扁蓿豆DNA甲基转移酶基因MrMET1的克隆及表达分析

DNA甲基化是一类重要的表观遗传修饰,在植物对非生物胁迫的响应中发挥重要作用。DNA的甲基化需要DNA甲基转移酶催化。为挖掘扁蓿豆中DNA甲基转移酶基因,解析其是否参与扁蓿豆抗逆性应答,本研究利用RT-PCR技术从扁蓿豆中克隆到1个胞嘧啶5-甲基DNA转移酶基因,该基因含1 071 bp的开放阅读框,编码357个氨基酸。生物信息学分析确定该基因为DNA甲基转移酶1 MrMET1基因。实时荧光定量PCR显示,MrMET1基因在不同非生物胁迫(低温,干旱, NaCl)及ABA处理下,不同时间表达量呈现不同的变化趋势,推测该基因参与了扁蓿豆对非生物胁迫的响应。本研究结果对深入解析METs基因的功能,理解牧草对非生物逆境胁迫响应机制具有一定的参考意义。     

水稻ABA生物合成基因OsNCED3响应干旱胁迫

9-顺-环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)是植物内源脱落酸(ABA)生物合成的限速酶,由NCED基因家族编码,水稻中响应干旱胁迫并以此调节ABA水平的OsNCED基因尚见未报道。本研究发现在水稻已报道的5个OsNCED基因中,OsNCED3的表达受干旱胁迫诱导,复水处理后其表达快速下调,其表达模式与此过程中内源ABA含量变化趋势一致。OsNCED3的RNAi转基因植株表现为干旱敏感,且生物量下降;而过量表达OsNCED3基因增加了水稻的抗旱性。干旱胁迫下过量表达OsNCED3的转基因株系有较高的ABA水平,同时其抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,以及逆境响应基因脱水素蛋白(Dehydrin)和胚胎发育晚期丰富蛋白(LEA)转录表达均高于野生型。下调表达OsNCED3的转基因株系则呈现相反的变化趋势。因此,OsNCED3是水稻干旱胁迫响应基因,调节了干旱环境下ABA水平和抗逆性。     

小麦胁迫相关基因TaLEAL3的克隆及分子特性分析

第3组LEA蛋白(late embryogenesis abundant protein)介导干旱、高温、高盐等非生物胁迫响应, 关于普通小麦LEA基因的研究鲜有报道。利用噬菌体原位杂交技术, 从小麦苗期干旱胁迫条件构建的cDNA文库中筛选出LEA蛋白基因TaLEAL3, 其全长750 bp, 编码区长501 bp, 编码166个氨基酸, 含有一个明显的核定位信号区。氨基酸同源性分析发现, TaLEAL3属于第3组LEA蛋白, 序列中含有由11个氨基酸组成的3个不完全重复的基序和α-螺旋的LEA结构。电子定位结果显示, TaLEAL3基因位于4BL、4DL和5AL染色体上, 主要在茎中表达, 而在根中几乎无表达。实时荧光定量PCR分析表明, 在干旱、低温和ABA诱导下, TaLEAL3基因表达量明显增加。在该基因上游1.7 kb序列处, 预测具有启动子的核心序列和增强子序列, 及与干旱和低温等多种逆境胁迫相关的调控序列。本研究为深入分析小麦LEA蛋白基因的功能, 初步解析LEA蛋白的作用机制提供了数据。     

亲水短肽基因NLEAs提高酵母的耐盐能力

胚胎晚期富集蛋白(late embriogenesis abundant protein, LEA)是植物种子成熟过程中富集的蛋白质,与植物应答逆境胁迫密切相关,具有很强的亲水性。LEA蛋白的增多,有利于降低细胞水势,增强植物耐盐胁迫等逆境的能力。为了进一步提高LEA蛋白的亲水性,提高细胞耐受盐胁迫等渗透胁迫的能力,本研究对LEA蛋白数据库进行了生物信息学分析。结果鉴定出一系列亲水性高的氨基酸序列。对这些序列进行重复及随机组合后,合成了假定的NLEA (Novel LEA)基因。通过筛选转基因酵母菌株,获得了有助于提高酵母耐盐性的NLEA8和NLEA13基因。同时,初步分析了NLEA8和NLEA13基因表达的蛋白的与植物耐盐相关的生物学功能和结构特点。本试验获得了LEA基因,通过酵母耐盐性筛选验证其耐盐能力,对耐盐基因的获得及验证提供了一定的参考。     

