甘薯近缘野生种三浅裂野牵牛KNOX基因家族鉴定及其在块根发育中的表达分析

为探究甘薯近缘种三浅裂野牵牛KNOX(ItrKNOX)基因家族在块根发育过程中的作用,本研究在基因组水平对ItrKNOX基因家族进行了鉴定,并利用转录组测序技术对ItrKNOX基因在三浅裂野牵牛Y22块根发育不同阶段的表达量变化进行了分析。共鉴定到分布于10条染色体的12个ItrKNOX基因。进化分析显示,这些ItrKNOX基因可分为ClassⅠ、ClassⅡ和Class M三类,KNOX家族基因的类型和数目在三浅裂野牵牛、三裂叶薯、牵牛和圆叶牵牛这4个甘薯属二倍体物种基因组中都较为稳定,其中三浅裂野牵牛和三裂叶薯的亲缘关系较近。对ItrKNOX基因启动子区进行分析,发现多个与生长发育、植物激素、光和逆境胁迫相关的顺式作用元件。转录组分析显示,在Y22块根发育过程中,不同ItrKNOX基因表达模式不同。其中,Class M基因ItrKNOX12几乎不表达,而ItrKNOX02、ItrKNOX03、ItrKNOX09和ItrKNOX10在整个根部发育过程中持续高表达。从不定根时期到块根发育期,ItrKNOX01~ItrKNOX03、ItrKNOX05、ItrKNOX09和ItrKNOX11的表达量明显上调,ItrKNOX08的表达量明显下调。值得注意的是,ItrKNOX06在块根膨大到直径大于2 mm后表达量才明显上调,ItrKNOX07在不定根和成熟块根中表达水平明显低于发育中的块根。本研究为探索甘薯及其近缘野生种三浅裂野牵牛KNOX家族基因的功能和调控机制提供了参考。

金鱼草KNOX基因家族鉴定及调控其雄蕊瓣化的候选基因挖掘

【目的】KNOX(KNOTTED1-like homeobox)转录因子家族在植物生长发育及花器官发育中发挥重要作用。文章旨在鉴定并分析金鱼草(Antirrhinum majus)KNOX转录因子,挖掘出调控金鱼草雄蕊瓣化的关键候选基因。【方法】采用生物信息学方法,在金鱼草全基因组水平鉴定AmKNOX基因,并对其基因结构、蛋白理化性质、亚细胞定位、系统进化关系、染色体定位、启动子顺式作用元件及转录因子结合位点等进行分析,并利用金鱼草雄蕊瓣化和非瓣化材料进行RNA-seq分析和qRT-PCR验证,挖掘出候选基因。【结果】从金鱼草中共鉴定出11个AmKNOX基因,都具有KNOXⅠ、KNOXⅡ、ELK和HOX 4个相对保守的区域,分为ClassⅠ(AmKNOX1、AmKNOX2、AmKNOX3、AmKNOX9和AmKNOX11)和ClassⅡ(AmKNOX5、AmKNOX4、AmKNOX7、AmKNOX10、AmKNOX6和AmKNOX8)2类。AmKNOXs蛋白包含282~406个氨基酸,均定位于细胞核中。启动子顺式作用元件分析结果显示,AmKNOXs家族成员可参与植物生长、激素和非生物胁迫响应,且AmKNOXs存在大量与植物生长发育、器官分化和逆境生理调节相关的转录因子结合位点。RNA-seq和qRT-PCR分析表明AmKNOX家族基因在金鱼草正常雄蕊和瓣化雄蕊中显著差异表达。【结论】本研究共鉴定出11个AmKNOX成员,最终挖掘出5个正向(AmKNOX5、AmKNOX10、AmKNOX6、AmKNOX4和AmKNOX9)以及1个负向(AmKNOX11)调控雄蕊瓣化的AmKNOX候选基因。其中AmKNOX5基因在瓣化雄蕊中的表达量比正常雄蕊中高2703%,推测其功能非常重要,该研究为后期深入解析金鱼草花型发育分子机制和遗传改良奠定了基础。

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。

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。

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。

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。

芸薹属植物KNOX1基因家族的鉴定及生物信息学分析

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,同源异型盒基因(Class 1 KNOTTED-like homeobox,KNOX1)作为其中的一个分类,在调节和保持茎尖分生组织细胞活力方面,特别是在叶的生长和表型的形成中起到了非常关键的作用。为了进一步研究KNOX1基因家族在芸薹属植物不同组织发育中的作用,本研究利用生物信息学分析对芸薹属部分植物全基因组KNOX1基因家族成员进行鉴定,并对其基因结构、基因共线性关系、保守结构域和系统进化关系等情况进行分析。结果表明,在芸薹属植物白菜、甘蓝、甘蓝型油菜、芥菜和黑芥中共获得37个KNOX1基因,均编码不稳定的亲水性蛋白,所有蛋白均包含KNOX1、KNOX2、ELK和Homeobox KN的特征性保守结构域。通过结合进化和结构分析,发现芸薹属植物KNOX1蛋白的种间同源性非常高,但KNOX1位点不完全符合三倍体进化学说。同时从基因表达模式分析发现,不同芸薹属植物的KNOX1基因在根、茎、叶、花和种子中表达量有所不同。本研究将为进一步揭示芸薹属植物中KNOX1基因的具体功能提供相关的理论依据。

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。