玉米ACO基因家族生物信息学及表达模式分析

【目的】对玉米1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶ACO基因家族进行全基因组鉴定,分析其在玉米不同器官和不同发育时期以及响应外源激素和病菌侵染中的表达模式,为明确玉米ACO基因家族功能打下基础。【方法】利用生物信息学方法,在玉米B73自交系基因组中鉴定ACO,对其基因结构、蛋白质理化性质、家族成员间的亲缘关系以及保守基序进行分析,利用实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative PCR,qRT-PCR)技术分析ZmACO基因家族的表达模式。【结果】除ZmACO11外,ZmACO家族成员均具有Fe2+离子结合位点和底物抗坏血酸结合位点。系统发育分析显示,ZmACO_(2)与ScACO在同一分支,亲缘关系较近,Bootstrap值达98。基因表达分析表明,ZmACO_(2)、5、9、15、20、35在各发育时期均活跃表达,且在叶片中呈优势表达,因此选择上述6个基因进行下一步检测。喷施乙烯利后,上述6个基因的表达均有所波动,其中ZmACO_(2)的表达量受影响较大,变化幅度在8倍左右。在乙烯利处理的0—24 h内这6个基因的表达量存在波动,但在处理后24 h,6个基因的表达量均接近0。水杨酸处理后,ZmACO5的表达量受影响较大,变化倍数在2倍左右。其他基因的表达量在处理后24 h均接近0。ZmACO9、35在3—12 h的表达量存在波动,ZmACO_(2)、15、20表达量呈下调趋势。在响应生物胁迫方面,接种玉米大斑病菌(Setosphaeria turcica)后,ZmACO5、9的表达量变化幅度最大,在接种后第10天,这两个基因的表达量分别升至对照组的50和60倍。接种玉米小斑病菌(Cochlibolus heterostrophus)后,ZmACO5的表达量变化幅度较大,变化倍数在40—90倍。接种立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)后,ZmACO5、35表达量变化幅度最大,在病菌接种的第3天达到200倍。【结论】ZmACO_(2)、5、20、35在玉米生长发育过程中表达变化最活跃;施加外源乙烯利和水杨酸可以对ZmACO的表达水平造成显著影响。病菌侵染玉米后ZmACO的表达水平产生显著变化,与生物胁迫应答关系密切。

棉花抗黄萎病相关基因GhERF020功能的初步分析

黄萎病(Verticillium wilt)是影响我国棉花产量和品质的重要病害,其病原菌是大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)。AP2/ERF类转录因子在植物生长发育和胁迫适应性响应中的作用日益突显。为挖掘棉花抗黄萎病相关基因并探究其生物学功能,利用拟南芥抗大丽轮枝菌相关基因AT1G22810.1,同源比对获得棉花抗黄萎病候选基因GhERF020(XM_016842745.1)。生物信息学分析结果表明,GhERF020开放阅读框的长度为441 bp,编码147个氨基酸;其蛋白含有1个保守的AP2结构域,相对分子质量为16.16 kD,无跨膜结构,属于亲水蛋白;预测其启动子区域含有水杨酸、茉莉酸甲酯和脱落酸等响应元件。基因表达模式分析发现,GhERF020受大丽轮枝菌侵染诱导表达。亚细胞定位分析表明,GhERF020蛋白定位于细胞核中。利用病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silencing,VIGS)技术下调GhERF020表达后,棉花植株对大丽轮枝菌的敏感性显著增强,病情指数和病原菌生物量明显升高。由此表明,GhERF020是棉花抗黄萎病的正向调控因子。

玉米大斑病菌效应因子StSse19基因的克隆、表达模式分析及在原核系统中的表达

玉米大斑病是由玉米大斑病菌引起的玉米叶部真菌性病害。本课题组前期通过对病菌侵染玉米的转录组分析发现,效应因子StSse19为重要的致病因子,但对其结构及功能尚不清晰。本研究以野生型菌株01-23的cDNA为模版,克隆StSse19并对其结构进行生物信息学预测;结合对病菌侵染玉米的RNA-Seq数据分析明确该基因的表达模式,进而利用qRT-PCR技术证实其表达模式;构建StSse19的融合表达载体pET28a-StSse19,在大肠杆菌BL21(DE3)中以IPTG诱导表达该目的基因,通过SDS-PAGE技术检测其表达情况。结果表明,StSse19的CDS序列由330个核苷酸组成,编码109个氨基酸残基,序列比对发现该蛋白无同源蛋白,表明其为大斑病菌的特异效应蛋白;对StSse19的表达模式分析发现,该基因在侵染玉米24 h的表达量显著提高,72 h表达量下降,推测该基因参与病菌的侵染过程;将StSse19在原核系统中进行表达,SDS-PAGE分析结果显示,该蛋白大小为28 kD,用Ni柱层析法结合Western blot检测显示获得了纯化的目的蛋白。该研究明确了StSse19基因的结构特征及表达模式、获得了StSse19在原核体系中的表达蛋白,为深入揭示其功能及作用机制奠定了基础。

