海岛棉5个CBF/DREB基因的克隆与表达分析

低温、干旱和盐渍是影响作物生长、产量和全球地理分布的重要非生物胁迫。CBF/DREB转录因子是参与植物非生物胁迫应答反应的重要调控蛋白。为了更好地了解棉花CBF家族基因,通过生物信息学的方法,从海岛棉中克隆了5个具有完整开放阅读框的CBF基因,命名为Gb CBF1―Gb CBF5。这5个基因编码的蛋白与其他植物冷胁迫相关的CBF蛋白具有高度的保守性,含有1个AP2功能结构域和2个特征基序。系统进化树分析表明,这5个基因与拟南芥的3个参与冷胁迫的CBF基因一起聚类在DREB亚家族中的A-1亚组。通过RT-PCR的方法分析了海岛棉基因Gb CBF1―5在高盐(200 mmol·L-1 Na Cl)、干旱、4℃低温等非生物胁迫处理下的表达模式。结果表明其中2个基因在冷胁迫下上调表达,5个基因在干旱和盐处理下均下调表达。这些为进一步探索CBF基因在棉花逆境胁迫应激反应中的作用提供了有价值的信息。     

白菜脱水应答转录因子BpDREB1基因的克隆及功能研究

DREB1/CBF类转录因子在植物抵抗外界胁迫上起重要作用,利用这些基因改良作物抗逆性具有重要意义。本研究在白菜中分离到一个DREB类转录因子基因BpDREB1 (EF219470)。该基因序列全长647 bp,推测编码蛋白含213个氨基酸,相对分子量为23 kD,理论等电点为5.11,与白菜中该类转录因子序列同源性为94%。进化树表明,BpDREB1属于DREB亚家族中A1亚族。基因的诱导表达模式分析显示,BpDREB1被低温强烈、迅速诱导表达,并对干旱胁迫也有一定程度的响应,但对高盐处理几乎没有响应。过表达BpDREB1的转基因拟南芥经低温诱导后,其体内可溶性糖及脯氨酸含量大幅度提高。以上结果显示BpDREB1转录因子基因具有家族成员基因结构的特征,在低温、干旱应答途径中起重要作用。     

黑果枸杞LrDREB1基因克隆及其在非生物胁迫下的表达分析

DREB(Dehydrate responsive element binding factor)转录因子是植物非生物逆境适应中的关键调节因子,该类转录因子具有保守的AP2/EREBP结构域,在低温、高盐等非生物逆境胁迫下,可调控下游逆境应答基因的表达,对增强植物的抗逆能力有重要作用。黑果枸杞具有极强的耐干旱、盐碱能力,为研究黑果枸杞DREB类基因在低温、盐碱响应中的功能,本研究以强抗盐灌木黑果枸杞总RNA为模板,基于前期转录组测序拼接序列,利用RT-PCR方法克隆得到一条DREB基因。该基因含有一个1116 bp的开放阅读框,编码372个氨基酸。系统进化树分析显示,Lr DREB1基因属于DREB亚家族A2组成员,与拟南芥AtDREB2B、AtDREB2E具有较高的相似性。荧光定量PCR结果显示,Lr DREB1受盐胁迫、ABA胁迫和低温胁迫诱导表达,可能参与依赖ABA的信号转导途径,调节黑果枸杞抗盐响应。本研究通过对黑果枸杞LrDREB1基因的克隆、序列分析和表达分析,为研究Lr DREB1的功能及黑果枸杞抗盐机理提供了帮助。     

高粱中SbDREB2基因的克隆与表达分析

干旱应答元件结合蛋白(DREB)在植物非生物逆境胁迫中调节下游一系列抗逆基因的表达。本研究利用电子克隆和RT-PCR方法从高粱中克隆到1个DREB类基因SbDREB2,该基因ORF 789 bp,推测编码蛋白含262个氨基酸残基,相对分子质量28.6 kD,理论等电点为5.52,在DNA序列内包含1个740 bp的内含子,符合GT-AG剪接规则。氨基酸序列分析表明,该蛋白在82~145区含有DREB类转录因子家族特有的AP2保守结构域,与玉米DREB2A及水稻DREB1蛋白相似度分别为84%和69%。成功构建了原核表达载体pET28a-SbDREB2,经IPTG诱导获得32.5 kD左右蛋白,与理论值一致。Real-time PCR表达特性分析显示,该基因为组成型表达,在根、茎、叶中均表达,根中表达量约是茎中的2.5倍;受干旱、高盐和外源ABA的强烈诱导,但对低温几乎没有响应。     

