蒙古冰草肉桂醇脱氢酶基因序列鉴定及功能分析

肉桂醇脱氢酶(CAD)作为植物次生代谢尤其是木质素生物合成过程的关键酶,在调控植物生长发育和抵御生物/非生物胁迫等过程中发挥关键作用。蒙古冰草(即沙芦草(Agropyron mongolicum))耐旱耐寒,在我国北方荒漠草原区域广泛分布。为探讨CAD基因在蒙古冰草木质素合成和非生物胁迫抗性中的作用,从蒙古冰草全长转录组数据中筛选并克隆到1个CAD基因,序列长度1 083 bp,命名为AmCAD。该基因编码361个氨基酸残基,同源序列比对发现蛋白质序列保守区域含有2个Zn²⁺结合基序和NADP(H)辅因子结合基序,属于典型的CAD蛋白,且三维结构与AtCAD5相似。AmCAD在茎秆中高表达,对AmCAD重组蛋白的酶学性质分析表明,该蛋白对不同肉桂醛类底物均具有很强的催化能力,其中对松柏醛和芥子醛的底物亲和力更强。用不同浓度甘露醇模拟干旱胁迫,蒙古冰草AmCAD基因表达受到显著诱导。研究结果表明,AmCAD在蒙古冰草木质素合成和干旱胁迫抗性中发挥重要作用,可为提高蒙古冰草品质和抗逆性分子育种提供有价值的基因资源。     

蒙古冰草Lhcb1基因克隆及干旱胁迫下的表达分析

利用同源序列从蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)克隆得到1个光合作用叶绿体结合a/b基因,命名为MwLhcb1。MwLhcb1基因cDNA全长1 138bp,包含801bp开放阅读框,编码267个氨基酸,蛋白分子量为28.21kD,等电点4.92。该蛋白二级结构中具有Lhcb基因家族的保守结构域。MwLhcb1蛋白氨基酸序列与其他物种同类蛋白相似性均在87%以上,其中与小麦同类蛋白相似性程度最高达99%。实时荧光定量PCR结果显示,MwLhcb1基因主要在茎叶中表达,在根中表达量极少,干旱胁迫影响MwLhcb1基因表达。该研究结果为进一步研究MwLHcb1在蒙古冰草光合作用与抗旱性中的功能奠定了基础,并从基因遗传进化角度证实了蒙古冰草是小麦野生近缘种的观点,从而提出蒙古冰草是小麦抗性改良的理想基因供体。     

华南象草Pp4CL基因的克隆及其转基因烟草木质素含量分析

为探究华南象草(Pennisetum purpureumcv.Huanan)木质素合成关键酶基因的调控机制,通过同源克隆得到华南象草4-香豆酸:CoA连接酶基因(Pp4CL)的cDNA序列,长度为1 943bp,其中编码区序列1 662bp。Pp4CL蛋白由553个氨基酸组成,分子量为59.57kD,等电点为5.2,属于疏水性蛋白。该蛋白含有AMP结合结构域,属于AFD ClassⅠ超家族。在系统进化分析中,Pp4CL与At4CL1、Os4CL1遗传距离最近,聚为一支。Pp4CL氨基酸序列具有SSGTGLPKGV和GEICIRG等2个保守基序,是典型的植物4CL。构建原核表达载体pGEX-4CL,得到约88kD的Pp4CL-GST融合蛋白,为Pp4CL酶活性测定及Western免疫印迹分析奠定了基础。同时构建植物表达载体pBA-4CL,并通过叶盘法对烟草进行了遗传转化,得到3个转基因阳性株系(OX-9、OX-7、OX-4),它们中叶柄木质素总含量分别比非转基因植株(对照)提高了10.0%、16.2%和94.6%,茎秆基部节木质素总含量分别比对照提高了0.9%、4.0%和13.5%。研究结果表明,Pp4CL蛋白与木质素合成有关,过表达Pp4CL基因能够显著提高植株木质素含量。该研究结果为华南象草木质素改良工作打下了基础,同时也为深入开展牧草分子育种提供了依据。     

