川芎咖啡酸-O-甲基转移酶基因密码子偏好性与进化分析

咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)是苯丙烷类代谢途径中的一个关键酶,研究其密码子偏好性对开展该基因的异源表达与分子调控研究有重要指导意义.利用Codon W、EMBOSS、SPSS与Origin等在线服务器及软件,首先分析川芎等不同植物来源COMT基因的密码子偏好性,随后以川芎COMT为重点,比较其与大肠杆菌、酵母、拟南芥与烟草等模式生物的密码子使用频率.结果表明,单子叶植物COMT基因的密码子偏好性较强,而低等植物与双子叶植物COMT基因的密码子偏好性较弱.分析COMT基因密码子偏好性与核酸序列,发现亲缘关系较近的物种不仅具有较高的核酸序列相似度,并且具有相似的密码子偏好性,推测这种现象是由于密码子偏好性的形成主要受到自然选择的影响. COMT作为一个起源古老的基因,分析其密码子偏好性对了解植物进化关系有一定作用.川芎COMT体现出与其他双子叶植物相近的密码子偏好性,其GC含量与GC3s均小于50%,偏好以A/T编码,偏好性极强(RSCU 2)的密码子有7个,ENc为51.38,整体密码子偏好性较弱.与大肠杆菌相比较,酵母可能是其更好的外源表达系统.较之拟南芥,烟草更合适作为川芎COMT的遗传转化受体.本研究表明拟南芥、烟草都可作为Lc COMT遗传转化受体系统的候选;并且烟草COMT与Lc COMT在进化树上显示出较近的亲源关系,所以烟草可能是LCCOMT相对更好的遗传转化受体;结果可为COMT基因的遗传进化研究、川芎COMT的功能验证及转基因植物培育等奠定理论基础.(图4表2参33)     

籽粒苋苹果酸酶(NAD-ME)基因密码子偏好性分析

遗传密码子是生命信息的基本遗传单位,每种氨基酸对应1～6个同义密码子.特定物种在长期进化中形成了适应自身基因组环境的密码子使用偏性.运用CHIPS、CUSP和CodonW程序分析自主克隆的籽粒苋NAD-ME基因的密码子偏好性,并与马铃薯等7种植物的ME基因密码子偏好性进行比较,以期为该基因在作物遗传改良中选择合适的受体植物提供依据.结果表明,籽粒苋NAD-ME基因偏好于以A或T结尾的密码子,其它几种被比较作物的ME基因也有同样的趋势,但双子叶植物的偏好性更强.基于NAD-ME基因的密码子使用偏性的系统聚类分析表明,籽粒苋与马铃薯、拟南芥、葡萄、蓖麻、毛果杨等双子叶植物聚为1类,玉米和高粱这2个单子叶植物聚为1类,预示籽粒苋NAD-ME基因更适合导入马铃薯等双子叶植物.对籽粒苋NAD-ME基因的密码子偏好性与大肠杆菌和酵母的基因组密码子偏好性进行比较,发现均存在差异,与大肠杆菌的差异高于酵母,表明酵母表达系统要优于大肠杆菌表达系统.若要进一步提高籽粒苋NAD-ME基因在大肠杆菌或酵母中的表达水平,尚需对其密码子进行优化.     

