转AtTGA4小麦田间耐低磷胁迫的功能分析

【目的】将bZIP类转录因子基因AtTGA4转化小麦创制耐低磷转基因小麦新材料,同时分析AtTGA4提高小麦抗逆性的生理机制,为小麦耐低磷胁迫分子育种奠定基础。【方法】采用最小表达框基因枪转化法将AtTGA4和筛选标记基因Bar共转化受体小麦石4056,通过PCR检测筛选出无Bar并能稳定遗传AtTGA4的转基因小麦新株系。基于试验地土壤养分含量状况施用不同水平的磷肥,形成一定程度的正常和低磷营养胁迫,对AtTGA4转基因小麦新株系进行低磷胁迫耐受性试验。在开花期进行了光系统Ⅱ原初光能转化效率（light efficiency of the light system Ⅱ,Fv/Fm）,叶绿素相对含量（soil and plant analyzer development readings,SPAD值）和气冠温差（canopy temperature depression,CTD）等生理指标的测定,在成熟期进行了株高、分蘖数、穗粒数等农艺性状的调查,并在小麦收获后进行了产量及不同组分（根、茎、叶、籽粒）磷浓度和磷吸收、残留总量的测定和统计。【结果】PCR分析结果证明,AtTGA4已在石4056小麦中稳定遗传至T₄代,共获得4个稳定转基因株系。根据土壤养分含量测定结果,在正常条件地块施加812.39 kg·hm^-2的过磷酸钙,低磷处理地块不施磷肥。产量及农艺性状统计结果显示,AtTGA4转基因株系L1和L2在正常和低磷胁迫条件下的产量相对于受体对照小麦显著增加,正常条件下产量增幅为5.3%-8.6%,低磷胁迫下产量增幅为4.4%-7.7%。在低磷胁迫条件下,过表达AtTGA4的转基因小麦种子千粒重显著比受体显著增加。开花期田间生理指标测定结果显示,转基因株系L1和L2在低磷条件下的Fv/Fm和CTD明显优于受体,而SPAD值没有明显差异。田间调查时发现,低磷条件下受体比转基因材料提早结束灌浆,表现在穗子提早变黄。成熟末期磷含量测定结果显示,转基因株系L1和L2在低磷条件下茎杆磷浓度比受体显著提高,在其他组织中则无显著差异。2个转基因株系在低磷条件下茎、叶和籽粒吸收、残留的总磷含量都要高于受体,地上部总磷含量增幅达6.38%-17.47%。转基因材料AtTGA4表达量分析结果显示,目标基因在株系L2中的表达量较株系L1中的低,是株系L1的0.69倍。【结论】在低磷胁迫条件下AtTGA4可以显著提高转基因小麦对磷元素的吸收及运输,提高转基因小麦的产量,进而提高转基因小麦对低磷胁迫的耐性。     

