植物氧化还原酶：起源、进化与功能研究

本书是关于植物氧化还原酶的系统性研究成果的汇总，涉及多个植物氧化还原酶家族的挖掘、鉴定，并对其起源、进化和功能等进行研究。作者团队创立过氧化物酶专业数据库PeroxiBase，并多次升级至最新版本氧化还原酶专业数据库RedOxiBase；开发了多个用于氧化还原酶家族鉴定、分析的工具和流程；构建了植物中几个过氧化物酶家族的起源模型、剂量进化模型，基因和蛋白质结构进化模型；研究了氧化还原酶在植物生物胁迫应答中的功能等。本书对本团队的以上工作进行了介绍。
本书可供从事氧化还原生物学、生物信息学、数据库学、植物基因组学和分子生物学等分支学科教学、科研的高校师生和科研机构研究人员参考。

李强，1984年生，于2015年在法国图卢兹第三大学（ UPS )／法国国家科学研究中心（ CNRS ）植物科学研究室（ LRSV ）获得植物发育学博士学位。法国国家植物基因组资源中心（ CNRGV )访问学者，现为西南大学副教授、硕士研究生导师。氧化还原酶专业数据库 RedOxiBase 的开发者和数据注释专家。长期从事植物氧化还原酶相关研究，在国内外期刊发表研究论文60余篇，担任20余家国内外杂志的评审专家。

活性氧（reactive oxygen species，ROS） 是植物胁迫响应和组织发育中的重要信号分子。其稳态调控对于植物的发育和环境适应至关重要。植物细胞中，以过氧化物酶为主的氧化还原酶（oxidoreductase）系统肩负着ROS 稳态调控的重要任务。植物的氧化还原酶系统由若干多基因家族组成，对这些基因家族的挖掘、注释、起源、进化和功能的研究将为植物的胁迫适应和抗性建成提供重要的理论基础。本书围绕植物的氧化还原酶系统，基于生物信息学、数据库学、植物基因组学和分子生物学等技术，对植物氧化还原酶家族进行鉴定，并对其起源、进化和功能进行深入研究，为更好地理解氧化还原酶在植物适应环境中的功能奠定理论基础，为相关领域诸如氧化还原生物学、生物信息学、数据库学、植物基因组学和分子生物学等分支学科，尤其是植物抗逆领域的科研工作提供科学借鉴。
本书是作者在长期从事植物氧化还原酶研究的基础上经过系统归纳和总结而成，其中包含作者在法国国家科学研究中心（French National Centre for Scientific Research，CNRS） 和法国图卢兹第三大学（Université Toulouse III–Paul Sabatier，UPS） 共建的植物科学研究室（Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales，LRSV） 攻读博士学位期间的四年科研成果，以及在法国植物基因组生物资源中心（Centre for Biological Resources Dedicated to Plant Genomics，CNRGV）交流学习成果和在西南大学的七年教学和科研成果，所以可以说本书介绍的大部分研究内容均为西南大学和法国图卢兹第三大学等单位合作的成果。作者在法国留学期间，作为氧化还原酶数据库PeroxiBase 的主要构建者之一进行了氧化还原酶多基因家族的注释、起源、进化和功能研究；在西南大学期间，围绕氧化还原酶与植物抗病性的相关性展开深入研究，鉴定了多个与植物抗病相关的氧化还原酶成员。作者通过多年来的持续性探索和研究，产生了诸多的原创性成果，这为本书的顺利成型奠定了基础。本书在内容编排上打破了原有研究内容的框架，以解决科学问题为主，结合以往发表的论文以及未发表的数据，查漏补缺，重新组织而成。
本书紧紧围绕植物氧化还原酶介绍了理论研究、方法研究和应用研究等多方面内容，具体包括植物氧化还原酶的鉴定、起源、进化和功能等。本书分为四篇十四章：第一篇为相关理论与国内外研究概述，综述了活性氧及其调控（第一章）和氧化还原酶进化与功能研究进展（第二章）；第二篇为氧化还原酶数据库，介绍了新氧化还原酶数据库的建立和升级（第三章），开发了氧化还原酶基因家族注释流程（第四章）；第三篇为氧化还原酶的起源与进化，建立了植物氧化还原酶起源和剂量（基因数量、酶活）进化模型（第五章）、基因复制与“热点”形成模型（第六章）、基因诞生与丢失模型（第七章）、基因结构进化模型（第八章）和蛋白结构进化模型（第九章）；第四篇为氧化还原酶与植物抗病相关性，研究了植物生物胁迫相关的过氧化物酶（第十章）、过氧化氢酶（第十一章）、抗坏血酸过氧化物酶（第十二章）、呼吸爆发氧化酶（第十三章）和超氧化物歧化酶（第十四章）等。
本书是多人合作的产物。在这里要特别感谢植物氧化还原酶领域知名专家，我的博士导师Christophe DUNAND 教授，感谢他让我成为团队的一员，并为我的科研提供了非常专业的指导和建议。也要感谢同事Nizar FAWAL、Hua WANG、Philippe RANOCHA、Bruno SAVELLI、Catherine MATHE、Marie BRETTE、Marcel ZAMOCKY 等在本书中的项目执行期间的知识分享、专业建议以及对氧化还原酶数据库PeroxiBase 和RedOxiBase 的开发、维护和升级。感谢Hélène BERGES 教授和Endymion COOPER 博士对基因组测序和分析的支持和建议。感谢西南大学的陈善春研究员、何永睿副研究员、邹修平研究员、龙琴副研究员、宋庆玮博士，以及研究生傅佳、喻奇缘、杨雯、秦秀娟、祁静静、樊捷、黄馨、窦万福、胡安华、张晨希、线宝航和贾瑞瑞等在实验操作、数据分析和书稿撰写过程中的辛苦付出。
本书的出版和相关研究的执行获得了“国家重点研发项目：长江上游特色濒危农业生物种质资源抢救性保护与创新利用（2022YFD1201600）”“国家现代农业（柑桔) 产业技术体系（CARS-26)”“西部（重庆）科学城种质创制大科学中心长江上游种质创制与利用工程研究中心科技创新基础设施项目（2010823002）”“中央高校基本科研业务费（SWUXDJH202308）”和“国家留学基金委员会公派留学奖学金”的支持，在此一并感谢。最后，感谢众多参考文献的国内外作者，正是站在你们的肩上，本书取得了些许亮点。
由于本人水平有限，疏漏和不足之处恐难避免，敬请专家学者和广大读者不吝赐教。

