甘蓝型油菜TIP4;1基因的克隆与表达分析

水孔蛋白是位于质膜和液泡膜等生物膜上主要负责水分跨膜运输的通道蛋白。为了分析甘蓝型油菜种子萌发过程水分调控的分子机制,采用RT-PCR法从甘蓝型油菜种子中克隆了液泡膜内在蛋白(Tonop last intrinsic proteins,TIPs)TIP4;1基因片段序列,并对甘蓝型油菜种子TIP4;1基因在种子萌发过程及干旱、低温和盐胁迫下的表达进行了qRT-PCR(Quantitative Real-time PCR)分析。结果表明,TIP4;1基因在干种子中表达水平很低,但是在种子萌发过程中表达量增加。此外,在干旱、低温及盐的胁迫处理下,TIP4;1基因的表达上调,结果暗示着该基因可能参与了甘蓝型油菜种子萌发和逆境响应过程。随着研究的深入,水孔蛋白的水分调控机制将进一步被揭示,这对于解决干旱胁迫和盐胁迫等实际问题具有重大现实意义。     

油菜B-box型锌指蛋白基因BnSTO的克隆和表达

B-box型锌指蛋白参与植物多种生长发育和非生物逆境胁迫响应过程。笔者通过RT-PCR克隆得到甘蓝型油菜2个B-box型锌指蛋白基因Bn STO-1和Bn STO-2。Bn STO-1的ORF长度为723 bp,推测编码240个氨基酸,定位于A8染色体。Bn STO-2的ORF长度为726 bp,推测编码241个氨基酸,定位于C8染色体。2个基因均由3个外显子和2个内含子构成,在氨基酸水平上的相似性达到了96.68%。系统进化分析表明Bn STO与拟南芥At STO的亲缘关系较近,同源性较高。荧光实时定量PCR结果表明Bn STO在检测的各个组织中均有表达,其中叶和蕾中的表达量最高;高盐、干旱和高温能显著诱导Bn STO-1和Bn STO-2的表达,但出现峰值的时间不同,推测2个基因均可能参与了油菜的非生物逆境胁迫响应。     

甘蓝型油菜MAPK7基因家族及其启动子的克隆与表达分析

从甘蓝型油菜中克隆了MAPK7基因家族3个成员BnMAPK7-1、BnMAPK7-2和BnMAPK7-3的全长cDNA序列,它们最长标准mRNA分别为1593、1434和1547 bp。系统进化分析表明,甘蓝型油菜MAPK7基因全部来自白菜,而且BnMAPK7-1/-2的是由白菜Bra03723祖先基因加倍产生的,而BnMAPK7-3则由白菜中Bra037234的祖先基因进化形成的。同时,克隆获得BnMAPK7-1/-2的启动子序列,该启动子里含有多个与光诱导相关的元件、激素响应元件和逆境胁迫响应元件。实时荧光定量PCR (qRT-PCR)显示甘蓝型油菜MAPK7基因家族在所有的组织器官中均表达,并发现该基因家族的表达受植物激素(MeJA、ABA、SA)、信号分子(H₂O₂)、逆境(高温)以及伤害(损伤和核盘菌)的诱导,初步证明甘蓝型油菜MAPK7基因在植物逆境胁迫应答中起一定作用。实现了甘蓝型油菜MAPK7-1/-3基因的原核表达,并证明它们编码的蛋白主要以包涵体形式存在,为后续的研究提供了基础。     

甘蓝型油菜BnCOP9基因的克隆及其环境信号响应分析

植物COP9(Constitutively photomorphogenic 9)信号体(CSN)是一个多亚基复合体,而CSN8是这个复合体必不可少的亚基。为了克隆油菜CSN8基因并分析其在各种环境信号下的表达变化,以甘蓝型油菜中双9号为材料,采用同源克隆法克隆油菜CSN8(BnCOP9)cDNA。序列分析表明,BnCOP9编码的蛋白含有197个氨基酸残基,在其蛋白质中部含有1个PCI结构域,与Arabidopsis thaliana CSN8(AtCOP9)有92%的相似性。定量RT-PCR分析显示,Scle-rotinia sclerotiorum、伤处理以及甲基茉莉酸快速激活BnCOP9的表达,苯丙噻重氮抑制其表达,表明BnCOP9作为各种环境信号的响应基因在水杨酸和茉莉酸信号的交叉谈话中及油菜对S.sclerotiorum和机械伤害反应的网络中起作用,这些结果为研究BnCOP9在油菜抗逆中的作用提供线索。     