甘蓝型油菜CBF基因家族的鉴定和表达分析

低温是影响植物生长发育的重要环境胁迫因子,ICE1(inducer of CBF expression1)-CBF(C-repeat(CRT)-binding factors)-COR(cold responsive)在植物响应低温胁迫的信号途径中具有重要作用。为探究CBF(C-repeat-binding factors)基因在甘蓝型油菜(Brassica napus L.)中的进化以及在低温胁迫应答反应中的功能,本研究以4个拟南芥CBF基因为基础序列,鉴定出11个甘蓝型油菜、6个白菜和5个甘蓝CBF基因,并对它们的分子特性、蛋白保守结构域和系统进化树、基因结构及基因染色体分布、甘蓝型油菜CBF基因组织表达模式以及不同逆境和激素处理下的表达模式进行系统的比较分析。结果表明,在11个甘蓝型油菜CBF基因中,可分为亚组Ⅰ(CBF1/2/3)和亚组Ⅱ (CBF4) 2个亚组。转录组测序结果表明,所有甘蓝型油菜CBF基因受低温诱导表达,其中亚组Ib的4个基因对冷胁迫响应迅速且持续时间长,亚组Ⅱ中2个基因对冷胁迫响应表达较弱,但它们在根中表达量明显高于叶片,并且参与盐胁迫和渗透胁迫响应;甘蓝型...     

扁桃AcCBF2基因的克隆及其在逆境胁迫下的表达分析

本研究根据扁桃生物信息学数据库,采用PCR的方法从扁桃(Amygdalus communis L.)中克隆了一个CBF转录因子基因,命名AcCBF2,基因开放阅读框(open reading frame,ORF)为717 bp,编码238个氨基酸,预测其分子量26.59 kD,等电点为5.29。氨基酸多重序列比对显示,AcCBF2基因编码的氨基酸与其它植物冷胁迫相关的CBF氨基酸序列具有高度同源性,含有一个AP2功能结构域和2个特征基序;系统发育树分析显示,AcCBF2基因属于DREB家族中的A-1亚族,荧光定量显示,AcCBF2基因只对低温和干旱胁迫有响应,对盐胁迫和ABA(脱落酸)没有明显响应。在低温胁迫下,表达量上调;而在干旱胁迫下,表达量先上调后下调。初步预测AcCBF2基因可能对扁桃非生物胁迫有重要的调控作用。     

植物DREB转录因子及其转基因研究进展

DREB(dehydration responsive element binding protein)类转录因子是AP2/EREBP(APETALA2/an ethylene-responsive element binding protein)转录因子家族的一个亚家族,拥有保守的AP2结构域,能够特异性地与抗逆基因启动子区域的DRE顺式作用元件相结合,在低温、干旱和盐碱等条件下调节一系列下游逆境应答基因的表达,是逆境适应中的关键性调节因子.拟南芥中与逆境相关的DREB转录因子可分为DREB1/CBF和DREB2两类,其中DREB1/CBF类成员主要参与低温胁迫应答反应,DREB2类成员则主要参与干旱胁迫应答反应.根据近十年来的报道,目前已从拟南芥、水稻、玉米、小麦、黑麦、大豆、西红柿和油菜等几十种植物中分离并鉴定出调控干旱、高盐及低温耐性的DREB基因,并利用这些基因得到了抗逆性增强的拟南芥、油菜、西红柿、小麦以及杨树等转基因植株.转基因结果表明DREB转录因子家族在双子叶植物,单子叶植物,草本植物及木本植物抗逆品种改良中均具有重要的应用价值.本文总结了十多年来特别是近五年来国内外相关研究进展,并对DREB转录因子的研究前景及其在木本植物良种选育中的研究趋势进行了展望.     

