本書是關于植物氧化還原酶的系統性研究成果的匯總，涉及多個植物氧化還原酶家族的挖掘、鑒定，并對其起源、進化和功能等進行研究。作者團隊創立過氧化物酶專業數據庫PeroxiBase，并多次升級至最新版本氧化還原酶專業數據庫RedOxiBase；開發了多個用于氧化還原酶家族鑒定、分析的工具和流程；構建了植物中幾個過氧化物酶家族的起源模型、劑量進化模型，基因和蛋白質結構進化模型；研究了氧化還原酶在植物生物脅迫應答中的功能等。本書對本團隊的以上工作進行了介紹。
本書可供從事氧化還原生物學、生物信息學、數據庫學、植物基因組學和分子生物學等分支學科教學、科研的高校師生和科研機構研究人員參考。

李強，1984年生，于2015年在法國圖盧茲第三大學（ UPS )／法國國家科學研究中心（ CNRS ）植物科學研究室（ LRSV ）獲得植物發育學博士學位。法國國家植物基因組資源中心（ CNRGV )訪問學者，現為西南大學副教授、碩士研究生導師。氧化還原酶專業數據庫 RedOxiBase 的開發者和數據注釋專家。長期從事植物氧化還原酶相關研究，在國內外期刊發表研究論文60余篇，擔任20余家國內外雜志的評審專家。

活性氧（reactive oxygen species，ROS） 是植物脅迫響應和組織發育中的重要信號分子。其穩態調控對于植物的發育和環境適應至關重要。植物細胞中，以過氧化物酶為主的氧化還原酶（oxidoreductase）系統肩負著ROS 穩態調控的重要任務。植物的氧化還原酶系統由若干多基因家族組成，對這些基因家族的挖掘、注釋、起源、進化和功能的研究將為植物的脅迫適應和抗性建成提供重要的理論基礎。本書圍繞植物的氧化還原酶系統，基于生物信息學、數據庫學、植物基因組學和分子生物學等技術，對植物氧化還原酶家族進行鑒定，并對其起源、進化和功能進行深入研究，為更好地理解氧化還原酶在植物適應環境中的功能奠定理論基礎，為相關領域諸如氧化還原生物學、生物信息學、數據庫學、植物基因組學和分子生物學等分支學科，尤其是植物抗逆領域的科研工作提供科學借鑒。
本書是作者在長期從事植物氧化還原酶研究的基礎上經過系統歸納和總結而成，其中包含作者在法國國家科學研究中心（French National Centre for Scientific Research，CNRS） 和法國圖盧茲第三大學（Université Toulouse III–Paul Sabatier，UPS） 共建的植物科學研究室（Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales，LRSV） 攻讀博士學位期間的四年科研成果，以及在法國植物基因組生物資源中心（Centre for Biological Resources Dedicated to Plant Genomics，CNRGV）交流學習成果和在西南大學的七年教學和科研成果，所以可以說本書介紹的大部分研究內容均為西南大學和法國圖盧茲第三大學等單位合作的成果。作者在法國留學期間，作為氧化還原酶數據庫PeroxiBase 的主要構建者之一進行了氧化還原酶多基因家族的注釋、起源、進化和功能研究；在西南大學期間，圍繞氧化還原酶與植物抗病性的相關性展開深入研究，鑒定了多個與植物抗病相關的氧化還原酶成員。作者通過多年來的持續性探索和研究，產生了諸多的原創性成果，這為本書的順利成型奠定了基礎。本書在內容編排上打破了原有研究內容的框架，以解決科學問題為主，結合以往發表的論文以及未發表的數據，查漏補缺，重新組織而成。
本書緊緊圍繞植物氧化還原酶介紹了理論研究、方法研究和應用研究等多方面內容，具體包括植物氧化還原酶的鑒定、起源、進化和功能等。本書分為四篇十四章：第一篇為相關理論與國內外研究概述，綜述了活性氧及其調控（第一章）和氧化還原酶進化與功能研究進展（第二章）；第二篇為氧化還原酶數據庫，介紹了新氧化還原酶數據庫的建立和升級（第三章），開發了氧化還原酶基因家族注釋流程（第四章）；第三篇為氧化還原酶的起源與進化，建立了植物氧化還原酶起源和劑量（基因數量、酶活）進化模型（第五章）、基因復制與“熱點”形成模型（第六章）、基因誕生與丟失模型（第七章）、基因結構進化模型（第八章）和蛋白結構進化模型（第九章）；第四篇為氧化還原酶與植物抗病相關性，研究了植物生物脅迫相關的過氧化物酶（第十章）、過氧化氫酶（第十一章）、抗壞血酸過氧化物酶（第十二章）、呼吸爆發氧化酶（第十三章）和超氧化物歧化酶（第十四章）等。
本書是多人合作的產物。在這里要特別感謝植物氧化還原酶領域知名專家，我的博士導師Christophe DUNAND 教授，感謝他讓我成為團隊的一員，并為我的科研提供了非常專業的指導和建議。也要感謝同事Nizar FAWAL、Hua WANG、Philippe RANOCHA、Bruno SAVELLI、Catherine MATHE、Marie BRETTE、Marcel ZAMOCKY 等在本書中的項目執行期間的知識分享、專業建議以及對氧化還原酶數據庫PeroxiBase 和RedOxiBase 的開發、維護和升級。感謝Hélène BERGES 教授和Endymion COOPER 博士對基因組測序和分析的支持和建議。感謝西南大學的陳善春研究員、何永睿副研究員、鄒修平研究員、龍琴副研究員、宋慶瑋博士，以及研究生傅佳、喻奇緣、楊雯、秦秀娟、祁靜靜、樊捷、黃馨、竇萬福、胡安華、張晨希、線寶航和賈瑞瑞等在實驗操作、數據分析和書稿撰寫過程中的辛苦付出。
本書的出版和相關研究的執行獲得了“國家重點研發項目：長江上游特色瀕危農業生物種質資源搶救性保護與創新利用（2022YFD1201600）”“國家現代農業（柑桔) 產業技術體系（CARS-26)”“西部（重慶）科學城種質創制大科學中心長江上游種質創制與利用工程研究中心科技創新基礎設施項目（2010823002）”“中央高校基本科研業務費（SWUXDJH202308）”和“國家留學基金委員會公派留學獎學金”的支持，在此一并感謝。最后，感謝眾多參考文獻的國內外作者，正是站在你們的肩上，本書取得了些許亮點。
由于本人水平有限，疏漏和不足之處恐難避免，敬請專家學者和廣大讀者不吝賜教。

