自花授粉诱导的甘蓝功能基因BoSPI的克隆与表达分析

自交不亲和性是甘蓝在长期进化过程中形成的防止自交衰败、促进杂交优势的一种复杂而完善的遗传机制。克隆自交不亲和性相关基因对甘蓝自交不亲和性的深入研究和利用有重要意义。本研究通过挖掘0~60 min自花和异花授粉的甘蓝柱头转录组数据, 筛选到一个受自花授粉诱导上调表达的基因, 命名为BoSPI。BoSPI开放阅读框534 bp, 编码177个氨基酸, 理论等电点为4.21, 不包含信号肽和跨膜区, 含有4个保守的EF-hand结构域。BoSPI基因起始密码子上游2000 bp的核苷酸序列中含有真菌诱导响应、代谢调节以及器官形成等应答元件。BoSPI基因在大肠杆菌中可诱导表达为17 kD的蛋白。BoSPI在柱头中表达量最高, 在花瓣、萼片、叶片、雄蕊表达量较低。BoSPI蛋白被定位在细胞膜和细胞质。自花授粉30 min后对BoSPI基因的诱导表达显著增强。表明BoSPI参与了柱头响应自花花粉刺激的分子过程, 可能是实现甘蓝自交不亲和性相关的某种新功能基因。     

甘蓝锌指蛋白转录因子BoC2H2的克隆、定位与表达分析

C2H2型锌指蛋白是植物中最重要的转录调节子之一, 主要调控植物的生长发育和胁迫应答反应。本研究通过分析自交不亲和甘蓝未授粉, 自花授粉15、30和60 min, 异花授粉15、30和60 min柱头转录组数据, 筛选到一个自花授粉诱导上调表达的C2H2型锌指蛋白基因, 命名为BoC2H2。BoC2H2开放阅读框756 bp, 编码251个氨基酸残基, 蛋白分子量为26.7 kDa, 等电点为4.62, 是一种亲水性蛋白, 不含信号肽和跨膜域, 含有C2H2型锌指蛋白家族高度保守的ZnF_C2H2结构域。BoC2H2起始密码子上游2000 bp的核苷酸序列中含有光响应、昼夜节律、茉莉酸响应、防御和应激反应等多种顺式作用元件。通过原生质体亚细胞定位和瞬时浸染烟草, 发现BoC2H2蛋白在细胞核和细胞质中表达。BoC2H2在下胚轴、叶片和花中均有表达, 柱头中的表达量随发育时间而变化, 开花当天后表达量降低。荧光定量PCR结果显示, BoC2H2在自花授粉和异花授粉0~60 min的表达量变化趋势与转录组分析结果基本一致。综上所述, 甘蓝BoC2H2属于C2H2型锌指蛋白家族, 可能参与了柱头响应花粉刺激的分子过程, 这有利于揭示BoC2H2在甘蓝自交不亲和过程中的作用机制, 为研究C2H2型转录因子在甘蓝自交不亲和过程中的调控机制提供依据。     

甘蓝SI相关基因BoCDPK14的克隆与分析

甘蓝自交不亲和性(self-incompatibility,SI)是柱头对相同单倍型的花粉产生的排斥或抑制反应。钙依赖蛋白激酶(calcium-dependent protein kinase, CDPK)是植物面对逆境信号时参与抗逆反应的重要元件。本文通过甘蓝自花授粉0～60min的柱头转录组数据分析,成功地筛选到一个受自花授粉诱导上调表达的基因BoCDPK14,该基因与拟南芥中参与植物逆境信号传导的钙依赖蛋白激酶基因高度同源。BoCDPK14基因开放阅读框1599bp,编码一种具有533个氨基酸残基的亲水性蛋白,可在大肠杆菌胞质中被诱导表达,其相对分子质量为60.4kD,表明BoCDPK14为活性胞质蛋白。该基因起始密码子上游2000bp的核苷酸序列中含有胁迫反应、激素反应、代谢调节等应答元件。BoCDPK14在甘蓝柱头、花粉、花蕾、花瓣和叶片中表达,且柱头中的表达量低于花粉。荧光定量PCR结果证实,BoCDPK14在0～60min的表达变化趋势与转录组分析结果一致。通过酵母双杂交发现,BoCDPK14蛋白激酶结构域与谷氨酸受体通道蛋白BoGLR2.8d存在相互作用,表明BoCDPK14可能是参与SI反应过程的新蛋白。本研究结果表明BoCDPK14可能作为Ca~(2+)信号元件参与甘蓝柱头响应花粉刺激的分子过程,这为甘蓝自交不亲和的进一步研究和利用提供了新内容。     