蒙古冰草遗传多样性的RAPD分析

采用RAPD技术对蒙古冰草（Agropyron mongolicum Keng)6个天然居群和2个栽培品种（系）的45个个体进行了遗传多样性检测。17个引物共检测到101个位点,其中多态位点81个,占80.2%,相对于其它小麦族植物,显示出了较高的遗传多样性,多样性指数（DC）分析的结果表明,遗传多样性在居群内和居群间的分布存在不均衡现象,但总体来看,居群内的遗传变异高于居群间,这是由蒙古冰草异花,风媒传粉的外繁育系统所决定的,在天然居群与栽培品种（系）间,前者的DC值为0.250,后者的DC值为0.181,而且前者的平均遗传距离（0.290)也高于后者（0.213),表明天然居群间的遗传分化大于栽培品种（系）,这与天然居群间环境的异质性密切相关,同时也反映了栽培品种（系）间较近的亲缘关系,UPG-MA聚类分析的结果表明,8个居群基本上可被分为与其生境特点及生长条件相适应的3个类群,反映了自然选择及人工选择对居群间遗传分化的巨大影响。     

蒙古冰草PLD基因cDNA克隆及生物信息学分析

以蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)叶片为材料.根据已报道的醉酒毒麦PLD基因片段设计特异引物,通过RT-PCR和RACE技术,获得蒙古冰草PLD基因的全长cDNA(GenBank登录号为EU333811).该基因cDNA全长2 966 bp,包含2 439 bp的完整开放读码框,编码813个氨基酸.BlastP搜索结果显示,该基因推测的氨基酸序列与已克隆的醉酒毒麦、玉米、水稻PLD基因氨基酸序列的一致性为80%～89%.利用生物信息学软件在线分析其序列结构、氨基酸组成及编码氨基酸的性质和结构,结果表明:该基因编码的蛋白为可溶性蛋白,其相对分子量为92 079.2 Da,理论等电点为5.24,无跨膜域、无信号肽;其二级结构主要以无规卷曲为主;三级结构显示紧靠N端处为C2域,在中间和靠近C端处存在PLD的标志序列,即HKD基序.系统进化树显示,蒙古冰草PLD与醉酒毒麦的亲缘关系最近.     

蒙古冰草外稃微形态特征的变异式样

采用电镜扫描技术对蒙古冰草（Agropyron mongolicum Keng)6个天然居群和2个栽培品种的外稃进行了观察分析。结果表明,外稃的微形态特征存在有14种变异类型,具有丰富的多态性;从这些变异的分布格局来看,主要存在于居群内的个体间,居群间的分化并不明显,反映出了居群内变异大于居群间变异的特点。     

蒙古冰草MwLEA3基因植物表达载体的构建

以植物双元表达载体pCAMBIA2300为基础,设计分别带有酶切位点XbaI和PstI的一对引物,从克隆载体pGM-T-MwLEA3中扩增到目的基因MwLEA3。用XbaI和PstI双酶切该目的基因及表达载体pCAMBIA2300,回收后利用T4DNA连接酶连接,获得植物表达载体pCAM-MwLEA3。通过冻融法将所获得的植物表达载体重组质粒导入根癌农杆菌LBA4404菌株中,为该基因的功能鉴定及通过农杆菌介导法将MwLEA3基因导入植物提高相关抗性奠定了基础。     

渗透胁迫对蒙古冰草幼苗保护酶系统的影响

用PEG-6000模拟干旱胁迫处理蒙古冰草（Agropyron mongolicum Keng）幼苗,研究了渗透胁迫对蒙古冰草幼苗某些酶活性的影响。结果表明：在轻度干旱胁迫下,蒙古冰草幼苗可以通过提高酶活性来维持活性氧产生与清除之间的平衡,以减少干旱胁迫介导的氧化胁迫,使MDA含量、膜透性降低。在中度或重度干旱胁迫下,酶活性可能遭受破坏,即使酶活性得到一定程度的提高,也不能维持活性氧产生与清除之间的平衡,使植物产生氧化伤害。     

