偃麦草ErABF1基因克隆及功能分析

抗逆相关bZIP (Basic leucine zipper) 转录因子家族基因主要参与ABA、干旱、高盐等胁迫应答反应,其过表达能够显著增强植物的抗逆性。本研究从偃麦草（Elytrigria repens L.）中分离到一个抗逆相关 ErABF1（E. repens ABA Binding Factor 1）基因,氨基酸序列比对分析发现,该基因与小麦、玉米、拟南芥等bZIP转录因子基因同源性较高,亲缘关系较近;ErABF1基因的表达受到ABA、干旱、高盐、低温的强烈诱导;在2% PEG、200 mmol·L^-1 NaCl胁迫培养基上初步功能分析表明, ErABF1过表达提高了转基因烟草对干旱、高盐的胁迫耐性。     

过量表达拟南芥GPX3基因提高玉米苗期抗旱性研究

通过农杆菌介导法将拟南芥抗旱基因AtGPX3导入玉米自交系郑58中,用PCR和RT-PCR法对转化玉米进行检测,在水分胁迫下对T₁代转基因玉米和非转基因玉米进行抗旱性分析。结果表明,共得到56株转化苗,检测获得9个株系的30株T₀代转基因阳性植株,抗性植株阳性率为53.6%。RT-PCR检测表明,T₁代有6个株系为稳定遗传阳性株系,并且AtGPX3基因在转基因玉米中表达量大幅度提高。耐旱性分析表明,非胁迫条件下,非转基因和转基因株系中游离脯氨酸（Pro）和丙二醛（MDA）的含量基本无显著差异。在干旱胁迫条件下,转基因玉米叶片的Pro含量高于非转基因玉米,比非转基因株系提高了46.2%;MDA含量低于非转基因玉米,比非转基因玉米下降了34%。通过导入AtGPX3基因,可以提高玉米苗期的耐旱性。     

寒地冬小麦TaEXPB12同源基因在拟南芥中的遗传转化及功能分析

扩展蛋白（Expansin）是一类具有非水解活性的细胞壁松弛蛋白,参与调控植物的生长发育和胁迫抗性。为探究寒地冬小麦扩展蛋白基因TaEXPB12-A/B/D的功能,本研究将克隆自高抗寒冬小麦品种东农冬麦2号的TaEXPB12-A/B/D三个基因转化到拟南芥中,利用抗性筛选、PCR和Western-blot鉴定,分别获得了过表达TaEXPB12-A/B/D三个基因的转基因拟南芥植株。进一步对转基因拟南芥的生长情况进行观察,并测定低温胁迫下转基因拟南芥的存活率、体内抗氧化酶活性以及丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、可溶性糖的含量。结果显示,过表达TaEXPB12-A/B/D三个基因可促进拟南芥根的伸长以及根毛和侧根的生长,且转基因拟南芥的叶宽、叶片数目、株高均显著高于野生型;低温处理后转基因拟南芥体内超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）的活性以及可溶性糖、Pro的含量均维持在较高水平,且MDA的含量较低。以上结果表明,TaEXPB12-A/B/D三个基因的过表达显著促进了转基因拟南芥的生长,并提高了转基因植株在低温胁迫下的存活率。     

小麦TaKLU基因调控植物株型的研究

为了解小麦TaKLU基因对植物株型的影响,对拟南芥功能缺失突变体klu和过表达TaKLU转基因拟南芥进行了表型观察,并对相关性状进行了统计。结果表明,过表达TaKLU基因导致拟南芥分枝数目减少,顶端优势增强,但不影响产量;相反,拟南芥klu突变体分枝数目增加,顶端优势减弱,单株产量减少。进一步对拟南芥klu突变体进行回补试验,发现用拟南芥klu基因自身启动子驱动TaKLU基因在拟南芥klu突变体中表达后,能恢复突变体的顶端优势,而且其株高、分枝数目与野生型没有明显差异;用强启动子35S和特异启动子pINO驱动TaKLU基因在拟南芥klu突变体中表达后,突变体的顶端优势增强,株高升高,而且其分枝数目明显多于野生型,表明小麦TaKLU基因具有调控植株株型的功能,为小麦株型育种提供了新的研究思路。     

