胞定位分析了低钾胁迫下BnaA7.HAK5的响应和功能。[结果]在甘蓝型油菜中共鉴定到40个HAKs家族成员。对其进行进化关系分析,发现它们的Ka/Ks值均小于1.0。顺式作用元件分析表明,MYB和激素响应顺式作用调控元件ABRE在HAKs家族基因的启动子区域高度富集。共线性分析表明在进化过程中,甘蓝型油菜中绝大多数的HAKs基因保存完整。差异表达基因分析发现,大部分HAKs家族基因的表达水平受低钾胁迫的显著诱导。共表达网络分析表明,BnaA7.HAK5响应油菜低钾胁迫。RT-qPCR结果显示,BnaA7.HAK5在抗低钾品系“H280”根中的表达量显著高于低钾敏感品系“L49”。亚细胞定位结果显示,BnaA7.HAK5定位在细胞质膜上。[结论]甘蓝型油菜共有40个BnaHAKs基因,BnaHAKs基因响应低钾或盐等养分胁迫。定位在细胞质膜上的BnaA7.HAK5在低钾条件下的表达量显著上调,且在“H280”和“L49”油菜品系根部的表达量差异显著,表明BnaA7.HAK5在油菜高亲和性钾离子的吸收和转运中发挥重要功能。

谷子HAK/KUP/KT钾转运蛋白家族全基因组鉴定及其对低钾和高盐胁迫的响应

KT/HAK/KUP(HAK)家族是植物中最丰富的钾转运体家族,对植物的生长和环境适应具有重要作用。谷子是抗逆耐瘠研究的模式植物,然而,谷子中HAK家族缺乏系统研究。本研究基于基因组序列信息,鉴定出29个谷子HAK基因(SiHAKs),并对该家族成员的基本特征、蛋白结构、染色体定位、基因复制、表达模式和逆境响应等方面进行了系统分析。结果显示,(1)SiHAKs分为5个进化簇(Cluster I~Cluster V),成员数量分别为11、9、3、3和3。基因结构和蛋白保守基序分析表明,谷子HAK家族具有较高的保守性,不同Cluster的保守性依次为:ClusterIII=Cluster V>Cluster II>Cluster I>Cluster IV。(2)串联复制是SiHAKs扩增的主要原因,15个SiHAKs位于串联重复中。(3)171个转录因子可能结合到不同SiHAKs的启动子上,这些转录因子包含ERF、NAC、MYB和WRKY等家族中的大量成员,可能授予了SiHAKs对非生物胁迫多样的响应机制。(4)基因表达聚类将SiHAKs分成3组:GroupI、Group II和Group III,多数SiHAKs在张谷和豫谷1号2个品种中的表达模式具有一致性;不同Cluster表达水平总体表现为:Cluster III>Cluster V>Cluster II>Cluster I>Cluster IV。(5)根系中表达水平较高的11个SiHAKs用来检测对低钾和高盐胁迫的响应。在低钾胁迫后,8个SiHAKs的表达水平显著升高,1个SiHAK显著降低,2个SiHAKs变化不明显;而高盐胁迫后,3个SiHAKs的表达水平显著升高,2个SiHAKs显著降低,其余6个SiHAKs变化不明显。SiHAK15受到低钾和高盐胁迫的响应最为强烈,其表达量分别为对照的151倍和22倍。(6)基因表达谱的差异反映出不同Cluster间SiHAKs的功能差异。ClusterI主要在根系中表达,可能参与谷子根系K+的吸收;ClusterII不具有组织表达特异性,推测其参与K+的吸收、转运和生长发育等多个生物过程;Cluster III受到低钾和高盐2种胁迫的诱导,显示出维持谷子K+/Na+平衡和抵御盐胁迫的潜在作用;ClusterIV在被检测的多个组织中几乎不表达;ClusterV不同成员对低钾和高盐胁迫的响应存在差异,可能发生了功能分化。研究结果不仅为深入解析谷子HAK家族的功能奠定了基础,而且为植物中钾高效利用和耐盐机制的研究提供了重要线索。

