普通烟草WOX转录因子家族的全基因组鉴定及分析

  背景  WOX（WUSCHEL-related homeobox）转录因子家族是植物特有的一类转录因子家族,被报道参与生长发育、细胞间通讯、干细胞分裂分化稳态调控和器官发育等过程。  方法  利用比较基因组学和生物信息学的方法,在烟草基因组中对WOX转录因子成员进行鉴定,并进行进化分析、共线性分析、保守基序分析以及表达模式等分析。  结果  （1）从烟草基因组中鉴定出23个WOX转录因子家族成员编码基因,其中15个NtWOX基因定位到染色体上;（2）系统发育分析表明,普通烟草和拟南芥的WOX转录因子被分成了3个亚支和9个亚家族;（3）共线性分析发现若干普通烟草NtWOX基因存在于普通烟草与拟南芥基因组的共线性区段中;（4）复制事件分析表明串联重复或者全基因组重复事件在普通烟草WOX家族扩张中起重要作用;（5）保守基序分析表明同一亚家族内NtWOX成员的保守基序的组织形式高度相似;（6）表达分析表明普通烟草NtWOX基因表达具有组织特异性;（7）GO注释分析发现普通烟草NtWOX转录因子参与组织器官发育、细胞间通讯过程和胁迫响应等生物学过程。  结论  本研究在普通烟草中鉴定并系统分析了WOX转录因子家族成员,为其功能研究奠定基础。      

普通烟草NtWRKY53基因克隆、鉴定及表达分析

WRKY转录因子家族是一类植物特有的转录因子家族,其成员WRKY53在生物及非生物胁迫和叶片衰老过程中发挥着重要的调控作用。为明确WRKY在烟草中的相关功能,克隆了普通烟草NtWRKY53基因。结构域分析表明,NtWRKY53基因编码典型的WRKY转录因子并具有高度保守且典型的WRKY结构域;进化和共线性分析发现,所鉴定的普通烟草NtWRKY53基因与拟南芥AtWRKY53基因为同源基因;亚细胞定位结果表明,NtWRKY53转录因子定位于细胞核中;转录激活试验发现,NtWRKY53转录因子具有转录激活活性;表达模式分析表明,NtWRKY53基因在衰老的叶片中表达量较高且能够被盐、干旱胁迫,以及CMV和黑胫病所诱导。因此,普通烟草NtWRKY53基因编码WRKY型核定位转录因子,在落黄的烟草叶片中表达量较高,受多种生物、非生物逆境诱导,并参与相应的生物和非生物逆境胁迫响应。     

普通烟草KCS基因家族的鉴定及非生物胁迫表达模式分析

【目的】为探究烟草KCS基因在非生物胁迫下所起的作用。【方法】采用生物信息学方法对烟草KCS基因进行系统进化、共线性和表达模式等分析。【结果】从普通烟草中鉴定出41个KCS基因;拟南芥和新鉴定的烟草KCS基因可划分为8个亚组,大部分亚组均含拟南芥和烟草成员;10个NtKCS成员源自全基因组复制事件,NtKCS10和NtKCS11是AtKCS02的同源基因,可能具有相似的生物学功能;普通烟草KCS基因启动子含多个与胁迫相关的顺式作用元件,其成员的表达具有一定的组织特异性;在盐和干旱胁迫下,NtKCS09、NtKCS11和NtKCS16表达量均有提高,可能参与烟草胁迫响应等信号传导过程。【结论】本研究对普通烟草KCS家族成员进行了系统的鉴定与分析,为深入研究烟草KCS家族基因的生物学功能奠定理论基础。     