小麦 TaGF14m基因的克隆及其盐胁迫响应分析

14-3-3蛋白家族在真核生物中广泛存在且高度保守,可结合多种靶蛋白参与植物代谢、发育以及胁迫响应等多种生理过程和信号途径。 TaGF14m基因是14-3-3基因家族成员之一。本研究以中国春为材料,对其进行了克隆和分析,并通过在拟南芥中过表达,分析该基因在盐胁迫下的功能。结果表明, TaGF14m基因含有5个外显子和4个内含子,开放阅读框为789 bp,编码262个氨基酸;小麦幼苗叶片中 TaGF14m基因在盐胁迫下上调表达;与野生型拟南芥相比,过表达 TaGF14m的转基因拟南芥在盐胁迫下生长受到明显抑制,根长也显著变短;SOS途径相关基因表达分析显示, TaGF14m基因可能通过SOS途径负调控盐胁迫耐受性。     

盐生草HgNHX1基因在大麦株系中的功能验证

为了探讨盐和干旱环境胁迫对转盐生草液泡膜型Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因HgNHX1大麦幼苗生长及抗逆性生理指标的影响,以转HgNHX1基因大麦及野生型株系为材料,分析盐(150 mmol· L^-1 NaCl)和自然干旱环境下转基因大麦幼苗的生长特性及生理指标的变化。结果表明,在盐胁迫条件下,随着胁迫时间的延长,转基因株系中HgNHX1 基因相对表达量逐渐上升;干旱胁迫条件下,转基因株系中HgNHX1 基因相对表达量呈先上升后下降的趋势,在处理3 d时达到最高。且在胁迫处理的三个不同时间点,转基因株系的相对含水量和游离脯胺酸含量均高于野生型株系,而相对电导率和丙二醛含量均低于野生型株系。这些结果说明,转基因株系中HgNHX1基因能够应答盐和干旱胁迫,具有提高大麦耐盐、抗旱性的功能。     

TaHIPP32与 TaHAK1表达及小麦缺钾胁迫耐性的关系

钾是植物生长发育必需的三大营养元素之一。高亲和性钾转运蛋白（HAK）能加强植物在缺钾胁迫时钾的吸收和转运。本课题组前期研究发现,小麦 TaHAK1基因在缺钾胁迫条件下显著上调表达,并筛选得到可能调控 TaHAK1基因表达的上游转录因子基因 TaHIPP32,但这两个基因在缺钾胁迫中的作用机制尚不清楚。本研究首先对 TaHIPP32基因进行了系统发育和亚细胞定位分析,然后利用双荧光素酶验证 TaHIPP32和 TaHAK1基因的互作,并以河南省大面积推广的小麦品种百农207为试验材料,利用大麦条纹花叶病毒诱导基因沉默（BSMV-VIGS）技术分析缺钾胁迫处理下 TaHIPP32基因沉默对小麦植株的影响。系统发育和亚细胞定位分析表明, TaHIPP32基因与水稻 OsHIPP33基因的亲缘关系最近,且其编码的蛋白定位于细胞膜上。双荧光素酶试验表明,TaHIPP32蛋白能够与 TaHAK1基因启动子互作。通过BSMV-VIGS技术瞬时沉默 TaHIPP32基因,发现该基因沉默后,小麦植株对缺钾胁迫更为敏感,植株生长受到抑制,干重显著降低,丙二醛(MDA)含量显著提高;缺钾胁迫处理下,沉默 TaHIPP32基因的植株中, TaHAK1和 TaHIPP32基因的表达均被抑制,且植株体内钾元素从地下部到地上部的转移系数显著降低,说明 TaHIPP32基因通过调节 TaHAK1基因的表达来影响植株体内钾元素的转运。     