大豆GmbZIP16的抗旱功能验证及分析

【目的】通过分析干旱条件下大豆的转录组数据,筛选获得大豆锌指蛋白GmbZIP16,对其进行功能验证,确定GmbZIP16参与大豆抵抗干旱的分子机理。【方法】大豆干旱转录组数据分析得到上调倍数较高的锌指蛋白GmbZIP16,以大豆cDNA为模板克隆获得GmbZIP16。并通过In-Fusion连接酶技术,构建pCAMBIA1302- GmbZIP16和pCAMBIA3301-GmbZIP16表达载体。通过液氮冷冻法将重组载体pCAMBIA1302- GmbZIP16和pCAMBIA3301-GmbZIP16分别转入农杆菌GV3101和大豆发根农杆菌K599的感受态细胞中,通过农杆菌侵染拟南芥花序以及大豆子叶节技术,产生过表达拟南芥植株以及过表达大豆毛状根复合体植株。通过半定量RT-PCR和qRT-PCR分析,确定GmbZIP16在转基因拟南芥和大豆毛状根中能够超表达。分别将正常条件下生长2周龄的转基因和野生型拟南芥植株转移至含有不同PEG浓度（6% PEG和8% PEG）的MS0培养基上继续培养7 d,观察转基因拟南芥和对照野生型拟南芥之间的生物量差异;利用qRT-PCR分析转基因拟南芥和野生型拟南芥植物体中胁迫相关的基因表达情况。将生长良好的转GmbZIP16大豆毛状根复合体施加25% PEG处理1周后,分别采取转GmbZIP16大豆毛状根复合体和转空载体大豆毛状根复合体的叶片,用酶标仪测定植株的脯氨酸、丙二醛和叶绿素的含量。【结果】通过PCR技术扩增得到正确的GmbZIP16序列,通过农杆菌转化技术得到2个稳定过表达的转GmbZIP16拟南芥株系。通过对转基因拟南芥的表型鉴定发现转基因拟南芥在干旱处理下的生物量（鲜重和根长）及存活率比野生型显著提高。在过表达GmbZIP16拟南芥植株中,一些与胁迫相关的基因的表达要高于在野生型,如RD29B、DREB2A和P5CS。转GmbZIP16大豆毛状根复合体植株在25% PEG处理1周后,大豆毛状根复合体叶片中叶绿素和脯氨酸的含量要显著高于转空载体大豆毛状根复合体叶片中叶绿素和脯氨酸的含量,而转GmbZIP16大豆毛状根复合体叶片中丙二醛的含量显著低于转空载体大豆毛状根复合体叶片中丙二醛的含量。【结论】在拟南芥中过表达大豆GmbZIP16提高了转基因拟南芥的抗旱性。过表达GmbZIP16可以提高转基因大豆毛状根复合体对干旱的抗性。GmbZIP16提高植物的抗旱性主要是通过影响与抗逆相关基因的表达来实现的。     

以小麦根尖分生组织细胞核及染色体制备高分子量DNA

为了克服以叶片为材提取HMW DNA的局限性,优化了一套简便、实用的提取方法。该法以细胞周期同步化处理的根尖分生组织为材,利用机械匀浆释放细胞核或中期染色体制备悬浮液,再以蔗糖密度梯度离心和流式分选技术分别分离细胞核和染色体,经去蛋白、酶切,透析获得HMW DNA。经检测,来自200条根尖（10个胶块）的HMW DNA的浓度约为4~20 ng/µL,而连接、转化后的BAC克隆平均插入片段超过100 kb。证明该法适用于提取HMW DNA以构建BAC文库。     

病毒复制酶基因Nib8和ERF转录因子W17基因枪法共转化小麦

将对小麦黄花叶病毒表现高抗的复制酶基因Nib8和具有广谱抗病性的ERF基因W17分别构建到单子叶高效组成型表达载体上,采用基因枪共转化法转化到小麦品种扬麦12和扬麦16中,PCR检测共获得Nib8基因的阳性转基因植株42株,W17基因的阳性转基因植株48株,及两个功能基因均为阳性的转基因植株6株。以扬麦12为受体的转化率分别为1.53%(Nib8)、4.87%(W17)和0.42%(Nib8+W17);以扬麦16为受体的转化率分别为2.05%(Nib8)、0.86%(W17)和0.20%(Nib8+W17)。对两个功能基因都呈阳性的6个植株进行Southern blotting分析,进一步证实功能基因已经整合到小麦基因组中。本研究为获得具有综合抗病性的小麦新材料奠定了基础。     

小麦流式分选染色体的鉴定

构建染色体BAC文库对于简化拥有庞大基因组植物的测序、物理作图和基因克隆具有重要意义。分选染色体的鉴定是整个文库构建过程的关键环节之一。 本文在前人研究的基础上, 分别采用荧光原位杂交(FISH)、原位PCR(C-PRINS)和PCR方法, 对分选的6VS、3B和7BL染色体(臂)进行了鉴定。结果表明, 这3种方法都能对流式分选染色体进行有效鉴定, 其中PCR法速度最快、重复性好, 但结果不具可视性、也不能鉴定分选纯度; 而FISH法重复性好、结果具有可视性、能够鉴定分选纯度, 但操作程序复杂耗时, 受探针特异性的限制; C-PRINS法则综合了上述两种方法的优点, 是最具潜力的鉴定方法, 如果与液体原位杂交相结合, 有可能为解决染色体分选问题开辟新的途径, 但也存在重复性差、杂交信号不稳定的缺点。     