蒙古冰草MYB转录因子基因的序列分析

MYB转录因子是一类与植物抗逆相关的蛋白家族,通过激活植物抗逆应答基因的表达而提高其抗逆性。为挖掘蒙古冰草(Agropyron mongolicum)抗旱相关的MYB基因,本研究在已有转录组测序数据的基础上,用Plant TFDB数据库中的Prediction和Blast对MYB基因筛选及保守结构域分析,通过生物学方法对筛选出的MYB转录因子进行分析,预测其分子量和等电点等理化性质、基序、二级结构和三级结构;并用MEGA 7.0.21与已报道具有抗旱功能的29个MYB蛋白进行多序列比对分析并构建系统进化树。结果表明:蒙古冰草中筛选出9个MYB基因,蛋白大小在113~576 aa,分子量和等电点分别介于12.83~61.52 kD和4.68~9.80 kD之间,都为不稳定的亲水性蛋白;基序预测得到2个特征基序,最长的基序含50个氨基酸;α-螺旋和无规则卷曲是主要的二级结构,三级结构中都含有螺旋-转角-螺旋结构;进化树分析中,38个基因很好的聚为两类,其中Unigene 25843、Unigene 42380、Unigene 52355、Unigene 54016分别于AtMYB33、AtMYB61、Os MYB48-1、AtMYB20在同一分支上,高度同源,推测从蒙古冰草中筛选得到的MYB基因参与干旱胁迫应答,该研究为下一步蒙古冰草MYB基因功能的研究提供帮助。     

蒙古冰草Actin基因片段的克隆及序列分析

旨在利用同源序列法分离蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)Actin基因同源片段,为研究其他基因在蒙古冰草中的表达和调控提供内标参照.根据禾本科植物小麦Actin基因(AB181991)的保守序列设计2对引物A4和A5,采用RT-PCR扩增蒙古冰草的Actin基因片段,分别得到656 bp和848 bp的片段,使用DNAman和DNAuser等分子生物学软件进行序列分析,将2个片段的重复序列合并后获得一段长度为962 bp的基因片段,编码237个氨基酸,将克隆的Actin基因片段命名为MwACT.该序列与其它植物Actin基因核苷酸序列的同源性均在80%以上,其中与小麦、大麦的同源性达到94%;与氨基酸序列的同源性均在90%以上.     

盐穗木过氧化氢酶基因的克隆与功能分析

利用同源基因克隆法,从新疆荒漠盐碱地多年生灌木盐穗木(Halostachys caspica)中克隆获得盐穗木过氧化氢酶基因(HcCAT1)。序列分析表明,HcCAT1基因开放阅读框为1 479 bp,编码492个氨基酸,推测编码蛋白质的分子量为56.7 kD,等电点为6.84。基因序列比对发现,HcCAT1与多种植物过氧化氢酶基因具有较高的同源性。半定量RT-PCR结果表明,HcCAT1基因受盐胁迫而上调表达。将构建的重组质粒pET32a-HcCAT1转化大肠杆菌BL21(DE3),以IPTG诱导重组蛋白His-HcCAT1的表达;SDS-PAGE和Western印迹检测显示,重组蛋白的分子量大小为77.7 kD,其大小与推测的大小一致;在低温诱导下以可溶性形式表达,且表现出一定的过氧化氢酶活性。盐胁迫实验结果显示,在添加400 mmol/L NaCl、400 mmol/L KCl以及300 mmol/L甘露醇的LB培养基中,重组质粒转化菌的生长情况和生长速率明显优于对照,表明HcCAT1可明显提高大肠杆菌的耐盐性。该研究结果将有助于从抗氧化角度认识盐生植物盐穗木的耐盐分子机理。     

