小麦TaPHYA基因亚家族的克隆及表达分析

光敏色素是一类与作物农艺性状密切相关的基因家族。本研究克隆了中国春小麦光敏色素TaPHYA1、TaPHYA2和TaPHYA3基因完整的编码序列,并对它们进行了生物信息学以及转录分析。在NCBI数据库中对其推测的氨基酸序列进行BLAST分析,发现TaPHYA1和TaPHYA3氨基酸序列中包含光敏色素基因完整的功能结构域。系统进化树分析表明,小麦TaPHYA1、TaPHYA2和TaPHYA3之间进化关系相近,且与单子叶植物玉米、水稻的PHYA聚为一个亚类。另外,TaPHYA的表达丰度具有组织特异性,在茎、叶、穗中表达量分别是根中的1.35、0.34和0.87倍;而在同光质条件下,其表达丰度也具有光质特异性,TaPHYA的总表达量在黑暗和远红光条件下最高,在蓝光条件下次之,而红光和白光条件下最低。该结果为深入研究小麦光敏色素A基因亚家族的功能奠定了基础。     

2个玉米ZmCRY1a基因的克隆及其响应光质处理的表达模式

隐花色素(Cryptochrome, CRY)是植物蓝光的主要受体,参与其调节生长发育及生物钟过程。为研究隐花色素在玉米光形态建成及生物钟调控方面的作用,本研究利用同源克隆的方法得到玉米自交系B73的2个ZmCRY1a基因的cDNA序列,分别命名为ZmCRY1a1和ZmCRY1a2。这2个基因的编码区(coding DNA sequence, CDS)序列长度都为2124个核苷酸,编码707个氨基酸。生物信息学分析表明ZmCRY1a1和ZmCRY1a2推测的氨基酸序列均包含DNA photolyase、FAD binding和Crytochrome C结构域;与拟南芥及其他常见作物的CRY比对并构建系统发育树显示,这2个基因与水稻OsCRY1a氨基酸序列一致性最高,而与拟南芥和大豆等双子叶植物的CRY1氨基酸序列一致性相对较低。利用实时荧光定量PCR分析了ZmCRY1a1和ZmCRY1a2在不同器官及响应光质、光质转换及长日照与短日照处理的表达模式。在检测的器官中,ZmCRY1a1的表达丰度均高于ZmCRY1a2;这2个基因在成株期叶片中表达丰度最高,分别是根中ZmCRY1a1的52.1和6.2倍。相对于黑暗下,二者在各种持续光质中的表达丰度均较高,尤其在蓝光和远红光条件下。尽管是作为编码蓝光受体的基因,2个ZmCRY1a的表达却能强烈地响应远红光和红光转换处理。同样二者也能响应不同光周期处理,长日照条件下,ZmCRY1a1的转录在一个光周期内共出现5个峰值,而ZmCRY1a2的转录只有4个峰值;短日照条件下,2个ZmCRY1a的表达出现了极其相似的模式,均在进入黑暗后10 h和14 h时出现2个最高峰。由此推测2个ZmCRY1a可能在玉米光形态建成与开花调节中发挥重要作用。     

高粱光敏色素A基因的克隆、蛋白结构与长短日照诱导表达模式

光敏色素是一类红光/远红光受体,对植物光形态建成、外部形态和生理功能等方面起着重要的调节作用。为明晰光敏色素A在调控高粱光形态建成发育过程中的作用,本研究比较分析光温敏感程度不同的高粱品种Btx623、Rio、Tx430和LH645的PhyA基因序列和PHYA蛋白的保守结构域,利用qRT-PCR明确长短日照条件处理下PhyA基因的表达模式。结果表明,Btx623、Rio和Tx430之间PhyA基因序列存在非同义突变,LH645在PhyA基因的第7个外显子上插入了5 bp碱基序列;高粱PhyA蛋白中含有1个PAS-2结构域、1个GAF结构域、1个Phytochrome结构域、2个PAS结构域、1个组氨酸激酶A结构域和1个类似组氨酸激酶的ATP激酶结构;遗传进化树分析表明,单子叶和双子叶植物PhyA蛋白明显聚为2大类,高粱PhyA、谷子PhyA和玉米PhyA1、PhyA2聚为一个亚类,相互间亲缘关系较近,与水稻PhyA同源性相对较远;在短日照(SD)条件下各时期PhyA基因转录水平变化显著,Rio PhyA基因转录水平较Btx623和Tx430变化明显,LH645 PhyA基因转录变化不显著,在长日照(LD)条件下Rio PhyA基因转录水平低于Btx623和Tx430,LH645 PhyA基因转录水平变化不显著。以上结果表明,PhyA受光周期诱导,推测其在高粱光形态建成中起重要调控作用。本研究为进一步解析PhyA基因功能及其在调控高粱光形态建成发育过程中的作用提供理论基础。     