大豆DRT100全基因组鉴定及GmDRT100-6响应干旱和盐胁迫的功能分析

DNA损伤修复/耐受性100 (DNA-damage repair/tolerance 100, DRT100)编码一种富含亮氨酸重复序列的蛋白质,广泛参与植物生长发育与非生物胁迫响应过程。为鉴定大豆(Glycine max L.)中DRT100基因家族成员、揭示其进化关系及其与大豆抗旱耐盐相关功能,本研究在大豆全基因组水平上鉴定出8个DRT100基因,对其基因结构特征、系统进化、启动子顺式作用元件、基因表达模式等进行了分析。结果表明：8个GmDRT100基因位于5条大豆染色体上,具有相对保守的基因结构和保守基序,同时还具有多种与激素和非生物胁迫相关的顺式作用元件。RT-qPCR分析揭示8个GmDRT100家族成员在盐旱胁迫下均不同程度的上调表达,且GmDRT100-6在干旱和盐胁迫下均显著上调。进一步研究GmDRT100-6的功能,结果表明GmDRT100-6蛋白位于细胞膜中,大豆毛状根中GmDRT100-6基因的过表达提高了植株的耐旱性和耐盐性。这些研究结果表明GmDRT100-6在大豆抗旱、抗盐胁迫中发挥了重要作用。     

披碱草(Elymus dahuricus)焦磷酸化酶基因EdHP1的克隆及功能鉴定

为了从抗逆性优良的牧草中挖掘新的耐盐、抗旱基因,进而为作物分子育种提供优良的基因资源,采用RACE(Rapid-Amplification of cDNA Ends)方法,克隆了披碱草的焦磷酸化酶基因EdHP1,其全长序列包含2310bp,编码770个氨基酸,含有14个跨膜区,是一个典型的膜蛋白,同时包舍三个保守区(CS1、CS2和CS3).氨基酸同源性比较发现,EdHP1与来自大麦等10种高等植物的焦磷酸化酶基因的同源性大于86%.EdHP1基因的表达受干旱、高盐和低温等非生物胁迫的诱导.功能分析证明,EdHP1基因能够显著提高转基因烟草对干旱、高盐胁迫的抗性,可用于作物的抗逆遗传改良.     

豌豆终止子rbc-T在转基因小麦研究中的应用

目前常用的转基因载体元件大多为真菌或细菌来源,引发对转基因食品安全性的担忧。本研究克隆了豌豆终止子rbc-T,并用其替换农杆菌终止子nos-T构建转化载体,利用基因枪法将携带Ubi启动子、GUS基因和终止子rbc-T组成的最小表达框片段转化普通小麦,同时以带有nos-T终止子的载体为对照,经过PCR检测筛选获得T2代稳定遗传的转基因小麦株系。GUS组织化学染色及酶活定量分析结果表明,带有nos-T及rbc-T的转基因小麦中均能检测到GUS基因不同程度的表达。因此认为,豌豆终止子rbc-T可以代替农杆菌终止子nos-T用于小麦的转基因研究。     

谷子非特异性磷脂酶C基因SiNPC4的克隆及功能分析

非特异性磷脂酶C(NPC,nonspecific phospholipase C)水解磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺产生第二信使二酰甘油(DAG),NPC类基因在植物处于干旱、高盐、低磷等非生物胁迫条件下时发挥重要的作用,并参与脱落酸(ABA)、油菜素内酯(BL)等激素信号传导途径。本研究以谷子品种龙谷25为试验材料,通过序列比对,克隆到一个新的NPC类基因,命名为Si NPC4。该基因被定位在谷子第8条染色体上,编码区全长2877 bp,由3个外显子和2个内含子组成,编码512个氨基酸,蛋白分子量为56.77 k D。系统进化树分析表明该基因位于NPC基因家族第3亚族,保守结构域分析表明该蛋白含有保守的磷脂酶结构域和4个基序。亚细胞定位结果显示,Si NPC4蛋白被定位在细胞质、细胞膜、细胞核中。基因表达谱分析结果表明,该基因主要在谷子根部表达,并受干旱、盐、低温、黑暗、ABA、BL、赤霉素(GA)和茉莉酸甲酯(Me JA)等的诱导表达。将Si NPC4基因转入拟南芥中,转基因拟南芥与野生型拟南芥相比对ABA和BL激素的敏感性降低,推测该基因可能作为负调控因子参与植物对ABA和BL激素的响应过程。在干旱和高盐处理下,过表达植株与野生型植株长势没有明显差异。     

