棉花早衰的分子机理研究进展

早衰是棉花生长发育的一种异常现象,是大量衰老相关基因差异表达的结果。早衰棉花光合作用、碳水化合物和其他生物大分子合成相关基因大多下调表达,而蛋白、核苷酸、脂类降解和氨基酸、糖类、嘌呤、嘧啶和离子转运体等养分循环利用相关基因大多上调表达;脱落酸(ABA)、乙烯、生长素、茉莉酸(JA)和赤霉素(GA)相关基因大多上调表达,而细胞分裂素合成基因IPT下调表达;NAC和WRKY等转录因子基因也大多上调表达。结合作者在该领域的研究,总结评述了光合作用及大分子降解、养分循环利用、激素和转录因子相关基因在早衰棉花中的表达模式及作用机理。     

3种转非抗虫基因棉花田间节肢动物群落的多样性和食物网结构

以转基因耐盐碱棉花、转基因抗病棉花和转基因抗旱棉花3种转非抗虫基因棉花为材料,研究不同表达性状的转基因棉花种植对棉田节肢动物群落结构、多样性及食物网结构的影响。结果表明,3种转基因棉花在节肢动物群落Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度和优势集中性指数上与其对照受体棉花无显著差异(P0.05)。转基因棉花与其对应受体间的群落相似性指数均较高(73.18%~77.65%),食物网结构参数上也无显著性差异(P0.05)。表明3种转非抗虫基因棉花对棉田节肢动物多样性及食物网结构无显著影响。     

山菠菜胆碱单加氧酶基因对棉花的遗传转化和耐盐性表达

胆碱单加氧酶（CMO）是渗透保护剂甜菜碱生物合成的关键酶之一。以棉花（Gossypium hirsutium L.）泗棉3号的下胚轴切段为外植体，利用农杆菌介导法将克隆自山菠菜（Atriplex hortensis）的AhCMO基因导入其中，通过组织培养胚状体发生途径获得转基因再生植株。以0.5%卡那霉素对再生苗筛选后，PCR检测抗卡那霉素棉苗确认阳性转化株，Southern和Northern杂交结果进一步证实外源基因已导入棉花并得到表达。在温室盆栽条件下，于2片真叶期对转AhCMO基因棉花及其转化受体泗棉3号施加0.5%的NaCl胁迫，15 d后发现其光合作用和植株生长被显著抑制，非转基因棉花泗棉3号的株高、鲜重和光合速率分别降低了57.6%、65.6%和69.9%，而转AhCMO基因的棉株分别降低了37.3%、54.6% 和47.9%。转AhCMO棉花所受盐害程度显著小于非转基因的棉株，说明AhCMO基因的导入和表达提高了转基因棉花的耐盐性。     

转MvNHX1和MvP5CS基因棉花耐盐抗旱性比较与育种价值分析

通过对花粉管通道法获得的T7转MvNHX1基因的10个棉花株系和转MvP5CS基因的3个棉花株系与对照非转基因棉花D5在温室内盐和干旱胁迫下的发芽率、生理生化指标以及田间花期干旱胁迫下农艺性状和纤维品质进行分析发现:温室内盐和干旱胁迫后,转基因棉花叶片叶绿素含量、脯氨酸含量均高于对照,而丙二醛含量低于对照;田间花期干旱胁迫下,2种转基因植株果枝数、有效果枝数、铃数、有效铃数、铃重、子棉、皮棉、衣分、子指和衣指均高于对照,说明转MvNHX1基因和转MvP5CS基因植株在干旱逆境下的产量高于非转基因;经花期干旱胁迫后,2种转基因棉花的纤维断裂伸长率、短纤维率、马克隆值和纺纱一致性指数优于非转基因棉花D5。综合分析表明:2种转基因棉花的耐盐抗旱性均有提高,其中转MvNHX1基因棉花的耐盐性优于转MvP5CS基因棉花植株,而转MvP5CS基因棉花植株的抗旱性优于转MvNHX1基因棉花植株。     

棉花GhTCP2基因启动子分离及其在幼嫩组织的表达分析

 采用Genome walking的方法分离了GhTCP2基因的启动子区,应用在线分析软件PLACE对该启动子序列进行分析,发现含有多个与细胞周期、细胞分裂素、生长素相关的顺式作用元件。构建了GhTCP2基因启动子驱动报告基因GUS的植物表达载体并转化了模式植物拟南芥。转基因拟南芥的组织化学染色显示,GUS基因主要在根尖、幼叶、顶芽、侧芽和花蕾中表达。这说明棉花GhTCP2基因启动子可以驱动目的基因在植物的幼嫩组织表达,该启动子有望在植物抗虫基因工程中应用。     

