不同抗倒性甜荞茎秆木质素合成关键酶基因的表达分析

【目的】测定不同抗倒伏能力甜荞品种在不同时期的茎秆木质素含量及其相关合成酶基因表达量,探讨甜荞茎秆木质素合成积累的关键时期及其关键酶基因,为甜荞抗倒伏育种提供理论依据。【方法】用简并引物扩增得到基因CAD、CCR、F5H、COMT和CCOAOMT的部分CDS序列,在NCBI数据库中进行比对分析;用紫外分光光度法测定4个不同抗倒性甜荞品种在分枝期、盛花期和乳熟期茎秆基部第2节间木质素含量;用荧光定量PCR（qRT-PCR）方法分析木质素合成途径中9个相关基因PAL、4CL、C4H、C3H、CAD、CCR、F5H、COMT和CCOAOMT的表达,用2^-△△CT法计算其相对表达量。用Microsoft Excel 2003整理数据和作图,用SPSS 19软件进行方差分析和相关性分析。【结果】扩增得到CAD、CCR、F5H、COMT和CCOAOMT的CDS序列可用于设计后续荧光定量引物。甜荞茎秆木质素含量从分枝期到乳熟期逐渐增加,不同抗倒性品种间,高抗倒伏品种木质素含量在各个时期均显著高于易倒伏品种。基因PAL、4CL、C4H和CCR表达量在品种间和时期间均差异显著或极显著,CCOAOMT在品种间不显著,时期间显著,F5H在品种间差异显著,时期间不显著,C3H、CAD和COMT在品种和时期间差异均不显著。从分枝期到乳熟期,各品种的PAL、4CL、C4H、CAD、CCOAOMT、F5H和CCR表达量均先增后减,在盛花期达最大值,高抗倒伏品种表达量显著高于易倒伏品种;从分枝期到盛花期COMT表达量逐渐下降,易倒伏品种表达量显著高于高抗倒伏品种,乳熟期高抗倒伏品种显著高于易倒伏品种;从分枝期到乳熟期C3H表达量无明显变化规律。木质素含量与PAL、4CL、C4H、CCOAOMT、CAD和CCR基因表达量呈显著正相关,与C3H呈负相关,与COMT在分枝期和盛花期呈负相关,乳熟期呈正相关,与F5H呈正相关。【结论】木质素含量与甜荞茎秆倒伏密切相关,抗倒伏能力强的甜荞品种其茎秆木质素含量高;盛花期是甜荞茎秆木质素合成积累的关键时期;PAL、4CL、C4H、CAD、CCOAOMT和CCR是甜荞茎秆木质素合成的关键酶基因。     

抗倒伏甘蓝型油菜(Brassica napus L.)根和茎解剖学结构分析

对甘蓝型油菜(Brassica napus L.)6个抗倒伏材料和5个易倒伏材料的苗期和苔期的根部和茎部采用石蜡切片的方法切出6 μm厚的薄片,用番红-固绿双重染色,借助Olympus显微镜观察不同材料茎的表皮、皮层、厚角组织、维管束和髓的结构,以及根的木质部、导管等,并对茎和根的结构特点进行了比较.结果表明:①在苗期的茎中,与易倒伏材料相比,抗倒伏材料有较多的厚角组织;抗倒伏材料维管束的面积占茎基部横切面面积之比比易倒伏材料平均高13.1个百分点;抗倒伏材料和易倒伏材料间维管束的个数差异不大,但抗倒伏材料的维管束排列相对比较紧密.②在苔期的茎中,抗倒伏材料的厚角组织和厚壁组织比易倒伏材料发达;虽然两者间维管束的个数和面积无明显差异,但抗倒伏材料维管束排列紧密.③在苗期的根部,抗倒伏材料和易倒伏材料木质部的面积占根部横切面面积之比差异不显著;但抗倒伏材料导管数目比易倒伏材料平均多74.7个,易倒伏材料中较大导管的数目多于抗倒伏材料.④在苔期的根部,抗倒伏材料木质部占根横切面面积的之比比易倒伏材料高8.33个百分点,抗倒伏材料单位面积导管的数目多于易倒伏材料.因此,较多的厚角组织和厚壁组织、较多的导管数和排列紧密的维管束是甘蓝型油菜抗倒伏材料苗期和苔期重要的解剖学特点.     

木质素生物合成及其基因调控研究综述

木质素是木材中仅次于纤维素的主要成分，占木材干重15％-36％，对造纸业有很重要的影响。通过探索其生物合成途径，针对合成过程中的不同酶系：PAL、C4H、4CL、CCR、CAD、COMT等，采用基因工程的反义技术构建调控基因进行转化，可以达到降低木质素含量、改变其化学结构和组织的目的。综述了用于木质素基因工程、合成酶基因的克隆和表达研究现状，并指出了功能基因组和基因芯片技术在木质素合成途径研究中的应用前景。     

