小麦应答低磷的钙依赖蛋白激酶基因TaCPK1A和TaCPK10的克隆和表达

采用构建富集磷胁迫特异表达基因cDNA差减文库、序列分析和cDNA-AFLP技术,鉴定了2个应答低磷胁迫的钙依赖蛋白激酶(CDPK)基因的表达序列标签。克隆、测序和比对结果表明,上述基因分别为TaCPK1A和TaCPK10。其cDNA长度分别为2 129 bp和1 696 bp,开放阅读框分别为1 599 bp和1 281 bp,分别编码532和426个氨基酸;具有CDPK的典型结构特征。系统进化分析表明,上述基因的核苷酸序列同源性低,分别来自不同的祖先。在对低磷胁迫的响应上,TaCPK1A在磷胁迫1~24 h范围内根系内的表达水平不断增强,叶内表达水平在1 h内明显被诱导,以后保持稳定;TaCPK10在相应磷胁迫时间范围根叶内的表达水平均呈低—高—低变化,在磷胁迫1 h的表达被诱导,以后又逐渐降至胁迫前水平。TaCPK1A和TaCPK10对氮、钾胁迫没有应答响应。结果表明,CDPK在介导小麦低磷胁迫的信号转导中具有重要作用,小麦中存在两种或多种CDPK介导的磷酸化过程参与低磷信号的转导。     

小麦磷饥饿前后根系蛋白质组差异表达谱建立及差异表达蛋白的鉴定

以耐低磷的小麦基因型洛夫林10号为材料, 采用蛋白质双向电泳技术, 结合质谱鉴定, 分析了正常磷供应和无磷处理7天后根系中的蛋白质组表达谱差异, 以期为深入探讨小麦响应磷胁迫的分子机理提供蛋白水平上的数据和资料。研究发现, 在可重复检测到的1 144个蛋白点中, 有87个在磷胁迫处理前后发生了明显的表达改变,占总数的7.6%,包括磷胁迫前特异表达、磷胁迫后特异表达、磷胁迫后上调和磷胁迫后下调表达等4种差异表达模式。在87个差异蛋白点中,有39个通过质谱技术被成功鉴定,涉及到代谢、细胞生长和分裂、转录和翻译、抗病、信号转导、转座元件及未知功能蛋白等功能类别,说明小麦可能通过细胞的代谢状态和基因表达改变来适应磷胁迫,进而维持体内磷含量的平衡状态。最后,我们还对差异表达点与磷胁迫的关系进行了分析和讨论。     

转录因子基因TaWRKY72b-1的克隆，表达及在烟草中表达对植株磷效率的影响

在富集低磷胁迫特异表达基因的小麦根系cDNA差减杂交文库中，鉴定了1个与拟南芥WRKY75同源的小麦WRKY型转录因子基因表达序列标签(EST)。依据该EST序列高度同源的小麦WRKY72b序列，克隆了对应基因TaWRKY72b-1。TaWRKY72b-1与WRKY72b在cDNA序列上有2个碱基的差异，但编码氨基酸没有改变。TaWRKY72b-1开放阅读框为621 bp，编码206个氨基酸残基，氨基酸组成上含有保守的WRKY基序和C2H2基序。系统进化分析表明，TaWRKY72b-1与小麦WRKY72a和大麦WRKY12可能来自相同的祖先。与对照供磷水平(2 mmol L^-1 P)相比，低磷处理使根叶中TaWRKY72b-1的转录本数量均明显增多。表明TaWRKY72b-1对低磷胁迫逆境产生了明显的应答作用。TaWRKY72b-1在烟草中表达表明，低磷胁迫条件下，高表达TaWRKY72b-1的烟草植株干重、单株磷累积量和磷利用效率均较对照明显增加。因此，TaWRKY72b-1基因在改善低磷胁迫下作物的磷效率中可能具有较重要的应用价值。     

