Zanthoxylum armatum is an economically important tree species. However, well-developed prickles on its stems and leaves pose serious challenges in terms of management and harvesting. To investigate the molecular mechanism underlying prickle development, we sequenced different stages of prickle morphological development and transcriptomes of different tissues in the root tips (Gen), leaf buds (Ya), and fruits of Z. armatum. The results revealed that proteins related to cell division and genes related to the growth hormone signaling pathway were highly expressed in the prickle just protrusion (PC1). In addition, a high expression of lignin biosynthesis genes was observed during the developmental onset of lignification (PC2) and prickle lignification (PC3). These findings indicate that phenylpropanoid biosynthesis and plant hormone signal transduction are key pathways for the completion of lignification development in the prickle. During prickle development, ZaMYB2 and ZaWRKY3 were significantly upregulated in PC2 and PC3, suggesting their possible involvement in prickle development. Transcriptome and qRT-PCR analyses revealed differential gene expression of zaPAL3, za4CLL1, zaCOMT1, ZaWRKY3, and ZaCCD31 in the Gen, Ya, newly formed fruit (ZaF1), newly oil-spotted fruits (ZaF2), PC1, PC2, and PC3 of Zarmatum. zaCCD31 was highly expressed in leaf buds, whereas Za4CLL1 was highly expressed in root tips. During the lignification of prickles, the relative expression of genes including zaMYB2 increased gradually; however, the relative expression of zaCCD31 decreased during this process. Therefore, we inferred that these genes might be closely related to prickle development. Notably, zaMYB2 was expressed at higher levels in PC2 and PC3 than in PC1 and was not expressed in Gen, Ya, ZaF1, and ZaF2. Therefore, zaMYB2 is a key gene involved in prickle development of Z. armatum that exhibited tissue-specific expression. This study establishes a foundation for future analyses of the molecular mechanism underlying prickle development in Z. armatum.

WRKY转录因子是植物逆境研究中最广泛的家族之一,在植物响应生物胁迫和非生物胁迫中具有重要作用.本研究利用本地BLAST对牛樟基因组进行比对分析得到58个牛樟WRKY基因序列,并对牛樟WRKY转录因子进行理化性质、保守基序、系统进化及表达谱分析.保守结构域和基序预测发现,牛樟转录因子家族蛋白主要分为三大类,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,多数蛋白较保守,其中Ⅰ、Ⅱ类中有两个蛋白(CkWRKY25,CkWRKY1)存在Q残基的变异;CkWRKY基因表达谱数据分析发现,有22个基因在受干旱、低温胁迫时上调表达,占牛樟WRKY家族的37.9％,其中18个基因受干旱胁迫呈高表达水平,占上调基因的81.8％,4个基因在4℃低温胁迫下表达量显著升高,占比18.2％.将牛樟中22个表达差异显著的基因与14个具有抗旱、抗寒WRKY基因共同建树,结果显示36个WRKYs蛋白聚为两大类,参与干旱及低温胁迫的蛋白主要集中在第一大类中,其中CkWRKY26、CkWRKY38、CkWRKY39、CkWRKY45、CkWRKY55分别和参与干旱胁迫的蛋白聚为一支,且C端锌指结构均为C2H2;CkWRKY20、CkWRKY54和参与低温胁迫中陆地棉的GhWRKY62、毛果杨的PtWRKY34、西洋参的PqWRKY7、旱地棉的GaWRKY28、陆地棉的GhWRKY73以及小麦的TaWRKY19和TaWRKY10聚为一支.本研究基于牛樟高通量转录组数据,探究牛樟WRKY转录因子家族生物学特性,为深入研究牛樟WRKY基因非生物胁迫调控提供科学依据.

密码子偏好性(codon usage bias)是指同义密码子的使用频率不同的现象,该现象广泛存在于植物中.本研究利用Codon W 1.4.2和CUSP软件分析思茅松(Pinus kesiya var.langbianensis)叶绿体基因组的45条CDS,结果显示思茅松叶绿体基因组密码子第三位碱基的GC含量为29.63％,偏好以AT碱基结尾;ENC值在37.66～60.30之间,且ENC值＞45的CDS有37个,占总参试基因的82.22％;GC1、GC2、GC3与GCall均为极显著相关,GC3与ENC呈显著相关.中性绘图分析显示GC12和GC3的相关系数为-0.1114,回归系数为-0.1111;ENC-plot软件分析显示大部分基因与标准曲线的距离较远;PR2-plot软件分析显示思茅松叶绿体基因组在密码子的碱基使用频率方面,T＞A,G＞C.这些说明思茅松叶绿体基因密码子偏好性的主要影响因素为选择,突变的作用较小.本研究为思茅松种源选择、系统发育等研究提供科学依据.

