大豆GmHAT5的克隆及其转基因百脉根的抗盐分析

【目的】从大豆盐胁迫基因表达谱中筛选并克隆得到同源异型域亮氨酸拉链蛋白(HD-Zip)家族基因GmHAT5,将其转化豆科模式植物百脉根并进一步探究其抗盐调控机制。【方法】使用多种生物信息学软件对GmHAT5的开放读码框(ORF)、编码蛋白的分子量、等电点、序列结构和蛋白定位等进行预测,同时将大豆GmHAT5蛋白与其他10个物种的同源蛋白进行比对分析,并对GmHAT5在大豆不同器官及盐胁迫下的表达特性进行分析。此外,构建GmHAT5的植物超表达载体,通过对发根农杆菌LBA1334的转化,得到"复合体"百脉根植株,并在盐胁迫条件下对其进行抗盐表型分析;通过对根癌农杆菌EHA105的转化,获得百脉根的稳定转化株系,并对其进行抗盐表型分析及相关生理指标检测。【结果】多种生物信息学软件分析表明,该片段包含1个1 038 bp的ORF,编码345个氨基酸。GmHAT5的理论分子量和等电点分别为39.17 k D和4.63。GmHAT5蛋白定位于细胞核,与其他HD-Zip家族蛋白一样,属于典型的核蛋白。序列分析表明,GmHAT5包含一个同源异型结构域和一个亮氨酸拉链结构域,属于第I类同源异型域亮氨酸拉链蛋白。同源蛋白比对表明其与野生大豆GsHAT5同源性最高。基因表达特性分析表明,GmHAT5在大豆植株的各个不同器官中均有表达,是一个受盐诱导上调表达的HD-Zip类转录因子。发状根转化的结果表明,使用200 mmol·L~(-1) NaCl处理植株7 d后,"复合体"植株生长状态良好,对照组植株叶片明显萎蔫、失绿;不同NaCl浓度处理离体转基因发状根14 d后,对照组较试验组发状根明显干枯、生长受到抑制。稳定转化结果显示,不同盐浓度处理14 d后,转GmHAT5百脉根与两组对照植株相比生长状态更好。相关生理指标检测结果显示,与两组对照相比,转基因百脉根植株中丙二醛含量和相对质膜透性明显降低(P0.05),而叶绿素含量和根系活力则显著升高(P0.05)。测定不同植株阳离子含量的结果表明,转基因百脉根株系与两组对照相比,Na~+在叶片和根中含量显著下降,K~+和Ca~(2+)在叶片和根中含量显著升高。【结论】从大豆中克隆得到一个编码HD-ZipⅠ类同源异型域亮氨酸拉链蛋白基因GmHAT5,该基因在大豆中受盐胁迫诱导表达量显著升高。超量表达GmHAT5显著增强百脉根的耐盐能力,发状根转化法可以作为一种快速有效筛选抗盐候选基因的手段。推测GmHAT5在大豆盐胁迫应激调控中扮演重要角色。     

利用酵母双杂交系统筛选大豆结瘤因子受体NFR1α的互作蛋白

大豆是重要的植物蛋白作物和粮豆间作作物,挖掘大豆的生物固氮潜力,对推动生态农业的可持续发展具有深远意义。大豆结瘤因子受体蛋白GmNFR1?(Nod Factor Receptor)对结瘤至关重要,但其具体调控机制尚不明确。本研究以大豆mRNA为模板,利用RT-PCR方法扩增到GmNFR1α蛋白的激酶结构域(GmNFR1α-pk),构建了pGBKT7-GmNFR1α-pk诱饵表达载体,通过酵母双杂交技术,筛选大豆根瘤AD-cDNA文库,从文库中分离到与GmNFR1α-pk相互作用的71个阳性克隆,经测序和同源性分析筛选到12种与GmNFR1α-pk互作的蛋白,包括钙离子结合手性蛋白、豆血红蛋白、结瘤素Nod44等蛋白。以大豆豆血红蛋白GmLbc2为例,回转酵母以及烟草体内BiFC验证其与诱饵蛋白的相互作用,对其进行同源蛋白比对及系统进化树分析,并利用百脉根毛根转化技术鉴定GmLbc2在结瘤过程中的生物学功能。研究结果进一步补充和完善了GmNFR1α介导的结瘤信号传递途径,为大豆与根瘤菌共生互作机制提供了新的分子证据。     