李強
2024年7月 

第一篇 活性氧相關理論與國內外研究概述
第一章 活性氧及其穩態 002
第一節 活性氧 002
一、活性氧的概念 002
二、活性氧產生的位置 003
三、活性氧的功能 004
四、活性氧過量產生的脅迫條件 005
五、活性氧的氧化損傷 006
第二節 活性氧穩態調控 007
一、活性氧是一把“雙刃劍” 007
二、非酶促系統 008
三、酶促系統 009

第二章 CⅢ類過氧化物酶 012
第一節 CⅢ類過氧化物酶的酶促循環 012
第二節 CⅢ類過氧化物酶的功能多樣性 013
一、CⅢ類過氧化物酶參與細胞壁木質化 013
二、CⅢ類過氧化物酶參與植物非生物脅迫響應 013
三、CⅢ類過氧化物酶參與植物生物脅迫響應 013


第二篇 氧化還原酶數據庫與多基因家族注釋
第三章 氧化還原酶數據庫 016
第一節 CⅢ類過氧化物酶數據庫 016
一、CⅢ類過氧化物酶數據庫PeroxiBase 016
二、過氧化物酶數據庫 017
三、過氧化物酶家族分類工具PeroxiScan 017
第二節 過氧化物酶進化分析數據庫 018
一、過氧化物酶數據庫的升級概述 018
二、多參數檢索 019
三、多基因家族半自動注釋 021
四、基因家族分類工具：新PeroxiScan 021
五、進化分析的新工具：PhyML 022
六、基因結構分析的可視化工具：GECA 022
七、新數據類型和展示方式 023
八、更多的數據量 023
九、新PeroxiBase 的工作流程 025
十、數據庫的基本功能：Browse the Database 026
第三節 RedOxiBase：活性氧穩態調節蛋白質數據庫 026
一、RedOxiBase 概述 026
二、新的交互界面 026
三、進化分析的新工具：Orthogroup 028
四、比較基因組學的新工具：Circos 和Chromodraw 028
五、蛋白質表達分析工具：ExpressWeb 028