小麦乙烯响应转录因子基因 wfzp突变体颖果发育的研究

小麦WFZP基因编码的乙烯响应因子是植物中特有的转录因子，参与果实成熟、花叶器官衰老、脱落和种子发育等过程。为探明 wfzp基因突变对小麦颖果发育的影响，以甲基磺酸乙酯诱变的两个 wfzp基因突变体（ wfzp1和 wfzp2）和野生型小麦品种济麦22为材料，运用树脂超薄切片和显微观察技术观察小麦WFZP基因突变体颖果的形态结构发育特征。结果显示， wfzp突变体颖果发育有如下特征：（1）在颖果发育早期，两个突变体的外果皮发育进程较快，中果皮降解时间提前； wfzp1内果皮管细胞消失较快，与 wfzp1突变体相比， wfzp2突变体的管细胞发育缓慢；（2）两个突变体胚乳细胞的分化和发育明显较快，细胞中淀粉和蛋白体的积累量明显增多，细胞的充实度高，尤其在 wfzp2突变体中表现较为明显；（3）两个突变体胚乳传递细胞与糊粉层传递细胞的生长分化进程加快。研究结果为进一步探究乙烯响应转录因子调控小麦颖果发育提供了形态学参考。     

小麦TaWRKY2基因组分析及在进化和育种材料中的检测

小麦WRKY转录因子在抗旱抗逆等方面有重要作用。为小麦抗旱抗逆分子模块组装育种提供参考,本研究在已有小麦TaWRKY2基因cDNA序列（GenBank登录号：EU665425）的基础上,从小麦品种晋麦79号中克隆获得TaWRKY2基因全长序列,并对TaWRKY2的基因结构、基因组信息进行研究,同时检测其在部分小麦亲缘种、黄淮麦区水旱地代表品种、本课题组选育的高代品系及部分水旱地杂交组合F₁代中的分布。结果表明,克隆所得到的TaWRKY2基因全长DNA序列包含4个外显子和3个内含子,其中,3个内含子长度变化范围为111~172 bp;外显子和内含子的交接处序列符合GT-AG原则;与乌拉尔图小麦（Triticum urartu,AA）和粗山羊草（Aegilops tauschii,DD）中的片段序列同源性分别为93%和99%,与中国春小麦（AABBDD）1AS、1BS和1DS染色体的片段序列同源性分别为93%、88%和99%。除野生一粒小麦外,在小麦进化祖先种、黄淮海水旱地推广的代表品种、课题组选育的高代品系及F₁代共78份材料中,都能够检测出该基因的普遍存在,说明该基因可应用于小麦抗旱抗逆分子设计育种中。     

转基因小麦1Dx5基因沉默的遗传表达和品质效应分析

为了明确通过RNA干扰技术（RNAi）获得的转基因小麦品系“Glu1Dx5RNAi”中1Dx5基因的遗传规律,以“Glu1Dx5RNAi”为供体亲本,以弱筋品种扬麦18和扬麦13为轮回亲本进行回交, 采用半籽粒SDSPAGE法检测亲本、F₁、F₂和BC₁F₁籽粒的高分子量谷蛋白亚基（HMWGS）组成。结果表明,1Dx5基因的沉默效应在杂交后代中表现为显性遗传,在F₂和BC₁F₁世代1Dx5亚基不表达的种子数与1Dx5亚基表达的种子数的比例分别符合13∶3和3∶1的分离比例,说明转小RNA基因导致1Dx5基因沉默是单基因显性遗传。对转基因小麦“Glu1Dx5RNAi”及其受体品种Bobwhite进行品质测试表明,Glu1Dx5RNAi蛋白质含量（13.28%）比转化受体Bobwhite（12.83%）高0.45个百分点,硬度指数、微量SDS沉降值比受体品种分别降低3.13和3.7 mL。1Dx5基因沉默对弱筋小麦育种可能会有一定的利用价值。     