槲皮素对SI甘蓝授粉引起的PK活性及相关指标的影响

通过槲皮素处理,研究了自交不亲和甘蓝自花授粉和异花授粉与蛋白激酶的关系。结果表明,槲皮素能明显抑制自交不亲和甘蓝自花授粉引起的蛋白激酶活性,导致蛋白质磷酸化明显受阻,进而促进自花诱导的花粉萌发和花粉管生长,同时使SOD、POD、CAT活性升高,Ca2+含量下降,Ca2+在胞内的分布明显改变,而槲皮素对异花授粉抑制作     

结球甘蓝花粉类钙调素蛋白基因BoCML49的克隆及表达分析

以结球甘蓝E1为材料,提取花粉萌发前和萌发后的混合花粉总蛋白,总蛋白双向电泳后通过MALDI-TOF-MS鉴定分析差异点,根据差异点分析结果,利用同源克隆得到甘蓝BoCML49基因707 bp的cDNA片段。通过对BoCML49基因的qPCR分析表明其表达量在花粉萌发前约为萌发后的2.73倍,表明BoCML49基因在花粉萌发后表达下调。通过5¢-Race和3¢-Race分别得到550 bp和721 bp大小cDNA片段,最终得到结球甘蓝BoCML49全长cDNA序列,开放阅读框位于125~
1 078 bp处,加尾信号(AATAAA)位于第1 222 bp处。通过cDNA推导得到的氨基酸序列分析表明,BoCML49编码317个氨基酸残基,预测分子量为33.51 kD,pI为6.93,经Smart-embl预测其含2个重要的EF-hand结构,分别位于序列第150~178和第216~244位氨基酸残基处,预测结果显示其含有7个α-螺旋和10个β-折叠结构。系统发育树表明结球甘蓝BoCML49与拟南芥AtCML49和AtCML50的亲缘关系较近。BoCML49基因的原核表达得到37.55 kD的融合蛋白。     

甘蓝BoExo70A1与BoSEC3、BoExo84蛋白相互作用的酵母双杂交检测

Exo70A1是芸薹属作物柱头接受亲和花粉的必需因子,可能参与了干性柱头水分分泌和花粉水合过程。本文从自交不亲和甘蓝A1柱头c DNA中获取了Bo Exo70A1、Bo SEC3、Bo SEC10、Bo SEC15和Bo Exo84基因的编码序列,序列分析表明,Bo Exo70A1、Bo SEC3、Bo SEC10、Bo SEC15和Bo Exo84基因分别与At Exo70A1、At SEC3A、At SEC10、At SEC15B和At Exo84B基因的c DNA序列高度同源,其编码的5个蛋白均没有信号肽,Bo SEC3蛋白含有一个典型的EF-hand钙离子结合结构域。将Bo Exo84蛋白拆分为2个片段(Bo Exo84-N和Bo Exo84-C),并与Bo SEC3、Bo SEC10和Bo SEC15蛋白编码序列一起分别亚克隆至p GADT7质粒,Bo Exo70A1蛋白编码序列亚克隆至p GBKT7质粒,酵母双杂交检测结果表明,Bo Exo70A1蛋白能与Bo SEC3、Bo Exo84-N蛋白互作,但不能与Bo SEC10、Bo SEC15蛋白互作,这为深入探讨Bo Exo70A1蛋白乃至整个胞泌复合体在甘蓝干性柱头接受自花花粉排斥异花花粉过程中的作用机制提供了依据。     

甘蓝BoPINs家族基因的特征和表达分析

为了探索植物生长素极性运输载体蛋白编码基因BoPINs家族参与甘蓝自交不亲和性的成员数目与参与方式,本文通过转录组分析获得BoPINs家族在甘蓝自花和异花授粉后的表达情况,利用分子生物学技术和生物信息学方法对该家族的基因结构、蛋白进化亲缘关系和表达模式等特征进行分析。结果表明,甘蓝BoPINs基因家族包含8个成员,含有5～9个外显子和4～8个内含子;其编码的蛋白质的氨基酸残基数在350～650之间,相对分子质量为38～70kD;除了BoPIN5和BoPIN8不含中间亲水区以外,其余6个BoPINs家族成员都含有位于两端的疏水区和中间亲水环,它们可能以膜锚定蛋白的形式发挥作用;甘蓝BoPINs与芜菁BrPINs、拟南芥AtPINs基因家族亲缘关系较近;染色体定位分析表明, BoPIN1-1、BoPIN3-1、BoPIN3-2和BoPIN6与S位点之间发生不同程度的连锁;启动子活性分析表明, BoPINs家族蛋白参与甘蓝SI反应,可能受IAA、ABA等激素相互交叉影响; BoPIN1-1、BoPIN1-2、BoPIN2、BoPIN3-1、BoPIN3-2、BoPIN4、BoPIN6、BoPIN7-1和BoPIN7-2在柱头中表达量均较高;数据表达谱和荧光定量分析表明, 8个家族成员中的6个BoPINs基因在自花授粉后下调表达;自花授粉后柱头生长素含量降低,与SI反应呈负相关。因此,在甘蓝BoPINs家族的8个成员中有6个BoPINs基因家族成员可能在膜上以负调节方式调控自交不亲和反应。     