小麦光敏色素基因TaPhyB3的克隆和表达分析

从小麦品种中国春中克隆了编码光敏色素基因B的脱辅基蛋白,将其定位于4D染色体的长臂上,并命名为TaPhyB3。TaPhyB3的开放阅读框为3501bp,编码一个128kD、具有1165个氨基酸的蛋白质。它与水稻、玉米和拟南芥在氨基酸水平上的一致性分别为93%、90%和73%。对不同光线处理7d小麦植株表达的分析表明,TaPhyB3在黑暗中表达最低、在白光下的表达水平最高,在远红光、红光、蓝光和白光下的表达水平分别是黑暗中的2.2、7.7、7.4和37.3倍。组织特异性表达分析表明,TaPhyB3在小麦幼苗所有组织中都表达,叶片中的表达水平是根的11.4倍。推测TaPhyB3的表达水平与小麦的光形态建成的程度呈正相关。     

玉米隐花色素CRY1b和CRY2基因转录丰度对不同光质处理的响应

玉米株高、开花期、产量、品质等性状与环境中的光密切相关。隐花色素是一类蓝光和近紫外光的受体, 主要参与植物的光形态建成及动、植物的生物钟调控。通过研究玉米隐花色素基因对不同光处理的表达模式, 可为进一步研究其对玉米光形态建成的作用奠定基础。本研究采用RT-PCR技术克隆了玉米ZmCRY1b和ZmCRY2基因; 利用生物信息学相关网站和软件对其编码蛋白的结构域及氨基酸进行了系统发育分析; 利用qRT-PCR分析了玉米自交系B73中ZmCRY1b和ZmCRY2基因在不同组织、以及响应不同光质及长日照和短日照处理的转录丰度。研究发现, 玉米与拟南芥、水稻和小麦的CRY蛋白有相同的结构域及较高的氨基酸序列的一致性, 表明它们具有相似的功能。ZmCRY1b和ZmCRY2基因主要在玉米的叶片中表达; 二者能迅速响应各种持续光质、黑暗到不同光质转换及长日照和短日照处理, 且ZmCRY1b在各种处理下的转录丰度均高于ZmCRY2, 可能暗示ZmCRY1b在玉米中功能更强。以上研究结果表明, ZmCRY1b和ZmCRY2基因均能有效地响应各种光质和光周期处理, 并在玉米的光形态建成中发挥重要作用。本研究为进一步探明ZmCRY1b和ZmCRY2基因的功能及其在玉米品种改良中的应用提供了研究基础。     

芸薹属植物PHYB基因的鉴定与比较分析

植物光敏色素B (PHYB)是一种可吸收红光/远红光的光受体,参与调控植物光形态建成、开花时间、种子萌发等生长发育过程。本研究在芸薹属白菜(AA)、甘蓝(CC)、甘蓝型油菜(AACC)、黑芥(BB)和芥菜(AABB)中鉴定了9个PHYB基因,其中芸薹属A基因组和B基因组中均只有1个PHYB基因,而C基因组中有2个PHYB基因。C基因组中定位在MF2亚基因组上的BoPHYB2和BnCPHYB2有较多的片段缺失。比较分析芸薹属PHYB基因上游调控序列发现这些PHYB基因中均有多种光调控元件,每个PHYB基因上游均有2个保守的G-box元件,在其两侧至少有2个SORLIP2元件。基于转录组测序数据,显示白菜BrPHYB基因在根、茎、叶、花和角果中以及在不同胚胎发育阶段均有表达。通过对全基因组已测序的芸薹属植物PHYB基因的鉴定、进化关系、启动子基序及基因表达等分析,对进一步深入研究芸薹属植物PHYB基因提供了理论依据。     

