杨树PtROP与PtRab基因家族表达分析及功能预测.pdf

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1、摘要小G蛋白作为分子开关，在真核生物细胞中调控多种多样生物进程。所有小G蛋白组成了Ras超家族，根据结构和功能相似性，Ras超家族分为五个不同的家族：Ras、Rab、Rho、Arf和Ran。与哺乳动物、酵母相比，植物进化出明显不同的Ras超家族：植物Ras超家族中不存在Ras家族；植物RabA亚家族显著扩增；植物Rho家族形成了植物特有的ROP家族。大量研究发现，ROP和Rab在植物生长发育、抗逆、激素响应和次生壁沉积中具有重要功能，但其在多年生、具有次生生长特性的木本植物中很少关于ROP和Rab的研究。本文通过生物信息学

2、等方法分别对杨树ROP基因家族和Rab基因家族成员系统进化关系、基因结构、保守结构域、旁系同源基因对复制及不同组织和不同胁迫条件下的表达等进行了分析。本研究发现毛果杨中共有13个PtROP基因，它们的基因结构相似，功能结构域保守。根据氨基酸序列相似性及C端高度可变区结构，杨树PtROP被分为四类：第一类（PtROP10）、第二类（PtROP8、PtROP11和PtROP12）、第三类（PtROP7、PtROP9和PtROP13）及第四类（PtROP1-6）。对PtROP基因的复制情况进行分析，发现PtROP基因家族中存在四

3、对旁系同源基因对（PtROP1/PtROP4、PtROP2/PtROP6、PtROP8/PtROP11及PtROP9/PtROP13），它们可能是在8.74到17.30百万年前产生的，因此四个基因对都是通过全基因组复制的结果，并都经历了纯化选择。对PtROP基因家族成员在不同组织和不同胁迫响应进行分析，发现PtROP基因家族成员表达模式具有明显差异。构建的PtROP功能基因网络表明PtROP可能参与了信号转导、tRNA修饰及细胞骨架形成等过程。杨树基因组中共有67个PtRab基因，这些基因不均匀的分布在杨树19条染色体上，

4、其中17号染色体没有PtRab基因。不同亚家族间外显子/内含子数目存在明显差异，而同一亚家族中的成员基因结构（外显子/内含子）基本相同，其中PtRabA亚家族基因结构最简单，只有一个内含子。杨树PtRab同拟南芥及哺乳动物一样，都存在四个与GTP结合和水解有关的结构域，这四个保守结构域的氨基酸序列在PtRab家族八个亚族中存在一些氨基酸差异，但结构域整体框架相同。对PtRab基因家族成员启动子顺式作用元件分析预测，发现这些基因启动子中包含大量与胁迫及激素响应有关的元件。利用基因I芯片数据对杨树PtRab在不同组织和不同胁迫

5、下的表达模式分析，发现大部分PtRab基因在木质部和韧皮部中高表达，而在繁殖器官雄花和雌花序中表达量相对较低。利用RNA-seq数据对27对旁系同源基因对的表达情况进行了分析，其中只有四个基因对（PtRabA1i/PtRabA1j、PtRabA2a/PtRabA2b、PtRabC2a/PtRabC2d和PtRabF2b/PtRabF2c）在六个不同的组织中表现出相似的表达模式。6个基因对（PtRabA1d/PtRabA1h、PtRabA2d/PtRabA2e、PtRabA3a/PtRabA3b、PtRabA4b/PtRab

6、A4d、PtRabE1a/PtRabE1c和PtRabG3e/PtRabG3g）中的两个成员在六个不同组织中的表达丰度表现出明显差异。根据基因芯片数据和半定量结果发现PtRab基因对干旱胁没响应，但对其他胁迫有不同程度的响应，如RabE1b在NaCl胁迫初期（2小时）和持续胁迫（12小时）条件下都高表达。高表达PtRabE1b基因能提高转基因杨树的耐盐性，并影响不定根形成。关键词：杨树，基因家族，ROP，Rab，表达分析IIAbstractSmallGTP-bindingproteinsasmolecularswitche

7、sregulatevariousbiologicalprocessesineukaryoticcells.AllsmallGTP-bingproteinscomposetheRassuperfamily.Thissuperfamilycanbedividedintofivedistinctfamilies:Ras,Rab,Rho,Arf,andRan,basedonthestructuralandfunctionalsimilarities.Comparedtomammalsandyeast,plantshaveevolv

8、edobviouslydifferentRassuperfamily:plantRassuperfamilydoesn'tcontainRasfamily;theremarkableexpansionofRabAsubgroupisoneofthemoststrikingfeaturesofthepla