以云南蓝果树叶绿体基因组为研究对象,采用Codon W 1.4.2等软件,通过分析云南蓝果树叶绿体基因组52个基因密码子的偏好性,探究影响密码子使用偏性形成的主要因素.结果 表明:1)Codon W和CUSP软件分析显示密码子第3位碱基GC含量为28.40％,ENC值＞45的基因有39个,说明密码子偏好以AT结尾,且存在较弱偏性.2)中性绘图分析显示,GC12与GC3的相关系数为0.161 2,相关性不显著,说明密码子第1、第2位与第3位碱基组成存在显著差异.3)ENC绘图结合ENC比值频率表显示,大部分基因距离标准曲线较远,说明密码子偏好性主要受选择的影响.4)PR2-plot分析显示密码子第3位碱基使用频率方面,T＞A,G＞C,说明密码子偏好性受多重因素影响.5)确定UUG、UCA、GCU、AAU、GAU和GGA为最优密码子.综上所述,云南蓝果树叶绿体基因组密码子的使用主要受选择的影响,受其他如突变等因素的影响较弱.

法尼基焦磷酸合酶(famesyl pyrophosphate synthase,FPS)是萜类化合物生物合成过程中的关键酶和限速酶,影响后续支路产物的代谢.为探究牛樟芝中Ac FPS基因与萜类化合物生物合成间的关系,本研究从牛樟芝基因组中分离并克隆得到AcFPS基因,并对其蛋白进行生物信息学分析,比较AcFPS基因在含不同碳、氮源添加物培养基上的表达量.结果 表明,AcFPS基因含5个外显子、4个内含子,其外显子拼接总长1 095 bp,编码364个氨基酸;AcFPS是一种位于细胞质中无信号肽和跨膜结构的蛋白,该蛋白含有4个保守序列,分别为DomainⅠ(GGKLNRG LSVVD)、DomainⅡ(DDMMD)、DomainⅢ(KFSLQKHXLIVIXKT)、DomainⅣ(DDFLD);牛樟芝AcFPS与污叉丝孔菌(XP_007371273)、白腐菌(XP_008044628)、绣球菌(XP_027616692)、根纤维孔菌(XP_012183648)和绵腐卧孔菌(XP_024343411)等多孔菌目真菌的FPS蛋白聚为一支;以果糖为碳源、以番茄浸粉为氮源能有效诱导AcFPS基因的表达.本研究为深入解析牛樟芝萜类化合物合成分子机制及其异源表达提供了依据.

以黄花滇牡丹为试材,克隆得到2条查尔酮异构酶基因(PdCHI1和PdCHI2)的cDNA全长,以生物信息学手段预测其功能,并检测这2条基因在花不同发育时期的表达量,以期了解滇牡丹花色的形成原因.结果表明:PdCHI1基因长654 bp,编码217个氨基酸;PdCHI2基因长666 bp,编码221个氨基酸;PdCHIl与圆叶牵牛(Ipomoea purpurea, AAB86474)、脐橙(Citrussinensis,BAA36552)、大豆(Glycine max, AAT94360)和百脉根(Lotusjaponicus,BAC53984)等高等植物的Ⅰ型CHI蛋白聚为一支;PdCHI2与玉米(Zea mays, NP_001151452)、大豆(Glycine max AAT94362)和葡萄(Vitisvinifera ,XP_002280158)的I型CHI蛋白聚为一支.PdCHI1基因的表达量花蕾期最高,初花期和盛花期急剧降低,末花期的表达微量提升;而PdCHI2基因的表达量随着花的不断发育呈现逐渐降低的趋势.