普通烟草Dof转录因子家族的全基因组鉴定及分析

Dof（DNA binding with one finger）蛋白是植物特有的一类转录因子,在植物的多种生命进程中发挥着重要作用。为解析烟草中Dof家族成员在生长发育过程中的潜在作用,本研究利用比较基因组学、进化分析、共线性分析等方法解析烟草中的Dof家族成员的潜在生物学功能。结果表明,在烟草基因组中共鉴定到69个Dof转录因子,其Dof功能域在进化上十分保守,根据系统进化分析结果将其划分为9个亚家族。共线性分析表明,烟草中的16个Dof基因与拟南芥17个Dof基因有27个共线性基因对,同时,25个NtDof基因被检测到存在17个全基因组复制对,表明复制事件在烟草Dof基因家族的扩张中起关键作用。此外,表达模式分析表明NtDof基因的表达存在明显的组织特异性,其中NtDof05和NtDof28基因可能与根系生长发育有关。本研究对烟草基因组中的Dof转录因子进行了系统的鉴定和分析,为烟草Dof转录因子家族成员的功能研究奠定了基础。     

烟草OSCA基因家族鉴定及非生物胁迫诱导表达模式分析

高渗门控钙渗透通道(OSCA,hyperosmolal-gatedcalcium-permeable channel)是一种Ca²⁺非选择性阳离子通道,OSCA家族含有钙依赖性通道DUF221结构域。为了进一步了解烟草OSCA基因家族特征和功能,本研究从栽培烟草K326基因组中鉴定到23个OSCA家族基因,并对NtOSCA家族系统进化关系、基因结构与蛋白结构域、启动子、不同组织器官及干旱和盐胁迫下表达模式进行分析。根据进化关系,NtOSCA基因家族被分为4个亚家族,并且同一亚家族成员间蛋白及基因结构相似。启动子分析结果表明,NtOSCA家族基因启动子中存在着多种不同的胁迫响应元件,其中干旱响应元件和脱落酸响应元件较多。进一步组织表达分析结果表明,NtOSCA基因家族成员在不同组织的表达量不同。干旱和盐胁迫表达模式分析表明,20个NtOSCA基因在干旱胁迫下表达量上调,15个NtOSCA基因在盐胁迫下表达量上调。这说明OSCA基因家族在烟草抗旱和抗盐胁迫中具有重要作用。     

普通烟草RLP类受体蛋白家族成员的鉴定与进化、表达分析

类受体蛋白(receptor-like proteins,RLPs)作为一类细胞表面受体,广泛存在于高等植物中,参与调控植物生长发育和抗逆等过程。本研究以普通烟草(Nicotiana tabacum)TN90数据库为基础,构建隐马尔科夫模型进行检索,鉴定了普通烟草RLP家族成员;采用邻接法构建系统发育树进行系统进化分析;利用GSDS对RLP家族成员的基因结构进行了分析;利用普通烟草TN90转录组数据,分析RLP基因家族成员的表达情况;最后对普通烟草RLP家族成员进行GO注释分析。结果表明,在普通烟草中共鉴定出70个RLP家族成员,各成员的氨基酸序列长度和等电点差异较大;系统进化与基因结构分析表明,普通烟草RLP家族成员划分为6个亚家族,基因结构较为简单;转录组分析结果显示,RLP基因家族成员在不同组织和发育时期的表达有较大差异,个别成员在叶片衰老时期表达量较高;GO注释结果表明,RLPs在植物的生长发育、逆境响应等过程中发挥作用。本研究结果将为普通烟草RLP基因功能分析和利用奠定基础。     

普通烟草SBP转录因子家族的全基因组鉴定及其进化和表达分析

SBP转录因子家族作为植物特异性的转录因子具有重要的生物学功能,广泛参与花和果实发育等诸多生命过程。利用普通烟草(Nicotiana tabacum)TN90基因组数据,通过隐马尔科夫模型检索,SMART和Pfam分析,鉴定了普通烟草SBP转录因子家族成员;通过多序列比对鉴定并分析了普通烟草SBP结构域的结构特征;通过邻接法、极大似然法进行了系统发育分析;分别利用GSDS和MEME对SBP转录因子家族成员的基因结构和蛋白保守结构域进行了分析;利用普通烟草TN90转录组数据分析了SBP转录因子家族成员在不同组织和时期的表达情况,并对鉴定出的SBP转录因子家族成员进行了GO注释分析。结果表明,普通烟草基因组编码32个SBP转录因子家族成员,氨基酸序列长度差异较大;系统发育分析表明,所有的SBP转录因子家族成员可分为8个亚家族。转录组数据显示,SBP基因家族成员在不同组织和时期中表达迥异,但在花器官中均有较高的表达量。GO注释结果表明,该家族成员作为转录因子,在植物的生长发育、逆境响应等过程中发挥作用。本研究为烟草及其他植物中SBP转录因子家族基因的鉴定和功能研究提供了基础。     

