抱茎独行菜MUM4基因的克隆及分析

抱茎独行菜(Lepidium perfoliatum L.)为十字花科具典型粘液繁殖体植物,为探究该植物中种皮粘液质基因（MUCILAGE-MODIFIED4,MUM4,该基因在拟南芥中编码NDP-L-鼠李糖合成酶)的功能,通过生物信息学分析设计引物克隆得到抱茎独行菜MUM4基因,命名为LpMUM4。同源比对分析结果表明,LpMUM4与拟南芥AtMUM4基因具有很高的一致性。qRT-PCR结果表明,该基因在抱茎独行菜各组织中均有表达,在角果和根中的表达量最高,且其表达量随角果的发育表现出渐强的趋势。免疫组织化学定位分析表明,LpMUM4基因于角果发育的早期阶段在内珠被和外珠被都有表达,而在外珠被的表皮和亚表皮中表达量更高,至角果发育的最后阶段,其表达集中于表皮和亚表皮层,这可能与抱茎独行菜的外珠被发育成种皮及粘液质的生成有关。将LpMUM4基因转化拟南芥,该基因的过表达对位于粘液质合成途径中的上游基因AtTTG1具有显著的抑制作用。表型比对观察显示,转基因拟南芥与其野生型植株形态无显著差异,这可能是因为抱茎独行菜种皮的发育和粘液质的形成是一个多基因调控的复杂过程,某一基因的过表达或许不会引起明显的表型变化。     

植物表皮毛发育控制基因GL2遗传互作因子的筛选和鉴定

表皮毛广泛存在于陆生植物的地上部分,是植物与环境之间的一道天然屏障,具有多种重要的生物学功能。拟南芥HD-Zip家族转录因子GLABRA 2(GL2)是调控表皮毛形成和发育的关键因子,通过筛选和鉴定GL2的遗传互作因子,可以为进一步研究植物表皮毛发育调控的分子机制奠定基础。通过大规模的遗传筛选和图位克隆,获得了一个叶片上完全没有表皮毛的突变体M12-01,遗传分析表明M12-01 single突变表型受隐性单核基因控制。M12-01 single突变体表型与拟南芥TRANSPARENT TESTA GLABKA 1(TTG1)基因的功能缺失突变体表型相似。对TTG1基因的测序结果显示其+445位碱基由鸟嘌呤突变为腺嘌呤,从而使编码的甘氨酸变为精氨酸。本研究证实TTG1突变能增强gl2-3突变体的表型,GL2基因与TTG1基因之间存在遗传互作,这为进一步研究GL2调控植物表皮毛发育的分子机制提供了新的遗传材料。     

独行菜LaMCT基因的克隆、序列分析与原核表达

强心苷作为药用植物独行菜( Lepidium apetalum)的活性成分,其化学和药理学研究已有良好的基础,但其生物合成途径目前仍不清楚。该研究以独行菜幼苗为材料,通过分析独行菜转录组数据,设计特异性引物,PCR扩增得到了强心苷生物合成MEP途径的关键酶2-C-甲基赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶( MCT)基因的开放阅读框( ORF),命名为LaMCT( Genbank注册号KT832554),并进行序列分析和原核表达。序列分析结果表明：LaMCT基因ORF全长为912 bp,编码304个氨基酸。亚细胞定位和保守结构域分析结果表明：LaMCT蛋白位于叶绿体中,不含信号肽,没有跨膜区,含有类异戊二烯合成酶保守结构域( isoprenoid synthase domain)。系统进化树结果表明：LaMCT蛋白与拟南芥的MCT蛋白具有94％的序列相似性,亲缘关系较近。通过构建pET-32a-LaMCT原核表达载体,成功在大肠杆菌BL21( DE3)菌株中诱导表达LaMCT重组蛋白,并得到了纯化的LaMCT重组蛋白。该研究首次从独行菜中克隆了LaMCT基因,建立其稳定的原核表达体系,为LaMCT蛋白抗体的制备以及研究LaMCT基因在独行菜强心苷类化合物生物合成途径中的功能奠定了基础。     