抗(感)赤霉病谷子品种内生菌多样性分析

旨为揭示不同品种以及不同器官中内生菌的多样性特征,初步明确内生菌群落结构与宿主品种、器官类型及病害抗感特性的相关性。选取抗赤霉病的冀谷22、红谷、陇谷11号和感赤霉病的小青谷、石榴子、嫩选16号共6个谷子品种,取其根、茎、叶片、叶鞘、成熟谷穗,提取DNA,针对16S rDNA V3—V4区域,进行PCR扩增,基于Miseq高通量测序平台,对样本进行微生物多样性分析。感病品种与抗病品种内生菌物种组成具有明显差异。供试样本在门水平上的优势种群为变形菌门和放线菌门,其次是拟杆菌门和厚壁菌门,粘菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和梭杆菌门相对丰度较低。Alpha多样性分析表明,抗病品种的叶片、成熟谷穗群落丰富度较高,叶片、根、成熟谷穗多样性较高;而感病品种则是根和茎群落丰富度较高,茎和叶鞘多样性相对较高;PCoA分析则表明,器官类型比品种对内生菌群落结构影响更大。物种组成分析表明,谷子内生菌群的多样性受到不同品种及不同器官的影响,不同器官所含内生菌种类相差较大。感病品种小青谷、石榴子和嫩选16与抗病品种冀谷22、红谷和陇谷11的内生菌群多样性差异较大,抗病品种在叶鞘时期都具有NB1-j菌门,成熟谷穗都具有酸杆菌门。明确了不同品种、不同器官对谷子内生菌的多样性及群落结构的影响,器官类型比品种对内生菌群落结构的影响更大。

G-四链体与As-PCR联用可视化检测沙门氏菌

沙门氏菌是食源性病原菌,常在食品媒介中传播,因此快速检测是控制该病原菌的关键。本研究用沙门氏菌基因组DNA作模板,通过对不对称PCR(As-PCR)扩增条件的优化,证明当非限制性引物HF终浓度0.4μmol/L,与限制性引物GR终浓度比10∶1、退火温度58℃,扩增40个循环时可获得最大浓度的单链DNA(ssDNA)产物。带有G-四链体序列的ssDNA与40μmol/L氯化血红素作用60 min时,G-四链体显示出最高的过氧化物酶活性。在此基础上,将As-PCR和G-四链体联用,实现了可视化检测沙门氏菌invH基因,在2 pg/μL~258 ng/μL的质量浓度区间,质量浓度对数与吸光值A421nm呈线性关系(y=0.0691x+0.3085,R2=0.9729)。对污染的牛奶样品检测,检出灵敏度高,为35 CFU/mL,且操作便捷,为病原微生物检测提供了新技术支撑。

玉米大斑病菌丝氨酸蛋白酶基因StSp8的克隆、原核表达及其表达模式分析

为了探究玉米大斑病菌丝氨酸蛋白酶基因StSp8的结构特征及其功能,本研究以玉米大斑病菌野生型菌株01-23的cDNA为模版,克隆该基因CDS序列并进行生物信息学分析;构建原核表达载体pET30a-StSp8,在大肠杆菌BL21(DE3)中以IPTG诱导表达目的基因,通过SDS-PAGE技术检测目的蛋白的表达情况;利用qRT-PCR技术检测StSp8基因在不同发育时期和侵染时期的表达量变化。结果表明,丝氨酸蛋白酶StSp8的CDS序列由1602个核苷酸组成,编码533个氨基酸;其编码蛋白包含信号肽结构域、Inhibitor-I9结构域和Peptidase-S8结构域;SDS-PAGE结果显示该蛋白大小为57.18 kD;表达模式分析发现,该基因在病菌发育的菌丝、分生孢子、芽管、附着胞和侵入钉5个典型的发育时期均有表达,其中芽管时期表达量显著升高;StSp8基因在侵染玉米24 h的表达量最高,72 h表达量下降。该研究不仅明确了StSp8基因的结构特征及在病菌生长发育及侵染寄主过程中的表达模式,也为深入揭示其功能奠定了基础。

