甜菜抗逆基因P5CS的克隆及盐胁迫下的表达分析

脯氨酸在植物适应逆境胁迫中起重要作用,脯氨酸合成酶(Proline synthetase)是脯氨酸合成代谢的关键酶,深入研究编码该酶的基因,对了解逆境下脯氨酸积累的分子机理、提高其抗逆性意义重大。本研究采用RT-PCR技术从甜菜中克隆了△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)基因,利用生物信息学方法对序列进行了比对及其理化特性、结构域分析,该基因ORF为2 151 bp,编码由716个氨基酸组成的蛋白。序列已提交到GENBANK(ID:KY019201)。采用实时荧光定量PCR技术测定不同时间高盐(300 mmol/L NaCl)胁迫下对甜菜幼苗叶片P5CS基因相对表达量的影响,结果表明:随着处理时间的延长,幼苗受胁迫程度加深,P5CS基因的表达上调明显,进一步说明该基因响应逆境胁迫,本研究为今后深入研究提供了依据。     

茶树P5CS基因克隆及其在渗透和高盐胁迫下的表达分析

△1-吡咯琳-5-羧酸合成酶是植物脯氨酸合成过程中的关键酶。应用同源克隆方法获得茶树P5CS,序列长为1 316 bp,编码323个氨基酸;其编码蛋白分子量为34.7 ku,p I为7.62;N端有1个氨基酸激酶超家族[Amino Acid Kinases(AAK)superfamily]功能区,C端有1个醛脱氢酶超家族[Aldehyde Dehydrogenas(ALDH)superfamily]功能区,预测为亲水性跨膜蛋白;对18个物种的P5CS进行聚类分析,结果生物学分类及进化关系吻合。并与美味猕猴桃高度同源,相似度达89%。应用实时荧光定量PCR分析表明,该基因转录本在水分胁迫24 h内升至对照组水平的2.6倍,而高盐胁迫48 h后才升至9.9倍的最高值;水分胁迫应答速度快,但相对表达量较高盐胁迫低。由此推测该基因被诱导参与了渗透胁迫应答响应,并且对渗透胁迫中的旱害脱水更为敏感。     

四种油料作物中的细菌型PEPC基因的鉴定及在发育种子中的表达

鉴定和获取了四种油料作物（油菜、大豆、花生和芝麻）中的细菌型PEPC基因,分析了所编码蛋白的保守结构域（BOX I-IV）和蛋白作用功能位点。基因包括甘蓝型油菜的Bna10093361、Bna1009749和Bna10093360,大豆的Glyma10g34970.1, Glyma01g22840.1和Glyma02g14500.1,芝麻的SIN1018296和花生的AhPPC5。这8个基因含有19～21个内含子,内部插入一个约350～600bp的高度变异区,编码的蛋白在C端形成R/KNTG结构域,在N端缺乏磷酸化作用位点。在种子发育的不同时期,油菜中仅Bna10093360表达,但其表达量不到油菜BnActin表达量的0.1%;大豆中Glyma10g34970.1表达量最高（接近大豆GlymaActin的2%）,Glyma02g14500.1次之;花生AhPPC5表达量为花生AhActin的32%～175%,在种子不同发育时期表达量为早期>中期>晚期;芝麻SIN1018296表达量为芝麻SINActin的3%～18%,在种子发育时期的表达趋势和花生AhPPC5相似。8个基因种子中的表达模式差异明显,说明细菌型PEPC基因可能存在着广泛的功能分化。       

玉米Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因家族生物信息学分析

Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(Delta-1-pyrroline-5-carboxylate synthase,P5CS)是脯氨酸代谢途径的关键酶,对植物抵抗逆境胁迫起至关重要的作用。为了探索P5CS在玉米对逆境胁迫的响应,本文对5个玉米P5CS基因家族蛋白的基本理化性质、二级结构预测、亚细胞定位、基因结构、进化关系及保守基序等方面进行初步生物信息分析。结果显示,5个玉米P5CS蛋白中有3个偏酸性,1个显中性,1个偏碱性;2个以无规则卷曲为主要构成元件,3个P5CS蛋白主要以α白螺旋为主要构成元件;不稳定指数分析发现,4个P5CS蛋白为稳定蛋白;疏水性分析表明,所有的P5CS蛋白为亲水性蛋白;玉米P5CS家族内含子最少含有4个内含子,最多的含有19个内含子;亚细胞定位分析表明,P5CS均蛋白定位于细胞基质;进化分析表明,P5CS家族分3个亚家族。     