冷胁迫下甘蓝型冬油菜表达蛋白及BnGSTs基因家族的鉴定与分析

谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferases, GST)参与调节植物生长、发育和逆境胁迫反应的许多方面。本研究利用双向电泳和质谱技术分析‘16VHNTS309’在冷胁迫下差异表达的蛋白质,基于GO和KEGG分析鉴定出BE、APX、SOD、GST等参与冷胁迫反应的蛋白质。利用q RT-PCR和生理指标鉴定到响应冷胁迫的关键蛋白质GST,采用同源克隆法克隆到‘16VHNTS309’的GST基因。该基因CDS长度为642bp,编码213个氨基酸,是一个不稳定蛋白,属于GST＿N＿3谷胱甘肽S-转移酶家族,与甘蓝型油菜‘ZS11’序列相似性为99.22%,与‘ZS11’和‘Vision’两者的氨基酸序列相比较发现第127位亮氨酸(L)突变为脯氨酸(P)。基因家族分析表明,在甘蓝型油菜中共鉴定到153个Bn GSTs成员,按其功能主要分为Zeta、Phi、Theta、CHQ、DHAR、Lambda和Tau这七大类型,大部分的Bn GSTs属于Phi和Tau这2种类型。系统进化将Bn GSTs分为12个亚家族,亚家族Ⅰ和Ⅷ包含了较多的成员,Bn GSTs不均匀的分布在1...     

利用CRISPR/Cas9技术突变BnaMPK6基因降低甘蓝型油菜的耐盐性

甘蓝型油菜是我国一种重要的油料作物。MPK6是一种丝裂原活化蛋白激酶, MAPK级联途径可以被各种胁迫激活,进而调节植物对胁迫的响应,在植物响应非生物胁迫过程中发挥着重要的作用,但在甘蓝型油菜盐胁迫响应过程中的功能还尚不清楚。基因结构和蛋白序列分析表明,MAPK6在十字花科芸薹属植物种间分化相对保守,基因结构相似,蛋白之间均有相同的STKc＿TEY＿MAPK结构域,与胁迫和生长发育相关。为探究其功能,本研究利用CRISPR/Cas9技术对BnaMPK6基因进行编辑,通过农杆菌介导的方法将BnaMPK6基因转入到甘蓝型油菜中,获得了BnaMPK6基因4个同源拷贝同时突变的材料:cr-bnampk6-13-1和cr-bnampk6-49-1。cr-bnampk6突变体表现出明显的盐敏感性:在100 mmol L^–1和150 mmol L^–1浓度的NaCl溶液处理下,功能缺失突变体长势明显缓慢,并且株高和鲜重显著低于野生型植株,但根长无明显差异。此外,在盐胁迫下,功能缺失突变体体内的活性氧和丙二醛含量的积累显著高于野生型对照,脯氨酸含量也明显高于野...     

