马铃薯腺苷酸激酶基因的克隆分析及其植物表达载体的构建

目的:克隆马铃薯腺苷酸激酶基因(adk)并进行生物信息学分析,构建反义表达载体。方法:用RT-PCR方法从西南地区马铃薯主推品种“米拉”中克隆adk编码序列,进行生物信息学分析后,反向插入植物高效表达载体pCAMBIA1304 ,构建其反义植物表达载体。结果:克隆到的adk编码序列(stadk)为867bp,编码由288个氨基酸残基构成的多肽。生物信息学分析表明,其亚细胞结构定位于质体,具有典型的腺苷酸激酶蛋白功能域ATP-AMP(Ap5A)结合位点和AMP结合位点,蛋白质三维模型具有典型的ADK蛋白立体结构。该蛋白与另一条来源于马铃薯的ADK2序列的遗传相似性最高,在进化树上与杏、苜蓿、水稻的距离最近,与拟南芥的距离最远。将构建好的反义表达载体pCAMBIA1304 -Astadk导入根癌农杆菌菌株LBA4404,获得了工程菌菌株。结论:克隆到stadk基因。生物信息学分析表明,在淀粉合成水平最高的植物中,腺苷酸激酶的分子进化水平和遗传相似性也最高。获得的工程菌菌株可用于遗传转化马铃薯、甘薯和木薯等重要的淀粉作物,为实现淀粉代谢工程奠定了基础。     

氮添加与降雨变化对红砂幼苗非结构性碳水化合物的影响

非结构性碳水化合物(NSC)在植物体内的含量及分配对植物生长和存活至关重要。开展氮沉降和降雨变化对幼苗NSC影响的研究,为揭示干旱导致幼苗死亡机理及预测气候变化背景下幼苗自然更新及培育提供依据。本研究以1年生红砂幼苗为对象,测定了不同降雨(降雨减少(W-)、自然降水(W)和降雨增多(W+))和氮添加(N0(0 g N·m^-2·a^-1)、N1(4.6 g N·m^-2·a^-1)、N2(9.2 g N·m^-2·a^-1)、N3(13.8 g N·m^-2·a^-1))条件下红砂幼苗各器官NSC及其组分含量。结果表明:红砂幼苗各器官NSC含量为28.8~71.8mg·g-1,叶片含量最高,茎含量最低。氮添加和降雨变化对红砂幼苗叶片和根系淀粉及总NSC含量有显著影响,而对茎无显著影响。各降雨条件下,氮添加均促进了红砂幼苗叶片淀粉和总NSC累积,在降雨增加30%的条件下氮的促进效应更显著,中高氮(N2和N3)叶片淀粉与总NSC含量显著高于低氮水平(N1和N0);在低氮降雨减少30%(N1W-)处理下,红砂叶片淀粉和NSC含量最小,而根系淀粉和NSC含量最大,即低氮干旱胁迫下红砂可通过NSC在不同器官的重新分配来适应胁迫环境。在自然降雨和降雨增加30%情况下,根系淀粉和NSC的含量随氮添加的增加而减小,且中高氮处理(N2和N3)显著低于对照(N0)。可见,叶片是红砂NSC的源,氮添加会促进红砂幼苗叶片NSC的累积,且这种促进效应与水分紧密相关,在降水增加情况下其效应更显著;而过量的氮添加会抑制根系NSC含量的积累,在低氮干旱胁迫下红砂也可通过叶片NSC向根系转移来适应逆境胁迫。     

不同浓度IAA对浮萍生长及淀粉积累的影响

以新型能源植物浮萍为试材,设置0（对照）、0.001、0.01、0.1、1 和10 μmol/L的IAA处理,通过光照培养室营养液水培试验,研究不同浓度IAA对浮萍生长及淀粉积累的影响。结果表明：（1）低浓度（0.001、0.01和0.1 μmol/L）的IAA可以有效促进浮萍叶绿素含量、净光合速率和干物质的积累,分别比对照显著增加14.7%、10.6%和28.1%,并以0.001 μmol/L IAA处理效果最佳。（2）高浓度（1 和10 μmol/L）IAA可以调节浮萍淀粉的积累,增强淀粉合成关键酶ADPG焦磷酸化酶（AGPase）的活性,淀粉含量和AGPase活性在10 μmol/L的IAA处理下分别比对照显著增加35.0%和14.1%。研究表明,低浓度IAA处理能有效促进浮萍叶绿素的合成和光合作用的进行,从而有利于生物量的积累;高浓度IAA可以通过增强浮萍AGPase的活性来促进淀粉含量和淀粉总量的积累。     

