GUS在植物基因功能研究中的应用和优化

β-葡糖醛酸酶(GUS)报告系统是现代分子生物学研究领域中被广泛使用的一种重要工具,在解析基因时空表达调控的研究中发挥着重要作用.本文概述了报告基因GUS的生化特性及检测手段,从启动子元件鉴定、基因诱捕、无标记转基因技术等方面论述GUS的应用现状和优势,并针对内源GUS、GUS抑制因子等问题和改进优化手段进行了分析,为该技术在植物功能基因研究中进一步拓展提供新线索和思路.     

植物源内含子对GUS基因表达模式的影响

采用报告基因的瞬间表达来优化转化体系是提高农杆菌介导法转化效率的重要手段,GUS以稳定、易于定性定量分析等独特优点成为瞬间表达体系的首选。pCaMV 35S启动下的GUS基因可在农杆菌中表达,另外还首次报道该嵌合基因同时也可在大肠杆菌中高效表达。为避免GUS基因在农杆菌中的表达对瞬间表达体系的影响,一拟南芥蛋白基因的内含子被插入到GUS基因的编码区,进而构建了含内含子的GUS植物表达载体pBI121-GUSint。组织化学染色结果表明,GUSint在农杆菌中没有表达,而在接种3d的油菜中可高效瞬间表达,其中在子叶柄（带子叶）中瞬间表达率高达100%,这一方面证实载体构建成功,另一方面也为进一步优化油菜及其它芸薹属植物转化体系及在油菜中快速研究目的基因的功能和表达调控模式奠定了基础。     

拟南芥AtcpSecA基因表达的特异性

前期研究表明AtcpSecA基因的突变使叶绿体发育缺陷,内部缺少正常类囊体片层结构,叶片呈黄白色。在此基础上我们进一步研究AtcpSecA基因的表达特异性,并构建了AtcpSecA基因启动子与报告基因GUS的融合基因AtcpSecA：：GUS,以农杆菌介导方法转化获得转基因拟南芥。GUS组织化学染色结果表明,在AtcpSecA：：GUS转基因拟南芥的下胚轴、子叶、叶片、果柄等绿色组织中有很强的GUS活性,而在根、花序和种荚等非绿色组织中几乎没有GUS活性。降低培养基中琼脂浓度转基因拟南芥中AtcpSecA：：GUS基因的表达明显受抑制,暗中则显著受到促进。     

白桦BpSPL2基因启动子的克隆及表达分析

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是植物特有的转录因子,研究表明其在参与发育阶段转变、花和果实发育等方面起着重要作用。利用PCR技术从白桦基因组DNA中扩增获得BpSPL2基因上游1 960 bp启动子序列,使用PLACE和Plant CARE在线软件分析序列,发现BpSPL2基因启动子序列中含有与开花、非生物胁迫及激素响应等相关的顺式作用元件,暗示其在植物的生长发育和胁迫应答中起重要作用。进而构建了BpSPL2基因启动子驱动GUS报告基因的植物表达载体,并利用农杆菌介导将其瞬时转化至白桦和拟南芥,通过GUS组织化学染色检测BpSPL2基因启动子的组织表达特性,结果表明BpSPL2基因启动子具有启动子活性,能够驱动GUS基因在白桦和拟南芥中表达;而其表达活性在白桦的叶片、芽及根部中较强,在拟南芥的花药、雌蕊和叶片较强,为进一步研究白桦BpSPL2基因的表达调控及其功能分析提供参考。     

一个水稻高效表达启动子Os252的分离

植物基因的表达受启动子的控制,高效表达启动子的分离及功能分析不仅是植物基因工程研究的重要研究方面,也是表达调控研究的重要内容。根据EST数据克隆了一个预测在水稻茎中高效表达的启动子Os252。将该启动子与GUS基因构建成表达载体并转入水稻。转基因水稻PCR分析表明,GUS基因已经成功地整合进水稻基因组中。GUS组织化学分析表明,Os252能启动GUS基因在水稻叶、茎以及胚乳中表达。进一步GUS酶活性的测定表明,叶和胚乳中Os252启动子活性分别是35S启动子的1.9和2.5倍。由于Os252来自于水稻,在叶和胚乳中活性高于35S启动子,因此该启动子可望用于水稻基因工程研究。     

水稻CesA4基因启动子与GUS基因融合表达

目的:利用GUS报告基因,研究水稻CesA4基因在水稻组织和器官的定位.方法:克隆水稻的CesA4基因的启动子并用GUS组织化学染色检测启动子与GUS基因融合表达情况.结果:成功克隆了水稻的CesA4基因的启动子,并发现水稻的CesA4基因在水稻的根、茎、叶、鞘、穗的纤维均有表达.结论:通过将水稻CesA4基因的启动子与GUS基因融合来分析水稻此基因的表达部位,是一种简便和有效方法.     