转RD29A:DREB1A融合基因小麦的获得及其抗旱性研究

为了提高小麦的抗旱能力，通过转基因将拟南芥 RD29A:DREB1A转入到小麦品种陇春30中，成功获得三个单拷贝本底DREB1A蛋白低表达水平的纯合转基因家系，并在干旱胁迫下测定了其生理指标及产量相关农艺性状。结果表明，与陇春30相比，转基因小麦的脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、CAT和POD活性都显著提高，H₂O₂含量、MDA含量和相对导电率均显著降低，株高、穗长、穗粒数、千粒重、地上生物量显著增加，说明 RD29A:DREB1A外源基因的导入能够显著增强陇春30的抗旱性。     

冬小麦miR398前体的克隆及其在低温条件下对靶基因CSD1表达的调控

miR398是受逆境胁迫负调控的miRNA,其靶基因CSD编码超氧化物歧化酶(SOD),使植物抵御活性氧(ROS)的毒害。为进一步了解低温胁迫下miR398的调控机制,从东农冬麦1号中克隆小麦miR398前体,构建过表达载体并转化拟南芥,用Real-time PCR检测T0代植株中小麦miR398及其靶基因CSD1在低温胁迫下的表达量。结果表明,随着低温胁迫时间的延长,miR398表达下调、CSD1基因表达上调,认为小麦miR398能响应低温胁迫、负调控CSD1基因表达,间接提高了拟南芥的抗寒性。     

燕麦AsRBP1基因克隆及表达特性分析

为了给AsRBP1基因在小麦抗逆转基因分子育种中的应用奠定理论基础,采用同源克隆方法从燕麦中克隆、获得AsRBP1基因,其cDNA序列全长447 bp,编码148个氨基酸.AsRBP1在氨基端具有典型的RNA识别基序(RNA-Recognition Motif,RRM),在羧基端富含甘氨酸,其含量达35.8％.系统进化树分析表明,AsRBP1与拟南芥AtGR-RBP7亲缘关系很近.实时荧光定量聚合酶链式反应(Real-time PolymeraseChain Reaction,RT-PCR)分析该基因的表达特性表明,AsRBP1明显受到外源脱落酸(Abscisic acid,ABA)与低温的诱导,同时对干旱和高盐胁迫也做出响应.由此,推测该基因属于GR-RBPs基因家族成员,可能参与逆境胁迫应答,在增强植物的抗逆性中发挥着重要的作用,可以为小麦抗逆分子育种提供优良候选抗逆基因资源.     

转ABP9基因冬小麦的抗旱性评价

为了解转ABP9基因冬小麦材料的抗旱性,在雨养和灌溉条件下,对32份转ABP9冬小麦株系及其受体亲本石4185的主要农艺性状和抽穗期部分生理指标进行了测定,并采用隶属函数值法和抗旱性度量(D)值法对其抗旱性进行了综合评价,利用灰色关联度法对相关抗旱性状与抗旱指数之间的关联度进行了分析。结果表明,采用隶属函数值法和D值法评价时,分别有6和10份转基因小麦材料的抗旱性较受体亲本石4185增强。各农艺性状和生理指标依照与抗旱指数的关联度从高到低依次为单穗粒重、结实小穗数、千粒重、穗粒数、叶绿素含量、POD活性、MDA含量、SOD活性、株高、有效分蘖。因此,在对转ABP9基因抗旱小麦进行鉴定筛选时,应主要以单穗粒重、结实小穗数、千粒重、穗粒数等农艺性状作为参考,适当考虑生理指标的影响;由于不同指标或性状对小麦抗旱性的贡献不同,采用抗旱性度量值较平均隶属函数值进行抗旱性综合评价更为可靠。     