为了探讨印度紫檀(Pterocarpusindicus)萜类化合物的生物合成,本研究通过对合成萜类物质的MEP途径的第一个限速酶(1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶,DXS)基因进行克隆,获得了印度紫檀DXS的全长cDNA PiDXS基因(NCBI登录号:MK959226),并对其进行生物信息学和组织表达特异性分析.结果显示:PiDXS基因cDNA开放阅读框长2 025 bp,编码674个氨基酸,Blast比对发现,PiDXS具有一个二磷酸硫胺结合位点和一个转酮醇酶结构域;系统进化分析显示,PiDXS基因与大豆DXS和狭叶羽扇豆DXS聚为一类;组织表达特异分析结果显示PiDXS在茎、叶、树皮和根中均能表达,主要在幼嫩的组织中表达.研究结果为确定印度紫檀中DXS的基因功能以及揭示印度紫檀萜类化合物的生物合成提供了基础.

为研究3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶基因(HMGS)在思茅松二萜类生物合成中的作用机制,采用RT-PCR技术从思茅松中获得3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶基因的cDNA序列.序列分析显示,该基因全长1425 bp,编码474个氨基酸,属于HMGS基因家族.序列比对分析显示PkHMGS基因所编码的氨基酸序列拥有HMGS家族蛋白特有的保守序列GNTEIEGVDSTNACYGGTA,与樟子松HMGS的蛋白序列同源性为99.79％.系统进化分析显示,思茅松与裸子植物的HMGS聚为1支,与樟子松的亲缘关系最近.荧光定量PCR分析表明,在思茅松的树皮中HMGS基因的表达明显受到割脂物理伤害的诱导,在高产脂思茅松松针表达量最高.结果 为揭示思茅松高产脂的分子机理提供理论依据.

肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoA reductase,CCR)在木质素生物合成途径中起着关键作用.本研究依据转录组数据设计特异性引物,采用RT-PCR方法从竹叶花椒(Zanthoxylum armatum)中克隆得到一个全新的CCR基因的全长cDNA序列,命名为ZaCCR.序列分析结果表明,ZaCCR包含完整的cDNA开放阅读框(OFR),由990 bp组成,编码329个氨基酸.Blast比对结果显示该蛋白质属于CCR家族蛋白;系统进化树结果显示竹叶花椒(Zanthoxylum armatum)与芸香科植物甜橙(Sweet orange,Citrus sinensis、蜜柑(Satsuma mandarin,Citrus unshiu)等亲缘关系较近.荧光定量PCR检测显示,ZaCCR在竹叶花椒中的表达量从大到小分别为:嫁接树的茎、实生树的茎、嫁接树的叶、实生树的叶.

为研究肉桂酰辅酶A还原酶基因(CCR)在西南桦木质素合成中的作用机制,采用RT-PCR技术从西南桦中克隆得到1个具完整开放阅读框的肉桂酰CoA还原酶基因(BaCCR),该基因全长975 bp,编码324个氨基酸.序列比对分析显示西南桦CCR蛋白序列与胡桃、欧洲栓皮栎、梅、甜樱桃的蛋白序列相似性均在80％以上.BaCCR拥有CCR蛋白的NADP结合域和底物结合域KNWYCYGK.进化分析表明,BaCCR与梅、甜樱桃、亚洲棉、葡萄聚为一个枝系.转录模式分析表明,BaCCR基因在根和小枝中高量表达.

FAD2是亚油酸合成的关键酶,是控制高油酸特性的重要基因.本研究采用RT-PCR技术在蒜头果中成功克隆得到一个FAD2基因,命名为MoFA D2,GenBank登录号为MK210593.其含有1 329 bp开放阅读框,编码442个氨基酸.序列比对分析显示MoFAD2拥有FAD2家族特有的3个保守的组氨酸中心位点,蒜头果FAD2与中粒咖啡(Coffea canephora) FAD2的蛋白序列同源性为80.00％.系统进化树分析显示MoFAD2与石榴(Punica granatum)、珙桐(Davidia involucrata)聚为一支.荧光定量PCR分析表明MoFAD2在果实和叶中均有表达,但在蒜头果果实膨大期的表达量最高.研究为将来更好地开发利用蒜头果油用价值和进一步开展FAD2在不饱和脂肪酸生物合成过程中的调控作用研究奠定基础.

