西瓜ClKNOX基因家族全基因组鉴定及组织表达分析

KNOX基因家族是编码同源异型盒蛋白的转录因子,在植物生长发育和胁迫响应中发挥着重要的调控作用。为进一步挖掘西瓜KNOX转录因子家族成员信息,探究分析其表达模式及基因功能,通过生物信息学方法对西瓜KNOX基因家族成员进行了鉴定,并对其理化性质、基因结构、系统进化及表达模式进行了分析。结果表明,西瓜基因组中共有12个KNOX基因,均定位于细胞核中,符合转录因子属性特征;KNOX1、KNOX2、ELK和Homeobox_KN这4类典型结构域均存在于大多数西瓜KNOX基因中,表明这4类结构域在KNOX基因功能中具有重要作用;系统发育分析将ClKNOX基因家族成员分为ClassⅠA、ClassⅠB、ClassⅡA和ClassⅡB 4个亚组,启动子元件分析表明,ClKNOX基因家族含有较多与生长发育和胁迫响应相关的顺式作用调控元件;组织表达分析结果表明,ClKNOX基因具有明显的组织特异表达特性,ClKNOX6和ClKNOX11在根和茎中高表达,而ClKNOX3和ClKNOX10在所有器官中表达量都相对较高,但所有ClKNOX基因在果肉中的相对表达量都较低。研究结果为进一步深入探究ClKNOX基因在生长发育中的功能和组织表达特性奠定了基础。

花生KNOX基因家族的全基因组鉴定及组织表达分析

为研究花生KNOX基因家族在生长发育以及非生物胁迫响应中的功能,本研究采用生物信息学手段在栽培种花生基因组水平上对KNOX基因家族成员进行鉴定,并对其理化性质、基因结构、蛋白质保守结构域、系统进化、启动子顺式作用元件以及组织与逆境下的表达模式进行分析。结果显示:花生基因组中共有26个KNOX基因家族成员,分布在17条染色体上,绝大多数编码酸性蛋白,均为亲水性蛋白,并全部定位于细胞核。系统发育分析可将花生KNOX家族分为ClassⅠ和ClassⅡ两个亚家族,并进一步分为4个亚组。启动子分析发现一些与生长发育、激素和胁迫响应相关的顺式作用调控元件。全生育期组织表达分析结果显示,ClassⅠ类基因表达组织特异性明显,主要在花、营养茎尖、生殖茎尖、果针等组织中高表达;ClassⅡ类基因时空表达更广泛。在7种非生物胁迫处理下,部分基因表达量变化较大,其中5个基因响应特定胁迫,RT-qPCR验证了2个特异性响应PEG胁迫的基因。本研究为进一步探究花生KNOX基因在生长发育、逆境响应中的功能奠定了基础。

番茄KNOX基因家族鉴定及茄科作物KNOX基因进化关系分析

为了探明番茄KNOX基因家族特征及茄科作物中KNOX的进化关系,利用生物信息学方法,在全基因组水平上对番茄及其它茄科作物KNOX基因家族成员进行鉴定和分析。结果表明,番茄基因组中共含有8个KNOX基因(Sl KNOX1~Sl KNOX8),分别分布在番茄8条染色体上;多序列比对发现,除Sl KNOX5外,所有基因均含有同源异型盒蛋白特有的4种结构域,即KNOX1、KNOX2、ELK和Homeobox KN。利用系统发育树将茄科作物KNOX基因分为2类:ClassⅠ和ClassⅡ。茄科作物KNOX基因与拟南芥同源基因可能经历了不同的进化历程,在茄科作物中,特有的进化分支(Class I C)已经出现。qRTPCR分析发现,番茄Sl KNOX1在花蕾和花中具有较高表达,在果实生长发育过程中表达量逐渐降低,Sl KNOX2~Sl KNOX4在果实生长发育过程中几乎不表达,Sl KNOX6和Sl KNOX7在所测组织中均有表达,Sl KNOX8在果实成熟过程中表达量逐渐增加,且在根中表达量最大。本研究在全基因组水平上揭示了番茄中KNOX基因家族特征以及茄科作物中KNOX基因的系统发育关系,为进一步揭示KNOX基因家族在番茄组织器官中的功能及进化模式奠定了基础。