非生物逆境胁迫下普通小麦烟农19幼苗FeSOD基因表达分析

非生物逆境(高温、低温、干旱、盐胁迫等)严重影响作物生长,研究参与逆境胁迫应答基因具有重要的理论意义和应用价值。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)是一种广泛存在于真核生物中的金属酶类,在植物的抗逆性中起到重要作用。采用q RT-PCR技术,分析普通小麦烟农19幼苗叶中Fe SOD基因在盐、脱落酸(ABA)、干旱、高温、低温胁迫过程中的的表达模式。结果表明:在逆境胁迫下,普通小麦烟农19幼苗Fe SOD基因的表达量大体呈现先上升后下降的趋势。在37℃高温、-4℃低温、300mmol/L Na Cl、30%的PEG-6000和100μmol/L ABA胁迫下,Fe SOD基因的表达量分别在3、3、6、48和24h时最高,分别为对照的34.0、4.6、4.3、5.8、13.5和3.3倍,差异均达到显著水平,说明Fe SOD基因在普通小麦烟农19幼苗逆境胁迫中发挥着重要的调控功能,为进一步了解小麦抗逆分子机制和改良小麦品种提供理论依据。     

芒果转录因子NAC的克隆与表达模式分析

NAC转录因子在植物生长发育、信号传导和逆境胁迫应答方面起重要的作用。本研究根据芒果c DNA-SCo T差异显示中发现的c DNA片段设计特异引物,通过改良RACE技术得到了芒果NAC基因的全长c DNA序列。序列分析显示,该c DNA全长为1 167 bp,开放阅读框长度为1 002 bp,编码334个氨基酸,推测其分子量为37.41 k D,等电点为8.76,属于NAM基因家族,命名为Mi NAC。利用实时荧光定量技术对Mi NAC基因在芒果4℃低温胁迫、盐胁迫和PEG-6000胁迫后0、24 h、48 h和72 h时叶片和茎中表达模式进行分析,实验结果显示,这三种逆境处理均诱导芒果Mi NAC基因的表达,其中Mi NAC基因对4℃低温胁迫响应程度最高,其次是PEG胁迫和盐胁迫。结果表明,该基因参与了芒果逆境胁迫的分子调控。     

香蕉MaASR1基因通过ABA途径提高拟南芥抗旱性的作用机制

香蕉MaASR1基因在植物响应逆境胁迫时发挥着重要作用,为了进一步研究MaASR1基因转入拟南芥后增强其抗旱性的分子机制,运用DNA芯片技术来筛选野生型的拟南芥和转MaASR1基因的拟南芥在不做任何处理和干旱胁迫处理条件下的差异基因。对基因芯片中与ABA途径相关的上调和下调大于2倍的差异基因进行了荧光定量PCR的验证,实验结果发现在以上两种处理条件下,转MaASR1基因的拟南芥体内ABA的生物合成量比野生型拟南芥低,而ABA的降解量却升高。当受到干旱胁迫时,转基因拟南芥体内ABI5和ABF1基因的表达量会得到提高,而ABI5基因可以赋予转基因拟南芥株系耐旱性和抗旱性的功能是因为LEA类的蛋白被其调控表达和提高了ABA诱导基因的表达水平。ABF1基因发挥其提高转基因株系抗旱性的功能则可以通过参与ABA信号途径以及与其它的ABI类基因共同作用来实现。除此之外转基因拟南芥株系抗旱性的提高,与CBL/CIPK复合物参与的胁迫应答途径无关。以上结果为解析MaASR1基因作为转录因子通过ABA途径提高植物抗旱能力的分子机制奠定基础。     

