以质粒载体构建土壤宏基因组文库的研究

从土壤中提取土壤总DNA,切割成一定长度的DNA片段并连接到载体上,然后转化宿主菌,形成一个重组DNA文库即宏基因组（metagenome）文库.目前对宏基因组的研究在国际上是土壤微生物学研究的前沿领域和热点.文库构建后可以根据宿主细菌获得的功能筛选相应的克隆;也可以用已知的探针分离目的基因片段,加上表达调控元件后获取活性产物,所以通过宏基因组文库可以规避微生物培养的限制而寻找新的功能基因或者直接筛选活性物质;在早期宏基因组还被用来研究土壤微生物的遗传多样性.因此构建宏基因组文库是研究微生物分子生态学和开发微生物资源的强有力工具.本研究从土壤中直接分离DNA,部分酶切后分别回收2～6kb和6～9kb片段,然后分别与pUC19质粒载体连接,连接产物转化大肠杆菌DH5α构建了土壤宏基因组文库,实验中比较了不同DNA片段长度和不同的转化方法对文库构建的影响.     

刺糖多孢菌高产菌株和野生型菌株多杀菌素生物合成基因簇(spn)在发酵过程中的表达分析

多杀菌素(spinosad)作为一种高效、低毒生物杀虫剂,已在农药、兽药、卫生用药等领域得到应用。中国关于多杀菌素的研究起步较晚,进展缓慢,目前仍无法实现产业化生产。本研究旨在分析刺糖多孢菌(Saccharopolyspora spinosa)高产菌株ASAGF73与野生型菌株ATCC49460在发酵过程中多杀菌素合成基因簇(spinosyn biosynthetic gene cluster,spn)的表达变化及差异,初步判断影响多杀菌素合成的关键限速步骤。生物信息学分析表明,spn基因簇含有9个转录子,分别在各转录子中设计引物,进行RTPCR检测其表达情况。结果显示,突变株ASAGF73中多杀菌素的产量提高可能与spn基因簇中部分基因的高表达有关,其中编码聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)的基因和参与大环内联桥形成的基因表达量远高于野生型菌株的。在ASAGF73中编码鼠李糖转移酶的spn G基因在发酵前期过量表达,而在后期大量合成多杀菌素时表达减弱,有可能成为多杀菌素合成的限速步骤。本研究初步阐明能够提高多杀菌素产量的分子机制,为构建多杀菌素高产基因工程菌提供参考。     

棕色棉GhANS基因的克隆与表达分析

本研究以15DPA棕色棉及其白色近等基因系为材料,蛋白质双向凝胶电泳结合质谱分析,鉴定出其中一个差异表达的蛋白为花色素合成酶(ANS)。以15DPA棕色棉纤维细胞cDNA为模板,电子克隆获得了编码该蛋白基因的全长cDNA序列,序列分析发现,该基因的开放阅读框为1062 bp,编码354个氨基酸,属于花色素还原酶2-酮戊二酸加氧酶亚家族,将该基因命名为GhANS。构建GhANS基因GFP融合植物表达载体转化烟草,荧光共聚焦显微镜观察发现GhANS基因定位于烟草细胞质内。实时荧光定量PCR分析表明,GhANS基因在棉花中组成型表达,该基因在纤维细胞发育的各个时期在棕色棉中表达量均高于其白色近等基因系,推测GhANS基因在棕色棉纤维色素合成过程中起重要作用。     