人工油松林中不同植物叶片非结构性碳水化合物含量对氮添加的响应

全球氮沉降通过影响树木叶片的生理过程影响森林生态系统的结构与组成,但目前关于氮沉降对森林生态系统中不同植物叶片非结构性碳水化合物(NSC)含量的影响还不十分清楚.本研究选取黄土丘陵区人工油松林中油松、辽东栎、忍冬、绣线菊、黄刺玫、茜草、披针苔草7种主要高等植物,比较了3年氮添加(0、3、6、9 g N·m^-2·a^-1,分别用N₀、N₃、N₆、N₉表示)对7种植物叶片中NSC的影响.结果表明: 不同植物叶片可溶性糖、淀粉含量变异很大,二者变异最高的均为黄刺玫,最低的分别为绣线菊和披针苔草;不同植物可溶性糖、淀粉对氮添加的响应存在明显差异.N₆处理下茜草的可溶性糖和淀粉的变异高于其他物种,N₃和N₉处理下绣线菊的变异高于其他物种,可溶性糖和淀粉含量变异最小的物种在不同氮添加水平下不同.随着氮添加水平的增加,油松和披针苔草的可溶性糖含量持续升高,绣线菊持续降低,辽东栎、忍冬和黄刺玫的可溶性糖含量先降低后增加,在N₆处理达到最小,而茜草的可溶性糖含量呈现较复杂的变化趋势.氮添加对植物叶片中淀粉含量的影响表现为油松、忍冬和披针苔草的淀粉含量持续增加,绣线菊先降低后增加,在N₃处理达到最小,而黄刺玫和茜草则呈现较复杂的变化趋势,辽东栎淀粉含量变化趋势平缓.在氮添加后,土壤pH、有机碳、全氮、全磷与植物叶片NSC含量无相关关系,仅N₀和N₃水平下上述土壤理化指标会显著影响可溶性糖/淀粉.表明林地不同植物叶片中NSC含量对氮添加的响应明显不同,研究全球氮沉降或氮添加对林地生态系统的影响需要考虑不同植物,尤其不同生活型植物的不同响应.     

玉竹雄配子的发育——着重阐明质体在生殖细胞和营养细胞中的分布和变化

玉竹(Polygonatum simizui Kitag)小孢子在分裂前,质体极性分布导致分裂后形成的生殖细胞不含质体,而营养细胞包含了小孢子中全部的质体。生殖细胞发育至成熟花粉时期,及在花粉管中分裂形成的两个精细胞中始终不含质体。虽然生殖细胞和精细胞中都存在线粒体,但细胞质中无DNA类核。玉竹雄性质体的遗传为单亲母本型。在雄配子体发育过程中,营养细胞中的质体发生明显的变化。在早期的营养细胞质中,造粉质体增殖和活跃地合成淀粉。后期,脂体增加而造粉质体消失。接近成熟时花粉富含油滴。对百合科的不同属植物质体被排除的机理及花粉中贮藏的淀粉与脂体的转变进行了讨论。     

植物质体基因工程调控元件研究进展

随着植物合成生物学的发展,质体逐渐成为许多具有商业价值的次生代谢产物和治疗性蛋白异源生产的理想平台。与核基因工程相比,质体基因工程在外源基因高效表达和生物安全性等方面具有其独特优势。然而,外源基因在质体系统中的组成型表达或对植物生长不利,因此需进一步挖掘、设计调控元件实现对外源基因的精准调控。本文概述了质体基因工程调控元件的研究进展,内容包括操纵子设计与优化思路、多基因共表达调控策略及新型表达调控元件的挖掘等,为植物合成生物学的发展提供参考。     

