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21个禾本科物种线粒体基因组特征与系统进化分析

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基因组学与应用生物学 2024年

作者：杨树琼刘嘉斐江梳澈郭冰倩郭佳曹玲玲张婉南阳师范学院生命科学与农业工程学院

不同物种线粒体基因组有其特异的组成结构和进化方式，本研究基于NCBI-Genome数据库已公布的21个禾本科（Poaceae）物种线粒体基因组，利用比较基因组学方法对其线粒体基因组序列特征及亲缘关系进行了比较分析。结果显示，21个禾本科物... 详细信息

不同物种线粒体基因组有其特异的组成结构和进化方式，本研究基于NCBI-Genome数据库已公布的21个禾本科（Poaceae）物种线粒体基因组，利用比较基因组学方法对其线粒体基因组序列特征及亲缘关系进行了比较分析。结果显示，21个禾本科物种的线粒体基因组大小在443 kb ～ 705 kb，A+T含量为50% ～ 70%，表现出明显的碱基偏倚现象。不同禾本科物种线粒体基因组所含的开放阅读框数目、RNA编辑位点、编码蛋白、tRNA及重复序列类型不尽相同，且同一类编码蛋白、tRNA及重复序列类型在不同物种间的拷贝数也存有差异。不同禾本科物种线粒体基因组间，蛋白编码基因在使用密码子上具备一定的偏好性，偏好于使用AGA（R）、UCU（S）、CUU（L）、ACU（T）和GCU（A）。同时，各蛋白编码基因在禾本科物种线粒体遗传进化过程中遭受了不同方向和程度的遗传选择，其中mttB、ccmFn及rpl16等18种蛋白编码基因受到了不同程度的纯化（负）选择(Ka/Ks禾本科物种进化过程中的线粒体基因组结构变化和功能研究提供了参考。

关键词：禾本科线粒体基因组特征亲缘关系

6种禾本科植物GEF基因家族鉴定与抗旱性分析

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山地农业生物学报 2024年第4期43卷 1-10页

作者：申晨方远鹏谢鑫贵州大学农学院农业微生物特色重点实验室贵州贵阳550025

小G蛋白介导的鸟嘌呤三核苷酸磷酸/鸟嘌呤二核苷酸磷酸(GTP/GDP)信号通路对于植物抗性十分重要,鸟嘌呤核苷酸交换因子(Guanine Nucleotide Exchange Factor, GEF)可对多种小G蛋白进行调节。植物基因组中包括BIG(Brefeldin A-inhibited G... 详细信息

小G蛋白介导的鸟嘌呤三核苷酸磷酸/鸟嘌呤二核苷酸磷酸(GTP/GDP)信号通路对于植物抗性十分重要,鸟嘌呤核苷酸交换因子(Guanine Nucleotide Exchange Factor, GEF)可对多种小G蛋白进行调节。植物基因组中包括BIG(Brefeldin A-inhibited Guanine Nucleotide Exchange Protein)和GBF(Golgi Brefeldin A-Resistant Guanine Nucleotide Exchange Factor)两类GEF基因,目前,这些GEF基因的系统性鉴定与表达分析尚不明确。因此,本研究采用基因家族鉴定的方法,对禾本科GEF基因家族进行比较分析。结果表明:从6种禾本科(水稻Oryza sativa、小麦Triticum aestivum、节节麦Sorghum bicolor、高粱Aegilops tauschii、谷子Setaria italica、玉米Zea mays)基因组中获得58个GEF基因,分布于45条不同的染色体上。系统发育分析表明,禾本科GEF基因家族包含5个亚家族(BIG1/4、BIG2/3、BIG5、GNL2、GNON),并且存在单拷贝以及基因选择性保留特性。共线性分析进一步确定禾本科GEF基因存在复杂的演化历程。干旱表达结果显示,GEF基因家族在不同禾本科植物、不同亚家族以及拷贝水平上均已产生抗旱性分化。本研究结果将为禾本科作物的抗旱基因筛选提供基础。

关键词：禾本科鸟嘌呤核苷酸交换因子基因家族表达分析

禾本科植物MADS-box基因家族鉴定及系统进化分析

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禾本科植物MADS-box基因家族鉴定及系统进化分析

作者：李思巧云南大学

学位级别：硕士

开花是被子植物生命周期中至关重要的环节,直接关系到植物的繁衍和遗传因子的传递。研究植物开花的分子机理对作物的改良育种和农业生产具有重要的指导意义。MADS-box转录因子是在开花植物中广泛分布的一类重要的基因家族,其在植物生命... 详细信息