BnA7HSP70分子伴侣结合蛋白超表达能够提高甘蓝型油菜耐旱性

分子伴侣结合蛋白广泛参与植物生长发育过程, 在逆境下能够保护植物细胞免受胁迫。在甘蓝型油菜中超表达油菜含有HSP70热激蛋白结构域的分子伴侣基因BnA7HSP70, 所得到的转基因植株在缺水条件下延缓萎蔫。通过生理生化实验证明, 干旱条件下转基因植株有着更高的相对含水量、更强的渗透调节能力和较低的脂质膜过氧化性。另外, 转基因植株的幼苗在萌发期表现出对糖基化酶抑制剂衣霉素处理的耐受性。Evans blue染色实验证明, 转基因植株逆境下叶片死亡细胞数目比非转基因植株减少, 叶片衰老相关标记基因BnCNX1在转基因植株中下调表达证明, 超表达BnA7HSP70基因所介导的途径能够减轻逆境胁迫下的植株衰老, 保持叶片持绿性。在转基因植株中内质网和渗透胁迫产生的细胞死亡标记基因N-Rich蛋白BnNRP延迟表达证明, 在油菜中增强BnA7HSP70基因的表达能够缓解未折叠蛋白途径(unfold protein response, UPR)和NRP (N-rich pathway)途径介导的叶片黄萎, 并降低油菜叶片失绿的标记基因BnLSC222和BnLSC54的表达。研究结果表明, 在油菜中超表达BnA7HSP70基因能够提高植株在干旱条件下内质网胁迫的耐受性。     

转棉花叶绿体Cu/Zn-SOD基因烟草的获得及其功能的初步验证

构建了棉花叶绿体Cu/Zn-SOD基因的植物表达载体,利用农杆菌介导法将其导入NC89烟草,PCR、Southern blotting检测结果显示有4个烟草株系中整合了棉花叶绿体Cu/Zn-SOD基因,SOD酶活性测定结果显示4株转基因烟草植株SOD酶活性都明显高于非转基因烟草,离体叶片暗处理试验结果也证明四株转基因烟草比非转基因烟草SOD酶活下降速度明显减慢,百草枯喷施试验表明,转基因烟草都比非转基因烟草对百草枯的耐性增强,这一系列试验间接地说明外源基因的导入增强了烟草的耐衰老能力,本研究为今后利用SOD基因研究作物的早衰性状奠定了基础.     

高品质转野生荠菜凝集素基因棉花的获得

利用花粉管通道转基因技术,将DE35S启动子驱动的野生荠菜凝集素(WSA)基因导入10个高品质棉花品种(系)。所使用的转基因表达载体还含有选择标记基因NPTⅡ(卡那霉素抗性基因)和Ω序列,以利于转基因植株的筛选以及WSA基因的高效表达。对转化当代3197棵棉苗的检测结果表明,4.88%植株具有卡那霉素抗性(Kan )。根据野生荠菜凝集素基因序列设计一对特异性引物,对156个Kan 植株进行PCR检测,筛选出45个转WSA基因棉花工程植株。45个株系纤维品质测定结果表明,获得了9个高品质转WSA基因棉花株系。并对植物基因工程研究中以NPTⅡ作为标记基因的局限性以及一些转WSA基因棉花株系纤维强度变劣的原因进行了探讨。     

转SNC1基因棉花抗枯萎病防御酶活性分析

以转SNC1基因的棉花中35和军棉1号和对应的非转基因棉花叶片为材料,接种棉花枯萎病病菌,以分析与主要抗病性有关的5类防御酶系。接菌后,和对照相比,转SNC1基因棉花和非转基因棉花防御酶的活性变化差异明显。其中,转基因中35的PAL、SOD、POD和PPO酶活性均高于非转基因中35,并且在接菌第2,4天达到峰值,然后随时间增加呈下降趋势,而CAT酶活性低于非转基因中35,随时间增加变化趋势不明显;转基因军棉1号的PAL、SOD、PPO和酶CAT活性变化趋势同转基因中35,而POD酶活性变化趋势却相反,低于非转基因军棉1号。通过本试验表明,以抗病品种和感病品种为受体得到的转基因棉在受到病原菌侵染后,酶活性变化有差异。其中PAL、SOD、PPO和CAT酶活性变化趋势稳定,其酶活性高低可以作为转基因棉花抗病性的生化指标,同时表明SNC1基因的抗病性在陆地棉中得到体现。     

