植物UDP-葡萄糖焦磷酸化酶家族基因鉴定及序列进化分析

UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UDP glucose pyrophosphorylase, UGP)是糖代谢合成途径中的一个关键酶。UGP以葡萄糖-1-磷酸和尿苷三磷酸为底物,催化反应生成尿苷二磷酸葡萄糖和焦磷酸,直接参与了植物糖代谢的生物合成。为了系统梳理UGP在植物基因组中的状况,我们对其基因进行了全面的鉴定和进化分析,并重点考察该基因在番茄中的表达。首先,我们针对UGP的基因序列,鉴定得到其保守结构域,在此基础上对相关基因进行了全面鉴定,从而构建了其进化树;其次,将番茄CDS序列比对到各探针,从而从数据库中提取组织中的表达数据;最后,通过结构域鉴定,进化树和表达量的分析,得出UGP在植物中的生物合成的机理。本研究为UDP-葡萄糖焦磷酸化酶提供了基因信息,为植物中糖代谢生物合成途径的作用机理及其对蔗糖合成的影响相关基因进化机制的研究提供帮助。     

辣椒蔗糖磷酸合成酶和磷酸蔗糖磷酸酶基因家族鉴定及表达

蔗糖磷酸合成酶(SPS)和磷酸蔗糖磷酸酶(SPP)是植物蔗糖合成的重要酶,在调控蔗糖合成及其积累等方面有重要作用。辣椒基因组测序的完成及转录组数据的公布为鉴定和探究辣椒SPS和SPP基因的多样性提供了机会。本研究利用生物信息学方法对辣椒SPS和SPP基因进行鉴定,并从染色体定位、系统发育关系和表达模式分析其特征。结果发现,两个辣椒共含有4个SPS和SPP基因,每个辣椒种均编码2个成员,SPS编码的氨基酸长度和分子量约是SPP的2倍,等电点范围6.12～8.16和5.96～6.26之间。染色体定位发现辣椒SPS和SPP基因均定位在不同的染色体上。系统发育树的构建来自7个物种,结果表明SPS和SPP都可以分为4个亚族。表达谱分析显示,基因呈现差异表达,其中Ca-LZSPS1和Ca-LZSPP2呈现广谱性表达;进一步研究发现,SPS和SPP基因都受到3种激素(ABA, IAA, SA)不同程度的诱导;此外,在逆境胁迫下,辣椒SPS相比SPP更容易受到环境诱导,而SPP基因则在叶中主要参与热调控机制,在根中更多的参与冷调控机制。这些结果阐明了辣椒SPS和SPP基因的表达特性,为进一步研究辣椒中蔗糖的合成与积累提供理论依据。     

番茄SlSPS1基因的克隆及表达分析

蔗糖是植物光合作用的主要产物,参与植物的多种生理生化反应。蔗糖磷酸合成酶是蔗糖进入各种代谢途径所必需的关键限速酶之一,其活性直接反映了植物体内蔗糖合成的能力。为研究番茄中蔗糖合成的作用机理,本研究从番茄果肉中克隆到一个蔗糖磷酸合成酶基因,并命名为SlSPS1,通过生物信息学分析发现其cDNA全长3 488 bp,编码1 054个氨基酸,有3个功能域。番茄中有4个SPS基因,且它们之间同源性比较高。在茄科作物中,Sl SPS1蛋白与土豆、辣椒和茄子的亲缘关系比较接近。组织特异性分析结果发现,SlSPS1在番茄各组织中均有表达,其中在幼苗期和果实的不同发育期表达相对较高。为更深入研究SlSPS1在番茄生长发育和蔗糖积累中的作用机制,构建了SlSPS1的过表达和敲除载体,转化Micro-Tom后获得转基因阳性株系。对获得的转基因株系进行SlSPS1表达量分析发现,过表达株系的苗期、果实绿熟期和完熟期的表达量同野生型相比明显上调,且酶活性和蔗糖含量升高。敲除株系的苗期、绿熟期和完熟期SlSPS1表达量同野生型相比明显下调,且酶活性和蔗糖含量降低。至于SlSPS1在番茄生长发育和果实蔗糖积累中的作用机制,还需在今后进行功能验证。     