李强
2024年7月 

第一篇 活性氧相关理论与国内外研究概述
第一章 活性氧及其稳态 002
第一节 活性氧 002
一、活性氧的概念 002
二、活性氧产生的位置 003
三、活性氧的功能 004
四、活性氧过量产生的胁迫条件 005
五、活性氧的氧化损伤 006
第二节 活性氧稳态调控 007
一、活性氧是一把“双刃剑” 007
二、非酶促系统 008
三、酶促系统 009

第二章 CⅢ类过氧化物酶 012
第一节 CⅢ类过氧化物酶的酶促循环 012
第二节 CⅢ类过氧化物酶的功能多样性 013
一、CⅢ类过氧化物酶参与细胞壁木质化 013
二、CⅢ类过氧化物酶参与植物非生物胁迫响应 013
三、CⅢ类过氧化物酶参与植物生物胁迫响应 013


第二篇 氧化还原酶数据库与多基因家族注释
第三章 氧化还原酶数据库 016
第一节 CⅢ类过氧化物酶数据库 016
一、CⅢ类过氧化物酶数据库PeroxiBase 016
二、过氧化物酶数据库 017
三、过氧化物酶家族分类工具PeroxiScan 017
第二节 过氧化物酶进化分析数据库 018
一、过氧化物酶数据库的升级概述 018
二、多参数检索 019
三、多基因家族半自动注释 021
四、基因家族分类工具：新PeroxiScan 021
五、进化分析的新工具：PhyML 022
六、基因结构分析的可视化工具：GECA 022
七、新数据类型和展示方式 023
八、更多的数据量 023
九、新PeroxiBase 的工作流程 025
十、数据库的基本功能：Browse the Database 026
第三节 RedOxiBase：活性氧稳态调节蛋白质数据库 026
一、RedOxiBase 概述 026
二、新的交互界面 026
三、进化分析的新工具：Orthogroup 028
四、比较基因组学的新工具：Circos 和Chromodraw 028
五、蛋白质表达分析工具：ExpressWeb 028