开花是被子植物生命周期中至关重要的环节,直接关系到植物的繁衍和遗传因子的传递。研究植物开花的分子机理对作物的改良育种和农业生产具有重要的指导意义。MADS-box转录因子是在开花植物中广泛分布的一类重要的基因家族,其在植物生命周期的多个环节都起到关键的调控作用,从种子的发育到植株的开花结果,甚至在根系和叶片的发育中都扮演着重要的角色。在禾本科(Poaceae)中,有很多物种的MADS-box基因并未得到鉴定和研究,其中包括很多基因组已测序组装成功的物种。本研究选取涵盖禾本科两大分支六个亚科的39个代表性物种,通过生物信息学方法对其MADS-box转录因子进行鉴定和分类,并对其中功能最重要的MIKCc类型基因进行基因结构分析与共线性和正选择分析,以期发现该类型基因在结构上的异同及其进化规律。并通过在不同染色体倍性的禾本科物种中进行转录组分析,以总结不同类型MADS-box转录因子的表达模式以及不同倍性的物种的MADS-box转录因子的表达模式差异。通过研究,本文主要得到以下结论:(1)MADS-box基因家族成员的鉴定本研究在39个禾本科物种中共鉴定出MADS-box基因3146个,通过分析其数量分布情况发现在禾本科物种中,MADS-box基因的数量分布遵循如下规律:基因的拷贝数与染色体倍性成正比。与拟南芥等十字花科物种相比,禾本科物种TypeⅠ类型基因数量显著低,TypeⅡ类型基因数量差异不显著。通过对MIKCc类型的基因进行结构域分析总结出如下规律:各亚类群的MIKCc类型基因中,MADS结构域最为保守,K结构域在亚类型基因间存在差异,I结构域和C结构域在各亚类型内部存在差异,因此蛋白质结构域可辅助判断基因的所属类群。(2)MADS-box基因进化分析本研究通过对禾本科物种基因组进行共线性分析,以MIKCc类型基因为代表发现如下规律:MIKCc类型基因的拷贝数变化由染色体倍性引起,而非基因的串联重复。这与前期数量鉴定中发现的规律相互支撑,也与前人研究结果一致。在正选择分析中发现所有禾本科MIKCc类型的基因都受到纯化选择,通过对不同亚类群基因正选择分析结果进行比对发现其受到的选择压力遵循如下规律:功能冗余的基因受到的选择压力松弛。各亚科MIKCc类型基因Ka/Ks值也有差异:在BOP分支中,稻亚科(Oryzoideae)禾本科物种MADS-box基因的表达情况发现不同类型的基因的表达模式具有差异:Mα类型的基因在禾本科物种中主要在花序中高表达,Mβ类型的基因主要在花序和根中高表达,Mγ类型的基因在各个组织中都有少数基因高表达,MIKC*类型和MIKCc类型的基因主要在花序中高表达。通过对比不同倍性的植物表达情况发现,在多倍体物种中存在基因数量增加,表达量减少的现象。本研究通过上述分析,丰富了MADS-box基因在禾本科植物中的分布数据,揭示禾本科植物MIKCc类型基因结构及拷贝数变化规律,同时阐明MADS-box基因在禾本科植物内的表达模式,为后续开展MADS-box基因的研究提供理论基础和参考数据。

关键词：禾本科 MADS-box基因家族系统进化

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禾本科植物比较基因组学数据库的构建研究

禾本科植物比较基因组学数据库的构建研究

作者：杨启航华北理工大学

学位级别：硕士

禾本科物种具有重要的经济和科研价值,破译其基因组结构并将重复基因与特定的多倍化事件联系起来,对于理解禾本科植物进化具有重要意义。通过对29个禾本科植物比较基因组学分析构建了一个在线数据库GGDB(http://***/)。数据库中可以显... 详细信息