茶树类黄酮3-ο-半乳糖基转移酶基因克隆及功能研究

糖基转移酶(UGT)是专门催化化合物糖基化反应的酶,能够有效提高类黄酮苷元化学稳定性并增加其水溶解度。为探究茶树中类黄酮糖基转移酶基因的功能,本研究以红叶2号紫芽茶品系紫色芽叶为材料,通过RACE技术,克隆了1个UGT基因。结果表明,UGT基因cDNA全长1 701 bp,包含一条大小为1 362 bp的CDS,编码454个氨基酸。该基因编码的蛋白与多个物种的类黄酮3-ο-半乳糖基转移酶(F3GalT)蛋白高度同源,且在其序列C端发现一段PSPG box特征序列,因此被命名为CsF3GalT。RT-qPCR结果表明,CsF3GalT基因在紫芽品种的表达水平均极显著高于绿芽品种,在同一紫芽品种紫叶中的表达水平也显著高于绿叶。对CsF3GalT基因构建原核表达载体,体外酶活试验表明CsF3GalT能够催化UDP-半乳糖与杨梅酮形成杨梅酮-3-ο-半乳糖,而不能催化UDP-葡萄糖和杨梅酮反应。CsF3GalT表达产物定位于细胞质、细胞膜和细胞核中。本研究为进一步阐明茶树UGTs的功能及其在花青素合成途径中的作用奠定了一定的理论基础。     

罗汉果查尔酮合成酶基因的生物信息学分析

查尔酮合成酶（chalcone synthase,CHS）是类黄酮生物合成的关键酶,在植物发育、防止UV损伤、抗病和逆境反应中起着重要作用。本研究通过EST测序,获得了罗汉果查尔酮合成酶基因序列（登录号：GU980155）。为了进一步了解罗汉果查尔酮合成酶基因的特征,我们将其与46种植物的查尔酮合成酶基因的核酸序列和氨基酸序列进行比对和进化分析。结果表明,罗汉果查尔酮合成酶基因的核酸序列和氨基酸序列与其它物种的查尔酮合成酶基因均具较高同源性,编码区相似性约为94%。使用PHYLIP和MEGA4分别构建了邻接树、最大似然树和最大简约树,但经bootstrap检验,最优树未能明确罗汉果查尔酮合成酶基因的系统发育地位。以紫花苜蓿查尔酮合成酶的三维结构为参考,利用同源建模的方法预测了罗汉果查尔酮合成酶的三维结构,发现罗汉果查尔酮合成酶具有保守的活性位点和空间结构。     

植物表达载体pCAMBIA2301-del-ros的构建及其在草莓上的验证

为了研究多基因互作,减少多次转化的不确定性,本研究在花青素合成调节基因del(delila)和ros(rosea1)的上下游分别引入CaMV 35S启动子和nos终止子,以pBI121-del和pCAMBIA1301-ros做中间载体,并利用BamHⅠ和BglⅡ产生相同4碱基末端的片段,在连接酶的作用下将CaMV 35S启动子分别驱动的del和ros基因构建在同一个植物表达载体pCAMBIA2301上,利用所构建的载体pCAMBIA2301-delros通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404介导的方法转化草莓(Fragaria ananassa Duch.),并进行PCR检测,获得转基因草莓。通过组织观察发现,转基因草莓的根和叶的颜色变成红紫色;实时RT-PCR分析表明,在转基因草莓中花青素合成的结构基因花色素合成酶(anthocyanidinsynthase,ANS)、查尔酮异构酶(chalcone-flavanone isomerase,CHI)、查尔酮合酶(chalcone synthase,CHS)、二羟黄酮醇-4-还原酶(dihydroflavonol-4-reductase,DFR)、黄烷酮-3-羟化酶(flavanone 3-hydroxylase,F3H)和类黄酮-3-O-葡糖基转移酶(UDP glucose-flavonoid 3-O-glcosyl-transferase,UFGT)在转基因株系中的表达均上调,这也进一步证实通过该方法构建的植物表达载体pCAMBIA2301-del-ros可以用来转化植物。本研究结果表明,植物表达载体pCAMBIA2301-del-ros成功构建,为多基因植物表达载体的构建提供了一种思路,也为在植物体内同时研究多个基因的互作提供借鉴。     