为了探明牛樟芝三萜化合物合成途径中的关键限速酶羟甲基戊二酰辅酶A合成酶的调控机制,为其三萜生物合成酶表达机制的研究提供参考,从牛樟芝中分离并克隆出1个基因,将其命名为AcHMGS,利用生物信息学分析软件了解其结构特性,分析该基因在不同碳氮源添加物培养基上的表达情况.结果表明,AcHMGS基因含有完整的开放阅读框,全长为1440bp,编码574个氨基酸;含有6个外显子、5个内含子.由蛋白质活性保守位点分析可知,AcHMGS蛋白包含由21个氨基酸组成的活性中心"GNTDIEGVDSKNACYGSTASL"和5个参与底物催化的保守氨基酸,其中2个能影响酶的活性.分子系统进化分析显示,AcHMGS蛋白与根纤维孔菌蛋白具有较高的同源性.AcHMGS基因的表达量在不同碳氮源添加物的培养基上差异显著,以甘露醇为碳源添加物、牛肉浸粉为氮源添加物的诱导表达量最高.

密码子偏好性广泛存在于各种植物中.本研究利用Codon W和在线软件CUSP分析西南桦(Betula alnoides)叶绿体基因组中的45条蛋白编码序列.结果 显示,西南桦叶绿体基因组的ENC值在36.86～56.10之间,密码子第3位上的GC含量为27.80％,RSCU＞1的密码子中有23个以A或U作为结尾,说明其密码子偏好以AU结尾;ENC与密码子第3位碱基的GC含量呈显著相关;3种图形分析均表明西南桦叶绿体基因组密码子偏好性受突变影响较大;最优密码子以C结尾的有7个,G结尾的有2个,U结尾的有1个.本研究为西南桦无性系地理种源鉴定、保持种源多样性提供了科学依据.

为了解乳油木叶绿体基因组密码子的使用模式,该研究以从乳油木叶绿体基因组中筛选得到53条长度大于300 bp且非重复的CDS (Coding DNA sequence)序列为材料,利用Codon W 1.4.2和在线软件CUSP分析其密码子偏好性.结果 显示,密码子第3位GC含量为27.47％,ENC范围在36.31～56.88,平均值为42.98.RSCU值大于1的密码子有28个,其中27个以A或U为结尾.中性绘图分析、ENC-plot分析和PR2-plot分析的结果显示乳油木叶绿体基因密码子偏好性主要受突变的影响.最优密码子为GGA、GAU、CAU和UUG.本研究结果为提高异源基因表达水平、改良乳油木重要经济性状等提供参考依据.

查尔酮合成酶(chalcone synthase,CHS)是植物次生代谢途径中的关键酶.本研究依据转录组数据设计特异性引物,采用RT-PCR方法成功地从竹叶花椒(Zanthoxylum armatum)中克隆得到一个全新的CHS基因的全长cDNA序列,命名为ZaCHS (NCBI登录号:MK953733).序列分析结果表明,ZaCHS包含完整的cDNA开放阅读框(OFR),由1 173 bp组成,编码390个氨基酸.Blast比对结果显示该蛋白属于CHS家族蛋白;系统进化树结果显示竹叶花椒ZaCHS与芸香科植物甜橙、克里曼丁桔等的CHS亲缘关系较近.荧光定量PCR检测显示,ZaCHS在竹叶花椒中的表达量从高到低分别为:嫁接树的叶、嫁接树的茎、实生树的茎、实生树的叶.通过对竹叶花椒CHS基因进行克隆与分析,为后续深入研究竹叶花椒类黄酮代谢途径相关基因、CHS基因表达调控以及CHS基因家族进化提供帮助.

氰苷是由植物细胞色素P450单加氧酶（CYP）催化氨基酸生成的次生代谢产物,与植物的防御和抗逆境胁迫相关。为了获得蒜头果中与氰苷生物合成有关的CYP基因,本研究通过分析蒜头果转录组数据,从中分离并克隆得到1条细胞色素P450基因（命名为MoCYP79）,并对其进行生物信息学分析及检测该基因在果实不同发育时期的具体表达情况。结果显示,MoCYP79基因的cDNA全长1 632 bp,编码543个氨基酸;MoCYP79蛋白含有CYP家族的识别结构域血红素结合域（FSTGRRGC）,且与巨桉（XP 0 10027351.1）、木薯（AAF27290.1, AAF27289.1）等植物CYP79蛋白聚在一支;MoCYP79基因在蒜头果花谢后的果实中表达量呈下降趋势,除发育3个月的果实外,该基因在其余的果实中的表达量均显著高于叶片,从大到小依次为花谢后的果实1个月＞2个月＞4个月3个月。本实验对研究蒜头果的对病虫害的防御、逆境胁迫的抵御及蒜头果中有效次生代谢产物的发掘具有重要的意义。