利用GUS基因瞬时表达探索佛手叶盘基因枪转化参数

佛手是芳香科枸橼类植物,有很好的药用和观赏价值,但其品种较为单一,对其进行遗传改良和品种选育显得十分必要.为了将基因枪转化方法应用于佛手的遗传改良和品种选育,本实验以GUS基因为报告基因,利用基因枪方法将其转入金华佛手外植体内,通过检测GUS基因在佛手叶盘中的瞬时表达情况,分析了外植体的幼嫩程度、射程、氦气压力、真空度、轰击次数等参数对GUS瞬时表达的影响,并研究了最佳检测时间.结果表明,以幼叶为受体,在射程为6 cm、氦气压力为7.584×106Pa,真空度为88.046 kPa条件下,2 d后可检测出GUS基因的最佳表达活性.轰击次数多少对GUS基因瞬时表达影响不明显.     

水稻细胞质1,6-二磷酸果糖酶基因1 195 bp的上游调控序列的克隆及其在转基因水稻中的表达研究

1,6-二磷酸果糖酶(EC3.13.11)催化1,6-二磷酸果糖分解为6-磷酸葡萄糖和无机磷酸.在高等植物的光合作用细胞中,存在两种1,6-二磷酸果糖酶:即叶绿体型1,6-二磷酸果糖酶和细胞质型1,6-二磷酸果糖酶.由于细胞质型1,6-二磷酸果糖酶在植物碳水化合物代谢中起重要作用,且具有表达特异性,本试验通过Genome Walking分离了水稻细胞质型1,6-二磷酸果糖酶基因的上游序列,并将其与β-葡糖醛酸酶(GUS)报告基因构建成嵌合表达载体.采用基因枪法转化水稻,在转基因水稻中分析了GUS的表达活性和特异性.组织化学检测表明,在转基因水稻的成熟叶片中,GUS基因只在叶肉细胞中表达,在表皮细胞、泡状细胞、维管组织中均无表达;在叶鞘中的表达与叶片中相似,仅仅在叶肉细胞中表达;在根、茎所有细胞中均没有蓝色反应.为进一步研究1,6-二磷酸果糖酶基因启动子在水稻中的表达量,对12株独立来源的转基因水稻的GUS 活性进行了荧光定量分析.结果显示,水稻成熟叶片中的GUS活性平均值为7 031.5 pmol 4-MU-1*min-1*mg蛋白.在不同器官及组织中表达活性有差异,在转基因水稻的叶片、叶鞘中GUS均有较强的表达,在根、茎中未检测到GUS活性.实验结果表明,ATG上游1 195 bp调控区足以导致GUS基因在水稻中的特异性表达,因此该片段包含有使报告基因在叶肉细胞中特异性表达的所有顺式调控元件.     

棉纤维蔗糖合酶基因SS3上游调控序列的克隆及其表达分析

棉纤维蔗糖合酶基因SS3在棉纤维发育过程中起着重要作用.采用YADE技术克隆了该基因5′上游1717bp的调控区,该调控区含有典型的启动子核心元件TATA box ,以及TATC box、G box、GCN4 -motif、Prolamin box、Skn 1 likemotif、TCA element、HSE和O2 site等各种顺式调控元件和其他一些反应元件.将此序列和报告基因GUS融合在烟草、棉花中表达.组织化学分析结果显示棉花SuSyR序列启动GUS基因在烟草的子房、胎座、种子以及在棉花花蕾与棉铃中表达.在棉花花蕾蕾长为3mm、6mm、9mm和15mm花蕾中表达主要存在于雄蕊及雄蕊管、胎座等器官;在棉铃中,1DPA棉铃的花柱、花药、子房及胚珠中出现了蓝色,6DPA棉铃的子房及胚珠被染成蓝色,在2 0DPA的棉铃中蓝色只出现在胚珠及其纤维中、在胚珠中只有珠心被染成蓝色,在4 0DPA胚珠中只有纤维呈蓝色.研究结果揭示,棉花的SuSyR调控序列启动GUS基因主要在子房、胚珠和纤维等器官和主叶脉、茎微管束等输导组织中表达,在棉花中尤为明显,表明棉纤维蔗糖合酶基因SS3除参与棉花蕾铃发育、纤维素的合成外,还参与了光合产物的运输与分配过程.     

