陆地棉GhWRKY33的克隆及抗旱功能分析

【目的】通过克隆陆地棉GhWRKY33并研究其抗旱功能,为棉花抗旱机制解析及分子育种奠定基础。【方法】利用同源克隆的方法从陆地棉中棉所10号中克隆GhWRKY33的开放读码框(open reading frame,ORF),并进行生物信息学分析,分析该基因的二级结构、亲疏水性,预测磷酸化位点和启动子区域的顺式作用元件,在NCBI中通过BLASTP检索同源性高的蛋白序列进行序列比对并构建系统发育树;构建35S::GhWRKY33-GFP融合表达载体,通过农杆菌介导注射烟草叶片,观察荧光信号;利用qRT-PCR检测基因的组织表达特异性,以及干旱、ABA、JA、ET处理下的基因表达模式;构建GhWRKY33过表达载体并转化拟南芥,利用20%PEG6000对野生型和T3代转基因拟南芥进行干旱处理,观察处理后野生型和转基因拟南芥的表型,并测定脯氨酸和丙二醛含量等生理生化指标,分析目的基因与干旱响应基因AtP5CS、AtRD29A、AtCOR15A的表达水平。【结果】从陆地棉品种中棉所10号克隆获得GhWRKY33的ORF全长为1 533 bp,编码一个含510个氨基酸残基的蛋白,含有2个WRKY...     

陆地棉叶片特异性表达启动子的克隆与表达分析

【目的】本研究旨在获得叶片特异表达启动子的全长并进行表达分析,为抗逆转基因育种提供重要顺式作用元件。【方法】通过基因芯片及RT-PCR筛选鉴定出1个高活性的棉花叶片特异性表达基因,通过电子克隆及PCR获得了该基因全长,并通过染色体步移法(Genome walking)经过3次步移成功获得翻译起始位点上游2kb左右的DNA片段,将其命名为叶片特异性表达启动子LSP(leaf specific promoter)。【结果】生物信息学分析表明,该序列含有启动子的基本元件TATA-box、CAAT-box及多个顺势作用元件。通过构建该启动子驱动GUS的植物表达载体p Ghlsp∷GUS,并经农杆菌花絮侵染法转化拟南芥,对转基因拟南芥进行GUS组织化学染色观察,结果显示该基因主要在叶片中特异性表达,而根部以及茎部几乎不表达。【结论】LSP是一个全新的叶片特异性表达启动子,为研究外源基因在棉花叶片中的定位表达奠定基础。基因工程中利用此类启动子可以在改良棉花性状的同时减少对棉花生理方面的副作用,在棉花抗逆转基因育种方面有广泛的应用前景。     

陆地棉CRK基因家族的鉴定及其表达分析

【目的】富含半胱氨酸类受体激酶（CRK）是植物中最大的类受体激酶家族之一,在植物生长发育、激素信号传导和抗逆境胁迫中发挥重要作用。从全基因组水平鉴定陆地棉CRK基因家族并进行生物信息学和表达模式分析,为研究和利用陆地棉CRK基因家族奠定基础。【方法】从Pfam数据库下载stress-antifung结构域氨基酸序列,应用BLASTp程序搜索棉花基因组数据库,鉴定棉花CRK基因家族;利用Compute pI/Mw tool、SignalP、TMHMM Server V2.0、WoLF POSRT等在线工具预测陆地棉CRK家族蛋白的分子量、信号肽、跨膜结构域和亚细胞定位等;用ClustalX1.8软件对棉花和拟南芥CRK蛋白质进行氨基酸序列比对,MEGA5.0分析棉花和拟南芥CRK蛋白的系统进化关系;使用TBtools制作陆地棉CRK基因家族的染色体定位、基因结构和蛋白质结构域示意图;应用植物顺式调控元件数据库PlantCARE分析棉花启动子序列;通过植物磷酸化位点数据库PlantPhos预测陆地棉CRK家族蛋白的磷酸化位点;从NCBI数据库下载RNA-Seq数据,利用转录组定量工具Kallisto计算TPM值,通过在线工具Morpheus绘制陆地棉CRK家族基因表达热图。【结果】陆地棉基因组中有70个CRK基因,分布于14条染色体,其中52个基因（74.3%）集中串联成簇分布于A6/D6、A9/D9、A10/D10染色体,且在A/D染色体组之间呈现高度共线性关系。编码302-901个氨基酸,58个蛋白质（82.9%）具有跨膜结构域,主要定位于叶绿体、质膜和胞外。磷酸化位点预测结果表明,陆地棉和拟南芥CRK有5个相同的磷酸化位点基序,包括3种丝氨酸磷酸化位点基序和2种苏氨酸磷酸化位点基序。65个陆地棉CRK基因的启动子区（92.9%）至少含有一种逆境激素响应元件,69个基因启动子区（98.6%）至少含有一种生物或非生物胁迫响应元件。根据RNA-Seq数据分析结果,陆地棉CRK基因可分为3种不同的组织表达特征类型;盐、干旱、冷、热胁迫以及接种大丽轮枝菌均可以导致部分陆地棉CRK基因表达水平的改变。GhCRK25在根、茎、叶和胚珠中优势表达,在纤维中几乎不表达,ABA、GA3、SA、PEG-6000、氯化钠和大丽轮枝菌Vd991处理均能刺激GhCRK25迅速上调表达。应用病毒诱导的基因沉默技术（VIGS）沉默GhCRK25可导致棉花对大丽轮枝菌Vd991更为敏感。【结论】陆地棉CRK基因家族有70个成员,具有保守的基因结构和功能结构域,多样化的组织表达特征,大多数基因受激素和逆境调控。     