苋菜蓝光受体基因AmCRY1密码子使用模式及分析

为了解苋菜AmCRY1基因密码子的使用偏好性、与其他物种CRY1基因的同源关系及异源表达受体,利用CodonW与EMBOSS程序及Excel 2017、SPSS 24、Origin 2018等软件,分析苋菜与其他物种中的CRY1基因的密码子使用特性,比较苋菜AmCRY1基因与模式生物的密码子使用频率.结果表明:苋菜AmCRY1基因的密码子的有效密码子数(ENc)值为54.42,GC含量和GC3含量均低于50%,这表明苋菜AmCRY1偏好使用以A/T结尾的密码子,且在其编码区序列中A+T含量大于G+C;苋菜AmCRY1基因中,偏好性较强的密码子有29个(RSCU 1),偏好性最强的有1个(RSCU 2),其中以A/T结尾的密码子有22个,这表明苋菜AmCRY1基因的密码子偏好以A/T结尾,一些氨基酸对密码子的使用具有较强的偏好性;苋菜AmCRY1基因的密码子在ENc绘图中的基因位点更接近期望曲线,说明在进化过程中苋菜AmCRY1基因的密码子偏好性受突变压力的影响较大;苋菜AmCRY1基因的密码子使用偏好性参数与石竹目物种相近,同源关系较近物种密码子使用偏好性具有相似性;从密码子使用频率上分析得出,酵母菌表达系统更适合苋菜AmCRY1的异源表达,模式植物拟南芥、烟草、番茄均可作为苋菜AmCRY1基因的遗传转化受体,同苋菜代谢途径相似的甜菜也可以作为苋菜AmCRY1基因的瞬时表达受体.本研究表明苋菜AmCRY1密码子偏好以A/T结尾且受突变压力影响,结果可为进一步的功能研究尤其是异源表达验证提供参考.(图5表3参35)     

橄榄查尔酮异构酶基因CHI的密码子偏好模式

黄酮类化合物是橄榄[Canarium album(Lour.)Raeusch]的重要活性成分,而查尔酮异构酶(Chalcone isomerase,CHI)是黄酮合成的关键酶类之一,了解橄榄查尔酮异构酶基因CHI的密码子偏好模式可为其功能和分子进化研究提供科学依据.采用Codon W和EMBOSS分析橄榄CHI的密码子偏好性参数,并通过有效密码子数(Effective number of codon,ENc)绘图、中性绘图和偏倚分析探讨单双子叶植物CHI密码子偏好性形成的可能因素,同时分别采用SPSS19.0和MEGA5.2基于密码子偏好性和序列相似性进行聚类分析.结果显示:橄榄CHI ENc值、G和C的含量(GC)以及密码子第3位上G和C含量(GC3s)分别为50.89、0.451和0.465,表明其密码子偏好性较弱,但倾向使用富含A和U,并以A或U结尾的密码子;单子叶植物CHI的密码子偏好性普遍高于双子叶植物,基于密码子偏好性和核酸序列相似性均能将单双子叶植物进行较准确的归类;密码子碱基成分和相关性分析发现,物种间CHI密码子偏好性受编码区长度的影响较小,而与碱基的组成密切相关;此外,橄榄CHI与模式生物拟南芥、烟草、大肠杆菌和酵母菌基因组均存在较大的密码子偏好性差异.本研究表明突变压力是单双子叶植物间CHI严格的密码子偏好规律形成的主要作用力,而橄榄CHI外源表达和遗传转化时需要根据宿主基因组偏好模式进行密码子优化和改造.     

3种木薯全基因组的密码子偏好性模式与变异来源比较

密码子偏好性研究有利于了解基因表达特征、探索遗传进化规律及为分子育种提供依据.综合运用Perl语言和Codon W1.4.2、SPSS23.0等软件,系统分析3种木薯基因组的编码基因序列,从而得出密码子使用特征并明确影响密码子使用的变异来源.结果显示,3种木薯基因组的密码子在使用模式上具有较高的相似性:总碱基组成在3种木薯中差异较小,都是A/T含量较高,而G/C含量较低,且均偏好使用A/T结尾;通过RSCU(同义密码子相对使用度)值比较分析发现,3种木薯有27个共同的偏好密码子,其中以A/T结尾的密码子达85%以上;RFSC(同义密码子相对使用频率)值显示出3种木薯具有14个相同的高频密码子;其基因的异源表达受体优先选择拟南芥、烟草和毛果杨;密码子偏好性主要受自然选择影响,同时也受到突变压力等其他因素的影响.本研究表明3种木薯基因组的密码子使用模式高度相似且主要受自然选择影响,结果可为将来研究木薯的进化规律和提高外源基因表达效率提供重要依据.(图5表4参40)     