水稻灌浆期籽粒中光信号相关基因鉴定与表达分析

光是影响水稻生长发育重要的环境因素,光作为信号物质调控水稻众多生长发育过程,但光信号在水稻籽粒灌浆中的作用研究较少。本研究利用高通量测序技术,对水稻灌浆期强、弱势粒中光信号途径相关基因进行了鉴定,从抽穗后10 d、15 d、21 d、27 d和35 d 5个灌浆时期,鉴定出了5个光受体基因,9个光信号途径调控因子基因,8个光信号途径其他基因共22个光信号相关基因。光受体基因包括光敏色素Os PHYB和Os PHYC,隐花色素基因Os CRY1b、Os CRY2和Os CRY-DASH。Os PHYB和Os PHYC在5个灌浆时期强、弱势粒中均表达;Os CRY-DASH在5个灌浆时期弱势粒中均表达,在强势粒中除21 d外其余4个时期均表达。调控因子基因Os PIL15、Os COP1、Os HY5、Os HFR、Os SPT、Os ELF3-1和Os ELF3-2在5个灌浆时期强、弱势粒中均表达。灌浆期基因表达动态分析表明,光信号途径基因在弱势粒中的表达量高于强势粒,光敏色素基因与调控因子基因之间在灌浆期协同表达。     

光质与马铃薯块茎细胞信号分子和糖苷生物碱积累的关系

马铃薯块茎糖苷生物碱(SGAs)含量如果超过20mg100g-1FW,人畜食用即可引起中毒。而马铃薯块茎中SGAs的积累受多种因素的影响,其中受温度与光照影响较大。为减少马铃薯块茎中SGAs的积累,了解SGAs在马铃薯块茎中的积累机制,研究了同一温度下不同光质对马铃薯块茎SGAs的积累的影响。结果表明红光照射后各品种SGAs平均含量比蓝光、白光、黑暗处理分别提高26.02%、55.50%和100.79%,且在α=0.01水平上差异极显著,说明不同光质对马铃薯块茎SGAs含量影响不同,红光影响最大,蓝光次之。同时,马铃薯块茎经不同光质处理后作为第二信使的G蛋白含量在红光下较蓝光、黑暗、白光下分别上升0.95%、2.01%、3.86%,钙调蛋白含量分别增加7.94%、37.41%和87.24%。由此可知,红光是SGAs积累的重要信号分子,其信号作用启动了红光受体PHYB,与第二信使G蛋白和CaM等共同参与马铃薯块茎SGAs的代谢积累。     

玉米光敏色素基因C的克隆与苗期光暗条件下表达分析

光敏色素在植物的种子萌发、幼苗去黄化、叶片开张、茎伸长、开花等发育过程中具有重要调节作用。本研究根据玉米基因组数据库设计引物,获得ZmPHYC1和ZmPHYC2基因序列,分析其编码的氨基酸序列和结构域发现,6个不同光温敏感性玉米品种中光敏色素C基因序列未出现大片段的序列插入或缺失,仅发现少量SNP;ZmPHYC1与ZmPHYC2蛋白中含有1个GAF结构域、1个Phytochrome结构域、2个PAS结构域、1个His Kinase A结构域和1个类似组氨酸激酶的ATP激酶结构域;遗传进化树分析表明,单子叶和双子叶植物明显聚为不同的类别,并且玉米和高粱之间的同源性要高于玉米中PHYC1与PHYC2之间的同源性。利用实时荧光定量PCR技术分析ZmPHYC1和ZmPHYC2的表达模式发现,在光暗处理条件下,两个基因在不同品种间及各组织部位中表达量无显著差异。     