荷花R2R3-MYB转录因子NnMYB4对拟南芥木质素合成的影响

[目的]本文旨在研究荷花R2R3-MYB转录因子NnMYB4的功能,探讨其在木质素合成过程中的作用。[方法]利用RT-PCR技术从荷花品种‘黑龙江红莲’中克隆得到1个MYB转录因子基因c DNA全长开放阅读框(ORF),命名为NnMYB4。采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)法分析NnMYB4在荷花不同组织中的表达情况。构建p MDC43-NnMYB4过表达载体转化拟南芥,采用乙酰溴法测定转基因植株的木质素含量,通过qRT-PCR技术对木质素合成关键酶基因的表达进行分析。[结果]NnMYB4基因ORF全长726 bp,编码241个氨基酸,属于R2R3-MYB转录因子G4亚组,与拟南芥At MYB4亲缘关系较近。组织定量结果表明,NnMYB4基因在荷花根、茎、叶柄、叶中均有表达,且在幼叶中表达量相对最高,在剑叶中最低。与野生型拟南芥相比,转NnMYB4拟南芥植株花序茎变矮,花期延迟,茎木质部染色面积较小、染色程度变浅,木质素含量显著降低。过表达NnMYB4分析结果显示,转基因拟南芥At C3H、At4CL1、At F5H、At COMT1等木质素合成关键酶基因的表达量显著下调。[结论]荷花NnMYB4可能是木质素合成途径中的一个负调控因子,对植物木质素合成具有负调控作用。     

不同抗倒伏能力甜荞品种茎秆木质素及其单体合成特征

【目的】研究不同抗倒伏能力甜荞品种在不同生育时期茎秆木质素、总木质素单体及G型、S型和H型木质素单体含量的变化,探讨甜荞茎秆木质素及其单体合成特征。【方法】选用酉荞2号(高抗倒伏、YQ2)、信农1号(中抗倒伏、XN1)和乌克兰大粒荞(易倒伏、UD)为试验材料,试验采用随机区组设计,3次重复。分别于分枝期、盛花期和乳熟期测定其茎秆抗折力、倒伏指数、木质素含量(溴乙酰法)、总木质素单体及S型、G型和H型木质素单体含量(GC-MS法)。【结果】相同生育时期,与XN1和UD相比,YQ2茎秆抗折力大、倒伏指数小;分枝期到乳熟期,茎秆抗折力先增大后减小,在盛花期达到最大值;倒伏指数的变化存在品种差异,分枝期到乳熟期,YQ2和UD倒伏指数先增大后减小,盛花期达到最大值,XN1倒伏指数逐渐增加,乳熟期达到最大值。茎秆木质素和木质素单体含量从分枝期到乳熟期逐渐增加,YQ2木质素和木质素单体含量高于XN1和UD;在相同生育时期,S型木质素单体含量均最高,G型木质素单体次之,H型木质素单体含量均最低;分枝期到乳熟期,S和G型木质素单体含量逐渐增加,H型木质素单体逐渐降低。随着生育时期,S/G(S型木质素单体含量/G型木质素单体含量)的比率逐渐降低,G型木质素单体占总木质素单体的比例逐渐升高。【结论】甜荞茎秆木质素单体主要为S-G型。高抗倒伏品种木质素及其单体的合成特征表现为:各生育时期木质素、总木质素单体、G型、S型和H型木质素单体含量高于中抗倒伏和易倒伏品种;分枝期大量积累S型木质素单体,分枝期到乳熟期主要积累G型木质素单体。     

不同春季追氮模式对小麦茎秆抗倒性能及木质素积累的影响

【目的】 探讨春季不同追氮模式对小麦各节间茎秆抗倒伏能力、木质素积累及籽粒产量的影响,明确高施氮量条件下适宜的春季追氮模式,为小麦高产稳产抗逆应变栽培提供技术支撑。【方法】 于2017—2018和2018—2019年2个小麦生长季,以倒伏敏感型品种山农16和抗倒伏品种济麦22为供试材料,在高施氮量300 kg·hm^-2基施1/3条件下设置4种春季追肥模式,分别为等量二次性追氮和剩余一次性追氮,即起身期﹕孕穗期1/3﹕1/3（T1）,拔节期﹕开花期1/3﹕1/3（T2）,孕穗期一次性追施剩余2/3氮（T3）和拔节期一次性追施剩余2/3氮（CK）。深入研究春季不同追氮模式对冬小麦植株茎秆抗折力、木质素积累、木质素合成关键酶基因的表达丰度及籽粒产量的调控效应。【结果】 抗倒伏品种济麦22的各节间茎秆抗折力、木质素积累量以及单体含量均高于倒伏敏感型品种山农16,2种类型品种开花期T1、CK处理的抗折力高于T2和T3处理,木质素积累量、单体的含量表现为T1>T3>CK>T2,灌浆期和成熟期各处理间抗折力、木质素积累量以及单体的含量表现为T1>T3>T2>CK。灌浆期山农16和济麦22在T1处理下抗折力较CK、T2、T3处理分别增加24.69%、19.97%、13.15%和26.92%、15.36%、5.87%;山农16和济麦22在T1处理下的各生育阶段木质素积累量平均值分别较CK、T2、T3处理提高了21.71%、15.45%、8.85%和25.19%、21.75%、15.83%;成熟期2个品种T1处理的木质素S型单体含量平均值分别较CK、T2、T3处理高18.82%、18.48%、8.39%。不同追氮模式处理的木质素合成相关酶基因（苯丙氨酸解氨酶:PAL、咖啡酸3氧甲基转移酶:COMT、香豆酸-3-羟基氧化酶:C3H、肉桂酰辅酶 A 还原酶:CCR、肉桂酸4羟化酶:C4H等）表达均随生育进程呈下降趋势,其表达量高低依次为T1>T3>T2>CK。孕穗期追氮处理模式的千粒重高于其他处理,因T1处理可提高穗粒数以及群体有效穗数,其最终籽粒产量较高。同一时期相同处理各节间茎秆木质素积累量、单体含量均呈现为I1>I2>I3>I4>I5的趋势。【结论】 高施氮量300 kg·hm^-2基施1/3条件下起身与孕穗期等量二次性追氮模式较其他春季追氮模式处理显著提高了小麦开花后茎秆各节间抗折能力、木质素积累量、木质素合成途径相关酶基因的表达以及籽粒产量。因此,起身与孕穗期等量二次性追氮模式可作为黄淮海麦区高施氮量300 kg·hm^-2基施1/3条件下的春季适宜追氮模式。     