大豆耐胁迫相关蛋白编码基因GmSAMDC1的克隆及表达分析

S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(S-adenosine methionine decarboxylase,SAMDC)是亚精胺和精胺合成的关键酶,更是多胺生物合成的限速酶之一,在植物耐胁迫反应中发挥重要调控作用。为研究大豆SAMDC编码基因的结构和表达特性,本研究从抗病大豆品种科丰1号中克隆了位于大豆基因组2号染色体上的GmSAMDC1(Glyma. 02G128000)基因,分析结果表明:其完整ORF长度为1 068 bp,编码一个由355个氨基酸组成的包含1个SAM_decarbox结构域的蛋白; GmSAMDC1基因所编码蛋白的理论等电点为4. 86,相对分子质量为38 987. 13 Da,为亲水性蛋白,不含跨膜区;大豆中共有8个GmSAMDC1的同源基因,GmSAMDC1与红车轴草(PNY09439. 1,82. 64%)和拟南芥(At SAMDC3,67. 22%)中的SAMDC蛋白编码基因亲缘关系最近; GmSAMDC1启动子序列包含防卫和胁迫响应元件、植物激素应答元件、光应答元件等许多顺式作用元件; GmSAMDC1在花中的表达量最高,与其大豆同源基因Glyma. 01G071300(序列相似性为94. 6%)、Glyma. 18G278800(66. 8%)和Glyma. 08G25580(66. 5%)的组织特异性表达模式比较相似; Glyma. 02G128000-GFP融合蛋白在细胞膜和细胞质上表达。本研究结果为进一步阐明大豆GmSAMDC1基因在大豆耐胁迫过程中的作用提供了理论依据。     

大豆病程相关蛋白PR-5及其同源蛋白TPLs的生物信息学分析

大豆病程相关蛋白PR-5又称为类甜蛋白TLPs,广泛分布于高等植物体内,各种生物和非生物胁迫诱导(病原微生物、渗透胁迫,机械损伤和植物激素等)均可诱导其表达。本研究以PR-5编码基因Glyma01g42670.1为目的基因,对该基因及其同源蛋白的结构和功能进行了分析;通过生物信息学的方法,共筛选获得42条大豆TLPs蛋白质序列,并用Mega 4.1软件构建其系统进化树;同时对Soy Base中的大豆TLPs相关的表达数据进行分析。结果表明:大豆病程相关蛋白PR-5的编码基因Glyma01g42670.1编码240个氨基酸的多肽链,p I 6.26,是一种酸性蛋白,属于疏水蛋白,该蛋白质具有典型的TLP家族的保守结构域,具有指导PR-5蛋白的跨膜转移(定位)的N端信号肽序列,PR-5蛋白不含有跨膜螺旋结构,主要存在于质外体中,属于分泌蛋白,推测该蛋白具有内切葡聚糖酶的催化活性,进化分析表明:该编码基因与拟南芥的NP_192902.1基因属于直系同源基因,它们是具有相同功能和共同起源的基因,组织表达特异性分析表明该基因主要在根部和花中表达。     

甘蔗△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因（P5CS）的克隆及其表达分析

△~1-吡咯琳-5-羧酸合成酶是植物脯氨酸合成过程的关键酶.应用同源性克隆结合RACE技术获得甘蔗PSCS基因cDNA全长序列2714bp,其中5'端非编码区为226bp,3'端非编码区340bp,poly(A)上游有1个聚腺苷酸五碱基AATAAA;开放读码框为2 148 bp编码715个氨基酸,含双功能域;其编码的蛋白分子量为77.7 ku,等电点为6.47.序列比对分析结果表明,P5CS基因的4个主要功能区(domain)中亮氨酸功能区(Leucine domain)相对不保守,其它功能区均较为保守.对17个物种的P5CS基因进行聚类分析,结果与公认的生物学分类及进化关系吻合.对甘蔗P5CS在根、茎、叶的表达进行实时PCR分析,结果表明,该基因在茎、叶表达量相近,但在根的表达量极低.     