植物蔗糖合酶家族基因鉴定及序列和进化分析

蔗糖合酶(SUS)是植物中广泛存在的一种糖基转移酶,而蔗糖磷酸合成酶(SPS)是高等植物体内控制蔗糖合成的关键酶之一。对于SUS与SPS是否来自同一源头,其序列是否存在同源区域,以及其进化路径等,尚未见相关报道。本研究针对这两个酶的基因序列,鉴定得到其保守结构域,在此基础上对相关基因进行了全面鉴定,从而构建了其进化树。从序列上看,这两种酶(SUS,SPS)具有一定的同源性。通过结构域鉴定,SPS1基因的蛋白序列中鉴定得到3个结构域,而从SUS1中鉴定得到2个结构域;由以上结果可知,SUS和SPS属于同一基因家族。通过进化树构建,SUS、SPS家族的基因聚成了两个显著独立枝。因此,SUS、SPS分别属于一个独立的亚家族。本研究为植物糖代谢相关研究提供了基因靶标,为蔗糖代谢和转运相关基因进化机制的研究提供了基础。     

小麦(Triticum aestivum)蔗糖关键合成酶基因TaSPP2克隆与结构分析

磷酸蔗糖磷酸化酶(sucrose phosphate phosphatase,SPP)是蔗糖合成最后步骤的关键酶,在参与小麦(Triticum aestivum)蔗糖代谢转运和籽粒灌浆中起重要作用。为了在基因组DNA水平上揭示小麦SPP酶基因的结构特征,预测该基因所编码蛋白特性,本研究通过克隆小麦SPP酶全长基因,利用生物信息学方法,从基因结构、理化特性、进化关系、亚细胞定位、跨膜结构和二级结构等方面对该基因进行了预测和分析。结果表明:通过克隆、测序和拼接,获得小麦磷酸蔗糖磷酸化酶基因(TaSPP2),该基因全长2865 bp,包含8个外显子区和7个内含子区,被定位在小麦D基因组上。TaSPP2与粗山羊草(Aegilops tauschii)亲缘关系最近。该基因编码的蛋白分子量为47.19 kD,等电点为6.04,含有38处磷酸化位点,不含跨膜区,属于非分泌型亲水胞内蛋白。二级结构以无规则卷曲为主(45.02%),其次是α-螺旋占和延长链,无β-转角。本研究结果将为进一步验证和解析小麦TaSPP2基因的功能提供理论依据。     

小麦TaSPP基因的克隆及表达分析

为明确磷酸蔗糖磷酸酶基因(SPP)的表达特征和生物学功能,进一步了解SPP参与蔗糖生物合成的调控机制。以小麦抗旱品种晋麦47的cDNA为模板克隆出3个位于第5同源群上的TaSPP同源基因,分别命名为TaSPP-5A、TaSPP-5B和TaSPP-5D。并利用生物信息学对小麦TaSPP的理化性质、基因结构、顺式作用元件、系统进化树和蛋白保守结构域等进行分析,通过qRT-PCR分析基因TaSPP的表达模式。结果表明,TaSPP-5A、TaSPP-5B、TaSPP-5D都包含8个外显子和7个内含子,TaSPP-5A和TaSPP-5D编码422个氨基酸,TaSPP-5B编码413个氨基酸。系统进化分析显示,小麦TaSPP基因与小麦的近缘物种在进化上处于同一分支,相似度较高。qRT-PCR表达分析结果显示,TaSPP基因在根、茎秆、旗叶、叶鞘、颖花、种子中均表达,其中在旗叶和茎秆中表达量较高;ABA、PEG-6000、NaCl和IAA胁迫均能诱导TaSPP基因的表达,表明小麦TaSPP基因可能在逆境胁迫过程中发挥重要作用。     