水稻OsFAH基因启动子的克隆及表达分析

以湘晚籼13号为材料,克隆了水稻OsFAH基因启动子,构建了OsFAH启动子与GUS基因融合表达载体,并转化拟南芥。序列分析结果表明,该启动子包含了启动子核心序列TATA–box和CAAT–box以及光响应元件等。GUS染色结果表明：在拟南芥幼嫩的子叶、下胚轴和真叶中,GUS的表达较强;随着叶片的衰老,GUS表达减弱;在根中,GUS主要在主根的维管柱内表达;黑暗处理会使GUS表达减弱;在黑暗条件下,OsFAH基因表达下调。     

谷子转录因子SiNAC18通过ABA信号途径正向调控干旱条件下的种子萌发

【目的】谷子(Setaria italica L.)具有显著耐旱性。研究旨在通过反向遗传学方法分析并鉴定在干旱条件下影响植物萌发过程的重要调控因子,为研究作物干旱条件下种子萌发的调控机制创造条件。【方法】使用Clustal X 2.0和MEGA 5.05软件对谷子SiNAC18蛋白序列及其同源序列进行多序列比对,并构建系统进化树;利用real-time PCR方法检测SiNAC18在不同胁迫条件下的表达模式;通过瞬时转化的方法分析SiNAC18蛋白亚细胞定位;在拟南芥中过表达SiNAC18,分析SiNAC18的生物学功能;分析SiNAC18在转基因拟南芥中可能控制的下游基因。【结果】SiNAC18全长1 074 bp,编码由357个氨基酸组成的亲水性蛋白,分子量约为38.8 k D;系统进化树分析表明SiNAC18属于NAC转录因子家族第Ⅰ组的NAP亚组,与拟南芥基因At NAC29同源性最高;氨基酸序列比对结果显示,SiNAC18与其他物种包括水稻、拟南芥、大豆和玉米中同源性最高的NAC类转录因子蛋白的N端都具有A、B、C、D和E这5个保守结构域,蛋白C端具有高度多态性,证明SiNAC18的N端序列与其结合下游基因启动子元件相关;real-time PCR结果显示,SiNAC18在干旱(PEG)、ABA、高盐(Na Cl)及过氧化氢(H2O2)处理条件下的表达量明显上升;亚细胞定位结果表明SiNAC18蛋白定位于细胞核中;基因功能分析结果显示,在ABA和PEG胁迫处理下,SiNAC18转基因拟南芥与野生型种子的萌发率存在明显差异:在正常生长条件下,野生型拟南芥WT和SiNAC18转基因拟南芥的萌发率基本一致,在PEG浓度为10%和15%的MS培养基上,SiNAC18转基因拟南芥的萌发率显著高于WT。在2和5μmol·L-1 ABA处理条件下,转基因拟南芥的萌发率显著低于WT;下游基因表达分析结果显示,ABA信号途径相关基因At RD29A,脯氨酸合成相关基因At P5CR和At PRODH以及过氧化物酶基因At PRX34在SiNAC18转基因株系中的表达量高于WT中的表达量,表明SiNAC18通过调控这些下游基因影响转基因植物在干旱条件下的萌发率。【结论】谷子NAC类转录因子基因SiNAC18可能通过ABA信号途径、氧化胁迫调控等途径正向调控植物在干旱条件下的萌发过程。     

拟南芥次生生长相关NAC转录因子保守结构域分析

【目的】了解植物次生生长调控网络以及挖掘新型次生生长相关NAC转录因子。【方法】通过生物信息学手段对19个拟南芥次生生长相关NAC转录因子进行氨基酸序列比对及系统发生树的构建,寻找保守结构域,并对其保守结构域及蛋白质的二级结构、亚细胞定位等进行分析、预测。【结果】通过对19个拟南芥NAC转录因子的N端保守域进行划分,共发现A、B、C、D、E5个保守性不同、同时含有多个化学修饰位点以及疏水性区域的亚结构域,其中亚域D可能涉及DNA绑定及核定位信号功能,而位于多变氨基酸序列C端的F区与G区,可能涉及转录激活功能,而该区域也是划分次生生长相关NAC转录因子亚家族的重要区域。【结论】拟南芥NAC类转录因子的保守结构域,对于次生生长NAC转录因子家族功能的发挥具有重要作用。     