小麦多蛋白桥梁因子基因 TaMBF1c的克隆与表达分析

多蛋白桥梁因子(multiprotein bridging factor 1,MBF1)是一类广泛存在于植物中的转录共激活因子,在植物生长发育和逆境响应过程中发挥重要作用。为进一步了解该蛋白的功能,利用同源克隆法从小麦中获得 MBF1基因,根据其染色体位置分别命名为 TaMBF1c-A、 TaMBF1c-B和 TaMBF1c-D,通过生物信息学方法分析其蛋白序列特征、蛋白三级结构及顺式作用元件,并利用RT-qPCR技术分析其组织表达特异性以及干旱、热胁迫响应模式。序列分析表明,TaMBF1c-A、TaMBF1c-B和TaMBF1c-D分别含有456、471和465 bp的开放阅读框;三维结构预测发现,TaMBF1c-A、TaMBF1c-B和TaMBF1c-D在N端和C端分别含有MBF1结构域和4个α螺旋组成的helix-turn-helix结构域;系统进化分析结果表明, TaMBF1c基因与二粒小麦(Triticum dicoccum)的亲缘关系最近。顺式作用元件分析发现, TaMBF1c-A、 TaMBF1c-B和 TaMBF1c-D启动子区都含有干旱响应元件(MBS element/MYB element)和热响应元件(HSE element)。RT-qPCR分析显示, TaMBF1c-A和 TaMBF1c-B基因在叶片中特异性表达, TaMBF1c-D只在根部特异性表达;在干旱胁迫条件下, TaMBF1c在干旱敏感小麦品种中表达量较高,其表达量是 TaMBF1c在耐旱小麦品种中表达量的280倍, TaMBF1c在干旱信号途径中起负调控作用。在热胁迫条件下, TaMBF1c-A和 TaMBF1c-B在热敏感与耐热小麦品种中上调表达,而 TaMBF1c-D仅在热敏感小麦品种中上调表达,明显高于耐热小麦品种。     

亚精胺对渗透胁迫下小麦幼苗渗透调节物质含量和脯氨酸代谢酶活性的影响

为了探讨多胺提高小麦抗旱性的机理,以两个抗旱性不同的小麦品种(豫麦48,抗旱性较弱;洛麦22,抗旱性较强)为材料,研究了亚精胺对短期渗透胁迫下小麦幼苗叶片渗透调节物质含量以及脯氨酸代谢的调控效应。结果表明,渗透胁迫下,两个小麦品种幼苗叶片中脯氨酸、葡萄糖和蔗糖含量增加,且抗旱性较强的洛麦22增加幅度显著大于抗旱性较弱的豫麦48;脯氨酸代谢关键酶Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和Δ1-吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)活性增强,且洛麦22的P5CS活性增强幅度大于P5CR。但渗透胁迫处理对两个品种鸟氨酸转氨酶(OAT)活性影响不大。外源亚精胺处理则进一步提高了渗透胁迫下脯氨酸、葡萄糖、蔗糖含量以及P5CS和P5CR活性,且对抗旱性较弱的豫麦48效应较明显,但对两个品种的OAT活性基本没什么影响。这些结果表明,外源亚精胺处理能通过提高脯氨酸合成代谢谷氨酸途径的关键酶P5CS和P5CR的活性促进脯氨酸和可溶性糖的积累,从而提高小麦幼苗的保水性,增强其抗旱性,对抗旱性较弱的小麦品种的效果更加明显。     

耐低钾大豆品种筛选及低钾胁迫下Lee 68的差异表达基因分析

为了从分子水平上研究大豆幼苗对低钾胁迫的耐性机理,本研究首先依据生物量指标从25份大豆材料中筛选出耐低钾品种Lee 68,并对低钾胁迫下大豆Lee 68幼苗进行转录组测序和分析。通过对转录组Solexa/Illumina高通量测序数据的分析,共得到160 211 759个reads,将获得的数据与大豆Williams 82基因组序列比对,比对率达到92.83%以上。比较组LK_VS_CK中差异表达基因为3 521个,其中下调和上调基因分别为2 393和1 128个。GO功能聚类分析显示LK_VS_CK比较组的差异表达基因主要富集于植物的代谢过程、胁迫响应及信号转导;KEGG pathway分析中,LK_VS_CK比较组有390个差异表达基因显著富集在19个pathway途径中,其中富集最为显著的是代谢途径,包括氨基酸代谢、脂肪酸和类脂代谢以及碳水化合物代谢等;COG分类统计结果表明LK_VS_CK比较组除649个差异表达基因具有一般性功能之外,377个基因被划分到转录因子功能类,343个基因被划分到信号转导机制功能中。结合差异表达基因的功能分析及茉莉酸信号转导调控机制,筛选到了茉莉酸信号途径上可能参与钾离子吸收转运过程的8个关键候选基因,分别是Glyma09g08290、Glyma09g33730、Glyma03g32890、Glyma04g39010、Glyma 08g09720、Glyma12g36310、Glyma16g32821、Glyma19g45260。研究结果对深入研究大豆钾胁迫下与钾离子高效吸收相关基因的调控及克隆研究具有重要的参考价值。     