禾本科物种具有重要的经济和科研价值,破译其基因组结构并将重复基因与特定的多倍化事件联系起来,对于理解禾本科植物进化具有重要意义。通过对29个禾本科植物比较基因组学分析构建了一个在线数据库GGDB(http://***/)。数据库中可以显示、搜索和下载每个禾本科植物之间的同源基因列表。数据库还开发了交互式共线比对工具,对禾本科重要作物群体进行了示范研究。这些工具可以展示用户选择的植物之间的同源性、绘制基因组水平或局部水平的同源共线基因比对图、利用基因共线性校正基因的系统发育树等。使用这些工具和结果图,用户可以准确的观察到基因组结构变化,并探索加倍事件对禾本科植物基因组结构和功能的影响。29个组装良好的禾本科植物基因组学比较分析结果如下:(1)在基因组结构比较中发现,禾本科植物在经历了全基因组加倍事件后发生了染色体断裂、丢失和融合现象,在玉米(Zea mays)等发生过特异性基因组加倍的物种中尤为明显。(2)研究根据同源片段间的同义核苷酸置换率(Ks)和是否共享染色体断裂点,区分了不同事件产生的同源片段,建立了分层级的同源基因列表,为禾本科基因组相关研究提供了共线性参照。(3)在研究多倍化事件对禾本科植物基因组结构和功能的影响中,发现全基因组加倍事件导致基因丢失及基因进化速率改变,这有可能加快禾本科物种的分化;同时发现禾本科植物中近1/3的基因家族因加倍事件发生了显著扩增,在玉米等发生过特异性基因组加倍的物种中,基因家族形成与多倍化事件的关联性更显著。研究结果将为禾本科植物在结构和功能进化上的相关研究提供有价值的参考,GGDB将为了解禾本科植物的基因组变化和功能创新提供一个有用的平台。图14幅;表6个;参76篇。

关键词：禾本科共线性多倍体同源基因数据库

禾本科植物中转录调控性内含子的鉴定与演化分析

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禾本科植物中转录调控性内含子的鉴定与演化分析

作者：连孟杰华中农业大学

学位级别：硕士

内含子通常被认为是真核生物基因组的“无用序列”,但近年来的研究表明一些内含子往往包含染色质开放区(Accessible Chromatin Region,ACR)或处于特定的表观状态,可能在基因表达调控方面发挥着重要作用。本研究基于五种禾本科植物的基... 详细信息

内含子通常被认为是真核生物基因组的“无用序列”,但近年来的研究表明一些内含子往往包含染色质开放区(Accessible Chromatin Region,ACR)或处于特定的表观状态,可能在基因表达调控方面发挥着重要作用。本研究基于五种禾本科植物的基因组及多个组织的转录组和表观基因组数据,鉴定了禾本科植物中可能发挥转录调控作用的内含子,并对其进行了跨物种比较分析,主要结果如下:1.系统鉴定了禾本科植物中的调控性内含子。本研究所定义的调控性内含子包括两类:第一类是可及性内含子(Accessible Intron,AI),指内含子内至少含有一个染色质开放区80%的区域;第二类是组蛋白修饰性内含子,指内含子内至少含有一个H3K27me3修饰区段80%的区域。本研究在二穗短柄草、水稻、小米、高粱和玉米中分别鉴定了4,282、10,847、4,361、8,944、8,886个AI和218、595、693、752、294个组蛋白修饰性内含子。AI大约占内含子总数的3%～6%,而H3K27me3修饰性内含子仅占内含子总数的0.1%～0.6%。在不同组织中,AI的染色质可及性存在较大差异,包含许多组织特异的开放区。2.表征了调控性内含子的序列特征和分布特征。除玉米外,其它四个禾本科物种中AI的平均长度为1.9 kb,高于内含子平均值(0.4 kb)。玉米AI的平均长度为3.5 kb,也高于其内含子平均值(0.6 kb)。AI包含的ACR的GC含量约为50%,高于内含子整体平均值(40%)。AI倾向于靠近基因的5’端,且5’端AI染色质可及性更高。含1-4个内含子的基因富集AI,而内含子数目超过5的基因中AI较少。3.组蛋白修饰性内含子所在的基因与AI所在的基因显著重叠(P-value5.78)。调控性内含子富集特定转录因子的结合位点,所在基因富集于特定生物学途径。其中AI中富集C2H2、Myb-related等七个涉及植物抗逆和发育相关转录因子家族的结合位点。组蛋白修饰性内含子所在的基因主要参与转运和分子相互作用途径(P-value禾本科物种的单拷贝直系同源基因进行分析,结果表明同源基因中内含子数量的相关性较高(Pearson相关系数>0.86)。水稻中具有AI的基因,其它物种中也倾向于具有AI(P-value=10,OD=3.67)。同源基因AI的序列保守分值大于普通内含子(P-value禾本科物种也较为保守(0.49禾本科植物的基因调控机制,为禾本科作物的育种、生产和保护提供新思路和新方法。