氮添加对油松幼苗不同径级细根碳水化合物含量的影响

氮(N)沉降正在对全球森林生态系统产生显著影响。目前关于氮沉降如何通过影响树木不同径级细根碳水化合物含量,进而影响树木生理特征及生长的机制尚不清楚。本文以2年生油松(Pinus tabuliformis)幼苗细根为对象,研究了短期(2年)氮添加(0、3、6、9g N·m~(-2)·a~(-1),分别记为N0、N3、N6、N9)对不同径级(0~0.5、0.5~1和1~2 mm)细根中非结构性碳水化合物(NSC)和结构性碳水化合物(SC)含量的影响。结果表明:(1)0~0.5 mm细根中碳水化合物含量(512.97 mg·g~(-1))显著低于1~2 mm细根中碳水化合物含量(638.83 mg·g-1)。0~0.5 mm细根中NSC、可溶性糖和淀粉含量显著低于0.5~1及1~2mm;(2)随着细根径级的增加,SC含量和纤维素含量呈增加趋势,而木质素含量呈降低趋势。N添加对3个径级细根中不同碳水化合物组分的影响不同。N添加对0~0.5和0.5~1mm细根中NSC、可溶性糖和淀粉含量均无显著影响,但N9处理显著降低了1~2 mm细根中NSC和可溶性糖含量(16.20%和29.90%),对淀粉含量无显著影响。此外,N3处理显著增加了0~0.5 mm细根中可溶性糖含量(69.65%);(3)N添加对细根中SC、木质素含量没有显著影响,但N3处理显著增加了最细两级根(0~0.5和0.5~1 mm)纤维素含量(35.3%和57.0%),N9处理显著降低了1~2 mm细根中纤维素含量(30.39%);(4)N3处理显著增加了0~0.5 mm细根中NSC/SC,而对另两级根系中该比率无显著影响。结果表明,N添加可能通过影响最细两级根(0~0.5和0.5~1 mm)中NSC、可溶性糖含量及NSC/SC影响植物细根的生理功能和生长。     

宁夏枸杞果实发育过程中淀粉代谢和质体超微结构研究h

该研究以宁夏枸杞为材料,对其果实发育过程中果实淀粉含量、淀粉代谢相关酶活性进行测定,并对果实发育过程中果皮细胞内质体超微结构和淀粉组织化学定位进行了系统观察。结果表明:(1)枸杞果实内淀粉含量随果实的发育呈现先增加后降低的变化趋势,在果实花后14d其含量达到最高(13.85mg·g-1)。(2)果实内α淀粉酶活性和β淀粉酶活性随果实发育成熟呈现逐渐增加的趋势,且α淀粉酶活性始终明显高于β淀粉酶活性。(3)组织化学和超微结构研究表明,在果实转色(花后24d)以前果实的造粉体内有大量淀粉粒的存在,但在果实第二次快速生长期,果实内的淀粉粒分解、消失,而叶绿体内没有观察到淀粉粒。研究认为,淀粉是宁夏枸杞果实发育过程中碳水化合物的一种暂时贮存形式,对维持果实早期的库强起到了重要作用,但随着第二次快速生长期果实库强的增加,淀粉体内的淀粉被淀粉酶分解转化为还原糖贮藏在果肉细胞中。     

利用外源γ-氨基丁酸调控海洋绿藻亚心形四爿藻淀粉积累

微藻被看作第三代生物质能源的来源。微藻淀粉结构与高等植物的高度相似性使其可以作为粮食作物的替代,在生物能源领域有广泛的应用。γ-氨基丁酸(GABA)被认为是一种信号分子,可以调节植物细胞的生长代谢。本研究在缺氮培养条件下添加外源GABA调控海洋绿藻亚心形四爿藻生理代谢和淀粉积累。结果表明,添加外源GABA可以抑制细胞生长,降低光合作用效率;OJIP实验显示,GABA的添加增强了光合器官能量耗散,降低了光能利用效率,阻碍了电子传递,造成额外胁迫,从而促使细胞将碳流更多地分配到淀粉积累,导致藻细胞的淀粉含量、淀粉产量和淀粉产率提高。添加10 mmol/L GABA获得最大淀粉含量39%DW,比未添加GABA的对照组淀粉含量提高39%;同时获得最大淀粉产量和产率为1.72 g·L^-1和0.36 g·L^-1·d^-1,分别比未添加GABA的对照组提高39%和50%。以上结果表明在缺氮条件下添加外源GABA是一种调控亚心形四爿藻细胞代谢并提高其淀粉生产的有效方法。     

