高粱(Sorghum bicolor (L.)Moench）隶属于禾本科的一年生草本植物，同时也是一种重要C4模式植物。为了阐明FtsH基因在C4植物中的作用，本研究以高粱FtsH为研究对象，旨在深入探讨这个基因家族与高粱叶绿体器官建成与光合系统之间的关系。此外，高粱基因组已经被测序，这为FtsH基因家族的挖掘与分析提供了便捷。本文利用生物信息学技术从染色体定位、基因的结构与保守基序特征、组织表达谱、系统进化等多个方面来研究高粱FtsH基因。

1 材料与方法

1.1试验材料

为阐明FtsH家族基因的分子特性，本研究选择高粱作为目标物种；同时，为探索FtsH家族基因的系统进化关系，也选择了拟南芥、水稻、玉米、谷子和二穗短柄草物种。

1.2序列检索与下载

为检索高粱、水稻、二穗短柄草、玉米和谷子FtsH家族基因，我们首先登陆TAIR数据库[14]，从这个数据库的基因家族数据库中找到拟南芥FtsH基因，直接下载拟南芥FtsH基因，这些FtsH基因被命名为FtsH1～FtsH12(附表1)。以FtsH1、FtsH2、FtsH3和FtsH12等12个基因为检索序列，基于BLASTP程序对高粱、水稻、二穗短柄草、玉米和谷子物种基因组进行扫描，获取与拟南芥FtsH基因的同源基因，这些基因就是上述5种物种的FtsH基因。其中高粱FtsH基因有10个，它们分别列举在表1中。最后，利用得到的基因ID号码，从Phytozome数据库[15]中下载所有FtsH基因的核苷酸、基因组和蛋白序列。

1.3特异引物设计与基因片段克隆

为阐明具有共线性的高粱FtsH基因对之间的表达情况，首先在PGDD数据库(http://chibba.agtec.uga.edu/duplication/)[16]中对高粱的10个FtsH基因进行共线性分析，最终只有Sobic.003G195000和Sobic.009G256500具有明显共线性。为探讨这两基因的表达分化情况，对这两个序列进行比对，找到两者之间的变异区，根据变异区段设计特异性引物，进而利用RT-PCR克隆这两个基因相对应的片段序列，测序确认后。利用QRT-PCR方法分析这两个基因的时空表达规律。

1.4高粱FtsH基因家族的生物信息学分析

为了确定高粱FtsH基因家族成员在染色体上的分布情况，笔者利用这些基因的编码序列为探针，从高粱的全基因组上进行比对，检索出最佳的匹配位点，同时从高粱全基因组中下载这段序列，然后对两者进行比对分析，如果两者匹配，则认为该基因定位于这个位置。为明晰高粱FtsH基因的结构特点，利用每一个FtsH基因的DNA和CDS序列比对结果，确定外显子剪接方式和内含子所在位置，最后利用在线工具GSDS 2.0(http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)[17]绘制基因结构图。此外，利用MEME(http://meme-suite.org/)[18]工具对高粱10个FtsH蛋白的保守基序进行分析，同时绘制保守基序组成模式以及单个保守基序的隐马尔科模型图。

1.5高粱FtsH基因的表达分析

为探明高粱FtsH基因的时空表达规律，我们从NCBI数据库GEO和SRA子数据库中下载高粱的表达数据[19]。此外，下载到46个高粱器官组织或处理条件下器官组织的表达数据，整理这些数据，并计算出每一个样本的FPKM值，这个值可以估计基因的表达水平。最后，利用R语言绘制高粱10个FtsH基因的表达热图。

1.6高粱及其它植物FtsH基因的进化分析

为阐明高粱10个FtsH基因的系统进化关系，本研究利用Clustal X工具[20]对高粱、水稻、二穗短柄草、拟南芥、玉米和谷子FtsH家族蛋白序列进行比对分析，获得的比对结果被上传到Phylogeny.fr在线工具[21]上，利用其内置BioNJ工具构建相应的进化树，最终利用TreeDyn工具绘制进化树的图形，同时手工标记出高粱及其它植物FtsH家族的进化类群。

2 结果与分析

2.1高粱FtsH基因的生物信息学鉴定