棉花GhGT-2转录因子的克隆及其功能分析

【目的】棉花是重要的纤维作物,其生长常遭受非生物逆境危害,严重影响棉花的生长和产量。Trihelix转录因子在植物抵御各种逆境胁迫中扮演重要作用。克隆棉花Trihelix转录因子基因并分析其表达特性和功能,为最终利用转基因手段改良棉花抗逆性奠定基础。【方法】通过BLAST分析比对,从棉花EST数据库中获得1个高度同源基因,通过基因序列分析,发现其属于Trihelix转录因子GT-2亚家族,命名为GhGT-2。以棉花叶片总RNA为模板,根据EST序列设计引物,利用RT-PCR结合RACE技术,获得GhGT-2的编码序列。使用MEGA5对蛋白序列及其同源序列进行多序列比对分析,并构建同源物种间系统进化树,通过SMART网站（http://smart.embl- heidelberg.de/）进行蛋白结构预测。以陆地棉品种新陆早26号为研究材料,在棉花15 d苗龄时（一对真叶期）,分别对其植株进行非生物胁迫和ABA处理0、1、3、6和12 h,然后采集相应时段棉苗叶片。另外采集同一品种棉花的不同发育时期的根、茎、叶、花、开花后当天胚珠以及开花后12 d（12 days post anthesis,DPA）纤维等不同组织样品,利用实时荧光定量PCR方法分析GhGT-2在棉花不同组织间的表达差异及其在低温、干旱、高盐和ABA处理下的表达模式。将GhGT-2克隆至GFP表达载体pBI221,和GAL4 DNA结合结构域载体,在拟南芥原生质体中验证GhGT-2在细胞内的定位情况和转录激活活性。利用凝胶迁移试验（EMSA）检测DNA结合元件。【结果】克隆了棉花GhGT-2的cDNA全长序列。该基因cDNA全长1 579 bp,开放阅读框为1 428 bp,编码475个氨基酸的蛋白,推导编码蛋白质的分子量为54.07 kD,等电点为8.96。SMART蛋白结构预测发现,该蛋白含有2个Trihelix家族典型的SANT蛋白结合域。系统进化树分析表明,GhGT-2属于Trihelix转录因子GT-2亚家族,与拟南芥AtGTL1、白杨PtaGTL1 GT2-Box、GT3-Box、GT-1b（BoxⅡ）和MYB元件MBS1、MRE1、MRE3、MRE4亲缘关系最近。实时荧光定量PCR表明,GhGT-2在棉花的根、茎、叶、花、开花后当天胚珠以及开花后12 d（12 DPA）纤维中均有表达,其中,在叶中表达量最高,在根中表达量最低。在冷胁迫下,GhGT-2除在3 h时表达量接近0 h外,在1、6和12 h的表达量均低于0 h,呈现抑制表达特征。在高盐、干旱和ABA处理3种胁迫下,GhGT-2在1 h的表达量均低于0 h,但3、6和12 h的表达量均高于0 h,表现为先抑制后上调表达特征。推测该基因可能参与棉花ABA信号通路中对逆境胁迫的抗性反应。利用拟南芥原生质体分析,GhGT-2主要定位于细胞核中,转录激活活性不明显。凝胶阻滞（EMSA）分析发现,GhGT-2可以结合GT元件。【结论】获得棉花GhGT-2的全长cDNA序列,其编码蛋白含有2个SANT蛋白结合域,属于棉花Trihelix转录因子GT-2亚家族。在干旱、高盐和ABA逆境胁迫下,GhGT-2属于依赖于ABA胁迫响应基因调控网络,推测GhGT-2在陆地棉的非生物胁迫适应过程中可能具有重要的作用。     

棉花烟酰胺合成酶基因GbNocotin及其启动子的克隆和功能分析

【目的】克隆棉花烟酰胺合成酶基因及其启动子,明确其表达特征,分析其在转基因育种中的应用前景。【方法】根据对一个棉花Maxxa BAC克隆（78L16）的测序结果,首先从海岛棉品种海7124中PCR扩增获得了棉花烟酰胺合成酶基因GbNocotin的启动子序列,并利用网上数据库PLACE对该序列进行调控元件的预测分析。其次构建该启动子与GUS 连接的重组载体pGbNocotin::GUS,并通过花浸染法转化拟南芥并获得转基因植株,分别在幼苗期和成熟期对转基因植株进行GUS染色分析。然后通过RT-PCR获得GbNocotin的开放阅读框（ORF）序列,并利用Mega5.0对GbNocotin进行进化树分析,最后利用实时荧光定量PCR（Real Time PCR）对该基因进行组织表达,诱导表达分析。【结果】GbNocotin的启动子区为1.8 kb,通过相似性比较预测发现该启动子含有1个专一性Fe缺乏诱导元件IRO2OS,还含有干旱、重金属、病原物等逆境响应元件以及植物激素响应元件等。对转化pGbNocotin::GUS拟南芥植株的GUS染色结果表明,在幼苗期GUS基因主要在根部以及下胚轴处表达,而在成熟期除了在根部表达外,还在果荚的基部、花序以及叶柄基部表达。GbNocotin的开放阅读框含有864个核苷酸,编码287个氨基酸,该蛋白等电点为6.76,分子量为 32.7 kD。虽然在第11-286位氨基酸处具有NAS保守结构域（PFAM accession number: PF03059）,但是与其他植物来源的该类基因相似性较低,与相似度最高的拟南芥的ATNAS3也仅有43%的相似性。GbNocotin的表达具有器官差异性,在根和茎中的表达最强,其次是棉纤维和花,但是在叶片及胚珠中表达量很低。另外,该基因在缺铁条件下表达量显著上升,在缺铁处理一周后棉花幼根中的表达量较对照增加9倍。而CuSO4、PEG、脱落酸（ABA）以及赤霉素（GA）处理均抑制其表达,但是抑制程度不同。尽管4种条件处理24 h后都会使GbNocotin的表达量显著降低,但是CuSO4和ABA的抑制效果最为显著。而48 h后,PEG和GA处理基因的表达量得到恢复,但是CuSO4和ABA处理表达量仍然较低。【结论】GbNocotin的表达具有器官差异性,并受铁缺失诱导以及胁迫条件抑制。该基因与棉花Fe的吸收可能密切相关,有潜在的应用价值。     