玉米脱氧麦根酸分泌通道蛋白基因YS3启动子的克隆与启动活性分析

缺铁是世界范围内农业生产面临的严重问题,玉米通过分泌脱氧麦根酸(2’-deoxymugineic acid, DMA)吸收利用土壤中的难溶性铁。为探明玉米DMA分泌通道蛋白基因YS3的表达和调控机制,本文通过克隆获得长为2813 bp的YS3基因启动子,该序列含有大量TATA-box、CAAT-box等启动子基本元件,以及光响应、激素调控等多个顺式调控元件;构建YS3启动子驱动GUS基因的植物表达重组载体pCAMBIA-YS3GUS,利用农杆菌介导转化拟南芥,获得pYS3::GUS转基因植株,对转基因植株进行GUS组织化学染色,并通过石蜡切片技术对转基因植株进行组织观察,分析pYS3::GUS转基因植株中YS3基因启动子的活性。结果表明,YS3启动子主要驱动GUS基因在拟南芥根部表达,且主要集中在根部表皮细胞,机械损伤可激发YS3启动子活性,驱动GUS基因在损伤临近部位表达。本研究对于理解玉米DMA分泌的分子调控机理方法od3 gmaigensuan有重要意义。     

水稻rbcS启动子控制的外源基因在转基因水稻中的特异性表达

为将不同启动子用于转基因水稻的研究,从武运粳8号水稻中克隆了Rubisco小亚基基因(rbcS)的5'上游调控区,构建了由rbcS启动子引导的GUS融合基因,并经农杆菌介导导入到水稻中.对转基因水稻植株中GUS活性的定性与定量测定结果表明,rbcS启动子可驱动GUS报告基因在转基因水稻植株叶片和叶鞘内的叶肉细胞中特异性高效表达,而在茎、根和种子等器官中不表达或表达活性极弱,表现出明显的组织与细胞特异性.结果还表明,光诱导处理可明显提高rbcS启动子启动的外源基因的表达量.     

LE-ACS6启动子在LE-ACS6::GUS转基因拟南芥中的特异性

通过对不同发育时期LE-ACS6::GUS转基因拟南芥中GUS表达特异性的研究,证明LE-ACS6基因的启动子在拟南芥中也表现启动参与第一系统乙烯合成的关键酶基因的活性.在转基因拟南芥中,LE-ACS6启动子还表现响应外源生长素处理、伤害处理等多种刺激因子的特点.     

水稻OsBP-73基因表达需要其内含子参与

该实验室以前的研究表明,水稻OsBP-73基因含有2个外显子和1个长度为2 471 bp的内含子.该文报告用OsBP-73基因ATG翻译起始密码子(在第1外显子中)上游序列(1- 818～ 215)与GUS基因构成嵌合质粒pRSSl,将该质粒转化水稻后,在抗性愈伤组织和转基因植株中未能检测到GUS基因的表达.只有用含有完整的内含子及其上游序列(1 818～ 2 844)与GUS基因构成嵌合质粒(p13GNF)时,才能在p13GNF的转基因抗性愈伤组织和植株中检测到GUS基因的表达.实验还证明,单是内含子序列并不能驱动GUS基因在转基因水稻中表达.由此推测:OsBP-73基因的启动子序列驱动基因表达时,需要基因内含子的参与.     

双管基因枪介导的基因瞬时表达技术在拟南芥中的应用

基因瞬时表达是植物中研究目标基因功能的常用手段。在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,相比原生质体和农杆菌介导的基因异源表达技术,利用粒子轰击进行基因瞬时表达一直鲜有报道。其主要原因是拟南芥叶型相对较小、基因枪操作相对烦琐以及基因表达效率差异较大。该研究通过优化双管基因枪系统,在营养生长旺盛的拟南芥莲座叶中实现GFP和GUS基因高效表达。同时,通过GUS报告基因明确了坏死诱导因子BAX、Avh238和ATR13/Rpp13激发拟南芥细胞坏死的表型。但在本氏烟(Nicotianabenthamiana)中明显诱导细胞坏死的Avrblb1/RB基因对,在拟南芥中却丧失了诱导细胞坏死的活性。由于双管基因枪系统每次轰击时设置平行对照,可有效降低转化实验中的样本变异度,为拟南芥及其突变体研究中准确评价基因功能和高通量筛选目标基因提供新的技术参考。     