玉米籽粒发育相关基因ZmMADS-RIN的克隆及表达分析

玉米籽粒发育及产量是玉米重要的经济性状。本研究以玉米骨干自交系郑58为试材,采用同源克隆法得到一个与玉米籽粒发育相关的基因ZmMADS-RIN。该基因的cDNA全长859 bp,开放阅读框为768 bp,编码255个氨基酸,与玉米B73中所对应的cDNA的编码区序列相比,共有6个SNPs位点的差异,3个氨基酸残基发生了变化。生物信息学分析表明,ZmMADS-RIN蛋白的相对分子量为29.23 kD,理论等电点(pI)为8.84,是一种亲水性蛋白,不含信号肽序列,也不含跨膜结构;具有5个磷酸化位点;二级结构中含有50.20%的α-螺旋(alpha helix)、27.45%的无规则卷曲(random coil)、14.51%的延伸链(extended strand)和7.84%的β-转角(beta turn);该蛋白位于细胞核内;其氨基酸序列中含有高度保守的MADS结构域、相对保守的K结构域、低保守的I结构域和最不稳定的C结构域,是典型的MIKC型MADS-box蛋白;系统进化树分析表明,ZmMADS-RIN蛋白属于AGL6分枝,与水稻基因OsMADS6的相似性最高,为89%。ZmMADS-RIN基因在玉米自交系郑58的籽粒中特异表达,在根及不同时期的叶片中没有检测到表达信号。荧光定量PCR结果显示,ZmMADS-RIN基因的表达量在玉米籽粒发育的不同阶段呈一定规律的变化,在授粉后0~20 d,呈上调表达趋势,授粉后25 d表达量迅速下降至较低水平,而在授粉后30~40 d则检测不到其表达。推测该基因可能与玉米籽粒的发育有关。     

春兰AGAMOUS同源基因的克隆及表达分析

为深入探索春兰(Cymbidium goeringii)中C类MADS-box基因参与春兰花器官发育调控的分子机理,用同源克隆的方法从春兰花芽中分离出两个C类MADS-box基因CygoAG1与CygoAG2。在分析其序列结构的基础上,分别检测2者在春兰不同花器官中的表达差异。序列结构分析表明:CygoAG1序列全长为831bp,包含702 bp完整开放阅读框(open reading frame, ORF),编码233个氨基酸和1个终止密码子;CygoAG2基因cDNA序列全长996 bp,包含705 bp完整开放阅读框,编码234个氨基酸和1个终止密码子,2个基因编码的转录因子均包含保守的MADS、K-box结构域和AG基序。分子系统发生与进化树重建结果显示:春兰CygoAG1与CygoAG2与拟南芥MADS-box基因家族中AG (AGAMOUS)基因的同源性最高。实时荧光定量分析结果表明,春兰CygoAG1基因只在花粉团、合蕊柱和子房中表达,在其它花器官及营养器官叶片中不表达,其在子房中的表达量最高。CygoAG2基因在春兰的花器官如萼片、花瓣、唇瓣、花粉团、合蕊柱和子房中均有表达,但在营养器官叶片中不表达,其在合蕊柱(雌雄蕊合生结构)中的表达量最高。CygoAG1和CygoAG2基因在春兰花器官中的表达模式呈现一定的差异。     