水稻–冬季秸秆覆盖种植马铃薯模式对水稻齐穗期根际土壤代谢组表达特征的影响

水稻–冬季秸秆覆盖种植马铃薯是南方稻区一种经济高产的水–旱轮作模式,其对水稻根际土壤代谢物的影响可能是调控水稻高产的关键,但目前相关研究尚未见报道。本研究基于周年水–旱轮作模式长期定位试验,以水稻–冬季空闲(CK)模式为对照和水稻–马铃薯(稻草覆盖种植并还田,RP)轮作模式为研究对象,采集水稻齐穗期根际土壤样品,利用液相色谱–质谱法(LC-MS)测定根际土壤代谢物种类与丰度,研究RP轮作模式水稻齐穗根际土壤代谢物组分和功能及其与产量形成的关系。结果表明：(1)采用OPLS-DA模型筛选差异代谢物(HMDB数据库)发现,与CK模式相比,RP轮作模式具有201个有显著性差异(P<0.05)的根际土壤代谢物,分别归属于脂质和类脂分子、有机酸及衍生物、有机氧化合物、苯丙烷和聚酮等11个父类;其中苯丙烷和聚酮、丙烯醇脂质、苯及其衍生物、甾体内酯、氨基酸/肽、碳水化合物和脂肪酰糖苷等代谢物丰度发生显著变化,可作为表征RP轮作模式下水稻根际土壤差异性代谢物;(2)有机氧化合物、有机酸及衍生物和苯丙烷和聚酮等代谢物丰度与土壤有机质、全钾、碱解氮和速效钾含量差异呈显著正相关(r=0.816～0.9...     

擎天凤梨SAMs基因的分离及开花期的表达分析

为了获得擎天凤梨SAMs基因,明确其在乙烯生物合成中的作用,本试验在前期构建全长c DNA文库、批量EST测序的基础上,对目标单克隆进行Primer Walking测序获得了2个SAMs基因,分别命名为SAMs1和SAMs2。SAMs1基因(Gen Bank:KF787113)序列全长1 375bp,开放阅读框1 086 bp,编码一条361个氨基酸的序列;SAMs2基因(Gen Bank:KF787114)序列全长1 235bp,开放阅读框945 bp,编码一条314个氨基酸的序列。应用生物信息学方法对2个基因编码蛋白的氨基酸组成、理化性质、保守结构域、二级结构、三级晶体结构等方面进行了预测和分析。分子系统进化分析表明,SAMs1与禾本科植物的SAMs基因聚为一类,与SAMs2关系较远。对2个基因在开花期的表达变化以及乙烯释放量变化分析表明,SAMs1基因表达与内源乙烯的释放水平变化趋势一致,即在完全呈色的红色苞片中含量最高,其次是绿色苞片,最后为绿色叶片。推测SAMs1在乙烯的生物合成中起重要作用,SAMs2参与了除乙烯生物合成外的其它SAM生物代谢过程。本试验结果对研究擎天凤梨的乙烯生物合成、苞片呈色机理以及催花应用具有重要意义。     

基于宏基因组学的酸性森林土壤氨氧化微生物群落特征研究

全球30%以上陆地面积是酸性土壤(pH5.5),而酸性土壤中氨氧化微生物群落特征研究是破译其硝化过程微生物学机理的基础。尤其随着完全硝化微生物(Complete ammonia oxidizer,comammox)的发现,亟需重新认知酸性土壤中氨氧化微生物类群。以酸性马尾松林为研究对象,综合利用荧光定量PCR(qPCR)、凝胶电泳半定量和宏基因组测序等技术研究土壤中氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和Comammox的相对丰度以及群落组成特征。研究发现AOA和AOB amoA基因丰度分别为2.61×106 copies·g~(-1)和1.45×106copies·g~(-1);而comammoxamoA基因qPCR结果存在显著的非特异性扩增,导致其丰度被高估,而经凝胶电泳半定量矫正后,约为(1.38～1.47)×106copies·g~(-1),该结果和土壤宏基因测序揭示的comammox相对丰度基本吻合。此外,宏基因组分析发现经典嗜酸group1.1a-associated仅占AOA总类群的12%,而group1.1b则占88%,尽管目前仍未有嗜酸group 1.1b AOA纯菌株的报道。AOB主要类群为Nitrosospira(约64%),而Nitrosomonas约占36%。Comammox主要类群为clade B(约64%),而clade A仅占36%且均隶属于clade A.1亚枝,这暗示clade B与已报道的嗜中性comammox clade A纯菌株有极大的生理代谢差异。总之,本研究提供了综合利用qPCR、半定量和宏基因组分析土壤氨氧化微生物群落的策略,并建议优化comammox的qPCR引物,同时本研究系统分析了酸性马尾松林土壤中氨氧化微生物的相对丰度和群落组成特征。     