植物鸟氨酸脱羧酶家族基因鉴定及进化分析

精氨酸脱羧酶(ADC)和鸟氨酸脱羧酶(ODC)共同负责腐胺的合成,而烟草等茄科植物中,因为腐胺是尼古丁的前体,ADC、ODC对于尼古丁合成具有特殊意义。为系统梳理ODC和ADC在植物基因组中的状况,我们对其基因进行了全面的鉴定和进化分析,并重点考察了其在茄科植物番茄中的表达。首先,我们从已阐明功能的ADC和ODC蛋白序列中,均鉴定了两个保守结构域;在此基础上,结合HMMER和BLAST,从10个植物基因组中共鉴定得到了46个鸟氨酸脱羧酶家族基因。对其构建进化树,发现它们分成3个亚家族:ODC、ADC和DapDc;这些基因均为脱羧酶基因。人类和酵母基因均聚在ODC这一枝,表明ODC在本家族中进化最早。拟南芥和苔藓中均不存在ODC基因,表明此基因在这两个植物基因组中发生了丢失。ADC基因在植物登陆后才得以进化形成。DapDc基因数目极为保守,表明它在植物进化过程中受到了严格的控制。     

番茄与马铃薯TIFY家族基因的鉴定与比较分析

TIFY蛋白是一类植物特有的转录因子,在植物的生长发育、信号传导以及胁迫反应中起重要作用。尽管一些模式植物TIFY家族基因已经被鉴定,但在茄科植物中有关TIFY家族基因的研究却很少。本研究利用生物信息学手段分别从番茄与马铃薯中挖掘到21个Sl TIFY和21个St TIFY基因,并系统性分析这些TIFY基因的序列、表达以及进化特性。染色体定位与扩增模式分析显示,番茄和马铃薯的TIFY基因散落分布在不同染色体上,家族成员扩增主要由串联和片段重复产生。序列分析表明:番茄TIFY基因结构被分为12种,马铃薯TIFY基因结构被分为8种;番茄和马铃薯TIFY蛋白共享了保守基序1,其它保守基序显示不同程度基因特异性,保守基序组成模式表现出高度多样化。系统进化分析显示,番茄和马铃薯TIFY蛋白被分为7大类群,同类群内结构与序列相似性较高。选择压力检测表明,番茄的10对同源基因和马铃薯的19对同源基因均受到负选择作用。表达谱结果表明,番茄和马铃薯TIFY基因的表达呈现较高的多样性,这可能与多样化的功能相关。这些研究结果为功能解析番茄和马铃薯TIFY基因提供理论指导。     

茄科植物甲基腐胺氧化酶基因进化路径分析

甲基腐胺氧化酶(MPO)是茄科植物中腐胺衍生的生物碱合成途径中重要基因。前人研究表明,MPO基因由DAO基因进化而来,然而其在植物中的完整进化图景未见报道。本研究在全基因组水平上全面鉴定MPO基因所属的CuAO基因的基础上,通过进化分析,构建了植物的MPO基因进化路径。首先,从已报道的MPO、CuAO及DAO基因中均鉴定得到了三个保守结构域;在此基础上,结合BLAST和HMMER,从6个植物基因组中鉴定得到了35个CuAO家族基因。系统发育分析表明,该家族基因分为4个亚家族。亚家族Ⅰ和Ⅱ均为AO基因;亚家族Ⅲ基因功能还未获鉴定,该亚家族基因在烟草属植物中不存在;亚家族Ⅳ基因仅在菊亚纲中发现,其在茄科中进一步分化成DAO基因和MPO基因。本研究表明,MPO基因的起源最早可追溯到AO基因,而其最近的祖先出现于菊亚纲,最终在茄科植物起源后进化得到具有MPO活性的基因,从而整合入尼古丁等腐胺衍生的生物碱生物合成途径。     