玉米性别决定基因TASSELSEED2及其同源基因的分子进化特征

TS2是最早在玉米中发现的性别决定基因,但是在其他的单性花或者两性花的被子植物中其同源基因是否也与花的性别形成有关以及其进化特征仍不清楚.以玉米性别决定基因TASSELSEED2(TS2)为检索序列,通过BLAST搜索得到21个测序植物物种的27个TS2同源基因,并利用生物信息学和比较基因组学方法详细分析了这些TS2基因的序列特征、进化关系及选择压力.结果表明,植物TS2基因具有3种基因结构类型、2种典型的功能结构域和7种保守基序组织模式,且单性花和两性花植物间并没有表现出特异性.系统进化树显示,以江南卷柏TS2蛋白为系统树基部,除了PtrTS2b、SlaTS2、CsaTS2和CpaTS2这4种单性花的TS2蛋白外,剩余22个植物TS2蛋白被划分为4个亚群.值得注意的是,除杨树外,其余4种单性花植物的TS2基因距离较远,均单独为一分支.进一步对4个亚群的选择位点分析发现,这些亚群共包含出24个正选择位点(P0.05),说明各亚群TS2基因均受控于纯净选择或松弛的纯净选择.由上述结果可知,TS2基因在进化过程中发生了多次重复和基因扩增事件,而多次独立的重复或者基因扩增事件导致TS2基因失去了对性别的决定或者调控作用.     

甘薯LEA2基因的克隆与表达分析

胚胎发育晚期丰富蛋白(Late embryogenesis abundant,LEA)是植物在逆境胁迫下产生的一种应激蛋白质,具有较高的亲水性和热稳定性,与植物抗逆功能密切相关,研究LEA家族基因对于甘薯抗逆性分子育种具有重要意义.通过对甘薯(徐薯18)转录组数据库搜寻时发现编码LEA2的转录本,随后对该转录本进行了克隆和测序分析,利用数字表达谱(Digital Gene Expression Profi ling,DGE)和半定量RT-PCR分析了Ib-LEA2在不同组织和不同发育阶段的表达图谱.为进一步了解Ib-LEA2在生物体响应盐胁迫中的作用,将Ib-LEA2连接原核表达载体pET-32a,用大肠杆菌BL21(DE3)菌株进行盐胁迫的耐受分析.结果显示:Ib-LEA2完整的开放阅读框(ORF)长度为942 bp,编码313个氨基酸残基.进一步研究发现,在甘薯组织内同时存在3个高度同源的LEA 2基因型(核苷酸序列99%),分别命名为Ib-LEA2a、Ib-LEA2b和Ib-LEA2c.数字表达谱和半定量RT-PCR的结果显示Ib-LEA2在不同组织和发育阶段具有不同的表达图谱,在茎中的表达量远远高于叶和根.大肠杆菌BL21(DE3)菌株盐胁迫的结果显示,较之对照菌株,表达Ib-LEA2的菌株能够更好地耐受高浓度的NaCl.研究表明,Ib-LEA2对盐胁迫有一定的响应能力,能够保护细胞免受高盐的毒害.     

十字花科蔬菜BcMF13同源基因的克隆及进化分析

在十字花科芸薹属的8个物种中扩增到与十字花科蔬菜花粉发育相关的一个重要基因BcMF13(GenBank登陆号:EF158459)的同源序列,获得8个同源序列的DNA序列全长602～607 bp,均含有一个内含子区,编码73个氨基酸,在内含子区内存在1个插入/缺失、5处颠换、4处转换.对8个同源基因的氨基酸比对发现该基因在十字花科物种内有很强的保守性.基于Kimura双参数距离,构建了BcMF13同源基因在十字花科中进化的NJ系统树,反映出南方大白菜与北方大白菜存在不同的演化过程.     