拟南芥下胚轴向光弯曲P2SA2基因的克隆与功能鉴定

向光素PHOT1介导较宽范围蓝光诱导的下胚轴向光弯曲,而向光素PHOT2仅在强蓝光下起作用。强蓝光下,PHOT1和PHOT2介导拟南芥下胚轴向光弯曲的功能冗余性,限制了人们对PHOT2功能的研究。为此,以拟南芥phot1突变体为材料,避开PHOT1基因的干扰,通过EMS诱变筛选拟南芥下胚轴向光不弯曲突变体,成功克隆到1个基因,命名为P2SA2(phototropin 2 signaling associated 2),该基因被证明是NPH3的等位基因。P2SA2基因的突变可导致拟南芥缺失强蓝光诱导的下胚轴向光弯曲反应。在p2sa2突变体背景下,P2SA2基因超表达可恢复强蓝光诱导的拟南芥下胚轴向光弯曲。该结果将为强蓝光下PHOT2下游基因的筛选、功能鉴定和揭开PHOT2调节强蓝光诱导的下胚轴弯曲的机制提供理论基础。     

玉米光敏色素A1基因(ZmPHYA1)在棉花中的转化及分子鉴定

为评价玉米ZmPHYA1基因在棉花种质资源改良中的价值,本研究利用农杆菌介导法在陆地棉(Gossypium hirsutum)R15材料中进行了玉米ZmPHYA1基因的遗传转化。经过愈伤组织诱导、抗性愈伤筛选、体细胞分化诱导后获得棉花转基因再生植株。通过田间草铵膦除草剂筛选鉴定抗性植株,并利用PCR扩增其草铵膦抗性基因和目的基因ZmPHYA1进行分子鉴定,发现阳性植株对草铵膦除草剂具较好抗性,并可扩增到256 bp的草铵膦抗性基因和217 bp ZmPHYA1基因的特异条带。进一步通过免疫印迹检测表明,3个不同转基因株系中外源ZmPHYA1基因可正常表达约170 kD大小的蛋白,且在不同组织中该外源蛋白均可正常表达。此外,对转基因植株的不同农艺性状分析表明,转基因株系株高明显低于受体对照,而铃重和纤维长度等性状无明显差异。本研究成功获得具有草铵膦抗性和外源ZmPHYA1基因的棉花新种质材料,为进一步利用光敏色素基因创新种质资源提供了材料来源。     

玉米ZmPP6C基因的克隆及其响应光质和胁迫处理的表达模式分析

丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶6亚基(catalytic subunits of Ser/Thr protein phosphatase 6, PP6C)是PP6全酶的催化亚基。在模式植物拟南芥中的研究表明,PP6C参与生长素极性运输、脱落酸信号转导和光信号转导途径介导的开花调控。为了明确玉米丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶6亚基(ZmPP6C)的蛋白结构特征与同源蛋白间的进化关系,采用RT-PCR方法克隆了ZmPP6C的全长基因。序列分析表明,ZmPP6C开放阅读框为912个核苷酸,编码303个氨基酸残基,包含PP2A的催化亚基PP2Ac结构域;系统进化树分析表明,PP6C蛋白在进化上较为保守,并且与高粱的PP6C蛋白相似性更高。对玉米自交系B73的ZmPP6C基因进行器官特异性表达分析表明,其表达量在成株期叶片中最高,是根中的7.9倍;ZmPP6C能够响应不同光质处理,且受远红光和红光的影响较大;也能响应长日和短日处理,在长日条件下的光照和黑暗阶段各有一个明显的表达高峰,在短日条件下的光照和黑暗阶段分别有2个和3个表达峰值;同时,ZmPP6C还响应高渗透、盐渍和淹水等胁迫处理,出现明显的上调表达。结果表明,ZmPP6C在玉米光信号转导、开花诱导与胁迫应答中发挥重要作用,其分子与生化机制值得进一步探讨。     