蔗糖代谢中蔗糖磷酸合成酶(SPS)的研究进展

蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase,SPS)参与植物的生长发育,而植物生长发育所需要的光合产物大部分以蔗糖的形式供应和运输,其中蔗糖磷酸合成酶是蔗糖进入各种代谢途径所必需的关键酶之一。本文综述了蔗糖磷酸合成酶生物学功能,基因表达调控及进化,SPS基因的克隆及遗传转化植株的表现;并进一步对蔗糖磷酸合成酶的研究作出设想。     

盐胁迫对苗期番茄蔗糖代谢的影响

研究了不同浓度盐胁迫下番茄苗期蔗糖代谢相关酶（转化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶）的活性变化与糖积累的关系。结果表明：盐胁迫在一定程度上可以提高番茄幼苗体内的果糖和葡萄糖含量,降低蔗糖的含量。短期盐胁迫可以提高番茄幼苗体内转化酶的活性,使相应的可溶性酸性转化酶mRNA水平提高,处理后期转化酶活性及可溶性酸性转化酶mRNA水平下降;蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性降低,但与对照之间的差异不显著;表明盐胁迫主要通过调节转化酶表达与活性变化来影响番茄苗期的蔗糖代谢水平。     

Transgenic soybean with low phytate content constructed by <Emphasis Type="Italic">Agrobacterium</Emphasis> transformation and pollen-tube pathway

The expression of a microbial phytase in transgenic plants may create a new biochemical pathway that mobilizes its endogenous phytate and release inorganic phosphate from it, so that more phosphorus is available for plant growth. In this study, transgenic soybean plants were generated via both Agrobacterium transformation and pollen tube pathway with the PhyA gene of Aspergillus ficuum. The optimal concentrations of plant hormones including N₆-benzylaminopurine (BAP), gibberellin (GA₃) and indole-3-butyric acid (IBA) were tested based on their effectiveness on promoting the growth of transgenic explants. Genomic PCR results and Southern blot hybridization analysis showed that transgenic soybean plants selected for resistance to kanamycin contained the phyA transgene. The transgenic soybean plants with phyA gene integrated in their genome exhibited lower amount of phytate in different soybean tissues including leaf, stem and root, which indicated that engineering crop plants with a higher expression level of heterologous phytase could improve the degradation of phytate and potentially in turn mobilize more inorganic phosphate from phytate and thus reduce phosphate load on agricultural ecosystems.     

miR172超表达载体的构建及其在micro-Tom番茄中的遗传转化

为了进一步阐明miRNA在番茄不同生长发育阶段尤其是在果实成熟阶段的调控途径,利用聚合酶链式反应(PCR)从番茄(Solanum lycopersicum)的cDNA克隆出miR172基因核心片段,将该基因片段,以及pCAMBIA1300-221载体通过特异性的限制性内切酶双酶切,然后将miR172片段正向连接到载体上,转化大肠杆菌Trans5α,鉴定重组质粒正确后,利用冻融法将重组载体转入农杆菌EHA105中。再次回转大肠杆菌验证获得的重组载体,通过PCR以及双酶切鉴定是否符合预期结果,将测序结果与NCBI上的基因序列相比较,同源性高达100%。结果成功构建了适用于番茄农杆菌遗传转化的植物表达载体,接下里进行转基因植株的培育和鉴定。为通过miR172基因进一步研究果实成熟衰老机理奠定了物质基础。     

番茄亲本完全双列杂交后糖组分的配合力及遗传力分析

旨在研究番茄糖组分的配合力及遗传力。采用6个性状不同的番茄材料作为亲本（编号分别为1、2、3、4、5和6）,按照Griffing完全双列杂交(p2),配成30个杂交组合。分析了番茄6个亲本和30个杂交组合果实中糖各组分（蔗糖、葡萄糖和果糖）的配合力及遗传力。本试验得出蔗糖品质性状组合间的F值只有亲本达到极显著的水平,而杂交组合和基因型均没有显著性差异,所以不能对它做配合力分析,也就是说蔗糖在各个组合中的差异是不明显的。葡萄糖和果糖品质性状在亲本、组合间和各基因型间的F测验值均达到显著或极显著水平,说明它们的差异较大,可以按照Griffing I进行番茄品质性状的配合力分析。遗传研究表明亲本3和4为优势育种中番茄高糖育种的优良亲本,而组合3×4也是选育含糖量高的最佳组合。     