关键词：禾本科内含子多组学转录调控

禾本科植物内生真菌资源及巨座壳目内生真菌生物学功能研究

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禾本科植物内生真菌资源及巨座壳目内生真菌生物学功能研究

作者：刘蔚廷浙江大学

学位级别：硕士

对来自云南、浙江和内蒙古的30属禾本科植物的1821株内生真菌,根据ITS r DNA系统发育分析和ITS预测真菌的阈值,将这些菌株鉴定为3门10纲34目216属,其中子囊菌门Ascomycota 5纲26目192属,担子菌门Basidiomycota 3纲6目21属,毛霉门Mucorom... 详细信息

对来自云南、浙江和内蒙古的30属禾本科植物的1821株内生真菌,根据ITS r DNA系统发育分析和ITS预测真菌的阈值,将这些菌株鉴定为3门10纲34目216属,其中子囊菌门Ascomycota 5纲26目192属,担子菌门Basidiomycota 3纲6目21属,毛霉门Mucoromycota 2纲2目3属。粪壳菌纲Sordariomycetes和座囊菌纲Dothideomycetes为主要优势纲,相对频率分别为54.8%和30.9%;座囊菌纲的格孢腔菌目Pleosporales和粪壳菌纲的肉座菌目Hypocreales、巨座壳目Magnaporthales、小丛壳目Glomerellales、炭角菌目Xylariales是主要优势目,相对频率分别为26.7%、12.6%、12.1%、11.3%和9.9%。主要优势纲和主要优势目在不同纬度地区的分布有明显差异。在鉴定的216个属级分类单元中,7个已知属Colletotrichum、Alternaria、Fusarium、Diaporthe、Penicillium、Arthrinium、Trichoderma和1个分类地位未定的属Pleosporales incertae sedis type 12的相对频率大于2%,除了这个分类地位未定的属以外,7个已知属都是广泛分布的真菌;云南、浙江和内蒙古的内生真菌组成和多样性差异明显,二地或三地共有的属仅58个,且云南禾本科植物的内生真菌多样性程度最高,内蒙古禾本科植物的内生真菌多样性程度最低;根部和地上部组织的内生真菌组成和多样性差异明显,两者共有的属仅53个,地上部组织的内生真菌多样性高于根部组织。巨座壳目是禾本科植物内生真菌的主要优势目。通过多基因系统发育分析,6株内生真菌属于蛇孢球壳科Ophioceraceae的Ophioceras,4株属于梨孢科Pyriculariaceae的2个分类学上不确定的分支(属),209株属于巨座壳科Magnaporthaceae,其中83株属于8个已知属Gaeumannomyces、Magnaporthiopsis、Falciphora、Nakataea、Omnidemptus、Bifusisporella、Pseudophialophora和Aquafiliformis,126株属于9个分类学上不确定的分支(属)。多样性网络关系分析表明巨座壳目物种具有显著的地理和寄主组织特异性。对巨座壳目内生真菌的代表性菌株进行了大麦和水稻离体叶片接种测定、水稻共培养测定和侵染定殖观察,表明Gaeumannomyces的YNE00783、Magnaporthiopsis的NME00039、unidentified Magnaporthaceae clade1的YNE01369具有致病性,Bifusisporella的YNE01000、Omnidemptus的YNE00622和Omnidemptus的ZJE01773具有一定的生长促进作用,其它菌株对植株生长没有明显的影响或具有弱的抑制作用。

关键词：禾本科内生真菌多样性巨座壳目系统发育生物学功能

中国南亚热带和北温带地区禾本科C_(3)与C_(4)草本植物花果期差异研究

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热带亚热带植物学报 2023年第1期31卷 1-9页

作者：张浩萍宋柱秋叶楠陈新兰练琚愉刘慧中国科学院华南植物园广州510650 华南国家植物园广州510650 中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室广东省应用植物学重点实验室广州510650 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) 广州511458 中国科学院大学北京100049 中国科学院植物资源保护与可持续利用重点实验室广州510650 赣南师范大学生命科学学院江西赣州341000

为揭示不同地区禾本科C_(3)与C_(4)植物花果期受气候因子的影响,以广东省和内蒙古自治区分别代表南亚热带和北温带地区,从植物志中分别获得两地395和265种禾本科草本植物的3个花果期特征(始花期、末花果期和生殖期长),比较开花物候的差... 详细信息