小麦蛋白激酶TaNPK启动子的克隆及活性分析

 【目的】克隆小麦蛋白激酶基因TaNPK启动子,并分析5′非编码区对盐胁迫的响应,探索TaNPK的调控机制,为解析小麦抗盐机制提供理论依据。【方法】利用染色体步移技术从小麦中分离TaNPK读码框上游序列,构建启动子缺失突变体,在PEG4 000介导下将重组质粒转入拟南芥叶片原生质体进行瞬时表达分析,以gus为报告基因研究不同调控序列的活性及盐诱导性分析。【结果】获得了TaNPK读码框上游2 004 bp的启动子序列,PEG介导的拟南芥原生质体瞬时表达分析表明,5′端缺失片段都在不同程度上驱动了GUS的表达;经过NaCl处理后的原生质体,GUS的表达量比不经处理的对照组明显提高,这与NaCl处理下TaNPK的实时荧光定量分析结果一致。【结论】经克隆获得了受盐胁迫诱导的小麦TaNPK启动子,启动子缺失区段在不同程度上驱动了gus的表达,-1 083—-1 296 bp区段可能含有响应盐胁迫的负调控元件。     

杂交鹅掌楸LhFB1基因启动子的克隆及活性分析

【目的】研究杂交鹅掌楸LhFB1基因启动子(pLhFB1)的活性,为研究该基因功能及相关机制提供参考。【方法】利用染色体步移法(Genome Walking)克隆LhFB1基因上游5′侧翼调控区序列,利用生物信息学软件PlantCARE分析其包含的顺式作用调控元件。构建pCAMBIA1300-pLhFB1重组载体,对本氏烟草幼苗期叶片进行瞬转注射和GUS染色表达。花序浸染法将重组载体转化至野生型拟南芥,GUS组织染色分析其在T_2代转基因植株开花期根、茎、叶和花组织中的表达量,并用qRT-PCR对GUS组织染色进行活性验证。【结果】pLhFB1启动子序列长1 780 bp,含有多个TATA-box和CAAT-box及压力响应、激素响应、光信号转导、代谢循环元件。瞬转结果表明,烟草叶片注射部位有蓝色斑点,说明启动子有活性。遗传转化结果表明,转pLhFB1启动子拟南芥根、茎、叶和花组织中都有不同程度的蓝色,且根和茎中的蓝色斑块较深。qRT-PCR结果说明,pLhFB1启动子在拟南芥根、茎、叶和花组织都有表达,与GUS染色结果基本相符。【结论】克隆得到pLhFB1启动子序列,其在转拟南芥植株各组织中都有活性,但以根和茎中较强。     

陆地棉开花相关基因GhFLP5的表达及功能分析

【目的】克隆陆地棉开花促进因子家族的一个基因Flowering Promoting Factor1-like Protein 5(Gh FLP5),并对其时空表达模式进行研究,解析其在开花调控过程中的作用,为创制早熟陆地棉材料奠定基础。【方法】根据NCBI数据库中的序列,用Oligo7软件设计引物,以中棉所50(CCRI50)的c DNA为模板,克隆获得Gh FLP5。在Ex PASy网站上预测其蛋白的理化性质,同时在NCBI中检索其他物种中的FPF蛋白,使用Clustal X2进行多重序列比对,并用MEGA6构建系统进化树;取陆地棉早熟品种CCRI50和中晚熟品种鲁棉研28(Lu28)不同生长时期、不同组织的样品,对Gh FLP5的时间和空间表达模式进行分析;从基因组数据库中调取Gh FLP5起始密码子上游1 500 bp的片段,用Plant CARE在线工具预测其顺式作用元件,选取相关激素对二叶期棉花幼苗进行叶面喷施处理,研究Gh FLP5的应答反应;构建植物表达载体p BI121-Gh FLP5,转化拟南芥,观察转基因株系的表型,并用q RT-PCR对其内源基因表达的变化进行测定。【结果】Gh FLP5开放阅读框长300 bp,编码的蛋白质分子量为11.4 k D,共包含3个比较保守的区域,与大豆、苜蓿和毛果杨的开花促进因子亲缘关系较近。空间表达模式分析表明,Gh FLP5在叶片中优势表达,且在早熟品种CCRI50中的表达量显著高于晚熟品种Lu28;时间表达模式分析表明,在CCRI50中其表达量高峰出现在三叶期,而在Lu28中四叶期表达量最高。Gh FLP5的启动子上主要存在两大类顺式作用元件,一类是光响应元件和生物钟元件,一类是胁迫响应元件。根据顺式作用元件的分布和功能选取水杨酸(SA)、脱落酸(ABA)和茉莉酸(JA)喷施处理棉花幼苗,结果表明,Gh FLP5能响应外源SA和ABA而上调,也会被外施JA抑制。组成型表达Gh FLP5的拟南芥株系抽薹时间提前约9 d,开花时间提前约7 d,莲座叶数目减少,差异达到极显著水平。荧光定量的结果表明转基因拟南芥中促进开花的基因LEAFY(At LFY)、SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS(At SOC1)、FLOWERING LOCUS T(At FT)、APETALA1(At AP1)和FRUITFULL(At FUL)表达量显著升高,抑制开花的基因Flowering Locus C(At FLC)表达量显著降低。在转基因拟南芥中生长素应答基因SMALL AUXIN UPREGULATED 20(At SAUR20)和SMALL AUXIN UPREGULATED22(At SAUR22)显著上调,具有生物活性的赤霉素(GA)合成的相关基因GIBBERELLIN 20-OXIDASE 1(GA20OX1)的表达量提高2倍。【结论】转基因拟南芥早花表型明显,Gh FLP5可能在调控中发挥了双重作用,通过IAA和GA途径促进拟南芥的开花转型。     