光质对番茄果实表面光系统活性的影响

以保罗塔番茄果实为试材,采用叶绿素成像荧光仪(MINI-IMAGING-PAM)测试分析了蓝(453±2)nm、绿(519±2)nm、红(623±2)nm 3种光质对番茄果实表面光化学活性的影响。结果表明:随着光强的增加(200～2 500μmol/(m.2s)),蓝光和红光处理番茄果实表面光系统Ⅱ(PSII)最大光化学量子产量Fv/Fm、PSII实际量子产量Y(Ⅱ)、电子传递速率ETR和PSII天线转化效率Fv’/Fm’均呈"S"型下降趋势;光系统间激发能分配不平衡偏离系数β/α-1急剧上升,反映出高光强导致光系统间激发能分配的不平衡,PSⅡ和PSⅠ间线性电子传递的协调性降低;而绿光处理番茄果实表面叶绿素荧光参数相对来说变化不大,可能是绿光减少了叶绿素对光能的过度吸收,使得光抑制程度较轻;蓝光处理番茄果实表面Fv/Fm、Y(Ⅱ)、ETR和Fv’/Fm’均小于红光和绿光处理,并且随着光强的增加这种差距越来越明显,表明蓝光对光抑制更敏感,更容易受到强光胁迫的影响;另外,当光强为200～1 000μmol/(m.2s)时,番茄果实表面Fv/Fm、Y(Ⅱ)和Fv’/Fm’值红光>绿光,超过1 000μmol/(m.2s)时,则绿光>红光,反映出绿光处理番茄果实适应强光的能力较强。     

不同光质对马铃薯腋芽薯结薯特性及光合性能的影响

将“延薯4号”单叶节茎段转入白光、红光、蓝光、红蓝光（4:1）下,测定了腋芽薯结薯特性、蔗糖和淀粉含量及光合性能等指标。结果表明,蓝光处理腋芽薯形成最早,单薯重和结薯率最高;在腋芽薯形成过程中,叶片蔗糖含量、干物质含量、叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）、净光合速率（P_n）、相对电子传递速率（ETR）、光化学猝灭系数（q_P）、实际量子产量（Y_PSⅡ）显著高于其他光质处理;红光处理叶片的蒸腾速率（T_r）、胞间二氧化碳浓度（C_i）、气孔导度（G_s）显著高于其他光质处理,蓝光处理最低;相同扦插时间叶片的潜在最大光能利用率（F_v/F_m）在不同光质处理间无显著性差异。基于上述结果,蓝光为诱导马铃薯单叶节茎段腋芽薯的理想人工光源。     

光温处理对甘蔗试管苗光合自养生根的影响

为了提高甘蔗试管苗光合自养生根的成功率,设置了不同季节光温、光补偿和不同光质处理,通过调查无根试管苗生根率、存活率、苗高、根长和单株根数,分析这些因素对无根试管苗生根和生长的影响。结果表明,冬季低温弱光照时期甘蔗试管苗光合自养生根的生根率和存活率比夏季高温强光照时降低。冬季光补偿可以促进无根试管苗植株生长和根系伸长,但对试管苗的生根率和存活率没有显著影响。与自然光处理相比,单独红光和蓝光处理不利于甘蔗试管苗的生根与生长,而自然光补充蓝光或红光均能促进试管苗增高及根伸长,对试管苗的生根率和存活率没有显著影响。     

Effect of Light Quality on Tomato Fruit Qualities in Turning-Color Period

就不同光质对番茄果实转色期品质变化的影响，以各色荧光灯为光源，在人工控光条件下进行了探究。结果表明，在转色期间不同处理番茄果实的可溶性糖和有机酸含量均于处理后8~10d达最高，而Vc和番茄红素于处理后12d达最大。但不同光质处理间差异明显，红光处理8d后果实可溶性糖含量达到最高，处理后8~10d Vc和番茄红素含量大幅度增加，成熟期比对照(白光)提前2d；红光和蓝光处理均提高了果实的可溶性糖及有机酸含量。各处理Vc含量以蓝光处理为最高，达123.7mg/kg(Fw)，显著高于对照。番茄红素含量以红光处理最高