烟草NtbHLH112基因的克隆、鉴定及表达模式分析

bHLH转录因子在植物响应逆境胁迫过程中起着极为重要的调控作用,克隆和验证烟草中bHLH相关基因可为烟草抗性育种提供理论依据。本研究从普通烟草品种K326中克隆出一个NtbHLH112基因,通过生物信息学方法分析了NtbHLH112功能结构域,利用亚细胞定位及转录激活试验进行了功能鉴定,并利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析了其在不同逆境胁迫下的表达模式。结果表明,NtbHLH112具有典型的bHLH结构域且进化较为保守,定位在细胞核,具有转录激活的活性。进化分析表明,NtbHLH112与番茄SlbHLH112和辣椒CabHLH112同源。表达模式分析表明,NtbHLH112基因具有组织表达特异性,在叶部表达量较高,并且受到盐、干旱、冷胁迫及ABA处理诱导。因此,NtbHLH112转录因子可能在烟草非生物胁迫应答过程中发挥重要作用。     

烟草BELL基因家族鉴定及其温室条件下的表达模式分析

BELL基因是植物中普遍存在的一类基因,其编码的同源异型结构域转录因子参与调控了植物叶片、花序等多个组织的发育过程。为明确烟草BELL基因的结构和功能,通过同源序列比对和功能域分析鉴定了普通烟草BELL基因,结合系统进化和基因表达模式分析对烟草BELL基因的功能进行了初步预测。结果表明,从普通烟草基因组中共鉴定出28个NtBELLs基因,分布于15条不同的染色体上。系统进化分析表明,烟草NtBELLs基因可分为4组,每组参与调控烟草不同的发育过程。NtBELLs基因在6个烟草组织中呈现不同的表达模式,且具有明显的组织特异性。干旱和盐胁迫能显著诱导部分NtBELLs基因的表达,表明该基因家族可能参与了植物抵御非生物胁迫的过程。     

烟草Hsp70基因家族的鉴定及NtHsp70Chl基因的表达分析

为探明烟草热激蛋白70（Hsp70）基因家族的特征及烟叶主脉中NtHsp70Chl基因在烘烤条件下的表达模式,对Hsp70基因家族进行了亚细胞定位、系统进化、基因结构、染色体定位,并对NtHsp70Chl基因进行了烘烤条件下实时荧光定量表达PCR分析。结果表明,烟草基因组中Hsp70基因家族共有61个成员,蛋白序列长度不等,等电点在4.52~9.75范围内,各成员蛋白分别定位于细胞质、内质网、细胞外基质、叶绿体和线粒体中;烟草Hsp70基因家族分为6组,定位于叶绿体的成员均存在Ⅵ-a亚组;61个NtHsp70基因分布于18条染色体上,经亚细胞定位于叶绿体的基因分别位于6、17和19号染色体上;烟草Hsp70家族中具有10个基因重复和5个旁系同源基因;经RT-qPCR检测分析,定位于烟草叶绿体中的NtHsp70Chl基因对高温诱导的敏感性较弱。本研究为深入研究烟草Hsp70的功能奠定了基础。     