番茄转录因子SlNAC29在调控植株衰老中的作用及机理

【背景】番茄(Solanum lycopersicum)作为连续发芽分化和坐果的重要园艺作物,早衰是限制其生长期长短、产量和品质的重要因素。NAC(NAM、ATAF1/2和CUC2)转录因子家族参与调控拟南芥、水稻等多种植物衰老进程,但在番茄中的研究尚不深入。目前已知,SlNAP2(NAC-like, activated by apetala3/pistillata)参与番茄植株衰老进程。【目的】SlNAC29为SlNAP2的同源基因,对其在番茄植株衰老中的功能及调控机制进行研究,以期为园艺栽培中番茄的衰老调控及种质创新提供科学依据。【方法】以野生型番茄(Condine Red,CR)为背景,采用qRT-PCR技术明确SlNAC29在不同衰老阶段叶片中的相对表达量,并分别利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和基因过表达技术构建Slnac29纯合突变体及OE:SlNAC29稳定过表达植株。在此基础上,在自然生长状态下和黑暗处理诱导衰老条件下,对野生型、Slnac29突变体和OE:SlNAC29过表达植株的生长、叶绿素含量、光合作用、叶片衰老和叶绿素降解相关基因的相对表达量等参数进行分析...     

谷子转录因子基因SibZIP42在拟南芥中对高盐和ABA的响应

【目的】分析谷子抗逆相关转录因子基因Sib ZIP42的特性和生物学功能,探讨Sib ZIP42提高植物耐盐性的调控途径,为作物抗逆分子育种提供新的候选基因。【方法】利用生物信息学方法分析谷子Sib ZIP42的特性:使用Clustal X 2.0和MEGA 5.05软件对谷子Sib ZIP42蛋白序列及其同源序列进行多序列比对,并构建系统进化树;从数据库Phytozome获取谷子Sib ZIP42上游2 000 bp作为启动子序列,在PLACE数据库对Sib ZIP42启动子顺式作用元件进行分析;使用Net Phos 2.0 Server数据库预测Sib ZIP42蛋白磷酸化位点;利用实时荧光定量PCR检测Sib ZIP42在不同胁迫条件下的表达模式;将Sib ZIP42与绿色荧光蛋白GFP融合表达,检测Sib ZIP42蛋白的亚细胞定位情况;构建植物表达载体p BI121-Sib ZIP42,转化拟南芥并检测转Sib ZIP42拟南芥的耐盐性及对ABA处理的敏感性。分析转Sib ZIP42拟南芥中ABA及脱水响应相关基因表达变化,分析Sib ZIP42调控植物耐盐性的作用机制。【结果】谷子Sib ZIP42全长546 bp,编码由181个氨基酸组成的亲水性蛋白,分子量约为20.3k D,基因编码区包含1个外显子;系统进化树分析表明该基因位于b ZIP基因家族的S亚组;Sib ZIP42与拟南芥Atb ZIP42序列同源性最高;启动子元件分析表明,Sib ZIP42包含ABRE、MYB、MYC等多种逆境胁迫应答相关元件;磷酸化位点分析结果显示Sib ZIP42含有14个丝氨酸、4个酪氨酸和1个苏氨酸磷酸化位点;实时荧光定量PCR结果显示,Sib ZIP42对多种非生物胁迫均有不同程度的响应,在高盐、干旱(PEG)和ABA处理条件下表达量明显上升,Sib ZIP42在根部的表达量显著高于在茎及叶子中的表达;亚细胞定位结果表明,Sib ZIP42蛋白定位于细胞核中;基因功能分析结果显示,在正常MS培养基上,野生型拟南芥WT和Sib ZIP42转基因拟南芥的萌发率基本一致,在Na Cl浓度为90、120和150 mmol·L~(-1)的MS培养基上,转基因拟南芥萌发率显著高于WT,在90 mmol·L~(-1) Na Cl处理条件下,转基因拟南芥的绿化率显著高于WT;在ABA浓度为0.5、1和2μmol·L~(-1)的MS培养基上,转基因拟南芥的绿化率显著低于WT;下游基因检测结果表明,HIS1-3、RD29B和RAB18等ABA胁迫响应相关基因以及脱水响应相关基因At PIP2A在转基因植株中表达量显著高于在WT中的表达,表明Sib ZIP42可能通过ABA信号途径提高植物对高盐胁迫的耐性。【结论】与WT相比,Sib ZIP42转基因拟南芥株系在种子萌发时期耐盐性显著提高。同时,在种子萌发后期Sib ZIP42转基因株系相比于WT对ABA处理的敏感性增强,Sib ZIP42可能通过ABA信号途径正向调控植物的耐盐性。     

