水稻和拟南芥全基因组Xa21基因家族蛋白结构分析

摘要

近年来，随着多种生物的基因组计划的实施，使核酸和蛋白质等生物大分子的序列、结构等方面的数据迅速增长。与此同时，以计算机技术和网络技术为代表的信息科学也得以迅猛发展，二者的交叉学科一一生物信息学应运而生，它利用数据库和软件技术对大量积累的生物大分子序列数据进行比较和统计学分析，推导出序列同源性，揭示出生物大分子的分子结构、功能和进化的关系。 水稻作为重要粮食作物与禾本科模式植物系统，其基因组学研究一直受到各国科学家的重视。随着水稻基因组的测序完成，为模式生物比较基因组学研究的快速发展创造了条件。水稻Xa21基因编码蛋白为受体类激酶蛋白，其结构分为3大区域，N端和富亮氨酸重复区(LRR)、跨膜区(TM)和蛋白激酶(STK)。其中LRR区和STK区是两个重要部分，与Xa21的抗性表达有关。Xa21基因是目前所克隆的唯一具有广谱抗性的水稻抗白叶枯病基因，深入研究它的结构、功能以及进化无论是对植物抗病性基础理论的发展还是对水稻抗病育种均存在重要的指导意义。 本研究基于水稻与拟南芥全基因组测序数据，利用生物信息学分析方法与技术，对重要的抗性基因家族Xa21基因家族在两个模式生物间进行比较基因组学研究，明确水稻与拟南芥基因组中该类基因的数量、结构和编码氨基酸序列特征，以期为阐明基因家族的起源、功能进化问题以及为新基因的克隆提供参考。 我们采用BLAST(BasicLocalAlignmentSearchT001)和HMM(HiddenMarkovModel)分析，对NCBI数据库中水稻和拟南芥两个基因组全部注释基因进行搜索比对，分别鉴定出102个和95个Xa21类似基因，它们在基因组中呈不均匀分布。分别有27．4﹪水稻和20﹪拟南芥Xa21基因在基因组中集结成簇，最大的基因簇包含4个基因，大多数基因簇成员在进化树中组成同一分枝，暗示可能发生的基因近期复制事件。基因结构分析显示，少量的Xa21基因存在交替剪接位点，水稻和拟南芥分别为3个和4个。序列结构分析表明，两个基因家族的STK结构域的保守性强于LRR区域。多序列联配表明，Xa21基因的STK蛋白存在多个十分保守的氨基酸位点。此外，在水稻Xa21基因共有序列的LRR区域上游具有一个保守的motif(CnWxGVtC)，而拟南芥中未发现该保守序列区域。而LRRs数目在基因家族内部呈现较强变异性，其中，拟南芥Xa21基因蛋白序列中平均具有的LRR数目介于3～31个，平均为n.5个；而水稻中LRR数目介于2～32个，平均为15．0个。系统进化分析表明，当取bootstrap值大于75﹪作为分组依据时，水稻和拟南芥Xa21基因在进化树分别形成32和18组。对拟南芥和水稻Xa21基因家族的STK结构域进行进化分析表明，大部分水稻的STK蛋白和拟南芥STK蛋白在进化树上位于共同分枝上，暗示这些基因起源于共同的祖先；而一小部分水稻Xa21基因的STK蛋白则形成单独分枝，暗示这些基因与拟南芥亲缘关系较远，可能为水稻所特有。

目录

文摘

英文文摘

第1章基因组学研究概况

1.1基因组和基因组学的概念

1.2基因组学的特点

1.3基因组学的基本分析工具

1.3.1序列比对

1.3.2多序列联配

1.4植物基因组学研究现状

1.4.1模式植物基因组研究概况

1.4.2新基因的发现

1.4.3功能基因组学研究

1.4.4比较基因组学研究

1.5基因组学的发展前景和展望

参考文献

第2章植物抗性基因的结构、功能与进化

2.1植物抗病基因的结构和分类

2.1.1 R蛋白的基本结构

2.1.2 R蛋白的分类

2.2植物抗性基因的信号传导

2.2.1 R蛋白的识别

2.2.2 R蛋白的信号传导

2.3抗性基因的进化机制

2.3.1抗性基因在基因组中的分布

2.3.2抗性基因的复制和重排

2.3.3病原识别位点的适应性进化

2.3.4转座子与R基因

2.4展望

参考文献

第3章水稻全基因组Xa21基因家族结构分析

3.1材料和方法

3.1.1序列数据

3.1.2序列分析

3.2结果分析

3.2.1水稻Xa21同源基因的鉴定

3.2.2水稻Xa21基因家族同源物蛋白的分布

3.2.3水稻Xa21基因家族同源物蛋白结构

3.2.4水稻Xa21家族基因STK结构域的进化关系

3.3讨论

参考文献

第4章拟南芥全基因组Xa21基因家族蛋白结构分析

4.1引言

4.2材料和方法

4.2.1序列数据

4.2.2序列分析

4.3结果分析

4.3.1 拟南芥Xa21同源物的鉴定

4.3.2 拟南芥Xa21基因家族同源物的蛋白结构分析

4.3.3 拟南芥Xa21基因家族同源物的生物信学分析

4.3.4 拟南芥STK基因家族蛋白的系统进化分析

4.4讨论

参考文献

致谢

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