普通烟草SWEET基因家族的鉴定与表达分析

  目的  为挖掘参与烟草糖代谢的SWEET（sugar will eventually be exported transported）基因家族成员。  方法  以拟南芥SWEET蛋白为参考,利用生物信息学方法,对栽培烟草的SWEET蛋白家族进行鉴定,分析蛋白理化性质、系统进化、染色体定位、基因结构和顺式作用元件,对其在不同组织和不同胁迫处理的表达模式进行检测。  结果  从普通烟草中鉴定到70个可能的SWEET基因,系统发育树将其划分为4个亚家族,大多数烟草SWEET基因在进化过程中经历纯化选择。不同烟草组织的表达模式分析显示,一些烟草SWEET基因具有组织表达特异性。不同胁迫处理的表达模式分析显示,部分烟草SWEET基因在葡萄糖、蔗糖、低温、干旱或者是盐胁迫处理下表达量变化明显。  结论  Ntab0097340和Ntab0727890是烟草植株重要的响应干旱与低温胁迫的基因,本研究为深入研究烟草SWEET基因功能提供有价值的参考信息。      

普通烟草碳酸酐酶家族基因的生物信息学分析

为挖掘普通烟草碳酸酐酶基因的信息并探讨其功能,本研究利用生物信息学方法,在烟草基因组数据库中对普通烟草碳酸酐酶家族成员进行了检索,并对其理化性质、遗传进化、基因结构、蛋白保守基序、顺式作用元件和组织表达模式进行了分析。结果显示,在普通烟草中至少含有9个α和6个β亚家族成员。在进化关系上,不同亚家族成员之间,序列同源性较低;与水稻相比,拟南芥和普通烟草两个亚家族间的亲缘关系较近。亚细胞定位分析结果显示,烟草α亚家族成员在细胞壁、细胞膜、线粒体、叶绿体、细胞质等细胞器中均有分布,而β亚家族成员均存在于叶绿体中。基因结构和保守基序分析说明,各亚家族成员的基因结构和蛋白保守基序呈现较高的一致性。启动子顺式作用元件分析显示,烟草碳酸酐酶基因的启动子中,均含有多个参与光反应、激素响应、非生物胁迫和机械损伤等相关的顺式作用元件。基因组织表达模式分析表明,烟草的碳酸酐酶基因不同成员在不同组织表达水平存在差异,并呈现出时空特异性。本研究结果为烟草碳酸酐酶基因的功能研究奠定了基础。     

普通烟草GATA转录因子家族鉴定及基因表达分析

GATA转录因子在调控植物的生长发育和逆境胁迫应答等过程中具有重要作用。为了明确烟草中GATA基因的结构与功能,基于同源搜索和结构域鉴定的方法从普通烟草基因组中鉴定出57个GATA基因家族成员,分别命名为NtGATA1~NtGATA57。基因结构、保守结构域和系统进化的生物信息学分析表明:烟草GATA基因家族成员可分为4个亚族,且同一亚族成员核心结构域氨基酸序列组成非常保守,各基因成员的外显子数目在1~17之间。转录组数据分析表明:大多数NtGATA基因在烟叶衰老的不同时期均有表达,而且不同家族成员的表达模式存在差异;实时荧光定量PCR分析发现:10个NtGATA基因对冷、盐和干旱等非生物胁迫存在不同程度的响应。说明烟草GATA基因家族成员在烟叶成熟衰老及逆境响应过程中可能发挥了重要作用。      

烟草bZIP基因家族的鉴定及其在不同成熟度烟叶中的表达分析

通过生物信息学方法,从普通烟草中共鉴定了126个bZIP家族基因。基因结构分析表明:不同成员间外显子数目差异较大,最大达到13个,最少仅为1个。进化分析发现:126个NtbZIP基因被聚为11个亚族,同一亚族中的基因成员大多具有相似的外显子组成。bZIP结构域分析表明:家族成员的核心结构域非常保守,各成员都具有碱性区和亮氨酸拉链区。烟草与拟南芥bZIP基因系统进化分析显示:11个亚族中均存在烟草和拟南芥的bZIP成员,其中S分支所含的家族成员最多,共有43个成员。NtbZIP基因表达分析发现:大部分NtbZIP基因在不同成熟度烟叶中都有表达,但是不同成员的表达模式存在差异,其中NtbZIP84,NtbZIP115,NtbZIP119和NtbZIP120等基因表达量随成熟度提高而逐渐降低。