独行菜LaAP2基因克隆、生物信息学分析及表达分析

AP2/ERF是广泛存在于植物中一类重要的转录因子,调控一些参与非生物胁迫相关基因的表达,帮助植物提高逆境胁迫能力。为了深入探讨LaAP2在独行菜耐受低温萌发及幼苗耐受低温生长中的功能,该研究基于前期对独行菜(Lepidium apetalum)转录组数据库分析,克隆获得一个显著上调表达的AP2/ERF家族序列LaAP2。该基因cDNA全长为1 005 bp,编码氨基酸序列包含一个AP2和一个B3结构域,属于AP2/ERF转录因子RAV亚家族。推定的LaAP2蛋白分子量为37.744 67 kD,等电点为9.49。该蛋白氨基酸序列同亚麻荠、拟南芥、油菜等物种显示出较高同源性,系统进化分析结果表明与拟南芥亲缘关系较近。氨基酸序列分析预测表明,LaAP2基因所编码的蛋白不具备信号肽区段,无跨膜区,不属于分泌蛋白,可能为亲水性蛋白;定位于细胞质的可能性为56.5%,定位于细胞核的可能性为21.7%;其主要二级结构元件为无规则卷曲、延伸链、α-螺旋。Real-time PCR分析独行菜幼苗中LaAP2在低温4℃处理下的表达,显示LaAP2表达受低温胁迫呈先下降后升高趋势。这表明LaAP2在独行菜幼苗抵抗低温胁迫中起调控作用。     

环境因素对短命植物抱茎独行菜抽薹开花节律的影响

以新疆十字花科典型早春短命植物抱茎独行菜(Lepidium perfoliatum L.)为材料,分别在不同环境、不同土壤基质及不同春化时间下栽培,以探讨环境因素对抱茎独行菜抽薹开花的影响。结果表明:抱茎独行菜种子在蛭石∶珍珠岩(3∶1)中的出苗率显著高于营养土和自然生境土壤,基质对抱茎独行菜植株是否抽薹无显著影响,但影响其抽薹的早晚及结实特性;人工4℃春化对3种不同栽培环境中于阳台生长植株的抽薹有明显促进作用,而对培养室及户外环境中栽培植株是否抽薹无显著影响;抱茎独行菜抽薹开花对光照和温度的响应最明显,光照时间由短变长与苗期一定时间的低温之间的相互作用是促使抱茎独行菜抽薹开花的关键因素。     

独行菜种子bHLH类转录因子基因家族及幼苗laICE1表达对冷胁迫的响应

该研究在转录组数据基础上,以独行菜(Lepidium apetalum Willd.)种子耐受和不能耐受低温萌发的2组样本为材料,对其bHLH转录因子家族成员进行分析,并对该家族成员表达差异极显著的laICE1基因进行克隆、序列分析、结构预测,以探讨独行菜幼苗中laICE1基因表达对低温胁迫的响应特征。结果表明:(1)萌发中的独行菜种子,至少有83个bHLH转录因子序列表达,相对于低温萌发停滞组,在低温萌发耐受组的独行菜种子中,有10个下调、13个上调、60个表达差异不显著。其中表达量极显著下调的序列c20009_g1具有1 503bp开放阅读框,GO注释到ICE1基因,该基因命名为laICE1。(2)laICE1基因编码500aa,蛋白分子量为54 635.19kD,理论等电点为5.45,分子式为C2364H3742N688O758S22;该蛋白具有保守结构域bHLH。(3)定量分析表明,laICE1基因在非低温胁迫的独行菜种子中的表达量显著低于一直处于低温胁迫中不能进行萌发的独行菜种子,这与转录组数据库中该序列表达情况一致;而laICE1基因在独行菜幼苗期经低温处理后,其表达量显著上调,表明laICE1基因可能在独行菜幼苗耐受低温生长中具有一定的作用。     