玉米OPR基因家族的泛基因组鉴定与表达模式分析

12-氧-植物二烯酸还原酶(OPR)为黄素单核苷酸(FMN)依赖的氧化还原酶,是合成茉莉酸的关键酶,其对植物生长发育及防御调控具有重要作用。为研究OPR基因在玉米中的抗病作用,利用生物信息学方法,在31个玉米不同自交系中对OPR家族成员进行鉴定,并分析受玉米大斑病菌侵染后的表达规律。结果表明,在玉米B73品系中鉴定出了8个OPR基因,这些基因不均匀地分布于7条染色体上,且其表达蛋白富含酸性氨基酸。进一步分析发现,玉米OPR家族只有1种结构域Oxidored_FMN,并且所有成员均包含已鉴定的10个蛋白质保守基序。利用MEGA软件对玉米、小麦、水稻和拟南芥的OPR家族成员进行系统发育关系分析,发现这些植物OPR基因家族进化关系具有明显差异,其中玉米和水稻的进化关系最为接近。运用OrthoFinder软件对其同源组分析发现,玉米OPR基因家族具有高度保守性,所有OPR基因均为核心基因,但其功能略有差别。进一步利用河北省植物生理与分子病理学重点实验室前期的RNA-seq数据,对玉米B73品系OPR基因响应大斑病菌侵染的表达模式进行分析,并通过qRT-PCR对基因表达模式进行验证,发现这些基因在病菌侵染玉米过程中呈现3种不同的表达模式。本研究系统的鉴定了玉米泛基因组OPR家族基因,以及确定了其在应对玉米大斑病菌侵染后的表达模式。

玉米大斑病菌转录因子基因StbZIP9的克隆、表达分析及其下游靶基因的筛选

碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子蛋白是一类在动植物及微生物中结构和功能均具有保守性的转录调控因子,为明确bZIP类转录因子在植物病原真菌中的功能及作用机制,进一步确定其与病菌生长发育及致病性的关系,以玉米大斑病菌01-23为材料克隆得到了StbZIP9基因(GenBank No.XM_008032179.1),StbZIP9是bZIP转录因子家族成员之一,对该基因结构及蛋白质特征分析结果显示,该基因全长788 bp,开放阅读框为726 bp,编码241个氨基酸,其编码蛋白包含一个在真菌中高度保守的同源结构域BRLZ;对该基因在病菌生长发育及侵染宿主过程的RNA-seq数据进行分析,发现与菌丝时期相比StbZIP9在附着胞和芽管时期表达量升高2~4倍,在侵染玉米叶片24,72 h后基因表达从无到有且持续升高,表明StbZIP9与附着胞发育和芽管形成相关联并在病菌侵染宿主细胞过程中发挥重要作用;进一步利用生物信息学技术预测其结合保守基序及调控的靶基因,结合基序为NNTWACGTNN,包含bZIP类转录因子识别核心序列ACGT,并根据该序列预测StbZIP9下游靶基因,结合RNA-seq数据进行表达模式分析得到4个下游靶基因(JGI数据库中蛋白ID分别为:132893、163024、162798、40466),功能注释表明,其参与细胞壁组分聚合和运输、侵染宿主、孢子休眠等多种生物过程。为进一步阐明其在参与调控病菌侵染寄主的分子机制提供依据。

玉米LysM基因家族的全基因组鉴定及表达模式分析

为揭示LysM基因家族在玉米生长发育及抗病中的作用,利用生物信息学方法对玉米LysM基因家族成员进行鉴定,并对其蛋白理化性质、亚细胞定位、系统发育关系、基因启动子区的顺式作用元件、组织表达以及大斑病菌侵染过程中的表达模式进行分析。结果表明,在玉米中共存在11个ZmLysM家族成员。通过生物信息学分析发现,ZmLysMs蛋白在质膜、叶绿体、胞外均有分布;ZmLysMs成员与单子叶植物水稻和小麦具有较近的亲缘关系;ZmLysMs成员的启动子序列存在多个激素响应、逆境胁迫响应和光响应元件;10个ZmLysMs成员在不同组织中表达,其中ZmLysM1、ZmLysM4和ZmLysM6呈组成性表达模式,ZmLysM10只在根组织中表达。ZmLysM2、ZmLysM6和ZmLysM7在玉米大斑病菌侵染后差异表达,推测其可能在响应大斑病菌侵染过程中发挥作用。