亚麻响应低钾胁迫转录谱分析

钾是亚麻生长发育必需的大量元素。本研究以钾高效利用亚麻品种Sofie为试验材料,在低钾处理12 h和96 h下,利用转录组测序及qRT-PCR进行低钾胁迫下差异基因表达调控的研究。结果表明,低钾处理7 d的亚麻叶片边缘变黄,与对照相比,低钾处理植株矮化。筛选出对低钾响应强烈的3个钾运转蛋白基因LusKC1(Lus K channel 1)、LusSKOR(Lus STELAR K⁺outward rectifier)和LusHAK5(Lus high affinity K⁺transporter 5),低钾胁迫响应峰值时间为12 h和96 h;与对照相比,低钾处理12 h鉴定到差异表达基因1154个(508个上调,646个下调),GO功能富集分析表明,这些差异表达基因主要富集于代谢过程、细胞进程、单一生物过程、催化活性和结合功能五大类,KEGG通路富集分析表明,这些差异表达基因涉及到能量代谢、碳水化合物代谢、碳代谢、氨基酸代谢、萜类化合物代谢和植物激素信号转导等通路。进而筛选出7个与钾直接相关基因(4个钾运输蛋白、2个钾通道蛋白及1个钠钾钙交换蛋白)、13个与激素相关基因以及6个与纤维素合成相关基因。7个与钾直接相关基因中,2个基因表达量上调1.75倍和2.64倍,5个基因表达量下调1.21~9.57倍。以上解析的差异基因初步揭示了亚麻低钾涉及的转录调控途径,可为亚麻耐低钾相关基因的克隆与功能验证奠定基础。     

茄子单性结实相关基因的挖掘与分析

利用qPCR技术,对茄子单性结实SSH-cDNA文库中的109条EST序列进行表达量分析,研究其在单性结实品系和非单性结实品系中的表达模式。分析表明,在低温条件下,相对表达量有显著差异的EST序列有48条,其中上调表达的EST序列有21条,下调表达的EST序列有27条。通过NCBI对EST序列进行BLASTx比对,得到与其同源性高的序列信息。其中,8条EST与植物激素合成和信号转导相关、4条EST与低温胁迫相关、5条EST与植物代谢过程中的蛋白质和碳水化合物合成相关、5条ESTs无比对结果,可能为新基因。差异表达序列可作为研究单性结实和耐低温的候选基因,为进一步探究茄子单性结实的形成机理,挖掘和利用茄子单性结实相关基因提供参考。     

铝胁迫条件下小麦根系特异表达基因的研究

利用尼龙膜点阵杂交技术,由耐铝胁迫小麦品系OK91G106根系构建的cDNA差减杂交文库中,鉴定出29个铝胁迫特异诱导基因,包括20个已知生物学功能的基因和9个功能未知基因。这20个已知功能基因归属于植物体内细胞信号转导、活性氧清除、维持膜结构稳定、苹果酸分泌和细胞保护等等类别。表明在铝胁迫下,植株体内在短时间内发生了感受铝胁迫逆境信号并进行了信号转导,调控了植株对铝胁迫逆境响应的复杂分子生物学过程。Northern印迹对5个铝诱导基因转录本的检测结果与尼龙膜点阵技术获得的结果相一致。本研究鉴定出的铝诱导基因中含有1个苹果酸转运蛋白基因,表明苹果酸分泌量的增加可能是供试小麦响应和抵御铝胁迫逆境的重要机制之一。     

利用cDNA-AFLP技术分析小麦成株抗条锈性差异基因表达特征

采用cDNA-AFLP技术,对成株抗条锈小麦品种兴资9104在成株期受条锈菌生理小种CY32侵染后5 d内9个时间点的基因表达谱进行了分析。共筛选64对引物,产生32 320个转录本(TDF);用37对引物检测到2 201个(6.81%)差异TDF,其中926个TDF诱导表达,1 275个下调表达。经大规模克隆、测序分析,最终获得330个差异TDF,聚类分析得到259个EST (unigenes),命名为aTaPST1至aTaPST259 (GenBank注册号：FL645754~FL646011和FL646262)。经BLASTX比对和功能分类分析,其中96条EST(37.07%)未找到同源性匹配,68条(26.25%)与未知功能蛋白同源性较高;其余95条ESTs主要涉及能量(11.20%)、基础代谢(4.63%)、转录调控(3.86%)、抗病与防御(3.86%)、蛋白质运输和储存(3.09%)、蛋白质合成和细胞生长(各2.32%)、以及信号转导(1.54%)等。选取抗病与防御、转录调控及信号转导类等相关的6个差异基因,qRT-PCR分析结果显示其表达模式符合cDNA-AFLP表达谱。小麦成株抗条锈性分子机制涉及植物多方面生理生化反应,包括抗病与防御、转录调控、蛋白质代谢、信号转导、以及非生物胁迫等多种途径相关基因的协同控制。     