大豆GmCYS20基因在百脉根共生结瘤过程中的功能研究

半胱氨酸蛋白酶抑制剂(cystatin)参与豆科植物与根瘤菌共生结瘤过程。克隆了大豆的1个半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因GmCYS20,基因编码区全长为291 bp。氨基酸多序列比对分析发现,大豆GmCYS20蛋白与野生大豆cystatin蛋白相似性高达99%。构建GmCYS20基因的植物表达载体,通过发根农杆菌介导的百脉根发状根转化法获得转GmCYS20基因复合体植株,利用GUS染色和RT-PCR方法鉴定阳性发状根。复合体植株接种根瘤菌4周后,转GmCYS20基因植株结瘤数目明显高于空载体对照,结瘤指示基因的转录水平也呈上升趋势。进一步对接种10 d复合体植株中根瘤菌的侵染表型进行统计发现,过量表达GmCYS20基因并不影响根瘤菌的侵染过程,而是在根瘤起始与发育阶段发挥正调控作用。结果表明:GmCYS20基因通过促进根瘤的起始与发育,从而参与调控共生结瘤过程。研究结果可为揭示豆科植物与根瘤菌的共生互作机制提供新的分子生物学证据。     

大豆GmCYS20基因在百脉根共生结瘤过程中的功能研究

半胱氨酸蛋白酶抑制剂(cystatin)参与豆科植物与根瘤菌共生结瘤过程。克隆了大豆的1个半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因GmCYS20,基因编码区全长为291bp。氨基酸多序列比对分析发现,大豆GmCYS20蛋白与野生大豆cystatin蛋白相似性高达99%。构建GmCYS20基因的植物表达载体,通过发根农杆菌介导的百脉根发状根转化法获得转GmCYS20基因复合体植株,利用GUS染色和RT-PCR方法鉴定阳性发状根。复合体植株接种根瘤菌4周后,转GmCYS20基因植株结瘤数目明显高于空载体对照,结瘤指示基因的转录水平也呈上升趋势。进一步对接种10d复合体植株中根瘤菌的侵染表型进行统计发现,过量表达GmCYS20基因并不影响根瘤菌的侵染过程,而是在根瘤起始与发育阶段发挥正调控作用。结果表明:GmCYS20基因通过促进根瘤的起始与发育,从而参与调控共生结瘤过程。研究结果可为揭示豆科植物与根瘤菌的共生互作机制提供新的分子生物学证据。     

小G蛋白对mTOR信号通路的调控

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一种重要的信号调控分子,通过磷酸化作用调控细胞内mRNA的翻译,参与膜蛋白转运、蛋白质降解、蛋白激酶c信号转导和核糖体合成等。不同家族的小G蛋白,如Rheb、Rag、RalA、Rac1和Rab5,在调控mTOR信号通路中发挥着重要作用。Rheb结合并直接激活mTOR,Rag和Rac1介导mTOR的定位,RalA通过磷脂酸的产生间接激活mTOR,Rab5调控mTORC1的活化和定位。本文将围绕近年来发现的多种小G蛋白家族成员参与调控mTOR信号通路的研究进展进行综述。     

盐胁迫应答基因GmWRKY6的克隆及转基因百脉根的抗盐分析

根据大豆盐胁迫RNA-Seq数据,筛选并克隆得到1个大豆WRKY类转录因子GmWRKY6基因。序列分析表明,该基因含有1 个1674 bp的开放阅读框,编码557 个AA,编码蛋白属于IIb 类WRKY 家族成员,含有1个WRKY 保守结构域和1个C₂H₂锌指结构基序。基因表达模式分析表明,GmWRKY6基因在大豆根中表达量较高,并且该基因受盐胁迫诱导表达。构建GmWRKY6基因的植物超表达载体,获得7株T₀代阳性转GmWRKY6基因百脉根。进一步对T₁代转基因株系进行抗盐分析发现,在200 mmol·L^-1 NaCl 处理14 d后转基因株系生长状态良好,而野生型对照生长矮小,叶片干枯。此外,对相关生理指标的测定发现,转基因株系叶片中脯氨酸和叶绿素含量显著高于野生型对照,而丙二醛含量和相对质膜透性显著低于野生型对照。此外,盐胁迫下转基因百脉根叶片中钠离子含量显著低于对照,而钾离子含量显著高于对照。以上结果表明大豆GmWRKY6基因的超表达能够显著增强百脉根的抗盐能力。     