拟南芥株型突变体zpr1的性状特征与基因鉴定分析

对本研究室经T-DNA插入法获得的拟南芥株型突变株系——隐性突变体zpr1植株进行植物学性状调查和遗传分析,并对该突变基因进行鉴定、表达定位和调控元件分析。结果显示:(1)性状分析表明,与野生型拟南芥Ws-2相比,突变体zpr1的茎生叶分枝数量增加,茎生叶分枝发生于拟南芥顶端花序部位;野生型拟南芥茎生叶为披针形,而突变体zpr1没有出现分枝的茎生叶呈倒卵形,出现分枝的茎生叶呈披针型;突变体zpr1的主花序高度、株高、分枝高度和分枝长度都高于野生型,且分枝数多于野生型。(2)利用质粒挽救和反向PCR法(IPCR)确定了ZPR1基因突变发生位置是该基因起始密码子上游426bp处,证明T-DNA插入破坏了ZPR1基因的启动子区域,导致该基因在拟南芥内不能正常表达。(3)基因转录调控区域的顺式作用元件分析发现在ZPR1基因的转录调控区有多个与植物激素相关的调控元件,还有与光周期调节相关的调控元件。(4)亚细胞定位发现,ZPR1基因在所有细胞中的细胞膜中表达,而在部分细胞的细胞膜、细胞质和细胞核中均有表达。研究表明,ZPR1基因的表达对植物株型发育有重要的调控作用,该基因的表达水平受植物激素和光照的调节,最终导致了植物株型的变化。     

‘津田’芜菁Transparent Testa Glabra 1（BrTTG1）基因的克隆及表达分析

TTG1（Transparent Testa Glabra 1）蛋白是一种WD40类蛋白,参与植物的生长和发育。采用RT-PCR方法从芜菁品种‘津田＇中克隆了BrTTG1 cDNA序列（GenBank登录号HM208590）。该基因cDNA开放阅读框长度为1 014 bp,编码一个由337个氨基酸残基组成的蛋白,该蛋白分子量为37.28 kDa,理论等电点为4.66。与其他植物中的TTG1蛋白进行同源性比对结果显示,BrTTG1与甘蓝型油菜的TTG1同源性最高。BrTTG1蛋白在31～337位氨基酸处含有WD40超家族的保守结构域。荧光定量PCR检测BrTTG1在‘津田＇芜菁不同组织中的表达结果表明,该基因在有花青素合成的红色‘津田＇芜菁根皮中表达量最高。     

普通小麦TaNAC1基因的表达及在拟南芥中的遗传转化

NAC类转录因子是植物特有的转录因子家族,在调节植物生长发育及逆境胁迫应答反应中起着重要作用。本文从普通小麦幼叶中获得了一个编码NAC结构域的转录因子基因,命名为Ta NAC1;氨基酸序列分析表明,Ta NAC1具有典型的NAC类转录因子所具有的五个亚结构域,隶属于NAC类转录因子的ATAF亚类;亚细胞定位实验表明,Ta NAC1蛋白在细胞核内表达;转录水平上,Ta NAC1基因的表达受到PEG、ABA、低温及高盐等非生物胁迫条件的诱导;将Ta NAC1转化拟南芥后,与野生型比较发现,Ta NAC1基因的过量表达会使转基因植株出现叶片发育畸形且生长缓慢,植株矮化及茎部融合等表型,表明Ta NAC1基因可能在参与小麦叶片及茎的发育中起着重要的调控作用。     