五氯酚暴露诱导斑马鱼胚胎细胞凋亡相关基因的变化及caspase-2基因克隆和系统进化分析

应用基因芯片技术研究发现,暴露于五氯酚的斑马鱼胚胎中有14个涉及细胞凋亡行为的基因表达发生了显著改变.利用生物信息学方法构建这些功能基因系统进化树,分析与环境毒物诱导的细胞凋亡行为密切相关的caspase-2基因和其他基因之间的同源关系.斑马鱼caspase-2基因由10个外显子和9个内含子组成,cDNA长1308bp,含一个开放阅读框(ORF),编码435个氨基酸.6种脊椎动物Caspase-2氨基酸序列的保守性及系统进化分析结果表明,在特定功能区结构域中氨基酸序列表现出较高的同源性,Caspase-2在进化上高度保守.利用RT-PCR技术,斑马鱼caspase-2基因cDNA被克隆并确认.研究结果表明斑马鱼caspase-2基因是一个研究细胞凋亡行为的模型分子,可为环境化合物的分子毒性评价及其机制研究提供一种分子标记。     

龙眼SPFH家族全基因组鉴定、进化分析与功能预测

SPFH(stomatin,prohibitin,flotillin and hflk/C)是一种膜微区蛋白,该家族的蛋白均含有一个高度保守的SPFH结构域.在植物中,SPFH家族蛋白可以细分为Slp(stomatin-like protein)、PHB(prohibitin)、Flot(flotillin)、Elp(erlin-like protein)以及HIR(hypersensitive induced reaction)5类.目前关于SPFH在植物中的全基因组鉴定鲜见报道,在拟南芥、水稻等植物中也只是对SPFH的个别亚家族进行研究.为了解膜微区蛋白SPFH在龙眼中的分子特性,基于龙眼基因组数据库,对龙眼SPFH(DlSPFH)进行家族成员鉴定、进化分析,并结合龙眼转录组数据库对DlSPFHs在早期体胚发生过程中的表达模式进行分析.结果显示,DlSPFH家族共有14个成员,包含DlSlp(1个)、DlElp(1个)、DlFlots(2个)、DlPHBs(2个)以及DlHIRs(8个)5个亚家族;家族成员的氨基酸数目、分子量、等电点分别介于193-2 570aa、21.49×10...     

野生蕉miR395a前体克隆与进化特性及启动子分析

植物miR395参与硫代谢调控,并在应答逆境胁迫等方面起重要调控作用.为了解香蕉miR395的分子特性和进化规律,在参考香蕉基因组信息的基础上,结合RT-PCR技术,从三明野生蕉(Musa itinerans)叶片中获得81 nt miR395a前体序列,包含21 nt miR395a成熟体序列.进化特性分析表明,植物miR395a前体存在于27个物种中,野生蕉pre-miR395a序列与双子叶耧斗菜(Aquilegia viridiflora Pall.)最为接近,与单子叶的水稻、玉米、高粱最远,表明野生蕉pre-miR395a的起源比较特殊;前体序列长度差异较大(57-226 nt);miR395a成熟体序列分析发现,来自5p臂上的miR395a序列特异性较大.野生蕉miR395a前体能形成典型的发卡结构,miR395a成熟体位于前体的3p臂上.转录起始位点分析表明,野生蕉pri-miR395a转录起始区域位于-87 bp--38 bp,A为转录起始位点.启动子顺式作用元件预测分析表明,野生蕉miR395a启动子包含多个激素、胁迫、生物钟及光响应元件,可能与响应胁迫密切相关.qPCR检测结果也发现miR395a的表达量在低温胁迫下极显著下调,表明响应低温胁迫.综上表明三明野生蕉在响应低温胁迫过程中miR395a起着重要调控作用,这对于进一步研究野生蕉miR395a在低温胁迫中的作用机制具有参考价值.     

大凉疣螈脑源性神经营养因子(BDNF)基因的克隆与序列分析

大凉疣螈 (Ｔｙｌｏｔｏｔｒｉｔｏｎｔａｌｉａｎｇｅｎｓｉｓ)属于两栖纲有尾目蝾螈科 ,仅分布在我国四川省西南部 ,活动范围狭窄 ,数量有限 ,是我国二级保护动物[1] .两栖动物在生物进化中是承上启下的关键动物 ,它们开启了脊椎动物登上陆地的历史 ,而且是真正陆生脊椎动物—爬行动物的祖先 ,其生理、结构等方面与鱼类和爬行类都有着明显的差别 .脑源性神经营养因子 (ｂｒａｉｎ ｄｅｒｉｖｅｄｎｅｕｒｏｔｒｏｐｈｉｃｆａｃｔｏｒ,ＢＤＮＦ)是神经营养因子家族的一员 ,ＢＤＮＦ在脊椎动物胚胎神经系统的发育、分化及在成体神经系统维…     