全基因组分析PEG胁迫下水稻根系转录因子表达变化

转录因子在植物抗逆境中起重要的调节作用。本文使用Affymetrix水稻60K芯片全基因组研究PEG胁迫时2个耐旱性不同的水稻品种的转录因子及转录因子家族的变化,结果表明,在PEG胁迫下,耐旱品种湘丰早119根系共有95个转录因子转录本与对照处理比较表达发生变化(24个为转录水平下调表达, 71个为转录水平上调表达);干旱敏感品种爱华5号根系有129个转录因子转录本表达发生变化(转录水平上调的转录因子转录本60个,转录水平下调的转录因子转录本69个);2个品种PEG胁迫响应转录因子隶属的转录因子家族都为30个,但各转录因子所属的30个家族并不完全相同;PEG胁迫逆境中,PEG胁迫响应转录因子转录本表现出品种特异性,湘丰早119有72个为特异响应转录本,爱华5号有106个特异响应的转录因子转录本;2个品种在干旱胁迫下响应的转录因子有23个为重叠转录本,其中有16个在转录水平上调表达,7个在转录水平下调表达;2个品种的PEG胁迫响应转录因子基因在染色体上的分布不同,重叠转录因子基因主要位于第2染色体0.432~26.139 Mb和第5染色体0.076~20.597 Mb之间。     

小麦bZIP家族转录因子的鉴定及其在盐胁迫条件下的表达分析

b ZIP (Basic region/leucine zipper motif)蛋白是真核生物中普遍存在的一类转录因子,对植物应答胁迫具有重要作用。为了鉴定bZIP家族转录因子基因是否参与小麦盐胁迫响应的调控过程,获得更多与盐胁迫相关的b ZIP转录因子,本研究以‘科农199’(KN199)为实验材料,利用Illumina HiSeq平台进行150 bp双端测序,从转录组水平检测了bZIP家族转录因子基因在小麦盐胁迫条件下的差异表达情况。结果显示,每个处理的生物学重复之间的相关系数都在0.97以上,说明本实验中样品重复性较好,在处理不同时间点样品间的差异非常显著。根据中国春(Chinese spring, CS)参考基因组筛选到的156个小麦bZIP家族转录因子中,有14个bZIP转录因子位于5B染色体上;经盐处理1 h后,鉴定出14 544个差异表达基因(DEGs),包括49个b ZIP转录因子基因;在处理6 h后,鉴定出25 546个DEGs,包括59个bZIP转录因子基因,并且b ZIP转录因子基因在两组样品之间有35个共同的DEGs,其中有25个基因上调表达,10个基因下调表达。小麦响应盐胁迫b ZIP转录因子基因进行聚类分析结果与基因表达差异的结果一致。研究发现不论是总的DEGs还是差异表达的bZIP转录因子基因的数目,均随着处理时间的延长而增加,推测这些基因可能参与调控小麦盐胁迫反应。     

马铃薯StSnRK2.4基因的序列分析及其在非生物胁迫下的表达分析

SnRK2是植物特有的一种丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶,在ABA信号转导和植物抵御逆境中起着重要作用.为探究马铃薯SnRK2在非生物胁迫下的调控作用,本研究以'青薯9号'为试验材料,克隆得到一个SnRK2家族基因StSnRK2.4,利用PlantCARE、ExPASy、 Cell-PLoc 2.0等软件对其进行序列分析,并通过RT-qPCR技术分析该基因在低温胁迫(4℃)、干旱胁迫(10％ PEG-8000)以及NaC1胁迫(NaC1浓度为300 mmol/L)下的表达模式.结果 表明:StSnRK2.4基因的开放阅读框(ORF)为1083 bp,编码360个氨基酸.StSnRK2.4蛋白的相对分子质量为41.49103 kD,理论等电点(pI)为5.52,脂肪系数为80.69,为不稳定亲水蛋白;亚细胞主要定位于细胞核;与AMP活化蛋白激酶-γ调节亚基、非特异性蛋白-BZIP转录因子、蛋白酪氨酸及PP2C ABI2同源物等互作,可能参与植物MAPK信号通路和植物激素信号转导;与野生番茄、番茄亲缘关系最近.RT-qPCR分析表明,StSnRK2.4基因的相对表达量在低温胁迫(4℃)、干旱胁迫(10％ PEG-8000)以及NaC1胁迫(NaC1浓度为300 mmol/L)下均极显著上调,说明该基因受低温、干旱和盐胁迫诱导.StSnRK2.4基因的相对表达量在低温胁迫、干旱胁迫和NaCl胁迫0、3、6h以及在干旱胁迫和NaC1胁迫0、1、2d均呈上调-下调模式;StSnRK2.4基因的相对表达量在低温胁迫0、1、2d呈上调-上调模式,研究认为StSnRK2.4基因可能参与非生物胁迫及相关信号分子应答.     