高粱KNOX基因家族鉴定及SbKNOX22基因表达分析

KNOX基因家族是植物生长发育过程中所特有的一类转录因子,其在植物的形态建成方面发挥着重要的作用。为研究高粱KNOX基因家族特征及SbKNOX22的表达特性,本研究利用生物信息学和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)的分析方法,对高粱KNOX基因家族进行了鉴定和表达分析。结果表明,在高粱中共鉴定到23个KNOX基因(SbKNOX1~SbKNOX23),亚细胞定位显示均定位于细胞核中,氨基酸序列长度介于184~802 aa之间,分子量大小介于20.23~86.14 kDa之间,理论等电点介于7.28~4.76之间,高粱KNOX基因家族蛋白均属亲水性蛋白,分布在8条染色体上。系统进化结果显示,高粱KNOX基因家族分为ClassⅠ和ClassⅡ两类;基因结构分析表明,ClassⅡ类中各亚类家族成员之间的外显子和内含子数量存在较大差异;Motif分析显示,Homeobox KN结构域最为保守。qRT-PCR分析表明,SbKNOX22在高粱叶片中表达,水杨酸处理6 h时表达量最高,PEG 6000和甘露醇模拟干旱胁迫处理0.5 h后表达量开始降低,NaCl胁迫处理9 h时表达量最高。本研究结果为进一步探索KNOX家族在调节高粱生长发育、信号转导和植物激素调控等过程中的作用提供了基础。

亚洲棉全基因组KNOX基因家族鉴定及组织表达分析

为探究亚洲棉KNOX基因家族特征及进化关系,本研究在石系亚1号中鉴定到23个KNOX基因(GaKNOX1-GaKNOX23)。23个基因定位于11条染色体上。除GaKNOX6、GaKNOX13、GaKNOX15、GaKNOX20和GaKNOX23外,其他GaKNOX蛋白均含有KNOX1、KNOX2、ELK和HOX 4个典型结构域。GaKNOX基因进化聚类形成两大分支:ClassⅠ和ClassⅡ。转录组数据分析显示,GaKNOX12在开花后20 d的纤维和胚珠中的表达量最高,说明它可能参与调控棉纤维次生壁形成过程。本研究在亚洲棉全基因组水平上鉴定KNOX基因家族并进行生物信息学分析,为进一步研究KNOX基因在棉花中的调控作用奠定基础。

雷蒙德氏棉KNOX基因家族全基因组鉴定及表达分析

为探究KNOX基因家族在棉花生长发育中的调控作用,本研究以雷蒙德氏棉为材料,利用生物信息学的方法全基因组鉴定KNOX家族成员,并对其保守结构域、进化模式、染色体定位、基因结构和基因表达情况进行分析。共鉴定到22个KNOX基因,分布于10条染色体上,其中13个基因发生了片段复制。除GrKNOX9和GrKNOX15外,其余GrKNOX蛋白均含有KNOX1,KNOX2,ELK和HOX四个典型结构域。Gr KNOX基因家族进化聚类成两组:ClassⅠ和ClassⅡ。ClassⅠ组包含13个基因,ClassⅡ组含有9个基因。GrKNOX基因在叶片、花瓣、开花后10、20、30和40 d的种子中的表达分析显示,ClassⅠ组成员表达模式差别较大,ClassⅡ组成员表达模式较相似。GrKNOX12、GrKNOX1、GrKNOX17、GrKNOX2、GrKNOX11、GrKNOX3和GrKNOX22在测定的组织中表达量均较高;GrKNOX6、GrKNOX16和GrKNOX19在开花后20、30和40 d的种子中表达量较高,推测这3个基因参与调控棉花种子发育过程。本研究为进一步探究KNOX基因家族在棉花中的功能及进化模式提供科学依据。

甘蔗KNOX基因(Sckn1)的电子克隆及生物信息学分析

KNOX基因对植物顶端分生组织的形成和维持有至关重要的作用。本文选择功能已知的水稻KNOX基因(OSH1,Oskn1)为参考序列,采用电子克隆技术克隆到甘蔗中与OSH1同源的一个KNOX基因Sckn1,并通过生物信息学分析预测该基因的结构、功能。结果表明:该基因包含一个1 071 bp的开放阅读框,编码356个氨基酸,分子量为39.36 kD,理论等电点为6.47。该基因很可能定位于细胞核,起转录调控作用,序列比对发现该基因编码蛋白与高粱、玉米、小米草等KN1蛋白高度相似。以上分析结果为进一步研究Sckn1基因的功能奠定了坚实的基础。