茶树CsPNPO基因的功能鉴定与表达分析

PNP氧化酶是VB_6代谢途径中一个重要的转化酶。该研究以茶树‘龙井43’为材料,采用RT-PCR方法克隆PNP氧化酶基因,以pET22b(+)为载体构建原核表达载体,通过IPTG进行诱导表达并进行功能鉴定;采用荧光定量PCR方法分析茶树不同组织中CsPNPO基因的表达差异以及在低温和干旱胁迫下的表达特征,为进一步解析茶树VB_6的生理生化功能奠定基础。结果表明:(1)茶树CsPNPO编码框长度为1 503 bp,编码501个氨基酸,分子量为48.5 kD,理论等电点5.82,不含信号肽,属于亲水性的非分泌蛋白,定位于叶绿体;氨基酸序列分析结果显示,其有叶绿体转运肽区域、YjeF-N功能域和PNP氧化酶功能域。(2)成功构建pET22b(+)-CsPNPO原核表达载体,并在pH 8.5、37℃时测定重组蛋白有较强的PNP氧化酶活性。(3)荧光定量PCR检测结果显示,CsPNPO基因在茶树叶中的表达量最高,其次是茎,根的表达量最低仅为叶的十分之一,表明CsPNPO基因具有组织表达特异性;在低温和干旱条件下CsPNPO基因的表达量下降明显,推测CsPNPO基因可能参与了茶树对低温和干旱的逆境应答。     

忽地笑LaSUVH1基因克隆与功能分析

为了深入探究忽地笑(Lycoris aurea)组蛋白赖氨酸甲基转移酶(histone lysine methyltransferase, HKMT)基因的功能,该研究根据前期转录组测序结果,采用RT PCR方法克隆得到一个组蛋白赖氨酸甲基转移酶基因LaSUVH1。序列分结果表明, LaSUVH1基因的编码区(coding sequences, CDs)序列长2 007 bp,编码668个氨基酸残基;LaSUVH1蛋白不具有信号肽结构,无跨膜结构,为亲水性蛋白,含有SET、YDG/SRA、Pre SET和Post SET结构域;序列比对和系统进化树分析发现,LaSUVH1与芦笋AoSUVH1 like蛋白亲缘关系最近。实时荧光定量PCR分析表明,LaSUVH1基因在忽地笑不同组织部位均有表达,且在叶中表达量最高。经潮霉素筛选成功获得3个反义过表达LaSUVH1的转基因拟南芥株系。进一步功能分析发现,反义过表达LaSUVH1促进了拟南芥幼苗侧根的发生,降低了拟南芥对NaCl的耐受性,增加了拟南芥种子萌发对脱落酸(ABA)的敏感性,表明LaSUVH1基因响应盐胁迫应答可能依赖ABA信号通路。     