应用基因芯片分析红蚰麦白粉菌胁迫条件下的基因表达谱

小麦农家品种红蚰麦携带1对显性抗白粉病新基因,暂命名为Pmhym。为了深入了解该品种抗病的分子机制,用豫麦13/红蚰麦的F₃代纯合抗病株系构建抗池,并对白粉菌接种后24 h的基因表达谱,采用Affymetrix小麦基因芯片进行分析,以白粉菌接种0 h为对照。在61 127基因微矩阵点中,有效差异表达Ratio值≥2或≤0.5的基因共5 282个,其中上调基因2 553个,下调2 729个。对上调序列的分类表明,功能明确的序列中39.81%与抗病/防御相关;下调表达基因中以能量代谢和抗病/防御相关基因比例最高,分别占26.71%和19.65%。上调表达在8倍以上的序列中81个的功能已知,其中包括病程相关基因、防卫反应基因、生成或清除活性氧的基因,以及抗病信号转导基因等。选取上调和下调表达8倍以上的共13个探针序列进行实时定量PCR验证,表明基因芯片数据具有良好的重复性。     

渗透胁迫下烟草叶片基因的差异表达研究

为了解干旱胁迫下烟草的抗旱机制,采用拟南芥基因芯片检测了PEG渗透胁迫（－1.2 MPa）48 h后烟草叶片中基因表达的变化。在31 182个基因微矩阵点中,有效差异表达（ratio值≥2或≤0.5）的基因为135个,上调50个,下调85个。其中包括一些具有防御功能的上调表达基因如两个普遍胁迫蛋白（USP）和与渗透调节物质海藻糖合成有关的基因ATTPS11及多个参与复制、转录和翻译等过程的基因MAPKK、bZIP、锌指蛋白、组蛋白His1-3、脱水响应DREB转录因子、WRKY转录因子家族、分子伴侣等,MAPKK具最大上调幅度,为3.94倍（序列号为At1g51660）。而参与光合作用的6个PSⅠ的光捕获复合体中lhca3和PSⅡ的光捕获复合体中核编码基因的lcb1、lcb2、lcb5、lcb6、lcb4.2的基因表达下调。还检测到38个未知基因,它们的差异表达可能跟渗透胁迫诱导有关,是我们下一步研究的重点。通过分析这些特异表达基因,揭示出一些潜在的生物学规律,为研究烟草逆境生理学提供了有价值的信息。     

利用斑茅cDNA芯片研究甘蔗受黑穗病菌侵染后基因差异表达

为了解甘蔗抗黑穗病的分子机制,利用斑茅干旱胁迫cDNA芯片检测了甘蔗受黑穗病菌胁迫后的基因差异表达。经杂交,在cDNA芯片的3 860个模板中,有效差异表达(Ratio值≥2.0或≤0.5)的基因为101个,其中上调55个,下调46个。部分基因的定量PCR验证表明,芯片杂交结果可靠。上调表达基因经测序、冗余序列剔除,一共获得36个unique ESTs。已知功能的22个上调表达基因,涉及多条生理代谢途径,如光合作用、离子转运和核酸代谢途径;以及多种分子水平的进程,如基因转录、蛋白质合成与修饰以及细胞信号转导等。另外,还检测到14个未知功能基因。结果表明,甘蔗对黑穗病的抗性具有复杂的机制。本研究为解释甘蔗受黑穗病菌胁迫后的基因差异表达及其网络构建奠定了基础,还可以为今后系统研究甘蔗对生物与非生物胁迫的响应机制提供技术支持。     