大豆F-box基因Glyma08g11030启动子克隆及植物表达载体构建

本研究以大豆Williams 82的基因组DNA为原始材料,根据前期预测的Glyma08g11030启动子序列用DNAMAN8.0设计引物,通过常规PCR方法克隆获得了Glyma08g11030基因上游长度为3 000 bp的启动子序列。在PlantCARE植物启动子区域在线预测网站上查询,预测的结果显示Glyma08g11030启动子序列里含有数量众多、功能各异的顺式作用元件。其中以TATA-box和CAAT-box这两个基本的顺式作用元件最多,此外还有许多与应答相关的顺式作用元件,如干旱、热、光、激素等。根据这些顺式作用元件在Glyma08g11030启动子序列中的位置对启动子序列进行截短并分别设计引物,采用PCR方法成功截出了3段长度分别为2 492,1 185和342bp的启动子序列,将3段序列替换pCAMBIA3301载体双酶切出的CaMV35S启动子序列,并构建了3个启动子序列驱动GUS植物融合表达载体,从而得到含不同顺式作用元件的启动子序列。研究结果将为以后分析Glyma08g11030启动子的功能和作用机理提供前期准备。     

CbDREB1A基因表达载体构建及转化水稻光温敏核不育系的研究

为了增强荠菜DREB1A基因在转基因水稻中的表达,构建了由Ubi启动子驱动的植物表达载体pUΩCbDREB3300.通过基因枪转化法将CbDREB1A基因导入水稻光温敏核不育系4008S,获得5个抗干旱胁迫的再生植株.运用PCR及Southern杂交技术对抗性再生植株进行鉴定,结果显示CbDREB1A基因已整合到水稻基因组中.干旱胁迫后转基因水稻植株脯氨酸含量显著高于对照,显示耐旱性增强.     

大豆RING/U-box蛋白Glyma.13G115900的克隆及其对非生物胁迫的应答

课题组前期对干旱胁迫下大豆转录组的数据分析发现大豆Glyma.13G115900基因编码一个RING/U-box蛋白,其表达水平受干旱胁迫影响显著。本研究以垦丰16大豆为试验材料,克隆Glyma.13G115900基因。氨基酸多重序列比对表明其编码的蛋白与其它物种都具有高度保守的RING/U-box结构域。构建原核表达载体pET-29b-Glyma.13G115900转化到大肠杆菌中,Glyma.13G115900蛋白在大肠杆菌中能够表达。荧光定量PCR分析表明Glyma.13G115900基因的表达量受PEG、NaCl和ABA的影响显著,但基本不受冷胁迫的诱导。经PEG和NaCl处理后,该基因表达量与CK相比呈现出显著下降的趋势,PEG处理的表达量变化比NaCl下调的更明显;在ABA诱导下与CK相比该基因的mRNA丰度呈现出先上升后下降的趋势,在4 h表达量出现峰值,推测该基因可能通过依赖于ABA途径参与非生物胁迫应答。以上结果为进一步深入研究该基因的调控途径奠定基础。     

茶树N-甲基转移酶基因启动子克隆及功能分析

咖啡碱是茶叶中重要的功能物质,N-甲基转移酶（NMT）是其生物合成的关键酶。本研究以英红9号茶树新梢为材料,利用hiTAIL-PCR克隆NMT1基因启动子,并采用Plant CARE等在线软件分析其顺式作用元件。根据其元件组成,设计5'递减的启动子与GUS基因一起组建了融合载体转入烟草,利用GUS染色和定量PCR方法,分析了克隆的启动子功能及其对环境因子的响应。结果表明,克隆的NMT1基因启动子长767βbp,含有TATA-box、CAAT-box等真核生物启动子基本元件及多个与植物非生物胁迫相关的响应元件。以5'递减的NMT1启动子替换pBI121中的CaMV35S启动子,构建出与GUS融合的pA、pB、pC、pD载体。在烟草叶片中进行瞬时表达,不同长度的NMT1启动子均具驱动GUS表达功能,且长度越长驱动能力越强。以含全长NMT1启动子载体pA对烟草转基因,转基因烟草各组织均检测到GUS基因的表达且表达量叶>茎>根,叶片中的表达量为根部的3倍。对转基因烟草进行不同程度光照、温度、模拟干旱和脱落酸处理后,除40℃温度条件外,其他处理的叶片中GUS基因表达在处理前后均存在显著变化,表明NMT1启动子功能受外界环境因子的胁迫影响。     