三裂叶薯KUP/HAK/KT基因家族的全基因组鉴定和表达模式分析

KUP/HAK/KT是植物中最大的钾转运体家族,在K^(+)的吸收和运输及生物和非生物胁迫反应中起着关键作用。为了研究三裂叶薯ItbHAK基因家族的功能特征,利用生物信息学方法对三裂叶薯ItbHAK基因家族成员进行全面的生物信息学分析,包括系统进化、基因结构、染色定位、启动子分析、组织特异性和逆境胁迫下的表达模式分析。结果显示,在三裂叶薯中共鉴定出20个ItbHAK基因,系统进化关系将其分为4个进化簇。染色体定位结果显示,20个ItbHAK基因不均匀地分布在12条染色体上。三裂叶薯基因家族的蛋白质氨基酸数量在348~1 862之间,该家族的蛋白质均被定位到质膜上。基因结构分析结果显示,部分ItbHAK基因存在外显子丢失的情况。启动子分析发现,20个ItbHAK基因均含有参与生长发育、激素和生物/非生物胁迫的响应原件。三裂叶薯ItbHAK复制分析共发现5对大片段复制事件(ItbHAK1/ItbHAK9、ItbHAK3/ItbHAK8、ItbHAK3/ItbHAK19、ItbHAK4/ItbHAK6和ItbHAK8/ItbHAK19)和1对串联复制事件(ItbHAK16/ItbHAK17)。表达模式分析发现,ItbHAK基因在不同组织和逆境胁迫下的表达模式存在差异。研究结果为阐明三裂叶薯ItbHAK基因家族的进化关系及进一步研究三裂叶薯ItbHAK基因的功能特性提供了有价值的信息。

葡萄HAK基因家族的鉴定与表达分析

从葡萄基因组数据库中检索到18个HAK基因家族成员,对其在生物信息学及非生物胁迫下的表达水平进行分析。结果表明:葡萄HAKs编码CDS序列长度为2000~2500bp,外显子数从7个到12个不等。二级结构主要以α-螺旋和不规则卷曲为主,至少含9个跨膜区域,亚细胞定位表明该家族主要在细胞质膜上。葡萄HAK基因分为7个亚族且整个家族与拟南芥HAK家族成员的同源性很高。基因芯片表达谱分析表明,葡萄HAK基因家族能够响应高温、低温、盐、干旱和水分等非生物胁迫,不同成员的表达水平存在一定的差异。荧光定量分析表明,VvHAK01、VvHAK04、VvHAK06和VvHAK13质量分数为10%PEG处理6h后表达量显著上升;VvHAK02、VvHAK07、VvHAK09、VvHAK10、VvHAK12、VvHAK13、VvHAK15、VvHAK16、VvHAK17、VvHAK18在50μmol·L^-1ABA处理6h后表达量显著上升;VvHAK07、VvHAK09、VvHAK11在400mmol·L^-1NaCl处理6h后表达量显著上升;VvHAK05在50μmol·L^-1ABA、400mmol·L^-1NaCl和质量分数为10%的PEG处理6h后,叶片表达量显著下调。大多数HAK基因家族成员对ABA、NaCl和PEG无法有响应,试验为进一步解析HAK基因功能和利用HAK基因进行植物的遗传改良奠定基础。

栽培型与野生型辣椒HAK/KUP/KT基因家族的进化分析

HAK/KUP/KT家族是一类重要的钾转运蛋白家族。利用生物信息学手段对栽培型及墨西哥野生型辣椒全基因组范围内的HAK/KUP/KT基因成员进行鉴定及分析,比较两者在数目、复制类型及组织表达模式等方面的差异。发现2种辣椒中HAK/KUP/KT家族成员分别为24和22个,且在染色体上呈不均衡分布。基因复制类型分析发现,HAK/KUP/KT家族成员中存在片段重复和串联重复,且纯化选择是该家族进化的主要动力。组织表达分析显示,辣椒HAK/KUP/KT基因间的表达模式存在差异,暗示辣椒HAK/KUP/KT家族成员在功能上的多样性,并为后续发掘有益的钾转运基因提供了重要的理论依据。