聚酮化合物具有丰富的生物活性,为了解红汁乳菇(Lactarius hatsudake)中聚酮合酶基因,从红汁乳菇基因组中分离并克隆得到LhPKS1基因,通过生物信息学分析推测其功能,并通过RT-PCR验证该基因的表达量.结果显示,LhPKS1基因全长cDNA含有6 036 bp,编码2 011个氨基酸残基,结构域顺序依次为SAT-KS-AT-PT-ACP-TE,该蛋白无跨膜结构和信号肽,聚类分析显示LhPKS1蛋白与参与生物合成苔色酸的真菌PKS蛋白聚为一支.在以10％肌醇、2％和10％的山梨醇为碳源添加物及以番茄浸粉为氮源添加物时,该基因表达量较高.研究有助于通过LhPKS1基因的过表达及异源表达,为大量获取苔色酸类化合物及其骨架提供参考.

真菌非核糖体多肽通常具有多种生物学活性.本研究从球孢白僵菌基因组中挖掘出其非核糖体多肽合成酶基因(BbNRPS),克隆获得其全长cDNA,并对该基因进行生物信息学和表达谱分析.结果 显示,BbNRPS基因cDNA开放阅读框总长4 194bp,编码1 397个氨基酸残基,BLAST比对发现其包含A-T-C结构域;SignalP显示其为分泌蛋白,位于细胞质基质.系统发育显示BbNRPS蛋白序列与其他合成铁载体SidC的NRPS聚为一类,推测其合成铁载体.表达谱显示,肌糖能促进BbNRPS基因的表达.该研究为球孢白僵菌NRPS基因的挖掘提供参考.

通过分析灰毛浆果楝叶绿体基因组密码子的使用特征,探讨影响其密码子使用偏性的主要因素.从灰毛浆果楝叶绿体基因组中筛选出54条编码序列(CDS),利用Codon W 1.4.2和CUSP软件计算不同基因密码子各位置的GC含量,以明确灰毛浆果楝叶绿体基因组密码子的使用偏性规律.结果显示:灰毛浆果楝叶绿体基因组密码子第3位碱基的GC含量为28.95％,即第3位密码子富含A和U,有效密码子数(Nec)在34.60～61.00之间,Nec 值大于45的CDS有39个;相对同义密码子使用度(URSC)值大于1的密码子有29个,其中16个以U结尾,12个以A结尾;中性绘图分析结果显示GC12 和GC3 的相关系数为0.098 4,相关性不显著,回归系数(对角线斜率)为0.137 9;基因Nec 比值大多数分布在－0.05～0.05区间外,即大部分基因Nec 值与预期值差距较大;相关关系分析显示,GC3 与GC1 、GC2 均未达到显著相关,Nec 与GC3 呈极显著相关.综合分析发现灰毛浆果楝叶绿体基因组密码子偏好性较弱,选择为主要影响因素,同时受到其他因素的影响.结合高表达优越密码子和高频密码子确定GUU、GUA、UCU、AGU、CCU、ACU、GGU、GCU、CAA、AAA、UGU、AGA和AUU等13个密码子为最优密码子.

为了研究二氢黄酮醇4-还原酶基因(DFR)对滇牡丹(Paeonia delavayi)花瓣中花色形成的作用,本研究采用RT-PCR技术首次从滇牡丹中克隆得到一个具有完整开放阅读框的二氢黄酮醇4-还原酶基因(PdDFR),生物信息学分析和转录模式分析显示,该基因全长1 050 bp,共编码349个氨基酸,其蛋白序列与黄牡丹(Paeonia lutea) DFR的蛋白序列具有99.00％的一致性.序列比对分析显示PdDFR基因存在一个由21个氨基酸组成的NADPH结合位点“VTGATGYIGSWLVKTLLERGN”.滇牡丹PdDFR蛋白与黄牡丹(Paeonia lutea,ALX35996.1)、蓖麻(Ricinus communis,XP_015577076.1)、木薯(Manihot esculenta,XP_021607-041.1)的DFR蛋白聚为一类;转录模式分析表明PdDFR基因在红色花瓣中有表达,在根、茎、叶中不表达.本研究通过对滇牡丹转录组数据的分析,分离并克隆得到PdDFR基因,为利用基因工程技术选育优良滇牡丹花卉品种提供理论参考.