番茄U6启动子的克隆及CRISPR/Cas9基因编辑体系的建立

【目的】从番茄中克隆高效转录的SlU6启动子,构建CRISPR/Cas9基因编辑载体,并在番茄中建立CRISPR/Cas9系统,为番茄功能基因组学和分子育种研究提供技术基础。【方法】采用PCR方法从‘中蔬四号’番茄品种中克隆4种SlU6启动子,利用Transfer PCR方法分别对4个启动子进行两种不同长度的截短,分别构建8个截短的SlU6启动子驱动GUS的植物融合表达载体。利用农杆菌瞬时转化法分别转染番茄叶片,通过GUS染色筛选出在番茄叶片中转录活性较高的SlU6-2启动子。采用DNA重组技术构建以SlU6-2为启动子驱动sgRNA,以番茄白粉病相关基因MLO1和EDR1为靶序列的CRISPR/Cas9基因组编辑载体。载体构建成功后,采用PEG法转化番茄原生质体,提取基因组DNA,采用酶切/PCR法分析内源基因突变情况;采用测序法分析内源基因突变的类型。利用突变位点频率分布图来验证番茄内源启动子在番茄CRISPR/Cas9系统中的有效性。【结果】经过两轮PCR,共获得4种8个不同长度的番茄U6启动子,其长度分别是452、202、448、206、433、190、448和218 bp,启动子序列比对分析发现番茄U6启动子与拟南芥U6启动子一样,也含有比较保守的两个元件,USE和TATA框。成功构建了8个SlU6启动子分别驱动GUS的植物融合表达载体。番茄叶片染色结果显示转化后的番茄叶片均被染成蓝色,表明克隆的番茄8个SlU6启动子均具有转录活性。选择SlU6-2P4为启动子驱动sgRNA,成功构建番茄白粉病相关基因MLO1和EDR1为靶序列的CRISPR/Cas9基因组编辑载体,验证结果表明番茄内源启动子SlU6-2P4能有效地驱动sgRNA的转录,并成功实现对番茄内源基因的编辑。内源基因突变的类型都为碱基替换,突变热点仅存在于内源基因靶序列区。【结论】成功克隆了4种在番茄叶片中高效转录的SlU6启动子;基于SlU6-2启动子的CRISPR/Cas9基因组编辑载体,在番茄中成功实现对内源基因的编辑。     

水稻早衰突变体es5的鉴定及其突变基因的精细定位

【目的】对水稻叶片早衰突变体es5进行遗传分析及精细定位,探索水稻叶片衰老的分子机制。【方法】es5是嘉禾212经EMS诱变获得的一个叶片早衰突变体。利用es5与籼稻中恢8015杂交获得F1,F1自交获得分离群体F2。在杭州和海南观察F1和F2的表型,并分析该突变表型的遗传行为。取F2中隐性单株,利用图位克隆方法精细定位该基因。抽穗期时对突变体和野生型叶片进行SOD活性、MDA含量、可溶性蛋白含量、叶绿素含量、净光合速率测定、组织化学分析、透射电镜观察以及衰老相关基因的表达量分析。成熟后调查es5和嘉禾212的几个重要农艺性状。【结果】四叶期前es5表型与嘉禾212相比无明显差异,四叶期时下部叶片叶尖开始黄化衰老,随着植株的生长发育,叶片的衰老面积逐渐变大,至拔节期,中下部叶片黄化衰老严重。与野生型相比,es5的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和净光合速率均显著下降,es5的株高、有效穗数、每穗总粒数、千粒重、结实率等农艺性状都极显著下降。伊文思蓝染色和二氨基联苯胺染色分析结果表明,es5叶片中含有更多的死亡细胞和过氧化氢积累。酶活性和衰老相关参数的测量结果显示抽穗7 d和抽穗21d,es5叶片中的SOD活性均显著高于嘉禾212中SOD活性;抽穗21 d时,es5中MDA含量显著高于嘉禾212中MDA含量;抽穗7 d和抽穗21des5叶片中可溶性蛋白含量均极显著低于嘉禾212中可溶性蛋白含量。透射电镜观察结果表明es5衰老部位细胞质溶解,叶绿体结构异常,叶绿体膜溶解,基粒模糊,基质片层疏松,类囊体发育异常,淀粉体和嗜饿颗粒增多。qRT-PCR结果显示es5中促进衰老的基因Osh36、Osh69、OsI85、RCCR1表达量极显著上调。2个衰老的标志基因Osh69和OsI85表达量分别上调12.7和36.6倍。同时叶绿素降解相关基因SGR也显著上调。遗传分析结果表明该性状是由单隐性核基因控制。采用图位克隆的方法将该基因精细定位在第5染色体上的BF-10和RM3664两标记之间,物理距离约52.7 kb,该区间包含8个开放阅读框。【结论】es5由于叶片的过早衰老造成与产量相关的几个重要农艺性状显著下降。将该基因定位在第5染色体介于标记BF-10和RM3664之间52.7 kb的物理区间内。     