第四章 氧化还原酶多基因家族注释 032
第一节 基因家族自动注释：问题和解决方案 032
一、核酸测序和组装 032
二、基因注释的热潮 036
三、基因组注释的方法与步骤 036
四、基因组注释偏差 037
五、改进基因组自动注释偏差的方法 037
第二节 氧化还原酶家族专属注释流程 039
一、氧化还原酶自动注释错误率高 039
二、氧化还原酶自动注释常见错误 040
三、氧化还原酶家族注释的专用流程 042


第三篇 氧化还原酶的起源与进化
第五章 氧化还原酶的起源 046
第一节 非动物过氧化物酶的起源 046
一、非动物过氧化物酶 046
二、非动物过氧化物酶有保守的3D 结构 048
三、CⅢ Prx 起源的基因结构证据 049
第二节 非动物过氧化物酶的基因剂量进化 049
一、数据来源和过氧化物酶注释 049
二、非动物过氧化物酶具有特定的分类学分布 050
第三节 非动物过氧化物酶的蛋白剂量进化 053
一、生物体的培养和收集 053
二、APX、CcP 和CⅢ过氧化物酶的活性测定 054
三、CⅢ过氧化物酶在陆生植物中的活性高于藻类 054
第四节 植物过氧化物酶的起源和进化模型 057

第六章 氧化还原酶基因的获得与丢失 058
第一节 数据来源和基因注释 058
一、数据来源 058
二、氧化还原酶的注释流程 059
三、注释结果 060
四、实验检测是必要且有效检测“遗漏”基因的步骤 062
第二节 四个桉树物种中的11 个ROS 调控家族的比较 071
一、进化过程中的基因得失事件 071
二、氧化还原酶基因家族的表达谱 073
三、四个桉树物种的分化 074

第七章 过氧化物酶基因的复制与“热点” 077
第一节 氧化还原酶的系统发育和染色体定位 077
一、氧化还原酶的系统发育分析 077
二、氧化还原酶基因的染色体定位和“热点”现象 077
第二节 氧化还原酶基因家族的保守性 080
一、氧化还原酶基因家族具有不同的保守性 080
二、大小变异的家族包含基因复制事件 082
三、重复的基因具有不同的表达谱 084

第八章 植物CⅢ Prx 的基因结构进化 086
第一节 植物CⅢ Prx 基因结构鉴定 086
第二节 CⅢ Prx 家族的结构差异 089
一、CⅢ Prx 的内含子类型 089
二、低等植物CⅢ Prx 基因结构 089
三、CⅢ Prx 的多种基因结构类型 089
第三节 单、双子叶植物CⅢ Prx 基因结构分化 092
一、内含子频率差异 092
二、内含子数量差异 092
三、内含子大小差异 093
第四节 CⅢ Prx 基因结构进化 093
一、CⅢ Prx 的经典内含子经历了内含子丢失事件 093
二、CⅢ Prx 的稀有内含子经历了内含子增益事件 094
三、CⅢ Prx 基因祖先结构和进化模型 095

第九章 CⅢ Prx 的蛋白质结构进化 098
第一节 CⅢ Prx 的二硫键结构进化 098
一、CⅢ Prx 的二硫键结构 098
二、CⅢ Prx 的二硫键缺失 099
第二节 CⅢ Prx 的保守基序进化 099