苹果生长素输入载体MdAUX1的基因克隆及在拟南芥和烟草中的遗传转化

生长素的极性运输对调节植物生长发育起重要作用。生长素转运蛋白调控生长素的极性运输。本研究从‘嘎啦’(Malus×domestic‘Royal Gala’)苹果中克隆了生长素输入载体基因Md AUX1(基因序列号:MDP0000384437)。序列分析表明,该基因包含长为1 443 bp完整的开放阅读框,编码含有480个氨基酸的蛋白。氨基酸序列比对和系统进化树分析表明,AUX1在不同物种间具有高度的序列保守性,其中,苹果Md AUX1与欧洲甜樱桃Pa AUX1亲缘关系最近。半定量PCR分析显示,Md AUX1在苹果的茎中表达量较高。通过农杆菌介导的遗传转化获得转Md AUX1基因的拟南芥和烟草。转基因拟南芥根系表型观察结果显示,Md AUX1基因在拟南芥中异位表达后,会抑制主根伸长,促进侧根形成;在外源NAA处理下,转基因拟南芥对主根伸长的抑制作用得到部分恢复。在烟草中过量表达Md AUX1基因能够显著促进植株地上部分生长。以上结果说明苹果Md AUX1基因在调节植物生长发育中发挥重要作用。     

Seed mucilage evolution: Diverse molecular mechanisms generate versatile ecological functions for particular environments

Plant myxodiasporous species have the ability to release a polysaccharidic mucilage upon imbibition of the seed (myxospermy) or the fruit (myxocarpy). This is a widespread capacity in angiosperms providing multiple ecological functions including higher germination efficiency under environmental stresses. It is unclear whether myxodiaspory has one or multiple evolutionary origins and why it was supposedly lost in several species. Here, we summarize recent advances on three main aspects of myxodiaspory. (a) It represents a combination of highly diverse traits at different levels of observation, ranging from the dual tissular origin of mucilage secretory cells to diverse mucilage polysaccharidic composition and ultrastructural organization. (b) An asymmetrical selection pressure is exerted on myxospermy-related genes that were first identified in Arabidopsis thaliana. The A. thaliana and the flax intra-species mucilage variants show that myxospermy is a fast-evolving trait due to high polymorphism in a few genes directly acting on mucilage establishment. In A. thaliana, these actors are downstream of a master regulatory complex and an original phylogenetic overview provided here illustrates that this complex has sequentially evolved after the common ancestor of seed plants and was fully established in the common ancestor of the rosid clade. (c) Newly identified myxodiaspory ecological functions indicate new perspectives such as soil microorganism control and plant establishment support.     

粘液繁殖体种子的粘液质形成、分泌及释放相关基因

种皮粘液质是在种皮外层细胞的高尔基体内产生并分泌到胞腔内或细胞壁层的一种果胶类多糖物质.当干燥种子遇水后,粘液质即刻被释放形成透明胶质并完全包被整个种子.粘液质对种子的扩散定居、种子萌发以及幼苗的存活和生长均具有重要作用.粘液质作为一种模型研究细胞壁的产生及其形成的分子机制已经成为植物种皮发育与环境变化相适应关系的研究...     

A naturally occurring mutation in an Arabidopsis accession affects a beta-D-galactosidase that increases the hydrophilic potential of rhamnogalacturonan I in seed mucilage

The Arabidopsis thaliana accession Shahdara was identified as a rare naturally occurring mutant that does not liberate seed mucilage on imbibition. The defective locus was found to be allelic to the mum2-1 and mum2-2 mutants. Map-based cloning showed that MUCILAGE-MODIFIED2 (MUM2) encodes the putative beta-D-galactosidase BGAL6. Activity assays demonstrated that one of four major beta-D-galactosidase activities present in developing siliques is absent in mum2 mutants. No difference was observed in seed coat epidermal cell structure between wild-type and mutant seed; however, weakening of the outer tangential cell wall by chemical treatment resulted in the release of mucilage from mum2 seed coat epidermal cells, and the mum2 mucilage only increased slightly in volume, relative to the wild type. Consistent with the absence of beta-D-galactosidase activity in the mutant, the inner layer of mucilage contained more Gal. The allocation of polysaccharides between the inner and outer mucilage layers was also modified in mum2. Mass spectrometry showed that rhamnogalacturonan I in mutant mucilage had more branching between rhamnose and hexose residues relative to the wild type. We conclude that the MUM2/BGAL6 beta-D-galactosidase is required for maturation of rhamnogalacturonan I in seed mucilage by the removal of galactose/galactan branches, resulting in increased swelling and extrusion of the mucilage on seed hydration.