甘蓝型油菜GPAT9基因克隆与生物信息学分析

GPAT9基因是参与植物体中油脂代谢的重要基因之一,在甘蓝型油菜中该基因还未被深入研究。为了研究甘蓝型油菜中GPAT9基因,通过查找拟南芥At GPAT9基因(At5G60620),并以At GPAT9基因编号到Brassica Database数据库检索到白菜、甘蓝GPAT9基因序列,然后对拟南芥、白菜和甘蓝GPAT9序列进行比对。根据比对结果设计出一对引物,从甘蓝型油菜湘油15中克隆得到一条长度为1 131 bp大小的GPAT9 CDs序列,将其命名为Bn GPAT9。Bn GPAT9基因共编码376个氨基酸,相对分子量为43.25 k D,等电点为8.97,不稳定系数为46.46;Bn GPAT9编码的蛋白有三个跨膜结构域,没有信号肽;该蛋白的二级结构中α螺旋为38.03%,β折叠为21.28%,β转角为9.04%,无规则卷曲为31.65%。分析表明:无论核苷酸序列还是氨基酸序列聚类均显示Bn GPAT9与拟南芥、白菜和甘蓝GPAT9亲缘关系近;Bn GPAT9具有溶血磷脂酰基转移酶(LPLAT)的结构域LPCAT1-like和GPAT9特有的活性位点。从序列分析、理化性质分析、二级结构预测、亚细胞定位和功能结构域分析等都表明克隆到的基因为甘蓝型油菜Bn GPAT9基因,属于GPAT基因家族成员。     

甘蓝型油菜低温诱导的WRKY转录因子动态分析

为了解甘蓝型油菜WRKY转录因子在低温胁迫下的生物学功能,解析其在抗寒调控中的作用机制。本研究通过对低温胁迫下的甘蓝型油菜转录组数据进行生物信息学分析,鉴定出65个甘蓝型油菜低温诱导WRKY转录因子,经过序列比对、染色体定位和聚类分析,发现这些转录因子聚为3个大组7个亚组,有58个转录因子不同密度地定位在17条染色体上。在不同低温胁迫阶段,Ⅲ组响应低温胁迫最为迅速,Ⅰ组响应最为迟缓,Ⅱ组在各时间点响应数目保持稳定。定量PCR分析进一步验证了这些转录因子在低温诱导下的动态性和可靠性。其结果为进一步发掘抗寒基因,促进油菜抗寒育种提供了有效借鉴。     

甘蓝型油菜铵转运蛋白基因家族成员的鉴定与表达分析

了解异源四倍体甘蓝型油菜中AMT基因家族的功能,为进一步克隆和利用基因改良甘蓝型油菜的氮素利用效率和铵毒抗性提供一定的理论基础。利用生物信息学的方法鉴定出20个BnaAMTs基因,其中14个为AMT1亚家族成员,6个为AMT2亚家族成员,它们不均匀地分布在油菜的12条染色体上。进化与保守基序分析结果表明,BnaAMTs蛋白亚家族内的蛋白质序列保守性较高,但亚家族之间的差异较大。BnaAMTs基因在油菜不同组织中的表达谱显示,该基因家族表达具有组织特异性。利用转录组测序结果分析发现,根部在供应高浓度的铵态氮和硝态氮时,BnaA7.AMT1;3表达量最高;在硝态氮缺乏条件下,BnaA5.AMT1;1表达量最高;在上述几种处理下,BnaC6.AMT1;1都是地上部表达量最高的拷贝。在缺硼或缺磷条件下,油菜BnaAMTs基因整体呈现表达上升的趋势;但在盐胁迫条件下,表达量下降;镉胁迫对BnaAMTs基因的表达影响较小。这些基因可能在铵态氮与其他必需营养元素的互作、镉胁迫、盐胁迫等逆境响应中发挥一定的作用;并为进一步深入解析甘蓝型油菜AMT家族基因的分子功能奠定了基础。     