钾离子转运载体HAK/KUP/KT家族参与植物耐盐性的研究进展

钾可以通过多种方式参与植物的生长和发育,在植物缓解盐等非生物胁迫方面发挥重要作用。在植物中,HAK/KUP/KT是成员数目最多的一类高亲和钾转运蛋白家族,本文对该家族成员的分类、盐胁迫下钾的吸收、转运、生理功能和分子调控机制等方面的研究进行了综述,并对该转运体家族今后的研究方向进行了展望。

甘薯KUP/HAK/KT基因家族的全基因组鉴定和表达模式分析

【目的】鉴定与分析甘薯KUP/HAK/KT基因家族,为进一步深入对IbHAK基因功能研究提供理论基础。【方法】基于生物信息学手段,利用泰中6号基因组数据,在全基因组水平对甘薯KUP/HAK/KT基因家族进行鉴定,同时进一步对家族成员的基本特征、系统进化、基因复制和表达模式进行分析。【结果】在甘薯中共鉴定到22个IbHAK基因,蛋白质长度为227~1252 aa,分子量为18 297.95~140 640.46 u,等电点为5.54~9.31,全部定位于质膜上,蛋白完整的二级结构有4~13个跨膜区。依据系统进化关系,将其分为ClusterⅠ、ClusterⅡ、ClusterⅢ和ClusterⅣ4个进化簇。染色体定位结果显示22个基因分布在11条染色体上,其中Chr4染色体上分布最多,有4个IbHAK基因,22个IbHAK基因中共产生8个复制基因。22个IbHAK基因都含有TATA和CAAT调控植物生长发育相关元件以及光响应元件,且所有的IbHAK基因至少含有1种逆境响应元件和1种激素响应元件。IbHAK基因呈现出组织表达特异性,其中IbHAK6、IbHAK8、IbHAK9、IbHAK22在根中表达量最高,逆境胁迫下多个IbHAK基因出现表达量变化。【结论】从甘薯全基因组鉴定22个KUP/HAK/KT基因家族成员,甘薯KUP/HAK/KT基因家族成员在进化上比较保守,IbHAK6、IbHAK8、IbHAK9、IbHAK22在甘薯根形成过程中发挥作用,大部分IbHAK基因能够响应逆境胁迫。

叶面喷施钾肥对霞脆桃果实品质及KUP基因表达的影响

以霞脆桃为材料,研究了叶面喷施钾肥对果实品质的影响及果实发育中K^+动态平衡与KUP家族基因表达水平之间的联系。结果表明:喷施钾肥显著增加了霞脆桃的鲜质量和体积大小,改善了果皮着色指标,提高了果实可溶性固形物和可溶性糖含量,有效提升了桃果实品质,并有效增强了果实发育不同时期果肉的钾素营养状况;桃KT/HAK/KUP家族基因在桃果实发育不同时期的表达水平存在差异,PpeKUP1基因在霞脆桃整个果实发育期的表达水平最高,其次是PpeKUP5和PpeKUP3,而PpeKUP14～PpeKUP16在果实发育不同时期均没有检测到表达量; PpeKUP1、PpeKUP2和PpeKUP7在转录水平上对喷施钾肥处理最为敏感,其表达水平与对照相比,在第2次果实膨大期(75 DAFB)至达到商业成熟度时(95 DAFB)均显著增强。