宏基因组文库中的组成型启动子在大肠杆菌中的克隆

启动子是决定基因表达水平的重要因素之一。组成型表达启动子被认为是工业上表达重要蛋白质的理想启动子。本研究利用蔗糖为唯一碳源的基本培养基对榨糖废水浸润的土壤微生物宏基因组文库进行筛选,获得两个阳性克隆。对其中一个克隆的柯斯质粒进行亚克隆,利用在线启动子预测和序列比对工具对其中一个亚克隆子进行分析,获得一个启动子序列。然后,利用PCR方法将该启动子和地衣芽孢杆菌的α-淀粉酶基因一起克隆到T载体上。结果表明该启动子在不加诱导剂的条件下能够在大肠杆菌中启动外源基因的高效表达。本研究结果为在生物领域中组成型启动子的应用研究提供了基础。     

利用酵母双杂法鉴定水稻白叶枯病菌Ⅲ型效应物寄主靶标初探

水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo）引起的水稻白叶枯病是世界水稻生产中最严重的细菌性病害之一。前期研究发现Xoo PXO99A中一个编码Ⅲ型效应物的PXO_03420（hpaF）基因与病菌游动性、致病性和致敏性有关,为探讨hpaF基因编码产物在病菌与日本晴水稻中的互作关系,本研究采用Matchmaker酵母双杂交系统构建了日本晴水稻叶片高质量cDNA文库,文库重组率为87.6%,滴度为2.57×10^6pfu/mL。将文库与构建的Y187/pGBKT7_03420诱饵进行酵母双杂交,共得到26个阳性克隆。通过对阳性克隆测序所得结果进行结构域分析,初步鉴定HpaF与水稻叶片中具有WHY或PRK结构域的两个蛋白存在互作关系。本研究结果为进一步研究hpaF基因的功能奠定了基础。     

拟南芥Psrp-4基因参与光合作用机制的研究

叶绿体核糖体是植物特有的细胞器之一,其主要功能是合成质体基因编码的蛋白质.已有研究表明在叶绿体核糖体内含有6个质体特有蛋白PSRP （plastid-specific ribosomal protein）,分别命名为PSRP1~PSRP6.然而,这些蛋白在叶绿体蛋白合成过程以及光合作用中的作用机制研究尚处初级阶段.在本研究中,为了阐明PSRP-4蛋白在叶绿体发育过程中的作用机制,我们利用Gateway系统构建了Psrp-4基因（At2g38140）的RNAi表达载体,转化野生型拟南芥后获得了Psrp-4基因表达量明显降低的psrp-4突变体.研究结果表明：psrp-4突变体比野生型生长略微缓慢,但叶片颜色与野生型差别不大,能够进行正常的光合作用.在高光胁迫条件下,测定psrp-4突变体光合化学效率,发现与野生型差异不明显;进一步的蛋白免疫印记实验证明Psrp-4基因表达量的降低对PSⅡ反应中心D1蛋白的周转也没有明显影响.因此,推测PSRP-4蛋白可能不是叶绿体蛋白合成以及光合作用的正常进行所必需的.     

基于Super-GBS技术的高粱籽粒酿造相关性状QTL定位

为探究酒用高粱籽粒酿造性状的遗传基础,本研究利用超级基因分型技术（Supper-GBS）技术对BTx623×红缨子的205个家系的重组自交系（RIL）群体开展基因分型,构建了包含1 910个单核苷酸多态性标记（SNP）,标记平均间距为0.47 cM的连锁图谱。结合两年4个环境的表型数据,利用完备区间作图法（ICIM）对籽粒总淀粉含量、支链淀粉含量、单宁含量、硬度和颜色等5个酿造性状进行了数量性状位点（QTL）定位。结果表明,在高粱的1～9号染色体上检测到9、7、11、5和3个QTL分别与总淀粉含量、支链淀粉含量、单宁含量、籽粒硬度和籽粒颜色相关,一共涉及到35个不同的QTL,其中15个QTL与前人定位结果一致。在多个性状和环境中检测到3个重要遗传区段,分别位于1号染色体（66.30～71.55 Mb）、4号染色体（54.00～62.3 Mb）以及6号染色体（54.59～57.57 Mb）,其中包括已知的Tan1和Y1基因,以及6个与淀粉和类黄酮合成途径相关的候选基因,如编码β-淀粉酶、黄烷酮3-羟化酶和bHLH转录因子等。本研究结果为酿造性状相关基因的进一步克隆奠定了基础,也为利用标记...     