甘蓝型油菜GPDH基因克隆及其生物信息学分析

为了进一步研究甘蓝型油菜GPDH基因,通过从拟南芥GPDH基因与甘蓝型油菜的共线性分析发现:拟南芥GPDH基因(At2g41540)在甘蓝型油菜A基因组和C基因组中有4个拷贝,分别为:GSBRNA2T00132785001、GSBRNA2T00024258001、GSBRNA2T00058395001、GSBRNA2T00019118001。从Gen Bank分别下载了它们的DNA序列和c DNA序列,c DNA序列依次命名为GPDH1、GPDH2、GPDH3、GPDH4。根据序列信息设计了4对不同的引物,从甘蓝型油菜湘油15号c DNA全长序列中扩增出了4条片段,分别命名为Bn GPDH1、Bn GPDH2、Bn GPDH3、Bn GPDH4。利用生物信息学软件和在线系统进行核苷酸序列分析和蛋白进化分析。结果显示:4条片段大小依次为1 395,1 395,1 389,1 536 bp。其中,Bn GPDH4翻译成氨基酸时序列中间出现终止密码子,不能合成有效蛋白。3个Bn GPDH蛋白的氨基酸数目为464,464和462个,理论分子量为51.584 4~51.829 7 k Da,二级结构α螺旋和无规则卷曲所占比例在42%左右,其次是延伸链所占比例约为15%。三者的跨膜结构总体来说是相同的。3个蛋白都由保守结构Gps A、NADB_Rossmann superfamily和NAD_Gly3P_dh_C superfamily组成,属于GPDH超基因家族。同源建模分析表明3个蛋白均能适用甘油3磷酸脱氢酶(Glycerol-3-phosphate dehydrogenase,GPDH)模型。对其进行亚细胞定位预测在细胞质膜的概率为79.0%。从序列分析、核苷酸聚类、理化性质预测、二级、三级结构预测、亚细胞定位预测、氨基酸聚类分析得出结论,它们具有GPDH基因家族的特征,为甘蓝型油菜GPDH基因家族中的成员。     

分离和鉴定油菜D型MAP激酶基因BnMPK9

为了应对不良的外界环境,植物形成了一整套复杂的信号网络体系以适应变化的外界环境。其中MAPK级联是其中一个重要而保守的信号传导系统。采用RT-PCR策略,从干旱处理的油菜cDNA中克隆出全长的细胞分裂原激活的蛋白激酶基因。该基因命名为BnMPK9(GenBank登录号为AY737714),包含一个蛋白激酶区和一个保守的CD区。该基因与拟南芥AtMPK9高度同源,其激酶的磷酸化位点为TDY,同为D型MAPK亚家族基因。Southern杂交结果表明该基因在油菜基因组中拷贝数不少于2个。Northern杂交结果显示该基因能在不同的植物组织中表达。其表达受到甘露醇、紫外线和双氧水诱导上调表达,但低温和水杨酸处理后下调表达。实时RT-PCR分析表明甘露醇和双氧水能长时间诱导该基因高表达。在根中,甘露醇也能促进其上调表达。BnMPK9连接到pYES2.1酵母表达载体中转化酵母,发现增强了酵母对600 mmol L^–1甘露醇和0.2 mmol L^-1 tBuOOH的抗性。以上结果说明BnMPK9是MAPK基因家族中的一员,涉及真核生物细胞渗透和活性氧胁迫,并增强其抗性。     

受壳寡糖诱导的油菜MAPK基因的克隆与分析

利用油菜cDNA芯片差异显示得到一个可被壳寡糖诱导的, 与已知植物丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)同源性高达94%的cDNA片段, 利用cDNA末端快速扩增(RACE)的方法得到了该片段全长, 与拟南芥中AtMPK4具有高同源性, 故将其命名为BnMPK4登录到NCBI GenBank(DQ206628)。用生物信息学方法分析, 该基因属于植物MAPK的B家族, 具有植物MAPK典型的TXY保守区域, 在C端也含有一个在B家族中保守的CD区。利用半定量RT-PCR检测发现BnMPK4在叶片中表达且可被茉莉酸(JA)和壳寡糖诱导, 但对水杨酸(SA)和脱落酸(ABA)响应不明显。推测该基因在壳寡糖诱抗信号转导和JA/ET信号通路中起关键作用。     