甘蔗CIPK基因的同源克隆与表达

CIPK(calcineurin B-like-interacting protein kinase)是植物特有一类的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,该蛋白在植物响应逆境胁迫中发挥着重要的作用,尤其与非生物逆境胁迫(干旱、高盐、ABA等)的信号传导密切相关。根据玉米CIPK15基因(EU957447.1,2247 bp)核酸序列保守区域设计1对同源克隆PCR引物,以甘蔗品种崖城05-179的c DNA为模板,通过RT-PCR扩增得到甘蔗CIPK基因的一条全长c DNA序列(Gen Bank登录号为KM114052)。序列分析结果表明,甘蔗Sc CIPK基因全长1782 bp,具有完整的开放阅读框(ORF,91~1631 bp),编码513个氨基酸,该基因具有CIPK基因的2个特征结构域(Kc-like superfamily和AMPKA-C-like superfamily)。生物信息学分析显示该基因编码的蛋白定位于内质网,为可溶性蛋白,不存在信号肽,二级结构元件多为α-螺旋,含有多个保守功能域,主要参与中间代谢。实时定量PCR表达分析表明,该基因表达具有组织特异性,虽在甘蔗各组织中均有表达,但在芽中的表达量最高。该基因在PEG、Na Cl、ABA、SA和Me JA的胁迫诱导过程中,受ABA胁迫后表达量最高,约为对照的5.3倍,推测该基因的表达与甘蔗抗干旱和抗渗透胁迫有关。     

棉花中GhTFL1a和GhTFL1c基因的表达及启动子分析

从陆地棉中克隆了磷脂酰乙醇胺结合蛋白GhTFL1a和GhTFL1c基因,并对该基因进行表达分析、启动子预测和启动子活性研究。利用启动子分析软件PlantCARE预测得出,GhTFL1a启动子区域有脱落酸响应元件、干旱诱导的MYB结合位点和顶芽特异表达响应元件等;GhTFL1c启动子区域有乙烯响应元件、干旱诱导的MYB结合位点和水杨酸响应元件。因此,将pGhTFL1a和pGhTFL1c分别构建到启动子检测载体pBI121-GUS上形成融合表达载体,通过烟草瞬时转化检测得出这2个基因的启动子都具有活性。实时荧光定量PCR分析表明, GhTFL1a和GhTFL1c在光周期处理和不同材料的陆地棉(栽培种和半野生种)中表达模式呈相反趋势。GhTFL1a基因受脱落酸(abscisic acid, ABA)、水杨酸(salicylic acid, SA)和盐胁迫诱导,而GhTFL1c可以响应赤霉素(gibberellin, GA)、SA和ABA胁迫。研究结果初步表明,GhTFL1a和GhTFL1c可能参与了植物逆境胁迫脱落酸和水杨酸响应的调控,为在棉花中进一步阐明其功能奠定了基础。     

梭梭HaFT-1、HaFT-9基因启动子克隆及胁迫响应分析

14-3-3蛋白是一类普遍存在于真核生物中的分子伴侣,研究表明梭梭14-3-3蛋白HaFT-1和HaFT-9功能与胁迫响应密切相关。为进一步分析HaFT-1和HaFT-9基因胁迫响应机制,本研究采用染色体步移技术扩增HaFT-1和HaFT-9基因5’端上游调控序列,分别获得961和879 bp启动子序列。序列分析表明二者启动子除含有基本的启动子核心元件外,还包含多种逆境响应元件。分别构建HaFT-1和HaFT-9基因启动子-GUS重组载体瞬时转化烟草、棉花、梭梭幼苗,GUS染色结果显示：二者启动子在正常生长条件或高温、脱水、NaCl胁迫及ABA处理下均能调控GUS表达,并且HaFT-1启动子对以上处理的响应更加明显;在高温胁迫下,梭梭幼苗中二者启动子调控的GUS表达具有组织特异性。RT-qPCR结果显示,在梭梭幼苗中,高温、脱水、NaCl胁迫及ABA处理下HaFT-1和HaFT-9基因表达趋势与以上GUS染色结果基本一致。本研究为进一步阐明HaFT-1和HaFT-9基因在胁迫响应中的作用机制提供了科学依据。     