沙木蓼和沙枣对地下水位变化的生理生态响应Ⅰ.叶片养分、叶绿素、可溶性糖和淀粉的变化

在甘肃民勤沙生植物园内利用植物蒸腾耗水量观测场,研究了两种优势旱生植物沙木蓼（Atraphaxis frutescens)和沙棘（Elaeagnus angustifolia)叶片中的叶绿素、可溶性糖,淀粉和N、P、K、含量等对不同地下水深度（1－3．4m）的响应。结果表明：1）1.4m,2.4m和3．4m 3种不同地的地下水深度处理,产生了3种差异显著的土壤水分梯度;2）地下水深度的变化导致了这两种旱生植物叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、叶绿素a与叶绿素b的比值等的显著变化（P＜0．01）;3）地下水深度的增加引起了两种植物叶片可溶性糖含量的升高和淀粉含量的降低;4）地下水深度的增加引起了两种植物叶片中N、P、K含量的降低;5）不同的地下水深度引起沙棘和沙木蓼叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、叶绿素a与叶绿素b的比值、N、P、K含量,可溶性糖和淀粉增加或减少的程度不同。沙棘是非豆科固氮植物,两者的差异是否与固氮作用相关还有待于进一步研究。     

植物对大气CO2 浓度升高的光合适应机理

光合作用对大气中CO2浓度升高适应的可能原因主要表现在以下几个方面: 由于CO2浓度升高,碳水化合物过量积累, 光合电子传递链中质体醌与过氧化氢(H2O2)的氧化还原信号对光合作用发生反馈抑制; 核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)的含量及其活性下降; 气孔状态发生变化。此外, 植物体内C/N平衡、生长调节物质和己糖激酶对光合基因表达水平的调控等多个方面会对光合适应产生影响。     

杨树幼苗非结构性碳水化合物对增加降水和氮添加的响应

设置3个水分梯度,即自然降水(W₁)、自然降水增加50%(W₂)和增加100%(W₃)以及4个施氮梯度,即模拟氮沉降添加0(N₁)、5(N₂)、10(N₃)和15(N₄) g N·m^-2·a^-1,研究增加降水和氮添加对杨树幼苗非结构性碳水化合物(NSC)的影响.结果表明: 增加降水和氮添加对杨树幼苗NSC含量具有显著的交互作用.随着降水的增加,N₁水平叶片和枝条可溶性糖含量不变,叶片、枝条、主干、粗根和细根淀粉含量下降;N₂和N₃水平各器官可溶性糖含量下降或保持不变,淀粉含量降低或先升高后降低;N₄水平各器官可溶性糖和淀粉含量升高或先降低后升高.随着氮沉降的增加,W₁处理叶片可溶性糖含量不变,淀粉含量增加,细根可溶性糖含量增加,淀粉含量不变;W₂处理各器官可溶性糖含量不变或先增加后减少,淀粉含量降低或先增加后降低;W₃处理各器官可溶性糖、淀粉和NSC含量均增加.各水分和施氮梯度处理下,杨树幼苗可溶性糖含量为39.1～88.3 mg·g^-1,叶片中最高,细根中最低,淀粉含量为23.3～46.8 mg·g^-1,粗根中最高,细根中最低.     

莲幼胚子叶细胞造淀粉体DNA的动态变化

莲(Nelumbo nucifera Gaertn.)幼胚子叶细胞造淀粉体和分离的造粉质体上均呈现强烈的 Feulgen 反应物质。经 DNA 酶处理后,在子叶细胞造淀粉体上呈 Feulgen 负反应。将分离的造粉质体用特异性的 DNA 荧光染料 DAPI 染色,造粉质体显示蓝色的荧光。实验证明,莲幼胚子叶细胞随着发育时期的增长,造粉质体 DNA 的含量逐渐增加,显示出有规律的动态变化过程。在电镜下观察,造粉质体 DNA 区域外无膜结构存在,故具有原核生物的特征。这种质体 DNA 的纤维丝直径大约为25。     

植物对大气CO2浓度升高的光合适应机理

光合作用对大气中CO2浓度升高适应的可能原因主要表现在以下几个方面:由于CO2浓度升高,碳水化合物过量积累,光合电子传递链中质体醌与过氧化氢(H2O2)的氧化还原信号对光合作用发生反馈抑制;核酮糖1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)的含量及其活性下降;气孔状态发生变化.此外,植物体内C/N平衡、生长调节物质和己糖激酶对光合基因表达水平的调控等多个方面会对光合适应产生影响.     