不同盐胁迫下胀果甘草(Glycyrrhiza inflates Bat.)Na^+吸收的共质体途径初步研究

本实验通过不同离子通道抑制剂对胀果甘草钠离子吸收的影响分析,探讨了其钠离子吸收的共质体途径,为其耐盐分子机制的研究提供基础。结果表明:在低盐浓度(50 mmol/L NaCl)和高盐浓度(150 mmol/L NaCl)下,Ca^(2+)(低亲和阳离子载体和无选择阳离子通道的抑制剂)均无显著的影响胀果甘草对Na^+的吸收;然而当加入钾离子通道抑制剂时,Ba^(2+)显著地降低了低盐胁迫(50 mmol/L NaCl)下胀果甘草对钠离子的吸收;TEA^+、Cs^+显著的降低了在高盐胁迫(150mmol/L NaCl)下胀果甘草对钠离子的吸收。由此得出,无选择阳离子通道NSCCs和低亲和阳离子载体LCT1不是钠离子流入的主要途径,钠离子通过2条低亲和性的Na^+吸收途径流入:途径1对Ba^(2+)敏感,对TEA^+、Cs^+不敏感,介导低盐浓度(50 mmol/L NaCl)下的Na^+吸收;途径2对TEA^+、Cs^+敏感,对Ba^(2+)不敏感,介导高盐浓度(150 mmol/L NaCl)下的Na^+吸收。

甜菜BvHAK基因家族全基因组鉴定及其在盐处理下的表达分析

高亲和性K^(+)转运蛋白(high-affinity K^(+)transporter,HAK)是植物中最重要的K^(+)转运蛋白家族之一,在植物K~+吸收和转运过程中发挥重要功能。为探究甜菜BvHAK基因家族成员生物学功能及基因表达模式,采用生物信息学手段,预测了蛋白质的理化性质、基因结构、染色体定位、系统进化、保守基序、三维结构、互作网络、启动子顺式作用元件,并通过qRT-PCR分析了盐胁迫下BvHAKs基因在甜菜不同组织中的表达水平。共鉴定出10个甜菜BvHAK基因家族成员,含有8-10个外显子、7-9个内含子;平均氨基酸个数为778.30,平均分子量为88.31kDa,等电点为5.38-9.41,跨膜区为11-14个。BvHAK4、-5、-7和-13定位在质膜,而其余定位在液泡膜。系统进化分析发现,高等植物HAK可分为5个簇,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ簇,其中Ⅱ簇成员可进一步分为Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc等3个亚簇;BvHAK家族成员则分布在前4簇,分别含有1、6、1和2个成员。甜菜BvHAK基因家族主要含有胁迫响应元件、激素响应元件和生长发育响应元件。进一步对BvHAK基因在盐处理下甜菜不同组织中的表达模式分析发现,50和100 mmol/L NaCl不同程度地诱导甜菜地上部和根部BvHAK基因家族成员的表达;高盐(150 mmol/L)则下调了其在地上部的表达水平。这些结果表明,BvHAK基因家族在响应盐胁迫过程中起重要作用。

马铃薯HAK/KUP/KT基因家族鉴定与表达分析

为探究马铃薯HAK/KUP/KT基因家族在介导植物K+跨膜运输过程中的重要性,我们从二倍体马铃薯的基因组中鉴定到16个HAK/KUP/KT家族基因,并对马铃薯中的HAK/KUP/KT基因家族进行了进化、表达、蛋白产物定位及逆境胁迫下的表达变化综合分析,发现马铃薯中的HAK/KUP/KT基因家族除7、10和11号染色体外,在其余染色体上均有分布,氨基酸残基数目在422~849个不等,蛋白分子量分布在45.87~94.55 k D,其蛋白产物均定位于细胞质膜上。在高盐胁迫下,大部分StHAKs基因的表达量均明显上调;在低钾胁迫下,StHAK11和StHAK13的表达量发生了明显变化。本研究结果为深入研究HAK/KUP/KT基因家族的功能和培育高钾的马铃薯材料提供了理论指导和技术支持。