氮肥和多效唑对小麦茎秆木质素合成的影响及其与抗倒伏性的关系

 【目的】明确氮肥和多效唑对小麦茎秆木质素含量的影响,探讨氮肥和多效唑调节茎秆抗倒伏能力的机制。【方法】以小麦品种烟农21和藁城8901为材料,通过田间试验和室内分析,研究氮肥和多效唑对小麦不同时期茎秆抗折力、抗倒伏指数、木质素含量的影响以及木质素合成相关酶的活性变化。【结果】同品种条件下,与低施氮（225 kg•hm-2）处理相比,高施氮（300 kg•hm-2）处理降低了茎秆苯丙氨酸转氨酶（PAL）、酪氨酸解氨酶（TAL）、肉桂醇脱氢酶（CAD）和4-香豆酸:CoA连接酶（4CL）的活性,茎秆木质素含量、抗折力和抗倒伏指数降低。而喷施多效唑显著提高茎秆PAL、TAL和CAD的活性,木质素含量、茎秆抗折力和抗倒伏指数提高,倒伏面积和倒伏程度降低。相关分析表明,茎秆抗倒伏指数与木质素含量呈显著正相关（r=0.61,P＜0.05）;木质素含量与PAL、TAL和CAD酶活性呈显著正相关,与4CL酶活性相关不显著。【结论】高施氮量处理降低了茎秆木质素合成相关酶的活性和木质素含量,茎秆抗倒伏能力降低。而施用多效唑显著提高茎秆木质素合成相关酶的活性和木质素含量,进而增强了茎秆抗倒伏能力。     

反义4CL1基因转化烟草调控木质素生物合成

将控制木质素生物合成的关键限速酶 (香豆酸CoA连接酶 ,4CL)基因 4CL1反向插入植物表达载体pBI12 1构建表达载体 ,通过农杆菌叶盘法介导转化烟草 ,获得一批转基因抗性植株 .经PCR检测 ,证明 4CL1基因已成功反义转入到烟草植株中 .通过对转基因植株和对照植株的纤维素和木质素含量的对比分析 ,发现反义 4CL1基因转化植株的纤维素含量比对照提高了 11 4 % ,而木质素含量比对照降低了 19 1% .     

GRP1.8-反义pt4CL1基因对巨尾桉 木质素含量的影响

桉树是桃金娘科桉树属(Eucalyptus）植物的统称,是制浆造纸的主要原料之一,但是桉树中含有大量木 质素,木质素的存在会严重影响纸浆的质量。4-香豆酸颐辅酶A 连接酶(4CL）是木质素单体生物合成的关键酶之一, 抑制4CL 基因的表达,可以有效降低植物中木质素的含量。通过根癌农杆菌介导的叶盘转化法,将形成层定位启动 子GRP1.8 融合的杨树反义4-香豆酸:辅酶A 连接酶基因导入巨尾桉,经卡那霉素筛选和PCR 鉴定,获得9 株转基 因阳性植株。通过4CL 酶活性测定和木质素、纤维素含量的分析,发现转基因组培苗的4CL 酶活性比对照植株下降 了44%,温室转基因幼苗中硫酸木质素含量下降了16%。     

毛白杨阿魏酸-5-羟基化酶对烟草木质素的影响

为了研究阿魏酸-5-羟基化酶(F5H)在木质素合成途径中的调控作用,采用CTAB法提取毛白杨RNA,反转录得到cDNA并克隆出毛白杨F5H基因,将其以正义、反义、干涉的基因形式,使用农杆菌侵染法导入烟草基因组中.将得到的转基因植株茎段进行解剖分析,并测定其木质素细胞壁化学组成.转基因植株的木质素、纤维素总量和木质部解剖分析结果与野生型相比均为未表现出明显差异,植株正常生长.F5H的过量表达和基因沉默均不影响植株木质化和生长,可以说明它是木质素合成途径可供选择的一个很好的调控点.