第四章 氧化還原酶多基因家族注釋 032
第一節 基因家族自動注釋：問題和解決方案 032
一、核酸測序和組裝 032
二、基因注釋的熱潮 036
三、基因組注釋的方法與步驟 036
四、基因組注釋偏差 037
五、改進基因組自動注釋偏差的方法 037
第二節 氧化還原酶家族專屬注釋流程 039
一、氧化還原酶自動注釋錯誤率高 039
二、氧化還原酶自動注釋常見錯誤 040
三、氧化還原酶家族注釋的專用流程 042


第三篇 氧化還原酶的起源與進化
第五章 氧化還原酶的起源 046
第一節 非動物過氧化物酶的起源 046
一、非動物過氧化物酶 046
二、非動物過氧化物酶有保守的3D 結構 048
三、CⅢ Prx 起源的基因結構證據 049
第二節 非動物過氧化物酶的基因劑量進化 049
一、數據來源和過氧化物酶注釋 049
二、非動物過氧化物酶具有特定的分類學分布 050
第三節 非動物過氧化物酶的蛋白劑量進化 053
一、生物體的培養和收集 053
二、APX、CcP 和CⅢ過氧化物酶的活性測定 054
三、CⅢ過氧化物酶在陸生植物中的活性高于藻類 054
第四節 植物過氧化物酶的起源和進化模型 057

第六章 氧化還原酶基因的獲得與丟失 058
第一節 數據來源和基因注釋 058
一、數據來源 058
二、氧化還原酶的注釋流程 059
三、注釋結果 060
四、實驗檢測是必要且有效檢測“遺漏”基因的步驟 062
第二節 四個桉樹物種中的11 個ROS 調控家族的比較 071
一、進化過程中的基因得失事件 071
二、氧化還原酶基因家族的表達譜 073
三、四個桉樹物種的分化 074

第七章 過氧化物酶基因的復制與“熱點” 077
第一節 氧化還原酶的系統發育和染色體定位 077
一、氧化還原酶的系統發育分析 077
二、氧化還原酶基因的染色體定位和“熱點”現象 077
第二節 氧化還原酶基因家族的保守性 080
一、氧化還原酶基因家族具有不同的保守性 080
二、大小變異的家族包含基因復制事件 082
三、重復的基因具有不同的表達譜 084

第八章 植物CⅢ Prx 的基因結構進化 086
第一節 植物CⅢ Prx 基因結構鑒定 086
第二節 CⅢ Prx 家族的結構差異 089
一、CⅢ Prx 的內含子類型 089
二、低等植物CⅢ Prx 基因結構 089
三、CⅢ Prx 的多種基因結構類型 089
第三節 單、雙子葉植物CⅢ Prx 基因結構分化 092
一、內含子頻率差異 092
二、內含子數量差異 092
三、內含子大小差異 093
第四節 CⅢ Prx 基因結構進化 093
一、CⅢ Prx 的經典內含子經歷了內含子丟失事件 093
二、CⅢ Prx 的稀有內含子經歷了內含子增益事件 094
三、CⅢ Prx 基因祖先結構和進化模型 095

第九章 CⅢ Prx 的蛋白質結構進化 098
第一節 CⅢ Prx 的二硫鍵結構進化 098
一、CⅢ Prx 的二硫鍵結構 098
二、CⅢ Prx 的二硫鍵缺失 099
第二節 CⅢ Prx 的保守基序進化 099