拟南芥仅含START结构域亚家族基因特性与功能分析

【目的】分析拟南芥中仅含START结构域(the lipid/sterol-binding St AR-related lipid transfer protein domains)亚家族成员的启动子元件及表达特性,阐明启动子元件与表达特性的相互关系,为明确仅含START结构域亚家族的生物学功能,解析植物生长发育机理、更好地促控植物生长提供理论依据。【方法】利用生物信息学方法分析仅含START结构域亚家族6个成员的亲缘关系及各自启动子区所包含的所有元件,对启动子元件的功能进行分析和分类;利用real-time PCR方法研究亚家族成员的表达特性;用突变体分析确认基因的功能;分析通过启动子元件分析预测的基因功能与通过突变体分析确认的基因功能间的相关性,为基因的功能和作用机制分析提供科研思路和方法。【结果】生物信息学分析表明,拟南芥中仅含START结构域亚家族成员共6个,分为3个分支,每个分支一对基因,每一对基因中均有一个基因的启动子中含有高转录水平元件5′UTR Py-rich stretch,6个亚家族成员的启动子区均含有多个光、激素和逆境响应元件,也存在各自特异的响应元件;用real-time PCR分析基因的表达量,结果与生物信息学预测结果一致:At3g13062的表达量明显高于同分支的At1g55960,At3g23080的表达量明显高于同分支的At4g14500,At1g64720的表达量明显高于同分支的At5g54170。组织定位分析表明亚家族成员有特异的时空表达特性:At3g13062和At1g55960在幼苗期就有明显表达,但At3g13062主要在子叶、下胚轴和根中表达,而At1g55960主要在根中表达量较多;在成苗期拟南芥中,At3g13062主要在叶片中表达,在根中表达量较少;而At1g55960在成苗期拟南芥的叶片和根系的表达量均较多;At3g23080和At4g14500在幼苗期表达量较少,而在成苗期表达量增加,At3g23080主要分布于莲座叶中,At4g14500主要分布于莲座叶叶柄部。上述结果表明仅含START结构域亚家族成员可能在拟南芥不同时期和不同的部位分别行使着功能。利用生物信息学对启动子元件分析发现,各个基因均具有胚乳特意表达的Skn-1 motif元件,暗示着该家族基因可能参与调控胚乳的发育,进而影响种子的活力和萌发;通过对At3g23080和At4g14500的T-DNA插入突变体种子的分析表明,At3g23080和At4g14500表达量下降均会导致种子活力和萌发率的下降,这与生物信息学预测结果一致。【结论】拟南芥中仅含START结构域的亚家族有6个成员;6个亚家族成员可能在光、激素和逆境调控的发育过程中具有重要的作用;含START结构域的亚家族6个成员虽然同源关系较近,但具有各自的时空表达特性,在拟南芥的不同组织和不同发育时期执行着各自的功能。基因启动子元件与基因功能有直接关系,启动子区具有胚乳特意表达Skn-1 motif元件的At3g23080和At4g14500表达量下降均会导致种子活力和萌发率下降。     

SSMP的结构解析及在拟南芥抗盐过程中的作用

【目的】解析SSMP（salt-sensitive membrane protein）的结构,明确SSMP的表达特性,预测和分析SSMP在拟南芥逆境胁迫过程中的作用。【方法】利用生物信息学方法,解析SSMP的结构特征;利用Real-time PCR技术分析SSMP的时空表达特性;利用SSMP-GFP融合技术转化拟南芥叶片原生质体,对SSMP进行亚细胞定位;构建SSMP的启动子连接报告基因GUS的表达载体,转化野生型拟南芥,通过染色方法观察报告基因GUS的表达情况,从而进行SSMP的组织定位分析;构建SSMP过表达载体,利用农杆菌侵染花絮法转化拟南芥,qRT-PCR技术验证过表达SSMP拟南芥阳性苗,分析过表达SSMP拟南芥的表型并进行抗逆性分析,明确SSMP的生物学功能;利用电导仪法比较过表达SSMP拟南芥和野生型拟南芥叶片的细胞膜透性,分析SSMP在拟南芥抵抗逆境胁迫过程中的作用。【结果】生物信息学分析表明,SSMP含有START（the lipid/sterol-binding StAR-related lipid transfer protein domains）保守域、共411个氨基酸,具有磷脂酰胆碱的结合位点,预测SSMP可能影响膜的组成。对SSMP的高级结构进行解析,SSMP含有9个反平行的β-折叠和2个α-螺旋,形成1个明显的疏水腔,N端的α-螺旋在疏水腔外,另一个α-螺旋形成疏水腔的盖子结构。Real-time PCR对拟南芥的不同组织及发育时期的SSMP表达量的分析表明,SSMP在拟南芥各组织中均有表达,表达量由高到低的顺序依次为茎生叶、莲座叶、茎、根、花和种子。SSMPpro::GUS转基因拟南芥幼苗的染色结果表明,在正常情况下,GUS主要在下胚轴、整个子叶和真叶的叶脉及表皮毛处表达;50 mmol·L^-1 NaCl处理后,GUS在下胚轴和子叶中表达没有明显的变化,但在真叶中的表达减少;100 mmol·L^-1 NaCl处理后,GUS的表达在下胚轴、子叶和真叶中都明显减少,子叶中GUS主要在叶脉处表达,在真叶中仅在顶端还有表达,这说明SSMP的表达受NaCl抑制。激光共聚焦显微镜488 nm波长下对SSMP-GFP的亚细胞定位进行观察,SSMP主要定位在细胞质膜上。过表达SSMP转基因拟南芥的细胞膜透性增加,不利于植物的抗逆性。进一步的萌发试验对过表达SSMP的转基因拟南芥的萌发率和转绿率进行了统计分析,结果表明,过表达SSMP明显抑制拟南芥种子的萌发。【结论】SSMP是具有磷脂酰胆碱结合位点的共411个氨基酸的蛋白质,含START结构域,主要位于细胞质膜上;在拟南芥各组织中均有表达,尤其在叶片中表达量最高,主要定位在整个子叶和真叶的叶脉及表皮毛着生处;SSMP的表达受盐胁迫的抑制;过表达SSMP的拟南芥细胞膜透性增加,耐盐性降低。     

