玉米基因组和基因家族ppt课件.ppt

玉米全基因组基因家族的研究与应用,1,.,被公布的生物基因组测序与日俱增,2,3,THEB73MaizeGENOME:,(Doebley1997),2,300MbOver32,000genes(50,000)Nearly85%AreRepeats,Science,Nov.22,2009,4,基因家族：在真核生物基因组进化中，由一个基因通过基因重复产生的两个或更多的拷贝。,具有相似的核酸序列，编码相似的蛋白质产物，并且可能功能相关。同一家族中的成员有时紧密的排列在一起，成为一个基因簇；更多的时候，它们却分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同染色体上。,5,.,玉米基因家族的研究,6,.,一、基因家族的特征分析二、基因家族的进化分析三、基因表达模式分析四、基因家族调控网络分析五、重要基因和调控元件的发掘,基因家族的主要研究方向,7,一、基因家族的特征分析,1.基因数量特征,8,.,（Pengetal.,2012，PLoSONE）,2.玉米HD-Zip类型基因染色体定位分析,9,3.Hsf类型基因motif分析,10,玉米中与抗逆有关C3H基因启动子区域顺式作用元件的分析,玉米C3H基因內含子结构分析,11,125个基因家族共计10394个基因,12,.,13,.,一、基因家族的特征分析二、基因家族的进化分析三、基因表达模式分析四、基因家族调控网络和关联性分析五、重要基因和调控元件的发掘,基因家族的主要研究方向,14,二、基因家族的进化分析,1.基因数量进化分析,15,.,Fig.4Venndiagramshowingtheclassificationof4,081maizeintronlessgenesintothreedomainsoflifebasedonhomology.Archaea(A),bacteria(B),eukaryote(E),archaeaandbacteria(AB),archaeaandeukaryotes(AE),bacteriaandeukaryotes(BE),archaea,bacteriaandeukaryotes(ABE).,16,玉米、水稻、拟南芥C3H蛋白结构及基序分析,玉米、水稻和拟南芥CCCH基序中3个半胱氨酸残基和1个组氨酸残基是高度保守的,玉米、水稻和拟南芥CCCH基序所含的氨基酸残基的类型和数目也十分相似。,2.基因结构进化分析,17,ZmHsf-04,ZmHsf-08,SuchobservationssuggesttheexpansionoftheseHsfgenesfollowingdivergenceofmonocotsanddicots.Inaddition,possiblegenelossduringthecourseofevolutionwassupportedbyphylogeneticreconstruction.,Hsf类型基因进化树分析,18,玉米、拟南芥C3H类型基因复合进化树分析,拟南芥C3H基因表达模式（WangDongetal.,2008）,19,Fig.2Distributionofmaizeintronlessgenesamong12cellularrolecategories.Aminoacidbiosynthesis(AAB),biosynthesisofcofactors(BC),cellenvelope(CE),cellularprocesses(CP),centralintermediarymetabolism(CIM),energymetabolism(EM),fattyacidmetabolism(FAM),purinesandpyrimidines(PP),regulatoryfunctions(RF),replicationandtranscription(RT),translation(T),transportandbinding(TB).,20,玉米基因组进化中的基因组复制和重组,Weietal.2007.PLOSGenetics,21,玉米热激转录因子（Hsf）家族的扩张模式,全基因组复制是其进化的主要动力,Linetal.,2011,BMCGenomics,22,通过全基因组基因家族比较基因组研究可深入进行物种间共线性和微共线性的鉴定,23,比较玉米和水稻之间Hsf基因的共线性关系,24,比较玉米和高粱之间Hsf基因的共线性关系,25,进一步验证了这12个玉米Hsf基因的四倍体起源。在玉米全基因组复制之后的一千多万年间，相应复制区段上的Hsf基因并未发生丢失，与其对应的水稻和高粱的直系同源基因也保存完好。这些保守的基因应具有重要的细胞调控功能，且直系同源基因间具有相似的功能，玉米的复制基因可能发生了功能的亚分化。,位于共线性区域的同源Hsf基因,26,一、基因家族的特征分析二、基因家族的进化分析三、基因表达模式分析四、基因家族调控网络分析五、重要基因和调控元件的发掘,基因家族的主要研究方向,27,利用NCBIEST数据库分析玉米MADS和Hsfs基因家族表达模式,三、基因表达模式分析,28,RT-PCR分析玉米NBS基因家族表达模式,图3.NBS基因家族在不同处理条件下的表达模式分析（1.对照；2.小斑病整株处理；3.小斑病叶片处理；4.水杨酸处理；）,（Chengetal.,2012,FEBSJ）,29,qRT-PCR分析玉米CCCH基因家族成员在不同组织中的表达模式（Pengetal.,2012，PLoSONE）,图4.玉米中与抗逆有关的C3H基因在不同组织中的表达量（R：根E：穗L：叶S：茎SK：花丝）,30,qRT-PCR分析玉米CCCH基因家族成员在不同处理条件下的表达模式（Pengetal.,2012，PLoSONE）,图5.经干旱和ABA处理后玉米CCCH基因的表达量（A：ABA处理；B：干旱处理）,31,一、基因家族的特征分析二、基因家族的进化分析三、基因表达模式分析四、基因家族调控网络分析五、重要基因和调控元件的发掘,基因家族的主要研究方向,32,GRMZM2G087094_P01Cell_envelope,GRMZM2G090087_P01Energy_metabolism,GRMZM2G313184_P01Cell_envelope,四、基因家族的基因作用网络和关联性分析,33,一、基因家族的特征分析二、基因家族的进化分析三、基因表达模式分析四、基因家族调控网络分析五、重要基因和调控元件的发掘,基因家族的主要研究方向,34,HD-Zip基因家族可以分为四个亚族(I-IV)，各个亚族执行不同的生理功能；亚族I成员主要参与干旱、高盐、脱落酸、渗透调节等各种极端环境胁迫反应。,水稻、玉米和拟南芥同源异性亮氨酸拉链(HD-Zip)基因家族的进化比较(Zhaoetal.,2011,PLoSone).,五、重要基因和调控元件的发掘,1.重要基因和调控元件的发现,根据进化和已知功能发现重要基因,35,Wheat(T.aestivumL.)Pucciniatriiticina（小麦叶锈病菌）,SorghumPericoniacircinata根茎腐病真菌,分别从玉米高抗南方锈病和茎腐病自交系齐319中克隆了ZmNBS56和ZmNBS55两个目标基因,NBS类抗病基因进化分析,36,.,根据表达谱发现重要基因和特异调控元件,全基因组芯片扫描能初步提供基因家族成员的表达模式。,37,荧光定量PCR更加准确的分析候选基因在特定组织或环境中的表达模式。,38,在特定器官或组织部位表达的基因，往往具有发育调节的特异性，对其启动子功能分析能够发现一些重要的调控元件。,非生物胁迫反应基因在其启动子区域存在多个胁迫应答元件，如：ABRE、DRE、LTRE。,39,WRKY转录因子是植物中一类重要的转录因子，前期研究中，我们在玉米中发现一个基因的表达受干旱、低温及高盐的调控。,2.重要基因和调控元件的克隆与功能分析,重要基因的克隆及功能验证,40,过量表达WRKY62基因能显著提高水稻的抗逆性。,旱胁迫,41,图2不同长度5端缺失载体图,图3筛减片段启动子的转基因株GUS组织化学染色1为叶片；2为茎；3为根；4为颖壳；5为胚乳,根特异启动子发掘,(2)调控元件的克隆及功能分析,42,43,克隆的玉米PAB5花粉特异