假禾谷镰孢侵染小麦后3种植物激素相关基因的差异表达分析

假禾谷镰孢(Fusarium pseudograminearum)是我国近年新发现的小麦病原真菌,本研究目的是揭示植物激素信号传导途径中相关基因表达对假禾谷镰孢侵染的响应。利用假禾谷镰孢野生菌株WZ2-8A侵染小麦品种周麦24,对接种后5 d和15 d样品进行转录组测序,分析差异表达基因,并对候选基因进行q RT-PCR验证。假禾谷镰孢侵染后,小麦幼苗生长受到明显抑制,根长、株高、根重和地上部分鲜重均显著降低。转录组分析结果表明,植物激素信号传导途径中有29个基因差异表达,涉及到生长素、细胞分裂素和脱落酸3种植物激素。在接种后5 d有11个差异表达基因,其中2个上调,9个下调;在接种后15 d共有25个差异表达基因,其中8个上调,17个下调。在生长素信号传导途径中,生长素输入载体AUX1差异表达,影响生长素的极性运输,从而影响小麦根部的细胞伸长。在细胞分裂素信号传导途径中,起正调控作用的B-ARR上调表达,推测其促进细胞分裂素的信号传导,从而抑制细胞分裂,与生长素协同作用,造成小麦的长势减弱。在脱落酸途径中,脱落酸受体PYR/PYL下调表达;起到负调控作用的PP2C相关基因均上调表达。脱落酸使植物对真菌和细菌的抗性起到负调控作用,其信号传导途径与茉莉酸/乙烯途径相互拮抗,脱落酸信号传导途径的阻遏可能会使茉莉酸/乙烯途径信号通路打开。q RT-PCR结果基本能够和转录组测序结果相拟合,说明在假禾谷镰孢侵染胁迫下,脱落酸的信号传导被抑制可能是中抗品种周麦24对假禾谷镰孢产生一定的抗性的生理基础。     

转基因棉花抗虫基因的分子辅助选择

为提高棉花新品种选育过程中外源抗虫基因选择的准确性,以常规非转基因抗虫棉花品种、单价转基因抗虫棉品种、双价转基因抗虫棉品种为试验材料,选择能扩增Bt基因通用引物和棉花内源基因SAD1的引物,建立了抗虫基因的PCR检测方法。利用该方法对常规非转基因抗虫棉品系和转基因棉花品系进行了检测。结果表明,该方法可明确区分常规非转基因抗虫棉品系和转基因棉花品系;对高代育种品系进行检测表明40%转基因品系中存在单株不能扩增出预期的特异片段,而在非转基因系冈197中存在8.0%的单株扩增出预期的特异片段。该方法可应用于棉花新品种选育过程中对外源抗虫基因的检测,提高了选择的准确性和目的性。     

转双价基因棉花对根际土壤酶活性和养分含量的影响

在田间试验条件下,以3种转双价基因棉和常规棉石远321为研究对象,比较分析转双价基因棉和常规棉石远321根际土壤酶活性及养分的变化。结果表明,转双价Cry1Ac+CpTI基因棉sGK321与石远321根际土壤速效磷和铵态氮含量无显著差异,而硝态氮含量则显著高于石远321;转双价Cry1Ac+Cry2Ab基因棉(双Bt抗虫棉)速效磷和铵态氮含量均显著低于石远321,而硝态氮含量与石远321无显著差异;转双价Cry1Ac+Epsps基因棉(抗虫抗除草剂棉)速效磷和硝态氮含量均显著高于石远321,而铵态氮含量显著低于石远321。sGK321棉与石远321根际土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均无显著差异;双Bt抗虫棉土壤脲酶活性显著低于石远321,碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性与石远321均无显著差异;抗虫抗除草剂棉与石远321土壤脲酶活性无显著差异,碱性磷酸酶活性显著高于石远321,而过氧化氢酶活性显著低于石远321。表明sGK321棉与石远321根际土壤养分(硝态氮除外)含量和酶活性无显著差异,而双Bt抗虫棉和抗虫抗除草剂棉所呈现的差异是因不同品种所致。     

陆地棉不同群体主要性状的遗传力及杂种优势分析

以1个高强纤维品系为父本,6个常规棉品系、5个转Bt基因抗虫棉品系和5个彩色棉品系为母本配制杂交组合,利用AD模型,分析了3个群体杂交组合主要性状的遗传力和杂种优势表现。结果表明,常规棉群体和抗虫棉群体的衣分、籽棉产量等性状基因显性效应对杂种一代性状形成起主导作用,彩色棉群体的籽棉产量受加性和非加性效应共同控制,而衣分的遗传变异主要来自基因的加性效应。常规棉群体的比强度以显性效应为主,抗虫棉和彩色棉群体的比强度以加性效应为主。3类群体中2．5％跨长和马克隆值的遗传效应均以加性效应为主,同时受非加性效应的影响也较大。常规棉群体和抗虫棉群体的产量性状有一定的杂种优势,纤维长度和细度基本上没有优势,纤维强度有显著的负优势,但彩色棉群体的纤维长度和强度有一定的正向优势。因而,在品种改良上,可以利用常规棉和转基因抗虫棉的杂种优势大幅度提高产量,利用彩色棉的杂种优势来提高纤维品质。     