部分蜘蛛牵丝Ⅰ型蛋白基因的合成及其聚合体在大肠杆菌中的表达

已知蜘蛛牵丝Ⅰ型蛋白N端序列不完整，有大量多聚丙氨酸基序组成的重复区。根据已报道的金纺者（Nephila clavipes）相应基因序列，合成若干寡核苷酸链，通过PCR获得编码涵盖三组多聚丙氨酸基序的基因片断。并以此为单体，经过酶切和连接获得重复区分别为2、4、8拷贝的聚合体。序列及RNA二级结构比对显示：所获8聚体与已报道基因编码的氨基酸同源性高达84％，但8聚体基因mRNA具有较低能级。将上述3种聚合体基因分别克隆大肠杆菌（Escherichia coh）表达载体pET-30a（＋），经IPTG诱导、利福平阻断菌体基因表达及在培养基中添加^35S-Met，通过放射自显影可见由T7启动子引发的特异目的基因表达带。     

洋葱伯克霍尔德氏菌CAS19嗜铁素合成相关基因cepR的克隆及生物信息分析

本研究采用PCR方法克隆了洋葱伯克霍尔德氏菌CAS19嗜铁素合成相关基因cepR,并对cepR基因编码蛋白的结构和功能进行生物信息学分析和预测。同源性分析表明,CAS19的cepR核苷酸序列与Burkholderiacepacia LMG1222cepR基因的同源性为99％;cepR基因全长768bp,包含一个完整的231bp的开放阅读框架,编码239个氨基酸;该基因编码蛋白分子量为26．59kD,理论的等电点为5．55,含有一个LuxR型HTH结构域,在氨基酸残基的不同区域分布有酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点、蛋白激酶C磷酸化位点、酪氨酸激酶磷酸化位点、N-肉豆蔻酰化位点和N-糖基化位点,还有一个明显的跨膜结构。本研究结果将为洋葱伯克霍尔德氏菌嗜铁素合成相关研究提供调控基因信息和参考依据,并为其进一步开发和利用奠定基础。     

植物防卫基因PvPGIP2和TaLTP4的克隆及其对小麦的转化

多聚半乳糖酸醛酶抑制蛋白和脂质转移酶蛋白是植物产生的防卫蛋白,对植物病原真菌具有防御作用。本研究利用同源基因克隆策略和RT-PCR技术,成功克隆了1个菜豆的多聚半乳糖酸醛酶抑制蛋白（PvPGIP2）编码基因和1个小麦的脂质转移蛋白（TaLTP4）编码基因;由于它们在功能上具有协同作用,我们以pAHC25为骨架构建了Pv...     

植物乳杆菌C88胞外多糖生物合成基因的克隆及序列比对

乳酸菌胞外多糖能显著改善发酵乳制品及食品的流变学和质构特性。为进一步了解乳酸菌胞外多糖的生物合成途径及调控机制,本研究对参与植物乳杆菌C88胞外多糖生物合成基因簇的部分序列进行了克隆和鉴定。根据GenBank中己报道植物乳杆菌基因序列的保守区域设计特异性引物,扩增出植物乳杆菌C88生物合成蛋白基因（cps4A）序列,并通过染色体步移方法克隆了植物乳杆菌C88参与胞外多糖合成基因簇的部分序列（4．9kb）。利用生物信息学方法预测基因簇中6个阅读框的结构和功能,结果表明该序列与己报道的乳酸杆菌胞外多糖生物合成基因具有高度的同源性（〉96％）;对各阅读框功能预测分析发现,这6个基因主要编码参与胞外多糖合成中的多糖合成蛋白、糖链长度检测蛋白、UDP-葡萄糖-4-异构酶和糖基转移酶。本研究将为利用基因工程方法调控多糖的合成和产量提供理论依据。     