大豆GmHDL57基因的克隆及抗盐功能鉴定

HD-Zip I类转录因子在植物抵御非生物胁迫过程中发挥重要功能, 本研究克隆得到1个大豆HD-Zip I类基因GmHDL57 (Glycine max homeodomain-leucine zipper protein 57)。序列分析表明, GmHDL57基因包含1个1038 bp的开放读码框, 编码345个氨基酸, 具有HD-Zip类家族蛋白典型的保守结构域。基因时空表达分析表明, 大豆GmHDL57基因在大豆植株的各个不同时期及不同器官中均有表达, 在花中表达量最高。采用实时荧光定量PCR技术分析了4种非生物胁迫(脱落酸、NaCl、PEG、冷)对幼苗期大豆根中GmHDL57基因表达的影响。结果表明, 该基因表达量受高盐胁迫诱导显著升高, 在脱落酸及干旱胁迫下上升幅度较小, 但在冷胁迫下呈下降趋势。盐胁迫前后GmHDL57基因在根中的表达量明显高于茎和叶, 在盐胁迫48 h时达到峰值, 72 h和96 h时表达量缓慢下降。此外, 构建GmHDL57基因的植物超表达载体, 利用根癌农杆菌转化法获得转基因百脉根, 200 mmol L ^-1 NaCl处理条件下, 转基因百脉根的株高、根长、叶绿素含量、根系活力以及阳离子K ⁺、Ca ²⁺含量显著高于野生型, 而丙二醛含量、相对质膜透性以及Na ⁺的含量明显低于野生型。以上研究结果表明, GmHDL57基因参与了大豆对非生物胁迫的应答过程, 过量表达GmHDL57基因能够显著提高百脉根的抗盐能力。     

盐胁迫应答基因GmWRKY6的克隆及转基因百脉根的抗盐分析

根据大豆盐胁迫RNA-Seq数据,筛选并克隆得到1个大豆WRKY类转录因子GmWRKY6基因。序列分析表明,该基因含有1个1674bp的开放阅读框,编码557个AA,编码蛋白属于IIb类WRKY家族成员,含有1个WRKY保守结构域和1个C2H2锌指结构基序。基因表达模式分析表明,GmWRKY6基因在大豆根中表达量较高,并且该基因受盐胁迫诱导表达。构建GmWRKY6基因的植物超表达载体,获得7株T0代阳性转GmWRKY6基因百脉根。进一步对T1代转基因株系进行抗盐分析发现,在200mmol·L-1 NaCl处理14d后转基因株系生长状态良好,而野生型对照生长矮小,叶片干枯。此外,对相关生理指标的测定发现,转基因株系叶片中脯氨酸和叶绿素含量显著高于野生型对照,而丙二醛含量和相对质膜透性显著低于野生型对照。此外,盐胁迫下转基因百脉根叶片中钠离子含量显著低于对照,而钾离子含量显著高于对照。以上结果表明大豆GmWRKY6基因的超表达能够显著增强百脉根的抗盐能力。     

大豆半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因GmCYS2的功能鉴定

半胱氨酸蛋白酶抑制剂(cystatin, CYS)在结瘤, 根瘤发育和衰老过程中起重要作用。本研究克隆了1个大豆CYS家族基因GmCYS2, 氨基酸序列比对及进化树分析表明, GmCYS2与木豆(Cajanus cajan) CYS相似性最高。在体外对该基因编码蛋白进行了表达和纯化, 重组蛋白GmCYS2的酶活性抑制实验显示, 该蛋白对L类和B类组织蛋白酶的抑制活性明显高于对H类组织蛋白酶, 并且在30 d根瘤提取物中的抑制活性高于在60 d根瘤提取物中。此外, 构建GmCYS2的植物表达载体, 通过百脉根毛根转化法获得转GmCYS2基因的超表达复合体植株。GmCYS2的超量表达增加了百脉根的结瘤数目, 并且上调共生标记基因的表达。结果说明GmCYS2蛋白具有一定的酶活性抑制作用, 并且正调控百脉根共生结瘤过程。     

大豆TGA转录因子基因GmTGA26在盐胁迫中的功能分析

TGA转录因子是bZIP的一个亚家族,在病原体和非生物胁迫反应中发挥重要作用。本研究在大豆中筛选并克隆得到1个TGA转录因子家族基因GmTGA26,同源蛋白比对表明GmTGA26具有保守的亮氨酸拉链结构域,与野生大豆同源性最高。基因表达特性分析表明, GmTGA26在大豆中受盐胁迫诱导表达。此外, GmTGA26编码核定位蛋白并且具有转录激活活性。通过发根农杆菌介导的大豆毛根转化,得到过表达GmTGA26的“复合体”大豆植株,在盐胁迫条件下,与空载体对照相比,“复合体”大豆植株生长状态更好,丙二醛含量和相对质膜透性明显降低(P<0.05),而叶绿素含量和根系活力则有显著的升高(P<0.05)。qRT-PCR结果表明,盐胁迫条件下在大豆毛状根中过表达GmTGA26可显著上调胁迫响应基因的表达。以上结果表明,过表达GmTGA26显著增强了“复合体”大豆植株的耐盐能力。推测GmTGA26通过调控下游一系列胁迫响应基因从而参与调控大豆盐胁迫应激反应过程。