烟草KNOX基因家族的结构与表达模式分析

KNOX基因家族是具有同源异型盒结构域的转录因子,在植物形态建成、模式形成等过程中起重要调控作用。为明确烟草KNOX基因的结构及生物学功能,分别从普通烟草、林烟草和绒毛状烟草中鉴定出18、8和5个KNOX基因,并对其系统进化、基因结构、蛋白功能域及基因表达模式进行分析。结果表明,烟草KNOX基因可分为NtKNOXⅠ和NtKNOXⅡ两个亚类,两亚类又进一步分为5个进化分支。同一进化分支中烟草KNOX蛋白的功能域以及其编码序列在基因结构上的分布高度保守。基因表达分析表明,普通烟草中NtKNOXⅡ类基因在多个组织中表达,而且整体表达水平高于NtKNOXⅠ类基因。在林烟草和绒毛状烟草的根和叶中表达量最高的KNOX基因不同。

小麦KNOX基因家族鉴定与生物信息学分析

KNOX基因家族是编码同源异型盒蛋白的转录因子,在植物生长发育和形态建成过程中起着重要的调控作用。然而,关于小麦KNOX基因家族的研究很少。本研究利用生物信息学手段从小麦基因组中鉴定到分布于18条染色体上的36个KNOX基因,所有鉴定到的家族成员均含有KNOX1或KNOX2结构域。本研究对KNOX基因家族的系统进化、基因结构、蛋白结构域、顺式作用元件和基因表达模式进行了分析。根据其系统发育关系,将小麦KNOX基因分为ClassⅠ和ClassⅡ两大亚类,两亚类又进一步分为5个进化分支。大多数小麦KNOX基因含有典型KNOX1、KNOX2、ELK、HOX四个蛋白保守结构域。小麦KNOX基因的启动子分析发现了一些与激素、生长发育和胁迫响应相关的顺式作用调控元件。不同组织器官转录组数据分析显示,ClassⅠ类KNOX基因具有明显的组织特异性,ClassⅡ类KNOX基因的表达部位更广泛。本研究为进一步分析小麦KNOX基因家族的功能和调控机制提供了重要信息。

毛竹KNOX基因家族全基因组鉴定和组织表达特异性分析

为了探究KNOX基因在竹子快速生长中的作用,本研究以毛竹(Phyllostachys edulis)为对象,通过同源比对从毛竹基因组中获得12条KNOX同源基因序列。序列分析表明,PeKNOXs的基因结构差异较大,内含子数目1～6个不等,且长度差异较大(30～3 801 bp),但都符合GT-AG剪切原则。PeKNOXs编码蛋白的长度为145～355 aa,分子量为92～130 k D。系统进化分析表明,毛竹PeKNOXs被聚类到2个较大的分支,分别属于Ⅰ、Ⅱ类KNOX亚家族,Ⅰ类中包含PeKNOX1-1～PeKNOX1-5,其中PeKNOX1-1与OSH71、PeKNOX1-2与OSH10、PeKNOX1-3与OSH15均聚类到一起,而PeKNOX1-4和PeKNOX1-5与OSH43聚类到较近的分支;Ⅱ类中包含PeKNOX2-1～PeKNOX2-7,其中PeKNOX2-1和PeKNOX2-2聚类到一个分支,与其它PeKNOXs距离较远,而且PeKNOXs与已知拟南芥的KNATs距离均较远。利用毛竹转录组数据构建热图进行分析,表明除了PeKNOX2-1外,其余PeKNOXs均检测到表达,但2个亚家族不同成员的表达均存在着一定的差异,如PeKNOX1-3的相对表达量最高,PeKNOX1-5的最低。实时定量PCR验证表明,PeKNOX1-3和PeKNOX1-5在不同组织中均有表达,其中在节中表达量最高,其次是茎,而在叶片和叶鞘中的表达量均较低,这与转录组数据相类似。由此表明,PeKNOXs可能在竹子生长发育中起重要调控作用,为进一步利用PeKNOXs开展竹子基因工程研究提供了参考。

过表达烟草NtabKNOX8导致烟叶发育异常

为探究KNOX(KNOTTED1-like homeobox)家族基因在烟草叶片发育中的功能,从普通烟草(Nicotiana tobacum)红花大金元中克隆获得KNOX家族基因NtabKNOX8,对其进行了生物信息学分析,并通过转基因技术获得了NtabKNOX8过表达材料,对转生长素报告基因DR5::GUS材料与NtabKNOX8过表达材料的杂交F1代叶片进行了GUS染色。结果表明,NtabKNOX8属于KNOX基因家族亚家族Ⅰ;过表达NtabKNOX8导致叶片变宽圆,对称性丧失,叶面皱缩并向叶背面弯曲,主脉明显缩短且脉序发生明显改变,类似掌状网脉,叶形指数变小,叶面积减小,比叶鲜重增大;NtabKNOX8过量表达的烟叶中生长素含量明显增加,且分布更加广泛。推测NtabKNOX8可能通过影响生长素的含量及分布,影响叶片生长发育过程,从而导致了烟叶形态的多重变化。