木薯转录因子基因MeHDZ14的克隆与分析

HD-Zip家族基因在植物生长发育和逆境胁迫中起重要作用。为了研究MeHDZ14基因在非生物胁迫(尤其是干旱)应答中的作用,选用对干旱信号反应灵敏、相对耐旱的木薯品种"SC124"作为实验材料,利用RT-PCR克隆了MeHDZ14基因。生物信息学分析发现,MeHDZ14基因编码的蛋白具有典型的HD-Zip保守结构域。将该基因编码的蛋白与GFP融合,亚细胞MeHDZ14:GFP重组蛋白定位于细胞核。同时,酵母Y187中的转录自激活试验结果也表明,MeHDZ14蛋白具有明显转录自激活功能。推断MeHDZ14是一个典型的HD-Zip I转录因子。MeHDZ14启动子区具有多个ABA响应元件ABRE(ABA response element)。基因差异表达分析结果表明,MeHDZ14基因在叶片和根中的表达受干旱胁迫的诱导,并对外源ABA具有明显的响应。因此,认为MeHDZ14基因通过ABA依赖信号传导途径参与调控木薯干旱响应。此外,还发现MeHDZ14基因的编码区虽然存在数个SNP,但表现出高度保守性,且在不同木薯品种中的表达对干旱胁迫均有明显的响应,为进一步研究该基因的功能奠定了基础。     

大豆TRK-HKT家族基因结构及逆境胁迫响应机制

植物TRK-HKT家族基因广泛介导植物Na+/K+运输,参与植物耐逆境胁迫调控。本研究以6个大豆钾利用效率差异品种为材料,利用in silico技术克隆到4个大豆TRK-HKT家族成员(Gm HKT1;1、Gm HKT1;2、Gm HKT1;3和Gm HKT1;4),采用q RT-PCR技术解析这些基因在低钾及逆境胁迫下的表达机制。结果表明,Gm HKT1;2在大豆幼苗根中对低钾胁迫的响应明显高于其他3个基因,且钾高效大豆品种这种响应更明显;同时Gm HKT1;2对不同逆境胁迫(低温、干旱、高盐和ABA)也有较强的响应。蛋白结构分析表明,仅Gm HKT1;2具有4个MPM结构域,4个保守的氨基酸残基空间上形成一个"漏斗样"结构,充当K+/Na+转运通道,通过邻近的ATP结合结构域,为K+/Na+转运提供能量。基因结构分析显示,这些基因均含3个外显子和2个内含子,不同基因间的第一个外显子和内含子片段大小差异显著,导致各基因的基因组DNA(g DNA)大小各异。启动子分析揭示,大豆TRK-HKT家族成员包含参与种子功能定位和各种激素及逆境胁迫应激反应的重要顺式作用元件;进化上该家族基因位于第一进化分支,含保守的Ser–Gly–Gly–Gly基序。     

过量表达星星草(Puccinellia tenuiflora)液泡型H~+-ATP酶c亚基基因提高转基因酵母的耐盐性

植物液泡型H+-ATP酶(V-ATPase)在次级转运与应对多种逆境胁迫中具有重要作用。本研究克隆并解析了能够生长在盐碱地上的野生星星草V-ATPase c亚基基因(Put VHA-c)的功能。本研究利用荧光蛋白(GFP)标记结合内涵体染色的方法研究了Put VHA-c蛋白在酵母细胞中的定位,并利用转基因酵母分析了Put VHA-c基因在盐胁迫中的作用。共定位实验显示Put VHA-c-GFP融合蛋白主要定位在酵母细胞的内涵体上。Northern杂交和实时定量PCR显示在星星草悬浮细胞中Put VHA-c基因的表达能够被盐胁迫所诱导。研究结果结合过表达Put VHA-c的转基因酵母具有更高的耐盐性的发现,说明Put VHA-c基因参与着盐胁迫的应答。     