紫花苜蓿NAC类转录因子基因MsNAC2的克隆及其功能分析

【目的】NAC转录因子是植物特有的一类转录因子,N端含有一段高度保守、约150个氨基酸组成的NAC结构域,而C端为高度变异的转录调控区。NAC转录因子不仅参与植物生长发育的调控,而且在植物抗逆反应中具有重要的调控作用。作者从紫花苜蓿中克隆了一个NAC类转录因子基因MsNAC2,期望通过分析其DNA和氨基酸序列特征,阐明其在紫花苜蓿中响应非生物胁迫的表达模式,通过在烟草中过量表达鉴定其生物学功能,为进一步了解MsNAC2在紫花苜蓿中的耐逆调控机理提供试验基础,并为通过转基因技术改善紫花苜蓿抗逆力和提高其品质奠定研究基础。【方法】应用RT-PCR和RACE技术获得紫花苜蓿MsNAC2全长序列,并进行生物信息学分析。应用real-time PCR技术分析该基因在非生物胁迫下的时空表达特征。构建MsNAC2-GFP融合表达载体,进行基因表达的亚细胞定位分析。同时构建pBI121-MsNAC2植物超表达载体,通过农杆菌介导法转化烟草叶盘,比较逆境胁迫条件下野生型烟草和转基因株系的表型和生理指标,鉴定超表达MsNAC2对烟草耐逆能力的调控效应。【结果】MsNAC2全长1 358 bp,开放阅读框长度为1 023 bp,编码340个氨基酸,编码蛋白质分子量为39.4 kD,其N端含有典型的NAC保守结构域,C端高度变异。进化树聚类分析表明,该基因与脐橙CsNAC亲缘关系较近,属于NAC蛋白的ATAF亚家族。洋葱亚细胞定位分析表明MsNAC2定位于细胞核。转录水平表达分析表明MsNAC2受250 mmol·L^-1 NaCl、20% PEG6000、0.1 mmol·L^-1 ABA和4℃胁迫诱导而显著升高,并且MsNAC2在根中的表达量要明显高于在叶中的表达量。抗性试验结果显示,在NaCl、PEG和4℃冷害胁迫下,转基因烟草苗高、根长、鲜重和干重等生长指标均高于野生型。生理指标检测结果表明,在250 mmol·L^-1 NaCl、20% PEG6000和4℃处理24 h后,转基因烟草叶片丙二醛含量明显低于野生型烟草,分别为野生型的82.6%、73.2%和77.8%。脯氨酸含量高于野生型烟草,分别达1.52倍、1.72倍和2.24倍,且SOD和POD的活性均高于野生型烟草,分别为野生型的1.101倍、1.105倍、1.33倍和1.12倍、1.08倍及1.19倍。【结论】从紫花苜蓿中克隆了一个新的NAC转录因子基因MsNAC2,该基因能够对盐、冷害和干旱胁迫产生响应,与野生型烟草相比,过量表达MsNAC₂烟草具有较强的耐盐、抗旱和抵御寒冷的能力,说明该基因可能参与调控非生物逆境胁迫的生理响应。     

苹果MdcyMDH过量表达对光合、激素和生长的影响

【目的】获得过量表达苹果细胞质苹果酸脱氢酶基因（MdcyMDH）的苹果植株,评价其过量表达对转基因株系生长的影响,并通过光合特性和和激素水平来探讨其调控生长的机理,为进一步揭示该基因调控生长发育的机制奠定基础。【方法】从苹果叶片中克隆MdcyMDH编码区,连接植物表达载体pBI121,转化农杆菌LBA4404;利用农杆菌侵染‘嘎啦’苹果叶片,通过叶片再生的方法获得MdcyMDH过表达的转基因苹果株系。以分化的苹果组培苗叶片为材料,提取基因组DNA,利用来自35S启动子和转化基因序列的引物,通过PCR初步筛选转基因株系;然后,提取初筛的转基因苹果组培苗叶片RNA,分别采用半定量和荧光定量PCR的方法检测MdcyMDH表达量,来确定MdcyMDH过表达株系。以继代培养40和60 d的野生型和转基因苹果组培苗为材料,进行生根处理,30 d后测定MdcyMDH过表达对组培苗表型以及株高、叶片数量、根重等生长参数的影响。以驯化的、在大田生长一年的野生型和转基因苹果苗为材料,测定叶片光合参数和叶绿素含量的变化;以组培苗为材料,利用液质联用仪测定叶片内源激素含量的变化。【结果】以苹果叶片基因组DNA为材料,PCR初步筛选获得了3个转基因株系,即Line 2、Line 3和Line 4;半定量和荧光定量PCR检测发现Line 2和Line 4中MdcyMDH表达量分别比野生型提高了12倍和5倍,因此确定以上两个株系为MdcyMDH过表达株系。此外,MdcyMDH过量表达也提高了叶绿体苹果酸脱氢酶基因（MdchMDH）表达量。组培苗生根培养30 d后,MdcyMDH过表达对转基因株系的株高、叶数目、茎粗度、地上部重量未造成显著性影响,但小幅提高了转基因株系的株高和地上部总重量;与野生型相比,MdcyMDH过量表达显著提高了根系的重量和总鲜重。MdcyMDH过表达显著提高了转基因株系的光合速率,Line 2和4光合速率分别提高了13.2%和15.1%;转基因株系的蒸腾速率和气孔导度总体上都有显著性提高,但其胞间CO₂浓度显著降低;MdcyMDH过量表达显著提高了叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量,与对照相比,Line 2和4株系叶绿素总含量分别提高了20.4%和15.9%。叶片激素含量测定表明,MdcyMDH过量表达显著抑制了ABA水平,其含量约为对照的1/2。【结论】MdcyMDH过量表达通过提高光合能力和降低ABA水平促进了转基因苹果组培苗的生长,尤其是促进了生根。