KNOX1基因在植物复叶发育过程中的调控作用

在高等植物中,KNOX1(Class I KNOTTED-like homeobox)基因维持植物顶端分生组织的功能,并在植物叶片发育过程中起到关键作用。近年来研究发现,KNOX1基因在单叶植物和复叶植物的发育过程中表达模式有所差别,叶原基形成后KNOX1基因是否重新上调表达,成为区别单叶植物和复叶植物发育模式的关键。KNOX1基因在豆科IRLC(inverted repeat-lacking clade)分支物种中存在特殊表达模式,LEAFY的同源基因取代了KNOX1基因的功能来控制复叶发生。本文主要介绍近年来KNOX1基因在植物复叶发育过程中的作用,以及在豆科IRLC分支物种中复叶发育的特殊模式。

植物和动物的殊途同归(2)

动物从单鞭毛的领鞭毛虫演化而来,最初的动物都是二倍体的;而植物却是从双鞭毛的绿藻演化而来,最初的植物都是单倍体的。二倍体的生物由于细胞内含有双份遗传物质,生活力强于单倍体的生物,所以后来的动物都继承了最初动物二倍体的优点,一直保持二倍体的身体状态。植物从单倍体开始,一开始就处于不利地位,因此在亿万年的时间中通过几个步骤逐渐变为二倍体:从绿藻的单倍体生命,到苔藓植物以单倍体的配子体为主,二倍体的孢子体寄生在配子体上,到蕨类植物以二倍体孢子体为主,单倍体的配子体相对弱小的生命,再到种子植物(包括裸子植物和被子植物)中占绝对优势的孢子体"收容"高度退化的配子体的生命,植物完成了遗传物质份数上的"华丽转身",在繁殖方式上几乎与动物相同,即都是二倍体的生物体产生二倍体的下一代,原来单倍体的形式几乎退化干净。植物二倍体的出现需要新的身体发展蓝图,以及"规定"二倍体细胞必须采用新的发展蓝图的控制机制,而这是由KNOX蛋白实现的。

植物和动物的殊途同归(1)

动物从单鞭毛的领鞭毛虫演化而来,最初的动物都是二倍体的;而植物却是从双鞭毛的绿藻演化而来,最初的植物都是单倍体的。二倍体的生物由于细胞内含有双份遗传物质,生活力强于单倍体的生物,所以后来的动物都继承了最初动物二倍体的优点,一直保持二倍体的身体状态。植物从单倍体开始,一开始就处于不利地位,因此在亿万年的时间中通过几个步骤逐渐变为二倍体:从绿藻的单倍体生命,到苔藓植物以单倍体的配子体为主,二倍体的孢子体寄生在配子体上,到蕨类植物以二倍体孢子体为主,单倍体的配子体相对弱小的生命,再到种子植物(包括裸子植物和被子植物)中占绝对优势的孢子体"收容"高度退化的配子体的生命,植物完成了遗传物质份数上的"华丽转身",在繁殖方式上几乎与动物相同,即都是二倍体的生物体产生二倍体的下一代,原来单倍体的形式几乎退化干净。植物二倍体的出现需要新的身体发展蓝图,以及"规定"二倍体细胞必须采用新的发展蓝图的控制机制,而这是由KNOX蛋白实现的。

植物和动物的殊途同归(3)

动物从单鞭毛的领鞭毛虫演化而来,最初的动物都是二倍体的;而植物却是从双鞭毛的绿藻演化而来,最初的植物都是单倍体的。二倍体的生物由于细胞内含有双份遗传物质,生活力强于单倍体的生物,所以后来的动物都继承了最初动物二倍体的优点,一直保持二倍体的身体状态。植物从单倍体开始,一开始就处于不利地位,因此在亿万年的时间中通过几个步骤逐渐变为二倍体:从绿藻的单倍体生命,到苔藓植物以单倍体的配子体为主,二倍体的孢子体寄生在配子体上,到蕨类植物以二倍体孢子体为主,单倍体的配子体相对弱小的生命,再到种子植物(包括裸子植物和被子植物)中占绝对优势的孢子体"收容"高度退化的配子体的生命,植物完成了遗传物质份数上的"华丽转身",在繁殖方式上几乎与动物相同,即都是二倍体的生物体产生二倍体的下一代,原来单倍体的形式几乎退化干净。植物二倍体的出现需要新的身体发展蓝图,以及"规定"二倍体细胞必须采用新的发展蓝图的控制机制,而这是由KNOX蛋白实现的。