参与ABA诱导的水稻OsCaMs基因鉴定及其功能分析

以‘徐稻4号’为材料,构建OsCaMs的瞬时表达载体,利用生物信息学和RT-PCR方法设计OsCaMs定量引物5个,鉴定参与ABA诱导的OsCaMs基因并分析其生理功能,为进一步揭示ABA信号转导核心组分的研究奠定基础。结果显示:(1)水稻OsCaMs的5个家族基因的CDS等长,均为450bp,ABA(100μmol·L~(-1))处理能够明显诱导OsCaM1-1和OsCaM1-2的表达。(2)利用瞬时表达载体将表达荧光蛋白的OsCaM1-1-YFP和OsCaM1-2-YFP通过PEG方法转化到原生质体中,激光共聚焦分析显示,这2个基因均定位于细胞核、细胞质和细胞膜中;并构建了OsCaM1-1和OsCaM1-2的干扰载体dsOsCaM1-1和dsOsCaM1-2。(3)经ABA诱导的水稻原生质体抗氧化保护酶APX和SOD活性分别显著提高35%和31%;原生质体瞬时表达和瞬时沉默体系分析表明,OsCaM1-1和OsCaM1-2均能够影响抗氧化保护酶APX和SOD的活性,其中原生质体中瞬时过表达这2个基因对APX和SOD活性上调达到1.15~1.45倍,瞬时干扰这2个基因对APX和SOD活性下调达到25%~30%。(4)外源H_2O_2(10mmol·L~(-1))预处理水稻幼苗可诱导OsCaM1-1和OsCaM1-2基因表达量上调,并且OsCaM1-2能够诱导水稻原生质体中H_2O_2的积累。(5)原生质体瞬时表达分析发现,在水稻原生质体中瞬时表达OsCaM1-1和OsCaM1-2可分别诱导OsrbohB和OsrbohE的表达;而且在水稻原生质体中瞬时表达OsrbohB和OsrbohE可分别诱导OsCaM1-1和OsCaM1-2的表达,表明OsCaMs与Osrbohs之间存在正反馈调节机制。研究表明,OsCaM1-1和OsCaM1-2为水稻参与ABA信号转导中具有调控抗氧化保护作用的同源基因;OsCaM1-1和OsCaM1-2不仅受ABA诱导,也受H_2O_2诱导,而且ABA是通过H_2O_2进行调控。     

红花玉兰MwZFP10基因的克隆及功能分析

该研究选取了湖北五峰地区红花玉兰新品种‘娇红1号’为研究材料,基于实验室前期对红花玉兰转录组测序差异显著表达基因中筛选到的645bp花发育相关的核心片段,采用RACE技术克隆得到1个SUPERMAN类基因MwZFP10(GenBank登录号为MH037314)。生物信息学分析显示,MwZFP10基因全长为1 117bp,开放阅读框726bp,编码241个氨基酸,蛋白分子式为C_(1128)H_(1760)N_(322)O_(383)S_(14),分子量26.4kD,理论等电点4.42,含有一个C2H2型锌指结构域。对比分析发现MwZFP10属于SUPERMAN类锌指蛋白,具有N端的QALGGH和C端富含亮氨酸的L(I)DLXLR(K)L保守结构域。α螺旋(Hh)、延伸链(Ee)和β转角(Bt)构成红花玉兰MwZFP10蛋白的基本结构,蛋白的三级结构具有典型的锌指空间构型。MwZFP10蛋白为亲水性蛋白,可能定位于细胞核中。半定量和实时荧光定量结果显示,MwZFP10在花器官、叶片和苞片中均有表达,且花器官的雌蕊中表达量较高。过表达MwZFP10转基因拟南芥表现为植株矮小且不育,叶片卷缩,花器官发育畸形等特征。研究认为,MwZFP10基因在植物花器官的生长和发育中起重要作用。     

互花米草NHX2基因的克隆与功能鉴定

NHX2属于CPA1基因家族,编码Na~+/H~+逆向转运蛋白,控制液泡膜中活性K~+的摄取,同时调节气孔的关闭。该研究以耐盐植物互花米草为材料,采用PCR技术克隆NHX2基因,并将其转入拟南芥进行相关功能鉴定。结果显示:(1)成功克隆获得互花米草NHX2基因CDS序列(1 602 bp),命名为SaNHX2,该基因编码533个氨基酸,SaNHX2蛋白的分子量约为58.65 kD,定位于细胞核和细胞膜,表明SaNHX2基因可能发挥转录调控的功能。(2) qRT-PCR结果显示,在ABA、NaCl和干旱胁迫处理下,互花米草叶和根中SaNHX2基因的表达量均上调。(3)为进一步鉴定其功能,成功构建植物表达载体,将SaNHX2基因转入拟南芥;经RT-PCR检测结果显示,SaNHX2基因在转基因植株中过表达;高盐胁迫处理后,转SaNHX2基因拟南芥的主根长度、叶绿素总量和相关胁迫应答基因表达量均高于转空载拟南芥,表明转SaNHX2基因拟南芥的耐盐能力显著增强。研究表明,SaNHX2基因可能在盐胁迫调节机制中发挥调控作用,可作为改良农作物耐盐的重要候选基因。     