赤霉素诱导甘蔗节间伸长基因的cDNA-SCoT差异表达分析

以甘蔗ROC22为材料,在伸长初期进行叶面喷施200 mg L–1浓度的赤霉素为处理,以喷施清水为对照,在不同时间取幼茎样品,用cDNA-SCoT进行基因差异表达分析。结果表明,通过46条引物筛选了约700个cDNA片段,获得差异片段30个。有18个基因片段受赤霉素上调而12个基因片段下调;其中16个TDFs序列和NCBI数据库中已录入的基因具有较高的相似性,按照其功能可分为6类,即能量与代谢相关基因(占总数的20.0%)、未知功能蛋白(占总数的20.0%)、未知基因(占总数的46.7%)、信号传导相关基因(占总数的6.7%)和转录因子相关基因(占总数的3.3%);细胞凋亡基因(3.3%)。这说明利用SCoT方法可以进行蔗茎基因差异表达研究,分离到的一些差异片段可能是与甘蔗节间伸长相关的基因。     

棉花幼苗对低温胁迫的响应及抗冷机制初步研究

【目的】探讨棉花不同组织对低温胁迫的响应,初步探讨研究抗冷的生理生化和分子机制。【方法】测定了4个抗冷性差异显著的材料在低温处理后的生物量、抗氧化酶活力和可溶性蛋白含量,同时分析了抗冷相关基因在豫2067根、茎、叶的表达情况。【结果】4℃低温处理24 h对冷敏感材料生长抑制最大,对根系生长的抑制大于地上部分;细胞膜透性测定结果表明,受低温胁迫后4个材料根系细胞膜能保持相对稳定的结构,而叶片细胞膜对低温胁迫敏感,抗冷材料叶片细胞膜稳定性大于冷敏感材料,低温胁迫后叶片细胞膜透性与棉花的抗冷性呈负相关,可以作为棉花抗冷性的鉴定指标;棉花在受到低温胁迫24 h后,抗冷材料根中SOD的活力基本不变,冷敏感材料根中SOD的活力却极显著下降,2个材料的根系中POD、CAT的活力均下降,但抗冷材料豫2067下降的幅度小于冷敏感材料,可溶性蛋白含量在抗冷材料叶茎中基本不变,在冷敏材料的叶片和茎中均下降。低温胁迫后5个与抗冷相关的基因在豫2067叶片中上调表达的多于下调表达的,上调表达的基因分别是脂肪酸脱氢酶基因、胁迫诱导蛋白基因、假定R2R3-MYB转录因子基因、b HLH1转录因子基因;在根中下调表达的多于上调表达的,下调的基因分别为b HLH1转录因子基因、胁迫诱导蛋白基因、伸展蛋白基因2,这与根系的生长受抑制的结果是一致的。【结论】推测这些抗冷相关基因在叶片中的上调表达与叶片生长受低温抑制程度低有一定的关系。     

弱光胁迫对烟草幼苗生长发育的影响和相关基因qRT-PCR分析

为研究弱光胁迫对烟草生长发育的影响及特异性响应基因的表达,本研究测定了不同光照处理下烟草幼苗苗期天数以及农艺性状指标和光信号传导相关基因的差异表达模式,并分析了这些基因表达与烟草光信号转导间的关系。结果表明:弱光胁迫对于不同生育时期烟草的生长发育产生了极大的影响,具体表现为烟苗生育期延长,农艺指标均下降。在此过程中,钙感受器基因CAS、类钙调素蛋白基因CML19、钙依赖性蛋白激酶基因CDPK9、CDPK14以及ACRE20基因均在弱光胁迫处理后下调;然而钙/钙调素依赖性蛋白激酶基因CCaMK则出现上调;蔗糖磷酸合成酶基因SPSC和RuBisCo小亚基基因rcbS出现大幅下调;然而捕光叶绿素a/b结合蛋白基因CAB21的表达出现大幅上调。研究发现,弱光胁迫抑制了大部分响应钙素及光信号基因的表达,而仅有少数基因表现负调控。这些结果可为后续开展烟草遗传改良提供科学依据。     