小麦抗逆相关基因TaSAP1的5′非翻译区内含子功能分析

逆境相关蛋白(stress associated protein, SAP)是植物中一类具有A20/AN1锌指结构域的蛋白,而A20/AN1锌指蛋白主要参与植物逆境响应。小麦中TaSAP1基因参与植株对各种逆境的响应,其5′非翻译区含有2个内含子(5' untranslated region intron, 5UI)。本研究利用重叠PCR,构建了TaSAP1的2个5UI缺失突变的表达载体,并转化二穗短柄草(Brachypodium distachyon),通过分析GUS活性,研究TaSAP1启动子及其5UI的生物学功能。结果表明TaSAP1启动子P1可受干旱、低温和外源ABA胁迫上调表达,表达活性分别是对照的10、6和4倍。TaSAP1基因2个5UI对启动子活性至关重要,2个5UI同时突变可致P1失活;Intron-1缺失突变导致P1活性降低约2.7倍(P0.05),但不影响P1对逆境胁迫的响应;Intron-2缺失突变导致P1失去对干旱、低温和外源ABA的响应能力。本研究结果为深入研究TaSAP1 5UI的生物学功能奠定了基础,也为改善作物抗逆性提供了重要元件。     

柠条锦鸡儿CkLEA4-1基因的克隆及表达分析

为研究胚胎发育晚期蛋白(LEA)在柠条中的生物学功能,从已构建的柠条锦鸡儿干旱胁迫抑制削减杂交文库中筛选到一条LEA蛋白编码基因,并采用RT-PCR法进行克隆。所得LEA基因的开放阅读框(ORF)长1 119 bp,编码373个氨基酸的蛋白质,命名为CkLEA4-1。结合序列比对与系统进化分析结果,推断CkLEA4-1属于5族LEA蛋白。利用实时荧光定量PCR技术对CkLEA4-1在干旱、高盐等逆境胁迫条件下的表达情况进行初步研究,结果表明,CkLEA4-1受到不同程度的诱导,推测该基因可能与柠条锦鸡儿响应逆境胁迫有关。研究还成功构建了CkLEA4-1的过表达载体p Can G-CkLEA4-1,得到转基因纯合体株系,为进一步研究柠条锦鸡儿CkLEA4-1基因的功能提供了材料。     

OsWRKY67负向调控水稻耐旱性的功能分析

WRKY转录因子在水稻生物胁迫及非生物胁迫中均发挥重要作用。本实验室前期发现OsWRKY67正向调控水稻应答病害胁迫,为研究OsWRKY67在水稻非生物胁迫中的作用,本研究对低温、干旱、高盐、ABA、高渗透压和活性氧等多种非生物胁迫处理下的OsWRKY67基因的表达量进行测定,结果表明该基因的表达受上述非生物胁迫的影响。此外,本研究对OsWRKY67基因的过表达株系(OX5-2和OX6-5)、基因沉默株系(R9-4, R11-2和R14-2)和野生型‘日本晴’进行模拟干旱胁迫处理,结果表明沉默OsWRKY67基因可显著增强水稻的耐旱性,过表达OsWRKY67基因会显著降低水稻的耐旱性。进一步研究发现OsWRKY67能够调控部分耐旱相关基因(DREB1A, DREB1B, DREB2A和DREB2B)、ABA合成相关基因(NCED3和NCED4)及ABA通路相关基因(RaB16A, LIP9和LEA3)的表达。综合以上研究表明,OsWRKY67参与调控水稻响应多种非生物胁迫,通过ABA信号通路介导负向调控水稻苗期耐旱性。本研究揭示了OsWRKY67在水稻耐旱性中的调控作用,为利用该基因进...     