油葵种子特异启动子Ha ds10 G1的克隆及功能鉴定

从油葵中克隆得到LEA蛋白基因家族Ha ds10 G1基因的启动子序列,并对其进行功能分析。利用PCR技术从油葵品种"矮大头"基因组DNA中分离Ha ds10 G1基因上游的调控序列,将其与GUS基因融合,构建种子特异性表达载体p BI121-PHa ds10,通过根癌农杆菌介导法转化烟草(Nicotiana tabacum)NC89,对再生植株进行PCR、RT-PCR和GUS组织化学分析,以检测GUS基因在转基因烟草中的表达情况。结果表明,油葵Ha ds10 G1基因启动子长度为1 417 bp,与已报道的向日葵Ha ds10G1基因启动子序列同源性为89.42%。作用元件分析发现该区域除了具有启动子核心调控序列外,还含有多个与组织特异性、激素、逆境等表达相关的顺式作用元件,如RY重复元件、ABRE元件、TC-rich元件等。转基因植株的PCR结果显示,成功地获得了转基因阳性植株;GUS活性检测表明,该启动子序列仅能够驱动GUS基因在烟草种子表达,而在根、茎、叶等组织中均未检测到GUS基因表达。因此,油葵LEA蛋白基因家族Ha ds10 G1基因上游1 417 bp片段具有种子特异性启动子功能。研究结果为油葵等油料作物的油脂遗传改良提供组织特异性启动子。     

转基因海带的研究现状

海带是海洋中一种极其重要的经济海藻。转基因技术在海带科研中的应用,将使海带的附加值得到进一步的提高。就海带遗传转化方法,以及转GUS基因、转lacZ基因、转CAT基因、转bar基因等报告基因和转HBsAg基因、转r-PA基因等功能基因海带的研究现状进行了综述。     

草莓MET1基因启动子克隆及瞬时表达分析

根据草莓MET1类DNA甲基转移酶基因(FaMET1)全长序列设计引物,通过PCR获得了该基因翻译起始位点上游669 bp的序列.生物信息学分析表明,该序列中存在启动子的基本元件TATA-box、CAAT-box和多个胁迫诱导元件.进一步构建了FaMET1基因启动子驱动GUS的植物表达载体FMpro::GUS,通过农杆菌注射法转化草莓果实细胞,结果表明,该序列能够驱动GUS在草莓果实中瞬时表达,为进一步研究FaMET1的表达调控奠定了基础.     

参与水稻光合作用的PsbR3基因启动子的功能分析

本实验旨在研究水稻光合作用蛋白中各基因的表达模式. 采用RT-PCR和定量real-time PCR数据分析水稻不同组织的mRNA表达水平.结果显示,PsaK和PsbR3基因仅在茎、叶等绿色组织表达,而胚、胚乳部分均不表达.通过其启动子克隆、植物表达载体构建,以及农杆菌介导转化后,GUS组织染化分析和GUS荧光定量分析表明,两启动子均为组织特异性优势表达,PsbR3启动报告酶GUS在叶片中的表达活性为Actin启动子的3.29倍,而PsaK启动报告酶GUS在叶片中的表达活性低于Actin启动子的.这些初步结果提示,PsbR3启动子决定水稻绿色组织茎叶的优势表达,PsbR3基因可能参与水稻光合作用.     

不同调控序列控制下的GUS基因在水稻和毛白杨愈伤组织中的瞬时表达

用CaMV35S启动子、玉米Ubil启动子、TMVΩ增强子(Ω序列)以及拟南芥18S rRNA基因同源序列构建的6种GUS基因表达载体分别转化水稻和毛白杨愈伤组织,研究不同调控序列对外源基因表达的调控作用.结果表明:(1)在水稻中,以独立Ubil启动子驱动下的GUS基因表达水平为最高,CaMV35S启动子附加18SrRNA基因同源序列调控下的GUS基因为最低.而在毛白杨中,则呈相反趋势;(2)在水稻中,CaMV35S-Ubil复合启动子的表达活性比独立CaMV35S启动子提高了近1.5倍.而在毛白杨中,前者比后者的低;(3)Ubil启动子附加Ω序列,使GUS基因在毛白杨中的表达水平提高一倍以上.但CaMV35S-Ubil复合启动子附加Ω序列,对GUS基因在毛白杨及水稻愈伤组织中的表达活性均没有明显的增强作用.     

棉花GhAC01基因植物表达载体构建及拟南芥遗传转化

乙烯参与植物生长发育等许多生理过程,在许多植物细胞中,AcD基因通过促进乙烯合成调控着植物器官的形成发育。研究通过PCR方法从棉花基因组中克隆得到l-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶1（GhACO1）基因,并将该基因构建到植物表达载体PBI121中,其中GhACO1基因位于CaMV35S启动子和GUS报告基因之间。通过花滴法将GhACO1基因转化拟南芥,利用卡那霉素对转化植株进行初步筛选,对卡那霉素阳性植株进行进一步的PCR检测和GUS组织化学分析。结果表明：GhACO1基因已经整合到拟南芥基因组中;GUS组织化学分析显示,在转基因拟南芥叶、茎和根中都表现出GUS活性。研究结果为进一步探讨GhACO1的生物学功能和基因工程改良棉花纤维品质奠定了基础。