转基因棉花苗期光合特性的研究

以3种不同转基因棉花及其亲本对照为材料,研究了盆栽条件下不同棉花品种苗期光合作用及有关生理特性。结果表明,与其非转基因对照相比,转基因棉花叶片的气孔导度、蒸腾速率和胞间CO₂浓度的变化不明显,且不同抗虫棉的变化趋势不同,其中仅有转Bt基因棉Z30与其对照Z16之间的净光合速率差异达显著水平;所有供试转基因棉花叶片中的RuBP 羧化酶活性均显著下降而乙醇酸氧化酶的活性均显著上升,但叶绿素a、b和总含量以及叶绿素a/b无显著变化。推测转基因抗虫棉花叶片RuBP 羧化酶和乙醇酸氧化酶参与调控的光合及呼吸代谢过程可能发生了改变。随着转入基因的多样化,其可能引发转基因作物产生的非预期效应更加不确定与复杂。     

转基因棉花后代早期快速筛选的应用研究

从转基因棉花后代分离群体中选择含有外源基因的目标植株是培育转基因棉花的重要环节。为了快速在早代对转基因棉花进行有效的筛选,本试验利用含有Kan的水溶液在培养皿上对转基因棉花YZ1进行筛选研究。结果表明,100mg/L的Kan能有效抑制非转基因棉花种子的萌发及下胚轴的伸长;经PCR检测,100mg/LKan筛选出的抗性苗阳性率达到95%以上。     

转AhCMO基因棉花苗期对干旱胁迫的生理反应

以转AhCMO基因的2个棉花品系L1和L2及其转化受体泗棉3号(SM3)为材料,研究了转AhCMO基因棉花对干旱胁迫的生理反应。试验采用盆栽方式在日光温室中进行,以维持土壤含水量为最大持水量的45%作为干旱处理,以正常供水维持土壤含水量为最大持水量的75%作为对照。结果表明,正常供水条件下转基因品系L1和L2与SM3生长表现一致。但是干旱胁迫下,转基因品系L1和L2的干物质积累量、平均净光合速率以及叶片叶绿素的含量都显著高于SM3;而且L1和L2叶片中甜菜碱含量显著高于SM3,过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性也较SM3显著提高。说明2个转AhCMO基因品系的耐旱性得到明显提高,耐旱性的提高与甜菜碱积累量的增加、POD和SOD活性的增强有关。     

利用马克隆值差异显著的BILs鉴定棉纤维品质相关基因

【目的】马克隆值是衡量棉纤维品质的重要指标之一。利用马克隆值存在显著差异的2个陆海回交近交系材料进行高通量基因芯片分析,旨在筛选和鉴定棉纤维发育相关的关键基因。【方法】从SG747(Gossypium hirsutum L.)和Giza75(Gossypium Barbadense L.)高世代回交近交系(Backcross Inbred Lines,BILs)群体中选取NMGA-140(马克隆值6.2)和NMGA-051(马克隆值4.0)为材料,利用Affymetrix公司的棉花寡聚核苷酸基因芯片对其开花后10 DPA(Days after anthesis)的棉纤维进行了表达谱分析。【结果】获得了2655个差异表达基因,包括功能预测基因(15.57%),翻译、核糖体结构与生物合成相关基因(13.54%)和翻译后修饰、蛋白质转换、分子伴侣相关基因(9.31%)等。推测β-tub10正向调控棉纤维发育过程,β-tub1负向调控棉纤维发育过程,Ghi.3578.1.S1_s_at在棉纤维发育早期起到了作用。【结论】为棉花纤维品质的遗传改良提供了丰富的基因资源,为分子标记辅助育种开发更多新的分子标记。     

转GHABF4转录因子棉花植株的耐盐性研究

AREB/ABFs转录因子家族基因主要参与干旱、高盐、低温等胁迫应答反应。为了获得具有较高耐盐水平的棉花新种质材料,通过农杆菌介导法将耐盐转录因子基因(GHABF4)导入陆地棉中棉35中,通过对转化植株的卡那霉素初步筛选及T1、T2、T3目的基因PCR的分子检测,获得T3转基因棉花纯合系。通过盐胁迫试验对5个T3转基因棉花株系和非转基因棉花对照进行耐盐性分析。结果表明,在200 mmol/L Na Cl胁迫下,与非转基因对照相比,5个转基因棉花株系株高提高2.5~4.4 cm,地上部分的鲜质量增加3.6%~11.8%;且抗氧化物酶SOD、POD、CAT活性以及叶绿素含量提高。在盐胁迫条件下,转GHABF4基因棉花表现出优良的生长和生理优势,转GHABF4基因能够提高棉花的抗盐能力。