小麦TaMyb2基因转化拟南芥表达载体的构建与遗传转化

采用双酶切方法构建了小麦TaMyb2基因转化拟南芥表达载体pCHF3-35Sp-TaMyb2-I-NOSter和pCHF3-35Sp-TaMyb2-Ⅱ-NOSter.并通过农杆菌GV3101介导,用渗透法将TaMyb2-Ⅰ和TaMyb2-Ⅱ基因转入拟南芥中.结果表明,TaMyb2-Ⅰ、TaMyb2-Ⅱ和表达载体pCHF3分别被KpnⅠ和PstⅠ成功酶切为837 bp、840 bp和10.4 kb的目标条带;分别将pCHF3-35Sp-TaMyb2-Ⅰ-NOSter和pCHF3-35Sp-TaMyb2-Ⅱ-NOSter转入农杆菌GV3101中,在提取的农杆菌质粒DNA中分别扩增出了837 bp和840 bp目标条带,说明可用于拟南芥的转化;在含Kan(50 mg/L)的1/2 MS培养基上筛选转基因当代拟南芥植株的种子(T0),获得了T1代抗性植株,转化率约为0.1%.     

龙眼胚性愈伤组织维生素C过氧化物酶基因(apx)及NADH脱氢酶基因(nad2)部分序列的克隆

采用PCR技术从龙眼胚性愈伤组织中扩增出维生素C过氧化物酶基因 (apx)的部分cDNA序列longan1及NADH脱氢酶基因(nad2)的部分cDNA序列longan31,其中longan31是首次从体胚中克隆到的NADH脱氢酶基因(nad2).杂交结果显示,longan1与胚性愈伤组织和球形胚的RNA具有明显杂交信号,说明longan1在胚性愈伤组织和球形胚阶段特异表达. 图 3参 19     

水稻H14早熟性的遗传分析及基因定位

品种生育期是水稻最重要的农艺性状之一,对水稻生育期基因进行定位具有重要意义.水稻籼粳中间型材料H14具有显性早熟特性,它与多个不同类型的中、迟熟品种杂交,F1抽穗期均与早熟亲本H14相近或更早.H14与明恢63和蜀恢881等杂交F2和B1F1抽穗期呈双峰分布,从峰谷处进行分组,早熟植株与迟熟植株分离比经χ2测验分别符合3:1和1:1,表明该早熟特性主要受一对显性基因控制.以H14/明恢63 F2作定位群体,采用微卫星标记将H14所携带的显性早熟基因定位于水稻第6染色体短臂,位于微卫星标记RM314和RM276的一侧,与RM314的遗传距离为8.2 cM.认为该基因是一个新的水稻显性早熟基因,暂命名为Ef-h(t).图3表2参22     

鼠Tcp11l1基因的结构与表达分析

为了分析鼠Tcp11l1基因的结构和表达,从小鼠睾丸组织总cDNA中扩增鼠Tcp11l1基因的开读框架(Open reading frame,ORF),定向克隆到真核表达载体pEGFP-N1,构建融合表达质粒pTcp11l1-EGFP,转染HEK293细胞,荧光显微镜下观察Tcp11l1基因的亚细胞定位;设计跨小鼠Tcp11l1基因两个外显子的引物,RT-PCR分析此基因在小鼠各组织中的表达情况.并利用生物信息学的方法对鼠Tcp11l1基因的结构进行初步预测.转染pTcp11l1-EGFP后在胞质中能明显看到绿色荧光信号,而在胞核和胞膜中无绿色荧光信号,表明鼠Tcp11l1蛋白定位于细胞质;RT-PCR分析结果表明,鼠Tcp11l1基因在小鼠各组织中广泛表达.生物信息学结果表明,鼠Tcp11l1和鼠Tcp11的蛋白具有相同的TCP11结构域,不能确定是否存在跨膜序列.鼠Tcp11l1基因和鼠Tcp11基因具有相似的亚细胞定位和TCP11结构域,表明这两个基因可能具有相似的受体功能.但是与Tcp11特异表达于睾丸组织的延长精细胞和精子不同,Tcp11l1为广泛表达,说明Tcp11l1可能在多种组织细胞中发挥作用.     