为揭示不同地区禾本科C_(3)与C_(4)植物花果期受气候因子的影响,以广东省和内蒙古自治区分别代表南亚热带和北温带地区,从植物志中分别获得两地395和265种禾本科草本植物的3个花果期特征(始花期、末花果期和生殖期长),比较开花物候的差异,并通过一般线性模型探究其与气候因子(年均温与年均降水量)的相关性。结果表明,南亚热带与北温带地区C_(3)植物的始花期均比C_(4)植物早。两地C_(4)共有种在南亚热带地区具有更早的始花期、更晚的末花果期和更长的生殖期,而C_(3)共有种的末花果期在两地无显著差异,但在南亚热带地区始花期更早,生殖期更长。随年均温升高,北温带地区禾本科植物的始花期提前,而南亚热带地区则延后;随年均降水量升高,两地禾本科植物始花期与末花果期均延迟;禾本科植物生殖期长与年均温和年均降水量均不存在相关性。跨地区分析表明,末花果期、生殖期长与年均温和年均降水量均正相关,而与始花期不相关。禾本科C_(3)植物比C_(4)植物对地区间气候差异响应更敏感是两地共有种始花期差异显著的原因,而共有种生殖期长的显著差异则是由C_(4)植物末花果期结束较晚驱动的,其末花果期对地区间气候差异更敏感。这阐明了禾本科植物生殖物候差异的原因,以及禾本科植物花果期对不同气候区温度、降水的适应策略。

关键词：禾本科光合类型气候因子生殖物候

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新疆3种外来禾本科新植物

石河子大学学报（自然科学版） 2023年第2期41卷 229-236页

作者：潘成南马占仓王超吴星月宋文丹阎平石河子大学生命科学学院新疆石河子832003

近几年本团队通过对北疆东疆杂草的野外实地调查,利用《中国植物志》等相关资料和形态分类学研究,在克拉玛依、阿拉山口、昌吉、塔城和哈密等地区发现3种禾本科外来杂草新记录。本研究发现新疆3个禾本科新记录种:虮子草(Leptochloa pani... 详细信息

近几年本团队通过对北疆东疆杂草的野外实地调查,利用《中国植物志》等相关资料和形态分类学研究,在克拉玛依、阿拉山口、昌吉、塔城和哈密等地区发现3种禾本科外来杂草新记录。本研究发现新疆3个禾本科新记录种:虮子草(Leptochloa panicea(Retz.)Ohwi)、倒刺狗尾草(Setaria verticillata(L.)Beauv.)和芒颖大麦草(Hordeum jubatum L.),以及1个新记录属——千金子属(Leptochloa ***.)。虮子草目前仅在哈密市伊州区被发现有小范围居群;倒刺狗尾草目前在哈密市伊州区、红星市、胡杨河市等地均有分布;而芒颖大麦草现已广泛分布于哈密市的巴里坤县、伊吾县,阿拉山口市、克拉玛依市和昌吉市等地。这些新记录植物的发现对新疆禾本科植物区系和物种多样性研究具有重要意义,也为该新记录属种的地理分布研究、入侵杂草的扩散与有效监控提供了重要依据和新资料。新记录种凭证标本保存于石河子大学植物标本馆(SHI)。

关键词：禾本科外来杂草新记录属新记录种新疆

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禾本科植物HSP70研究进展

植物生理学报 2019年第8期55卷 1054-1062页

作者：祁茂冬谢鑫魏凤菊河北农业大学生命科学学院/河北省植物生理与分子病理学重点实验室

HSP70是逆境胁迫下诱导合成的一类功能型蛋白,是在植物中高度保守且分布广泛的蛋白质家族,通常作为分子伴侣参与蛋白折叠、转运、变性蛋白降解等多种生物学功能。研究表明,高温、干旱、盐等多种非生物胁迫和生物胁迫均可诱导HSP70的合成... 详细信息

HSP70是逆境胁迫下诱导合成的一类功能型蛋白,是在植物中高度保守且分布广泛的蛋白质家族,通常作为分子伴侣参与蛋白折叠、转运、变性蛋白降解等多种生物学功能。研究表明,高温、干旱、盐等多种非生物胁迫和生物胁迫均可诱导HSP70的合成,从而参与胁迫响应与生长发育过程的调控。本文对HSP70的结构、类型、分子调控机制作了阐述,并主要对禾谷类作物的HSP70在响应生物胁迫、非生物胁迫及对生长发育的调控等方面的研究进展进行综述,以期为禾本科植物的抗逆研究提供基础理论。

关键词：禾本科 HSP70 逆境胁迫生物学功能

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