小麦抗条锈基因Yr1和Yr2分子检测体系研究

为建立小麦抗条锈病基因分子检测体系,分别以Yr1和Yr2紧密连锁的标记为检测标记,以Sull-1、CYR29、CYR32、CYR33和V26/CM42为小麦条锈菌鉴别菌株,构建Yr1和Yr2分子检测体系,并对181份小麦高代系材料进行了抗病鉴定和Yr1和Yr2基因分析。结果表明,gwm372和gwm382可作为Yr1的检测标记;wmc364可作为Yr2的检测标记;5个鉴别菌株对Yr1和Yr2具有较好的区分能力。Yr1和Yr2基因在181份小麦高代系材料中比例较低,表明这两个基因在我国小麦抗病育种过程中丢失严重。     

小麦隐性核不育保持系表达载体的构建及拟南芥遗传转化

利用小麦杂种优势能够创制稳定的雄性不育系。相比于细胞质雄性不育系和光温敏雄性不育系,细胞核雄性不育具有育性稳定、易恢复、不受环境影响等特点。小麦隐性核不育基因 ms1的克隆以及杂交制种技术（hybrid seed production technology,SPT）的开发,为雄性不育的保持和杂种优势利用奠定了基础。本研究将小麦花粉育性恢复基因 Ms1、花粉致死基因 ZmAA1、红色荧光蛋白基因 DsRed2及其特异性启动子和终止子连接到表达载体pGEII上,转化野生型拟南芥,得到6株转基因拟南芥。通过荧光显微镜观察拟南芥种子,发现野生型拟南芥种子表面平滑,不能发出红色荧光;而转基因种子表面呈现颗粒状,能够发出红色荧光。这说明表达载体构建成功,并能够在拟南芥中成功表达。这为创制人工小麦隐性核不育系奠定了理论和材料基础。     

小麦TaDHN2基因及其启动子的克隆与功能研究

为给深入研究Ta DHN2基因在小麦抗旱机制中的作用机理奠定基础,并为进一步丰富小麦DHN基因研究内容提供参考,本研究通过筛选石麦15基因组BAC文库和BAC克隆测序方法克隆了Ta DHN2基因及其启动子,并对Ta DHN2基因序列特征、表达模式和启动子功能等进行了分析和探讨。结果表明,Ta DHN2基因含有1个88 bp的内含子,开放读码框长为696 bp,编码1个含有231个氨基酸的脱水素蛋白。Ta DHN2蛋白具有Y-segment、S-segment和K-segment结构域,属于YSK2类型脱水素蛋白。此外,该蛋白含有明显的核定位信号序列S-segment和基序RRKK。Ta DHN2基因受渗透胁迫诱导表达,在根和叶中表达模式类似,叶中表达量显著高于根中。Ta DHN2基因启动子序列长为2 025 bp,预测含有9个脱水响应顺式元件。在转基因拟南芥中,Ta DHN2基因启动子能够启动GUS基因表达,并在渗透胁迫下诱导GUS基因上调表达。以上结果说明,Ta DHN2基因为脱水响应基因,其启动子为渗透胁迫强诱导启动子。     

小麦 BES1基因家族的比较基因组学分析

BES1基因是植物体内一类重要的转录因子。本研究利用基因组测序数据,在小麦基因组中鉴定到20个 BES1基因家族成员,它们分布在14条染色体上。为进一步研究 BES1基因在小麦以及其他禾本科作物（水稻、玉米、高梁、谷子和大麦）中的功能和进化关系,对小麦等6种禾本科作物以及十字花科模式植物拟南芥的 BES1基因家族进行系统发育关系、结构特性和共线性关系分析,结果发现,系统发育分析将该家族成员分为Group A、Group B、Group C和Group D四类,大部分小麦 BES1基因集中在Group A;大部分小麦 BES1基因家族成员有2个外显子,最多有10个外显子;小麦与水稻 BES1基因之间存在更多的共线性关系。此外,在小麦根和穗中还鉴定到3个具有较高表达水平的 BES1基因（ TaBES1-3A-2、 TaBES1-3B-2和 TaBES1-3D-2）,表明 BES1基因在小麦生长发育过程中发挥着重要作用。