油菜cDNA表达文库构建及核盘菌致病因子互作蛋白的筛选和鉴定

核盘菌 [Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) de Bary] 是引起油菜菌核病的病原真菌。核盘菌侵染植物细胞早期,可分泌一些细胞壁降解酶, 如不同类型的多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase, PG)。这些酶对病菌在植物组织上的定植起关键作用, 同时酶活性的高低也决定病原菌的毒性或致病性。PG可以激活细胞的防卫反应而与其酶活性无关。为了解PG的信号转导途径, 利用RT-PCR方法克隆了核盘菌的PG基因, 将PG的编码区与酵母GAL4的DNA结合功能区融合, 构建到酵母诱饵蛋白表达载体PGBKT7中; 然后在酵母中构建了油菜cDNA表达文库。通过酵母双杂交方法在油菜cDNA表达文库中对与PG互作的蛋白进行了筛选, 分离到一个与PG互作的蛋白, 测序及BLAST分析表明该蛋白含有一个与钙离子结合的结构域, 称为C2结构域(C2-domain), 推测该蛋白是一种钙依赖的膜结合蛋白。该蛋白与拟南芥中一个含C2结构域功能未知蛋白的氨基酸同源性高达80.24%。利用半定量PCR分析了核盘菌诱导后该基因在油菜花、茎、叶中的表达, 结果表明该基因在叶片中表达量最高。克隆到的C2蛋白与其他物种中的C2蛋白比较发现, 与钙离子结合的天冬氨酸残基很保守。     

BnMAPK1超量表达提高甘蓝型油菜菌核病抗性

植物MAPKs (mitogen-activated protein kinases)在多种生物和非生物胁迫中起重要作用。课题组前期克隆了甘蓝型油菜BnMAPK1基因,并获得BnMAPK1超量表达植株。本文以甘蓝型油菜中油821DH系为对照,以超量表达BnMAPK1的转基因油菜为试材,采用离体叶片接种的方法,测定染病叶片病斑的大小及病斑周围叶片的草酸含量,并用qRT-PCR检测转基因植株4个病程相关蛋白(OXO、Cu/ZnSOD、PR2、PR3)编码基因在核盘菌胁迫下的相对表达动态变化。结果表明,甘蓝型油菜BnMAPK1超量表达可显著抑制核盘菌对离体叶片的侵染,控制染病叶片内草酸毒素的积累,可能可以解除核盘菌对OXO表达的负调控,使另外3个病程相关蛋白基因(Cu/ZnSOD、PR2、PR3)表达上调。表明BnMAPK1超量表达可有效提高油菜菌核病抗性。     

Occasional loss of expression of phosphinothricin tolerance in sexual offspring of transgenic oilseed rape (Brassica napus L.)

The commercial and economic value of genetically modified crops is determined by a predictable, consistent and stable transmission and expression of the transgenes in successive generations. No gene inactivation is expected after selfings or crosses with non-transformed plants of homozygous transgenic oilseed rape plants if the expression of the transgene in homozygous or hemizygous nature in such plants is stable. The segregation ratios of phosphinothricin (PPT) tolerance in successive generations of selfings and mutual crosses of a few independent transgenic PPT-tolerant oilseed rape plants indicated a dominant, monogenic inheritance. In within-variety and between-variety crosses no transgene inactivation was observed. However, after selfings and backcrosses with non-transgenic oilseed rape infrequent loss of the expression of the PPT tolerance transgene was observed independent from its homozygous or hemizygous nature. Molecular analysis of PPT-susceptible plants showed that the loss of expression was due to gene inactivation and not to the absence of the transgene. Methylation and co-suppression are mechanisms that might cause reduced or even loss of expression of the transgene in later generations. The implications of this observation for seed multiplication of varieties and breeding activities with transgenic oilseed rape are discussed. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