CO2浓度升高对长白山三种树木幼苗叶碳水化合物和氮含量的影响

研究了持续 3个生长季高浓度CO2 处理的长白山主要树种红松、长白赤松和水曲柳幼苗叶 (片 )的蔗糖、果糖、可溶性总糖、淀粉及全氮含量变化 .结果表明 ,前两个生长季 70 0 μmol·mol-1CO2 处理 ,促进了水曲柳和长白赤松幼苗的淀粉累积 ,70 0和 5 0 0 μmol·mol-1CO2 却使红松幼苗的全N含量明显降低 .第三个生长季高浓度CO2 处理的第一周和第二周 ,红松和水曲柳幼苗的淀粉含量增加 ,全N含量降低 ,第八周时 ,水曲柳仍维持原来的变化趋势 .第三个生长季高浓度CO2 处理 ,并未使长白赤松的C、N含量有明显的增减 .CO2 浓度影响了碳水化合物在叶 (片 )中的积累形式     

中国东北典型森林生态系统植物叶片的非结构性碳水化合物研究

植物叶片的非结构性碳水化合物(NSC)不仅可以反应植物的碳供应状况,也能反应植物对外界环境的适应策略。利用传统的蒽酮比色法测定了东北3个典型森林生态系统(呼中、凉水和长白山)242种常见植物叶片的非结构碳水化合物,探讨了温带主要森林植物叶片NSC沿纬度梯度的变化趋势及其在物种-生活型-群落间的分布规律。实验结果表明:3个典型森林生态系统植物叶片可溶性糖、淀粉和NSC含量均呈偏正态分布,多数物种的含量偏中低水平;242种植物叶片可溶性糖、淀粉和NSC的平均含量分别为63.31、65.66和128.96 mg/g。在所调查的森林生态系统中,叶片可溶性糖、淀粉和NSC含量在不同生活型中表现各异。此外,乔木植物叶片的可溶性糖、淀粉和NSC含量从北到南呈递增趋势,呼中最低,凉水次之,长白山最高。乔木淀粉含量均表现为落叶树种大于常绿树种,可溶性糖和NSC含量变化趋势复杂。研究结果不仅为阐明东北主要森林生态系统植被碳代谢和生长适应对策提供数据基础,而且对理解植物对未来气候变化的响应机理提供数据支撑。     

AGPase及其基因表达研究

ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)是淀粉生物合成的限速酶,本文讨论了到目前为止对不同植物AGPase基因及其表达的研究结果。其中包括AG-Pase大小亚基编码基因表达的分布及调控。其结论为:完整AGPase两个大亚基和两个小亚基对合成正常含量的淀粉缺一不可;有多个等位基因编码植物AGPase大小亚基,它们表现发育阶段、组织器官、细胞质体内外及诱导条件的分化表达;尽管各亚基表达于含淀粉的组织,但它们在储藏组织内的表达量远高于其他组织;对调控不敏感的外源AGPase基因导入淀粉植物将会成为提高淀粉含量的重要途径。提出了进一步研究中存在的问题及可能的解决途径。     

外源基因引入高等植物

通过利用携带大肠杆菌-Ti杂种质体的根癌病农杆菌可以把在大肠杆菌K-12中无性繁殖基因引入Arabidopsis植物中,这个杂种质体由如下四个因素组成:(1)大肠杆菌     

植物淀粉合成的调控酶

淀粉是植物中最普通的碳水化合物,是人类最主要的食品来源与重要的工业原料。植物淀粉的生物合成主要涉及了4种酶—ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶,它们在淀粉的生物合成中发挥着不同作用。近年来,随着基因工程技术的迅速发展及与这些酶有关的众多突变体的发现,使人们对这些酶的结构、特性、功能及表达调控等方面的研究取得了重要进展。并且,人们已开始利用基因工程技术调控植物淀粉的数量与特性,取得了一定成效。在此,文章介绍了调控植物淀粉合成关键酶的生化特性、基因调控及利用基因工程改良植物淀粉等方面所取得进展。     

不同启动子驱动glgC在马铃薯体内的表达研究

为了明确不同启动子驱动glgC基因表达的差别,对GBSSⅠ和35S两个启动子分别驱动的glgC在马铃薯转化株系的表达进行了检测,并测定了转化株系淀粉积累的表型差异。结果显示:两个启动子驱动的glgC在各自的转化株系中均实现了表达,且单拷贝glgC转化株系的AGPase活力、块茎淀粉含量和其粘度的表达均显著高于对照,其中GBSSⅠ∶glgC转化株系的块茎淀粉含量和粘度均是对照的2倍以上,但其直链淀粉含量显著低于对照。研究表明,不同启动子驱动glgC植物体内表达,可实现其淀粉生物合成的调控。