宏基因组中不依赖辅酶B12甘油脱水酶基因的筛选和表达

通过特定的引物,以土壤宏基因组DNA为模板,采用PCR技术扩增获得3．3kb的DNA片段,该片段连接于pSE380载体构建重组质粒pSE380-dhaB12用于测序和表达。序列分析表明,该DNA片段编码的氨基酸序列与已报导的丁酸梭菌不依赖辅酶B12甘油脱水酶的相似性达99％。通过IPTG诱导,dhaB12基因在大肠杆菌中表达成功,SDS—PAGE分析表明有88kD和34kD两条蛋白质条带,在没有辅酶B12存在的情况下,所表达的酶具有明显的甘油脱水酶活性。     

金龙胆草查尔酮合酶基因(CHS)的克隆及其在花期不同组织的表达量分析

查尔酮合酶(chalcone synthase,CHS)是植物类黄酮化合物合成的第一关键酶。为了获得金龙胆草(Conyza blinii Lévl.)CHS基因,本研究采用快速扩增cDNA末端(rapid-amplification of cDNA ends,RACE)技术克隆得到了金龙胆草CHS基因的DNA和cDNA全长序列,并进行生物信息学分析,通过RTPCR检测该基因在花期不同组织部位中的表达情况并检测对应部位的相对花青素含量。结果表明,获得的CHS基因DNA全长2 098 bp,包括2个内含子;cDNA全长为1 692 bp,含有完整开放阅读框(1 197 bp),编码399个氨基酸,包含查尔酮合酶的标志性序列,命名为CbCHS(GenBank登录号:KJ155749)。序列比对结果显示,金龙胆草CbCHS基因与已报道的其它植物的CHS氨基酸序列具有很高相似性(最高为95%)。半定量RT-PCR结果显示,在叶和茎的表达量最高,相对表达量分别达到87.03%和98.33%,表达量之间没有显著差异(P0.05);在根中CbCHS基因表达量最少,相对表达量仅为9.43%,表达量与其余部位具有显著差异(P0.05)。花青素含量也以茎和叶中最高,根中微量,表明CbCHS基因与花青素的蓄积有一定相关性。本研究首次克隆了金龙胆草CbCHS基因的全长DNA及cDNA序列,研究了其在花期不同组织器官中的表达量差异及与花青素的含量关系,为进一步研究CbCHS基因对金龙胆草黄酮含量的影响及其调控机制提供了基础资料。     

基于知识图谱分析的土壤氮循环功能基因研究进展

土壤氮循环功能基因广泛地参与包括固氮、氨化以及硝化和反硝化作用等一系列生态过程,是氮素生物地球化学循环的关键组成部分,在很大程度上影响土壤生产力、全球环境变化以及碳中和可持续发展。近几十年来,分子生物学和微生态学技术的快速发展极大地促进了与土壤氮循环密切相关的功能基因以及其功能微生物群落特征等方面的研究。本研究利用检索自Web of Science数据库中2001—2020年期间土壤氮循环功能基因相关文献,结合R语言科学知识图谱分析方法,从发文量、高被引论文、高频关键词及历史直接引文等方面对土壤氮循环功能基因研究现状进行了系统分析,并总结了土壤氮循环功能基因领域的研究动态、热点和发展趋势。结果表明：1）应用分子生物学技术挖掘土壤氮循环相关微生物功能基因及群落结构探索土壤氮循环的微生物学机制,是当前土壤氮循环研究领域的热点及切入点。2）土壤氮循环功能基因研究主要集中于3个方面：(1)利用宏基因组学等技术对土壤氮循环相关的功能基因进行筛选、识别和注释,从而发现新的微生物功能基因序列、更新引物数据库等;(2)环境因子及管理措施对土壤氮循环相关微生物指标的影响;(3)利用功能基因丰度表征土壤氮...