玉米抗禾谷镰刀菌的转录组分析

赤霉菌茎腐病是由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum,有性态,Gibberella zeae)引起的一类土传性病害,严重危害玉米的产量和品质。本研究依据玉米第10和第1染色体上的2个抗茎腐病QTL,qRfg1和qRfg2,培育近等基因系NIL-R (2个QTL位点均为抗病等位基因)和NIL-S (2个QTL均为感病等位基因)。在成株期和幼苗期接种禾谷镰刀菌,两近等基因系的抗性差异均显著。用2个近等基因系的幼根接种禾谷镰刀菌,进行转录组分析研究。结果表明,与NIL-S相比,NIL-R在接种禾谷镰刀菌后,乙烯(ethylene,ET)合成、信号途径基因,病程相关蛋白、脱氧雪腐镰刀菌烯醇毒素(deoxynivalenol,DON)解毒基因等呈现特异上调表达。与NIL-S相比,有1170个基因在NIL-R对照组中表达量较高,其中水杨酸(salicylic acid,SA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和乙烯合成和信号介导途径以及苯丙烷合成途径中的基因显著富集;接种禾谷镰刀菌6 h或18 h后,病程相关蛋白、激素JA和ET合成基因、DON解毒基因在NIL-R中表达量较高。     

冬油菜苗期化学除草效果和经济效益研究

为筛选出经济、高效、安全的化学除草方法,有效控制油菜田间杂草危害,提高油菜产量和种植效益,通过试验,研究了2种化学除草剂不同使用浓度的安全性和苗期化学除草效果,并以人工除草和不除草方法为对照,对比分析不同除草方法的投入和产出情况。结果表明：不同除草方法间油菜产量差异显著;化学除草方法对油菜田间杂草有较好的防除效果,并可显著降低油菜生产的劳动力和生产成本投入,进而提高经济效益;不同化学除草方法均于施药35天后表现出较好的除草效果;每公顷用21.2%喹·胺·草除灵悬浮剂900 mL于油菜4—5叶期、杂草3—4叶期兑水900 kg及时喷施的方法除草效果好,对油菜生长安全,可以作为冬油菜田的苗期化学除草方法在生产上应用。     

湖南主要大田作物系统投入产出的能值分析

比较不同作物系统的投入产出,是优化作物生产结构和设计农田可持续经营政策的重要前提。采用能值分析法,对湖南油菜、棉花、烤烟和水稻系统的投入产出情况进行分析,并比较各系统的能值评价指标。研究发现,整体上这4种作物系统的投入对自然资源依赖程度较低,主要依靠市场投入,具体表现为机械与燃料能值投入增加,农用化学品投入占比基本不变,人力投入与有机肥投入减少。尽管4种作物系统的环境负载率均小于3,但都呈上升趋势。这4种作物系统的能值可持续发展指数顺序为油菜>棉花>水稻>烤烟。本研究表明,传统利润率严重低估油菜、棉花和水稻系统对环境的贡献。鉴于油菜系统对环境压力较小,在注意控制其环境负载率的前提下,可适当扩大其种植规模。     

防御信号途径在B型烟粉虱取食烟草诱导抗蚜防御中的作用

B型烟粉虱取食能够诱导烟草产生对烟蚜的抗性反应,为了明确水杨酸和茉莉酸防御信号途径与烟粉虱诱导抗蚜防御之间的关系,采用生化分析、实时定量PCR、蚜虫生物活性测定等方法比较了烟粉虱若虫取食对烟草水杨酸、茉莉酸含量、通路下游防御基因表达水平的影响及外源水杨酸、茉莉酸对烟蚜生长发育的影响。结果显示：烟粉虱侵染能够显著激活水杨酸防御途径,在取食15天后,水杨酸水平较对照升高1.40倍,水杨酸下游防御基因PR-1a及PR-2a分别较对照升高3.22和0.74倍;然而烟粉虱侵染后烟草叶片茉莉酸含量与对照相比无显著变化,JA下游防御基因PI-II和TPI的转录水平分别较对照降低73.91%和56.73%。生测结果显示,外源施用水杨酸对烟蚜的存活率和相对平均生长率具有显著不利影响。烟草叶片施用1 mmol/L水杨酸后,蚜虫的存活率及相对生长率分别较对照降低43.2%和11.54%;然而喷施茉莉酸甲酯对蚜虫的生长发育无不利影响。上述结果表明,水杨酸介导的防御应答在B型烟粉虱取食诱导烟草的抗蚜防御中起重要作用。