第四篇 ROS 調控蛋白與植物抗病相關性研究
第十章 CⅢ Prx 家族與植物抗病相關性 102
第一節 柑橘CⅢ Prx 家族鑒定 102
一、柑橘CⅢ Prx 家族的鑒定流程 102
二、柑橘CⅢ Prx 家族 103
第二節 柑橘CⅢ Prx 家族的生物信息學分析 109
一、柑橘CⅢ Prx 家族的系統發育分析 109
二、柑橘CⅢ Prx 家族的基因結構和保守基序 109
三、柑橘CⅢ Prx 的種內和種間共線性分析 114
四、柑橘CⅢ Prx 家族的染色體定位 114
五、柑橘CⅢ Prx 家族基因的強純化選擇 116
第三節 柑橘CⅢ Prx 家族的表達分析 117
一、Xcc 誘導柑橘CⅢ Prx 的表達 117
二、激素誘導柑橘CⅢ Prx 的表達 118
三、兩個柑橘CⅢ Prx 的亞細胞定位分析 119

第十一章 Cat 家族與植物抗病相關性 121
第一節 CsCat01 克隆與生物信息學分析 121
一、CsCat01 編碼序列和啟動子克隆 121
二、CsCat01 生物信息學分析 121
三、CsCat01 系統發育分析 122
第二節 CsCat01 的表達分析 124
一、CsCat01 受植物激素的誘導表達分析 124
二、CsCat01 受柑橘潰瘍病菌侵染的誘導表達分析 125
三、柑橘潰瘍病菌誘導下CAT 酶活性和H2O2 含量變化 126
四、CsCat01 調控柑橘對潰瘍病抗性的模型 126

第十二章 APX 家族與植物抗病相關性 128
第一節 柑橘APX 家族 128
一、柑橘APX 家族的鑒定 128
二、柑橘APX 家族的理化性質 129
第二節 柑橘APX 家族的生物信息學分析 130
一、柑橘APX 家族的系統發育分析、染色體定位、共線性分析和基因結構 130
二、柑橘APX 家族的保守基序和功能域分析 131
三、柑橘APX 家族的啟動子元件分析 131
四、柑橘APX 家族的蛋白質互作網絡 134
第三節 柑橘APX 家族的表達分析 136
一、植物激素對柑橘APX 家族的誘導表達 136
二、Xcc 對柑橘APX 家族的誘導表達 137
三、CsAPX01 和CsAPX02 的瞬時表達 138

第十三章 Rboh 家族與植物抗病相關性 140
第一節 Rboh 類轉錄因子的研究背景 140
第二節 柑橘Rboh 家族 141
一、柑橘Rboh 家族鑒定和理化性質 141
二、柑橘Rboh 家族的二級結構 142
第三節 柑橘Rboh 家族的生物信息學特征 142
一、柑橘Rboh 家族的系統進化分析 142
二、柑橘Rboh 家族的染色體定位和基因結構 144
三、柑橘Rboh 家族的多序列比對和功能結構域 144
四、柑橘Rboh 家族的保守基序分析 146
五、柑橘Rboh 家族的啟動子順式作用元件 146
第四節 柑橘Rboh 家族的表達模式 147
一、激素誘導柑橘Rboh 家族的表達模式 147
二、柑橘潰瘍病菌誘導柑橘Rboh 家族的表達模式 149

第十四章 SOD 家族與植物抗病相關性 152
第一節 柑橘SOD 家族 152
第二節 柑橘SOD 家族的生物信息學分析 153
一、柑橘SOD 家族在染色體上的分布和基因結構 153
二、柑橘SOD 的功能結構域 154
三、柑橘和擬南芥SOD 家族的系統發育和共線性分析 155
四、柑橘SOD 家族蛋白的保守序列分析 156
五、柑橘SOD 基因啟動子中的順式元件和轉錄因子結合位點分析 157
第三節 柑橘SOD 家族的表達模式 158
一、柑橘潰瘍病菌誘導的柑橘SOD 家族表達模式 158
二、植物激素誘導的CsSOD 表達模式 159
三、CsSOD06 和CsSOD08 的瞬時表達 159


附錄一 相關縮略詞 162
附錄二 相關軟件、程序和數據庫 167
附錄三 與本研究相關的論文 169

參考文獻 171

后記 176