不同施氮水平下甘蓝型油菜发育种子中基因表达谱差异分析

氮肥是油菜生长发育需要的重要营养元素之一, 增施氮肥可提高油菜籽产量和蛋白含量, 但降低种子含油量。筛选氮肥不敏感油菜基因型、发掘氮肥响应基因及调控网络研究尚不多见。本研究以油菜中双11和德国品种Parter为材料, 设置4个氮水平(施用尿素0、90、180和270 kg/hm^–2), 随机区组试验, 利用Agilent油菜基因芯片在全基因组水平分析施氮(180 kg/hm^–2)和未施氮(对照)处理授粉25 d种子的基因表达谱。结果显示, 随着施氮量的增加, 种子含油量降低, 而蛋白含量增加, 且在2个品种中的变化程度不同, Parter含油量的下降水平比中双11显著。处理与对照相比, 中双11和Parter分别有827个和3 676个差异表达基因, 明显存在基因型的差异; 2个品种中共同的差异表达基因有278个, 其中上调表达的151个, 下调表达的80个, 差异表达在10倍以上的基因有4个。根据基因功能注释, 2个品种中的差异表达基因分子功能主要为催化、结合和转录调节活性, 参与细胞、代谢和应激等生物过程, 约50%的差异基因未得到功能注释。选择8个差异表达基因进行实时荧光定量PCR分析, 结果显示2种方法的检测结果吻合率为94%, 表明检测结果具有一定的生物重复性。本结果为进一步筛选油菜氮肥敏感基因型、开展氮应答机制研究提供了有用信息。     

含CBS结构域的小麦TaCDCP1基因的克隆及其表达分析

利用电子克隆和RT-PCR技术,在本实验室前期构建的非亲和互作的SSH文库基础上,从条锈菌侵染的小麦水原11叶片中首次分离出一个含CBS结构域蛋白的基因,暂命名为TaCDCP1(Triticum aestivum CBS domain containing protein 1)。TaCDCP1包含一个完整的654 bp的开放阅读框,编码217个氨基酸。推测该基因拟编码的蛋白具有2个CBS保守结构域,不含跨膜区且无信号肽,定位在叶绿体基质内;经过同源比对,小麦TaCDCP1氨基酸序列与大麦、水稻和玉米等的同源序列的相似性较高;该基因表达量在小麦叶中显著高于在根和茎中;在小麦与条锈菌的非亲和、亲和组合中,TaCDCP1基因均受到条锈菌诱导,分别在接种后18 h和96 h达到表达高峰,非亲和组合表达量在侵染前期(接种后18~48 h)高于亲和组合,而在侵染后期(接种后96~120 h)低于亲和组合;外源植物激素脱落酸诱导该基因上调表达,苄基腺嘌呤,乙烯,赤霉素,茉莉酸甲酯和水杨酸处理后其表达量在不同程度上受到抑制;TaCDCP1在低温和干旱条件下表达量上升,在机械伤害和高盐处理下表达量无明显差异。表明TaCDCP1可能通过脱落酸等信号途径参与小麦对条锈菌的防御反应,同时参与低温和干旱环境下的信号转导途径。这些结果对于明确CBS结构域的功能以及CBS结构域蛋白尤其是TaCDCP1在小麦与条锈菌互作中的作用奠定了基础。     

小麦成熟胚脱分化过程中生长素相关基因的表达分析

利用Affymetrix小麦基因芯片研究了小麦成熟胚在MS+2,4-D (2 mg L^-1)培养基上脱分化过程种基因表达变化,用NCBI、DATF和DRTF等生物信息学相关网站对基因表达信息进行处理,并针对生长素相关基因的变化情况进行分析,结果表明,有80个生长素相关基因在小麦成熟胚脱分化过程中的2、6、12、24和72 h等不同时间点,至少发生了一次有意义的表达变化,其中41个在整个过程中上调,29个下调;10个在不同时点分别表现上调或下调。这些基因涉及到生长素的运输、响应、诱导、合成和降解等多个生物学过程。对BG906698、BQ281752、CD454626、CD864552、CD938626、BJ233383和AY543630基因的半定量RT-PCR验证结果表明,它们的表达变化与基因芯片的结果基本一致。质膜H⁺-ATPase基因(AY543630)在2 h时间点即有较高强度表达,然后下降,24 h降至最低水平,表明该基因在小麦成熟胚脱分化的启动中可能有重要作用。