第四篇 ROS 调控蛋白与植物抗病相关性研究
第十章 CⅢ Prx 家族与植物抗病相关性 102
第一节 柑橘CⅢ Prx 家族鉴定 102
一、柑橘CⅢ Prx 家族的鉴定流程 102
二、柑橘CⅢ Prx 家族 103
第二节 柑橘CⅢ Prx 家族的生物信息学分析 109
一、柑橘CⅢ Prx 家族的系统发育分析 109
二、柑橘CⅢ Prx 家族的基因结构和保守基序 109
三、柑橘CⅢ Prx 的种内和种间共线性分析 114
四、柑橘CⅢ Prx 家族的染色体定位 114
五、柑橘CⅢ Prx 家族基因的强纯化选择 116
第三节 柑橘CⅢ Prx 家族的表达分析 117
一、Xcc 诱导柑橘CⅢ Prx 的表达 117
二、激素诱导柑橘CⅢ Prx 的表达 118
三、两个柑橘CⅢ Prx 的亚细胞定位分析 119

第十一章 Cat 家族与植物抗病相关性 121
第一节 CsCat01 克隆与生物信息学分析 121
一、CsCat01 编码序列和启动子克隆 121
二、CsCat01 生物信息学分析 121
三、CsCat01 系统发育分析 122
第二节 CsCat01 的表达分析 124
一、CsCat01 受植物激素的诱导表达分析 124
二、CsCat01 受柑橘溃疡病菌侵染的诱导表达分析 125
三、柑橘溃疡病菌诱导下CAT 酶活性和H2O2 含量变化 126
四、CsCat01 调控柑橘对溃疡病抗性的模型 126

第十二章 APX 家族与植物抗病相关性 128
第一节 柑橘APX 家族 128
一、柑橘APX 家族的鉴定 128
二、柑橘APX 家族的理化性质 129
第二节 柑橘APX 家族的生物信息学分析 130
一、柑橘APX 家族的系统发育分析、染色体定位、共线性分析和基因结构 130
二、柑橘APX 家族的保守基序和功能域分析 131
三、柑橘APX 家族的启动子元件分析 131
四、柑橘APX 家族的蛋白质互作网络 134
第三节 柑橘APX 家族的表达分析 136
一、植物激素对柑橘APX 家族的诱导表达 136
二、Xcc 对柑橘APX 家族的诱导表达 137
三、CsAPX01 和CsAPX02 的瞬时表达 138

第十三章 Rboh 家族与植物抗病相关性 140
第一节 Rboh 类转录因子的研究背景 140
第二节 柑橘Rboh 家族 141
一、柑橘Rboh 家族鉴定和理化性质 141
二、柑橘Rboh 家族的二级结构 142
第三节 柑橘Rboh 家族的生物信息学特征 142
一、柑橘Rboh 家族的系统进化分析 142
二、柑橘Rboh 家族的染色体定位和基因结构 144
三、柑橘Rboh 家族的多序列比对和功能结构域 144
四、柑橘Rboh 家族的保守基序分析 146
五、柑橘Rboh 家族的启动子顺式作用元件 146
第四节 柑橘Rboh 家族的表达模式 147
一、激素诱导柑橘Rboh 家族的表达模式 147
二、柑橘溃疡病菌诱导柑橘Rboh 家族的表达模式 149

第十四章 SOD 家族与植物抗病相关性 152
第一节 柑橘SOD 家族 152
第二节 柑橘SOD 家族的生物信息学分析 153
一、柑橘SOD 家族在染色体上的分布和基因结构 153
二、柑橘SOD 的功能结构域 154
三、柑橘和拟南芥SOD 家族的系统发育和共线性分析 155
四、柑橘SOD 家族蛋白的保守序列分析 156
五、柑橘SOD 基因启动子中的顺式元件和转录因子结合位点分析 157
第三节 柑橘SOD 家族的表达模式 158
一、柑橘溃疡病菌诱导的柑橘SOD 家族表达模式 158
二、植物激素诱导的CsSOD 表达模式 159
三、CsSOD06 和CsSOD08 的瞬时表达 159


附录一 相关缩略词 162
附录二 相关软件、程序和数据库 167
附录三 与本研究相关的论文 169

参考文献 171

后记 176