大豆（Glycine max）GmDREB5互作蛋白GmUBC13的特性及功能

【目的】鉴定大豆抗逆相关转录因子GmDREB5的互作蛋白,分析其互作蛋白GmUBC13的特性及其生物学功能,解析GmDREB5提高植物抗逆性的分子机制。【方法】通过酵母双杂交系统,以大豆GmDREB5的AP2功能域为诱饵对干旱处理的大豆cDNA文库进行筛选,获得GmDREB5候选互作蛋白后通过酵母互作及体外Pull-down试验确定GmDREB5与候选蛋白之间的互作关系;同时,分析互作蛋白GmUBC13的进化关系、蛋白结构及亚细胞定位等特性;通过半定量RT-PCR分析其互作蛋白GmUBC13在干旱、高盐、低温等非生物胁迫和激素ABA处理下的表达谱;通过转化烟草鉴定GmUBC13的生物学功能。【结果】通过筛选大豆干旱处理的cDNA文库获得一个GmDREB5互作蛋白GmUBC13（ubiquitin conjugating enzyme 13）,GmUBC13属于泛素结合酶蛋白家族,GmUBC13含有UBCc保守域（ubiquitin-conjugating enzyme catalytic domain）、与泛素连接酶E3互作的氨基酸残基以及高度保守的半胱氨酸催化位点。进化树分析表明,GmUBC13的氨基酸序列与拟南芥（Arabidopsis thaliana）含有16个成员的E2家族的第XV亚组的AtUBC13A、AtUBC13B以及水稻（Oryza sativa）的泛素结合酶蛋白Os01g0673600分别具有99%、97%和97%的同源性。酵母互作试验及体外Pull-down分析证明GmUBC13与GmDREB5蛋白之间存在相互作用。表达特性分析表明,GmUBC13受干旱、高盐、低温等非生物胁迫和激素ABA处理的诱导表达。GmUBC13在ABA的胁迫条件下,1 h开始有表达,10 h时表达量上升到最大,24 h稍微降低;在干旱和盐胁迫条件下,1 h开始表达,并随着胁迫时间的增长,表达量逐渐上升,24 h表达量达到最大;在低温胁迫条件下,GmUBC13受诱导较快,5 h表达达到最大,在10 h和24 h时未表达。蛋白亚细胞定位结果显示,GmDREB5蛋白定位在细胞核和细胞膜上,GmUBC13定位在细胞核中。基因功能鉴定结果证明,过表达GmUBC13的转基因株系GmUBC13-1、GmUBC13-2和受体对照W38的幼苗在正常MS培养基上的生长状态基本相似,在不同浓度PEG胁迫条件下,转基因株系GmUBC13-1、GmUBC13-2和W38烟草叶片叶绿素含量都降低,根长和地上部生长都受到抑制,而转GmUBC13烟草的叶片叶绿素含量降低缓慢,转基因烟草各株系的根长、地面长度均高于对照W38,且在8% PEG处理条件下,转基因株系GmUBC13-2的叶绿素含量、根长及地面长度与W38的差异达极显著。将生长2周的转基因烟草株系GmUBC13-1、GmUBC13-2与W38移至营养土中控水处理21 d,复水处理6 d后显示,转基因烟草株系生长情况明显优于非转基因对照W38,且转基因株系的存活率显著高于对照W38,表明在烟草中过表达大豆GmUBC13可以显著提高转基因烟草的抗旱性。【结论】大豆泛素连接酶GmUBC13与抗逆相关转录因子GmDREB5互作,GmUBC13受各种非生物胁迫处理诱导表达,在烟草中过表达可以显著提高植物的抗旱性。