沙冬青AmFAD2-1基因的克隆及其功能分析

细胞膜脂的不饱和度主要由脂肪酸去饱和酶(fatty acid desaturase,FAD)决定,二者与植物抵抗低温和高盐等逆境胁迫密切相关。沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)是中亚荒漠区唯一的常绿旱生阔叶植物,具有很强的耐寒、耐旱和耐盐碱等特性。该研究利用RT-PCR方法克隆到沙冬青油酸去饱和酶基因AmFAD2-1的cDNA和gDNA,其中后者不含内含子。在AmFAD2-1蛋白(含382个氨基酸残基)序列中含有FAD家族必须的保守组氨酸簇和内质网定位信号及跨膜结构域。进化分析表明,AmFAD2-1与大豆(Glycine max)和柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)等豆科植物的FAD2距离较近,而与玉米(Zea mays)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)等其他植物的FAD2距离较远。qRT-PCR分析表明,在室内培养的沙冬青幼苗中,AmFAD2-1的表达量在低温处理2～24h和干旱处理6～13d期间显著上调,在盐胁迫处理期间则呈现升高、降低、再升高的变化趋势;在野外生长的沙冬青成株嫩叶中,其表达量在秋季和冬季总体上明显高于春季和夏季。成功构建了植物表达载体p3300-35S-AmFAD2-1并通过根癌农杆菌介导法转化野生型拟南芥,获得16株转AmFAD2-1基因植株。耐逆性鉴定表明,转基因株系的耐冻性较野生型拟南芥显著提高,其耐旱性和耐盐性也比后者有较明显的改善。     

海岛棉GbHCT13基因的功能验证

该研究利用海岛棉‘新海21’和陆地棉ND203以及模式植物拟南芥,通过转基因及荧光定量检测等方法探究海岛棉GbHCT13基因(GenBank 登录号MW048849)在纤维发育中的功能。结果显示：(1)成功构建重组载体pCAMBIA3301 GbHCT13,经农杆菌介导法转化、除草剂抗性基因筛选、荧光定量检测方法鉴定获得转GbHCT13基因拟南芥T₃代植株4株;qRT PCR检测表明,转基因植株中GbHCT13基因表达量较野生型极显著增加。(2)转基因拟南芥过表达GbHCT13基因使植株同一时期的生长较野生型旺盛,株形、叶片数、抽薹数和茎秆表皮毛数量均与野生型存在差异;组织化学分析发现,转GbHCT13基因的拟南芥较野生型茎秆初生木质部生长活跃,导管增粗,次生木质部导管细胞壁横截面积变大,但髓质细胞无明显变化;过表达GbHCT13使拟南芥中木质素合成途径基因发生不同程度改变,其中CAD、CCoAOMT、PAL和4CL与GbHCT13基因的表达呈正相关。(3)经大田筛选、分子鉴定,成功获得转GbHCT13基因棉花植株3株;转GbHCT13基因棉花的棉纤维伸长率增加,纤维强度增大;沉默GbHCT13基因使棉花植株木质素含量降低,茎秆表皮毛数量减少,木质部导管细胞数量减少,导管细胞壁中木质素沉积量降低,而棉株并未发生株高上的明显矮化现象,且木质素合成通路中的CAD、CCoAOMT、CCR、PAL 4个基因的表达均呈降低趋势,说明抑制GbHCT13使得棉花生长代谢受阻,影响纤维发育起始。研究表明,GbHCT13基因能影响棉花植株中木质素合成从而调控纤维的生长发育,其功能与GbHCT13基因在模式植物拟南芥中的基本一致。