罗汉果乙烯合成酶SgA CS1基因的克隆与表达分析

在转录组unigene序列基础上,结合RACE技术,从罗汉果总RNA中克隆乙烯合成关键酶-1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶1(ACS1)全长cDNA,同时,应用hi TAIL PCR技术获得Sg ACS1的DNA全长。通过实时荧光定量PCR检测该基因在雄株、雌株以及Ag~+处理后的雌株在取/授粉前后的叶、茎、芽、花蕾、花中的相对表达量。克隆得到1 749 bp的cDNA全长,最长开放阅读框为1 530 bp,编码509个氨基酸,命名为Sg ACS1(GenBank登录号为KX620760),编码蛋白与同源物种苦瓜的相应蛋白序列相似性为86%,该蛋白具有磷酸吡哆醛转移酶结构域和转氨酶结合结构域,属于天冬氨酸转氨酶家族;获得Sg ACS1的DNA全长为3 245 bp,其中含有3个内含子,该内含子和5'UTR含有多个高水平转录调控因子、激素响应元件和环境胁迫相关的作用元件,暗示该基因参与转氨反应、生物体内乙烯的合成代谢等生物学过程,并且与其他激素共同发挥作用维持机体的正常生命活动。实时荧光定量PCR结果表明,Sg ACS1在罗汉果各个部位和时期均有表达,其中在授粉后的雌株花蕾中相对表达量最高,其次是授粉前后雌株的花和取粉前后雄株的芽,而Ag~+处理后的雌株在授粉后的花蕾和芽中的相对表达量最低,说明该暗示罗汉果Sg ACS1参与花芽形成、雄蕊原基分化、蕾中雄蕊发育以及雌花形成,Sg ACS1在雌株蕾中受到授粉或银离子诱导上调表达。     

甘蓝自交不亲和基因MLPK与SSP的FISH定位

利用FISH技术, 对自交不亲和基因MLPK与SSP在甘蓝有丝分裂前中期染色体、减数分裂早粗线期染色体以及伸长DNA纤维等3种分辨率水平的靶DNA载体上进行物理定位。结果表明, 在有丝分裂前中期, MLPK探针信号位于一对近中着丝粒同源染色体的短臂中部, 距着丝粒的百分距离约为53.41±3.16;SSP探针信号位于一对具有随体的近端着丝粒同源染色体的长臂端部, 距着丝粒的百分距离约为78.36±4.26。综合3种载体上的FISH结果表明, MLPK与SSP在甘蓝染色体组中可能都只有一个同源序列座位, 具有在单倍体基因组中的单拷贝性。重复FISH杂交表明, MLPK与5S rDNA位于同一对染色体。依据Armstrong的核型分析标准, 初步判断MLPK与SSP分别位于甘蓝的2号和7号染色体, 与S位点不存在连锁关系。另从比较基因组学角度对定位结果进行了讨论。     

甘蓝自交不亲和信号传导中SRK底物ARC1蛋白编码序列的克隆与分析

以甘蓝自交不亲和系20010197的植株为材料，提取幼苗中的gDNA及花蕾期的柱头、子房、花瓣、叶片、根的mRNA，并对mRNA进行反转录合成cDNA，然后以gDNA与cDNA为模板扩增ARC1蛋白编码序列。结果表明只在gDNA与花期柱头mRNA的反转录cDNA中扩增出产物，而在其他组织中无任何产物。这可能说明甘蓝ARC1蛋白编码序列是在柱头特异性表     

Influence of timing of cross-versus self-pollination on self-incompatibility in Brussels sprout inbreds

Summary The impact of cross pollination 30 h, 4 h, and immediately prior to self-pollination, and self-pollination 2, 4, 8, 12, 24 and 30 h prior to cross-pollination was assessed for pollen tube number per style, seed number per siliqua, and proportion of self-seed (sibs) per siliqua, in two inbred lines of brussels sprout. Pollination procedure had a marked effect on the amount of sib-and hybrid seed produced. Cross pollination 30 h prior to self-pollination produced significantly greater numbers of sib progeny, as did self-pollination 8–12 h before cross pollination. Prior application of self pollen reduces the number of pollen tubes in the style. The results of this experiment suggest that self-incompatibility in brussels sprout could better be assessed by self-pollination with a subsequent cross pollination 8 h later, and the determination of amounts of sib and F₁ hybrid seed per siliqua.     

甘蓝SCR识别与结合SRK胞外域核心编码区DNA序列的酵母双杂交检测

SCR是芸薹属自交不亲和性的雄性决定因子。为研究SCR与SRK之间相互作用的核心区段,通过构建结球甘蓝的包含系列不同长度的SCR的cDNA序列的pGBKT7融合载体,利用酵母双杂交系统检测SCR与SRK之间的相互作用。结果显示,构建的载体均未出现自激活现象,所获得SCR全长与其相对应SRK胞外域具有相互作用,且相互作用核心编码区位于SCR编码基因的第97~186 bp处。实验结果还显示,此单倍型的SCR信号肽剪切位点及相邻的几个氨基酸残基对相互作用实验结果有干扰作用。以上结论为包括甘蓝在内的芸薹属自交不亲和机制的研究提供了新的实验依据。