乙醛脱氢酶基因（ALDH）转化番茄的研究

乙醛脱氢酶基因（ALDH）为目的基因,构建了pBI-ALDH 植物表达载体,番茄品系03HN31子叶为外植体,经发根农杆菌（Agrobacterium rhizogens）介导采用共培养法转化番茄。通过分子生物学技术（PCR、Southern杂交、RT-PCR）和抗逆相关生理指标测定（相对电导率及丙二醛含量）相结合的方法对转化番茄植株进行检测,研究结果表明：乙醛脱氢酶基因（ ALDH ）导入并整合到番茄的基因组中,在转录水平上可以稳定表达;在干旱、高盐和低温胁迫条件下,转基因番茄植株和对照株的相对电导率和丙二醛含量有差异,证明转化番茄植株的质膜受损程度有所降低,抗氧化胁迫性能有所提高,转化率为10.78%。     

植物蔗糖合成酶功能与分子生物学研究进展

蔗糖合成酶在植物生长发育过程中有着举足轻重的作用。叶片光合产物向“库”器官运输的主要形态是蔗糖,而蔗糖合成酶是蔗糖进入各种代谢途径所必需的关键酶之一。在此,综述了蔗糖合成酶(SuSy)在高等植物蔗糖代谢中的作用,SuSy基因的克隆、表达调控机理以及SuSy转基因植株的表现;并进一步对蔗糖合成酶的研究作出设想。     

AtNHX1基因转化番茄及其耐盐碱性分析

高盐是限制作物生长发育和产量最严重的非生物胁迫之一,提高作物的耐盐性已成为一个日益紧迫的研究课题。将含有AtNHX1基因的表达载体pFYC-AtNHX1和含有bar基因的质粒pCAMBIA3300等量混合,采用花粉管通道法共转化番茄。经PPT抗性筛选后,PCR扩增获得12株导入了AtNHX1基因的番茄植株,Southern杂交分析表明该基因已经整合到番茄基因组中,通过RT-PCR检测到了AtNHX1基因的表达。在150 mmol/L NaCl处理下,转基因植株T1代对NaCl耐性显著增强。对转AtNHX1基因番茄T2代进行80 mmol/L碱性盐NaHCO（3pH 8.25）胁迫,以此评价转AtNHX1基因番茄对碳酸盐的耐受性。叶片相对电导率检测结果表明,AtNHX1基因的导入确实提高了番茄对碱性盐NaHCO3的耐受性。培育并栽种转AtNHX1基因的耐盐碱番茄将会降低盐渍化环境对番茄生长发育的影响。     

γ-氨基丁酸促进拟南芥开花的机理研究

为了探讨γ-氨基丁酸(GABA)对拟南芥植物开花的影响机制,以3种不同浓度（1 mmol/L,5 mmol/L和10 mmol/L）的GABA采用隔天喷施的方法,处理7天龄的拟南芥幼苗至4周龄,以双蒸水作为对照,观察拟南芥的开花时间的变化。结果表明,在长日照（16 h光照/8 h黑暗）和短日照（8 h光照/16 h黑暗）条件下,GABA能不同程度地促进拟南芥早开花2~5天。运用荧光定量PCR技术,对开花途径的开花抑制因子基因Flowering Locusc C（FLC）、自主开花途径基因FCA(FLOWERING TIME CONTROL PROTEIN FCA)和花序分生组织特征基因LEAFY（LFY）的表达进行研究。与对照相比,GABA处理下调FLC的表达2~5倍,而促进FCA（1.5~6倍）和花序分生基因LFY（3~11倍）的表达。初步的实验结果表明,GABA对拟南芥开花的促进作用有可能通过上调FCA的表达,抑制FLC从而促进LFY的表达而最终促进植物提早开花。