茶树钙依赖性蛋白激酶基因CsCDPK17的鉴定及表达分析

钙依赖型蛋白激酶(Calcium-dependent protein kinases,CDPKs或CPKs)是植物细胞中重要的钙离子信号受体,普遍参与了植物生长发育和胁迫响应等调控过程。本研究从茶树龙井43中克隆到1条CDPK基因,经测序验证该序列包含1611bp的完整ORF,编码536个氨基酸。结合序列比对和进化分析发现该蛋白N-末端具有豆蔻酰化位点,具备钙依赖性蛋白激酶的保守结构域,并且与拟南芥AtCDPK17的同源关系最近,因此命名为CsCDPK17(Genbank登录号为:MK238482)。蛋白质理化特性分析发现其蛋白分子量为59.9kD,理论等电点pI为5.43,属无跨膜结构域的亲水性蛋白。使用水稻原生质体和烟草叶片两种瞬时表达的方法均证明CsCDPK17是细胞质膜和细胞核双定位蛋白。对克隆到的CsCDPK17上游2000bp的启动子区分析发现了多个与基因转录、光、激素(ABA、SA、MeJA等)相关的顺式作用元件。表达分析显示,CsCDPK17在成熟叶和种子中表达水平较高,而在根中的表达水平最低;在龙井43、大面白等4个品种冷驯化过程中,该基因的表达随着冷驯化过程显著上调,随着脱驯化过程下调;同时还发现CsCDPK17能够不同程度地响应低温(最高5.1倍)、干旱(最高2.3倍)、渗透(最高2.4倍)胁迫。本研究的结果表明CsCDPK17在茶树的生长发育和低温、干旱、渗透等非生物胁迫响应的过程中均发挥一定的调控作用。     

The potential of nitric oxide for reducing oxidative damage induced by drought stress in two turfgrass species,creeping bentgrass and tall fescue

Drought stress is a major factor‐limiting grass growth. The production of reactive oxygen species (ROS) increases under stress conditions and causes cell oxidative damage. This study investigated the effect of sodium nitroprusside [a nitric oxide (NO) donor] treatment on drought stress in two turfgrass species, creeping bentgrass and tall fescue. Physiological characteristics such as relative water content (RWC), ion leakage, chlorophyll and proline content, and activity of superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX) and catalase (CAT) were evaluated after 40 d drought stress and in the recovery stage. Results showed that nitric oxide (NO) treatment, especially 150 μm , could maintain significantly higher RWC and reduce ion leakage under drought stress conditions in both species. Furthermore, both turfgrass species showed higher chlorophyll and proline content after drought stress period when sprayed with NO, while chlorophyll and proline content of control plants declined. Drought stress significantly reduced SOD and APX activity, while NO treatment induced higher SOD and APX activity under drought conditions. After recovery, leaf RWC returned to the control level; however, NO‐sprayed plants showed higher RWC compared to controls. Both turfgrass species exhibited lower chlorophyll content at the recovery stage when exposed to severe drought stress, and NO application increased chlorophyll content compared to controls. No significant differences were found between NO treatment and control plants for proline and SOD activity, but APX activity of NO‐sprayed plants was higher than in the control plants. These results suggest that foliar application of NO may alleviate drought stress in turfgrass by maintaining membrane stability and inducing antioxidant enzyme activity.     

Effects of Exogenous Chitosan on Physiological Characteristics of Potato Seedlings Under Drought Stress and Rehydration

Using young plants of the potato variety “Favourite”, we studied the effects of exogenous chitosan (CTS) on physiological characteristics of potatoes under drought stress and rehydration. Spraying 50, 100 and 200?mg l^?1 of exogenous CTS on potato leaves before drought stress reduced membrane relative permeability and malondialdehyde concentration of potato leaves, raised the concentration of proline and soluble proteins and enhanced the activities of superoxide dismutase and peroxidase during drought stress. Additionally, CTS promoted the recovery of these physiological indicators after a rehydration period. Of the three treatments, 100?mg l^?1 of CTS alleviated drought stress the best. Altogether, this indicates that exogenous CTS could relieve drought stress damage in young potato plants by enhancing their antioxidation ability, increasing the activities of protective enzymes and regulating the content of osmotic regulatory substances. Applying exogenous CTS could be an effective measure to reduce drought stress in potato and warrants further evaluation in the field.