梭梭HaNAC1基因的亚细胞定位、转录激活及表达分析

HaNAC1为本课题组前期从梭梭幼苗中克隆得到的一个NAC家族(ATAF亚家族)转录因子编码基因,本研究将对该基因进行进一步的活性验证和功能分析。通过烟草叶片细胞中的绿色荧光蛋白瞬时表达系统对表达蛋白进行亚细胞定位,结果表明HaNAC1蛋白位于细胞核中。构建AH109酵母pGBKT7-HaNAC1表达载体,证明该转录因子在酵母中具有转录激活活性。利用实时荧光定量PCR方法测定HaNAC1在盐、旱胁迫条件下的表达水平,结果显示该基因的表达量与盐胁迫的浓度呈现正相关,表明HaNAC1参与调节梭梭的盐胁迫响应。本研究探索了HaNAC1的定位和表达,为梭梭抗逆体系的功能基因挖掘及胁迫应答机理提供科学依据。     

扁蓿豆DNA甲基转移酶基因MrDRM2的克隆和生物信息学分析

由DNA甲基转移酶催化的DNA甲基化在调控基因表达及植物生长发育中发挥重要作用。本研究根据扁蓿豆(Medicago ruthenica L.)的转录组测序信息设计特异性引物,利用RT-PCR技术从中克隆到1个DNA甲基转移酶基因的c DNA片段,长1 767 bp,编码588个氨基酸残基。利用生物信息学分析推测这个基因属于DNA甲基转移酶中的结构域重排甲基转移酶(domains-rearranged methyltransferases, DRMs)亚家族。系统发育分析表明该基因与豆科其他植物的DRM2基因具有较高的同源性。利用实时荧光定量PCR分析其在扁蓿豆受到低温(4℃)、Na Cl、干旱胁迫及ABA处理下不同时间的表达量,发现其表达受非生物胁迫诱导。推测MrDRM2基因参与了扁蓿豆对非生物胁迫响应的调控。本研究结果可进一步丰富扁蓿豆DNA甲基转移酶基因信息,为深入理解扁蓿豆DNA甲基转移酶基因的功能及其在非生物胁迫应答中的表观遗传调控提供一定的基础。     

东北白桦(Betula platyphylla Suk.)LEA基因的克隆及盐胁迫响应基因的鉴定

LEA蛋白(late embryogenesis abundant proteins)是一类胚胎发育晚期种子中大量富集的蛋白,在植物抗逆过程中起重要作用。目前,白桦的全基因组测序工作已经完成,在此基础上,本研究根据已报导的拟南芥抗逆相关LEA基因,从白桦全基因组序列中鉴定出13个与这些抗逆LEA基因同源的白桦LEA基因。并进一步利用qRT-PCR方法研究这些LEA基因对盐胁迫的表达响应,从而鉴定出在白桦响应盐胁迫过程中起作用的LEA基因,这些盐胁迫响应的LEA基因将为白桦的抗性育种及抗逆分子生物学研究提供帮助。     

拟南芥中AtACO3基因启动子DNA甲基化的调控机制

RNA介导的DNA甲基化途径(RdDM)在基因表达调控过程中起重要作用。沉默抑制因子(repressor of silencing 1, ROS1)能负调控RdDM途径。定量RT-PCR(quantitative RT-PCR, RT-qPCR)被利用检测拟南芥(Arabidopsis thaliana)中ABA途径相关基因AtACO3表达水平,结果表明非生物胁迫诱导后AtACO3表达水平显著上调。重亚硫酸盐测序结果证明非生物胁迫诱导该基因启动子重复序列的DNA去甲基化,并导致该基因的转录激活。进一步研究证实ROS1在诱导该基因启动子DNA去甲基化的过程中起作用。本研究揭示了非生物胁迫诱导逆境响应基因AtACO3表达的分子机制,为探索植物适应非生物胁迫的表观遗传调控机制提供了科学依据。