太湖沉积物反硝化功能基因丰度及其与N_2O通量的关系

温室气体N_2O的生成和排放与反硝化功能微生物关系密切,探讨沉积物反硝化微生物功能基因丰度及其与N_2O通量的关系有助于更好地理解沉积物N_2O生成与排放的微生物学机制。以太湖为研究对象,采用定量qPCR(Quantitative PCR)技术测定了太湖沉积物反硝化功能基因(nirK、nirS、norB和nosZ)丰度,阐明了太湖沉积物反消化功能基因丰度的季节变化规律,并分析了反硝化功能基因丰度与沉积物N_2O通量及其他环境因子的关系。结果表明:太湖沉积物反硝化功能基因丰度呈现夏秋季高冬春季低,具有明显的季节变化特征,norB基因丰度最高,均值为9.03×10~9 copies·g~(-1),其次为nir S基因(1.14×10~9copies·g~(-1)),nirK和nosZ基因丰度均值分别为3.04×10~8copies·g~(-1)和1.09×10~8copies·g~(-1)。沉积物TN和NO_2~-是影响反硝化功能基因丰度的重要环境因子。夏秋季沉积物N2O通量为-0.12-0.04nmol·g~(-1)·h~(-1),均值为-0.05nmol·g~(-1)·h~(-1),与反硝化功能基因(nir K、nir S和nir B)丰度呈显著正相关(P0.05),表明反硝化过程消耗了N_2O。冬春季沉积物N_2O通量为-0.05-0.48 nmol·g~(-1)·h~(-1),均值为0.27 nmol·g~(-1)·h~(-1),与反硝化功能基因丰度不具显著相关性,表明反硝化作用可能不是N_2O产生的主要过程。     

北京地区O3与NO2的偏相关分析

根据北京市环境监测中心1999年3月至2001年2月发布的北京地区空气质量日报和部分气象资料，利用FoxPro6.0数据库及世界著名统计分析软件包(Statistical Package or the Social Science,SPSS)，统计并分析了O2和NO2的污染变化特征及规律；结果显示了NO2的污染状况已经得到明显改善，而O3的污染状况仍较严重；O3与NO2呈现水平中等的负相关关系，分析和验证了NO2是生成O3的重要前体污染物；提出北京进一步改善在夏季出现的严重O3污染，还需进一步降低NO2的排放水平。     

甘蔗光合系统Ⅰ亚基O基因的克隆与表达分析

光合系统Ⅰ亚基O(PhotosystemⅠsubunit O,Psa O)是光合系统Ⅰ中的蛋白亚基,在两个光合系统之间平衡激发能方面起着重要的作用.为研究Psa O基因的结构和功能,对甘蔗(Saccharum offi cinarum L.)叶片全长c DNA文库进行测序,获得光合系统Ⅰ亚基O基因的全长c DNA序列,命名为Sc Psa O(Gen Bank Accession Number:KF714498).生物信息学分析表明,该基因全长708 bp,开放阅读框435 bp,编码144个氨基酸;该基因所编码的蛋白定位于叶绿体基质,无信号肽,为疏水性非分泌碱性蛋白,二级结构多为无规则卷曲,含有PJN00046家族的保守结构域,参与能量新陈代谢及脂肪酸新陈代谢.同时,该基因在不同物种间具有较强的保守性,其中与同属C4植物的同源性较C3植物高.荧光定量PCR分析结果表明,甘蔗Sc Psa O基因在叶片中的相对表达量最高,具有一定的组织特异性;在氯化钠(Na Cl)、聚乙二醇(PEG)、氯化铜(Cu Cl2)、脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)和茉莉酸甲酯(Me JA)等外源胁迫下,其表达量均呈下调趋势,且以PEG胁迫下的下调表现最为明显.这些结果表明这几种外源胁迫可能抑制甘蔗Sc Psa O基因的转录水平表达,为其进一步功能验证以及在甘蔗基因工程中的应用积累了基础资料.