两种拟南芥CBF2基因突变体的鉴定与分析

低温是主要的逆境胁迫之一,限制了作物的地理分布和产量。筛选理想的抗冻靶基因用于分子育种对于稳定农业生产具有重要意义。CBF调节子在植物抗冻反应中扮演主要的角色,CBF2是CBF调节子的组成成分之一,在抗冻反应中扮演负调控的作用。采用qRT-PCR和常规农艺性状测定法对2种CBF2基因突变体cbf2-1和cbf2-2进行了多项指标的鉴定,结果发现在这2种突变体中CBF2基因的表达存在不同程度的缺陷,cbf2-1中CBF2基因受低温诱导表达,但表达量与对照相比,明显下降;而cbf2-2中CBF2基因诱导表达的效应完全丧失。抗冻性检测结果显示CBF2基因的表达量越低,其突变体植株的抗冻性越强,同时冷胁迫后冷响应的下游基因表达量也越高,更重要的是,虽然这2种CBF2基因突变体抗冻性明显增强,但与野生型植株相比,其开花时间和单株种子产量并没有明显变化。以上结果表明CBF2是一种可以利用基因组编辑技术进行作物抗冻育种的理想候选靶基因,可以利用最新的基因组编辑技术进行作物抗冻育种研究。     

番茄冷诱导基因SlCMYB1的克隆及其在水稻中异源表达研究

从番茄中克隆了一个编码MYB转录因子家族R2R3-MYB亚类基因SlCMYB1。不同逆境胁迫下的表达模式分析结果表明,该基因受低温、高盐、干旱和ABA胁迫诱导表达。洋葱表皮亚细胞定位研究表明,SlCMYB1为核定位蛋白。为深入了解SlCMYB1基因与非生物逆境应答的关系,我们构建了SlCMYB1基因过表达载体来转化水稻,获得了16个转基因水稻株系。SlCMYB1在水稻中异源表达能显著提高转基因水稻植株的苗期抗冷性,增加脯氨酸合成的关键酶基因OsP5CS1,膜转运蛋白基因OsWCOR413等低温胁迫应答基因的表达水平,这暗示着SlCMYB1与OsP5CS1、OsWCOR413基因处于同一低温调控信号转导路径。本研究结果为通过遗传工程操控低温信号通路的方法改良冷敏感植物抗冷性提供了理论基础。     

甘蔗ABA信号转导关键酶SoSnRK2.1基因的克隆与表达分析

蔗糖非酵解型蛋白激酶(SnRK)是植物体内ABA信号转导途径的关键调控酶, 在植物的抗逆境生长过程中发挥着重要的作用。本研究通过RT-PCR和RACE-PCR技术克隆出编码甘蔗SnRK2蛋白的基因SoSnRK2.1。该基因cDNA序列全长为1385 bp, 包含一个1002 bp的开放阅读框(ORF)。根据氨基酸序列预测SoSnRK2.1基因编码333个氨基酸残基, 与其他高等植物中相关蛋白的氨基酸具有高度的相似性, 尤其是与禾本科的玉米和水稻。构建该基因的原核表达载体pET-SoSnRK2.1, 在IPTG诱导下可得到38 kD 左右的蛋白, 与理论值一致。实时荧光定量PCR分析表明, SoSnRK2.1基因在ABA、干旱(PEG)+ABA、干旱(PEG)、NaCl、低温(4℃)和H₂O₂外源胁迫下均呈诱导表达的趋势。推测该基因参与调控干旱、高盐和低温等胁迫过程, 在甘蔗抗逆境胁迫中起重要作用。     

玉米干旱诱导表达基因ZmCKS2的克隆与表达分析

在本实验室前期研究的干旱胁迫相关的抑制差减文库(SSH)中,发现一个玉米干旱胁迫诱导表达的EST序列,与拟南芥AtCKS2和AtCKS1基因有较高的同源性。应用生物信息学手段和同源克隆的方法,分离得到该基因,命名为ZmCKS2。序列分析表明该基因开放阅读框区267bp,编码88个氨基酸。ZmCKS2蛋白含有真核生物中高度保守的CKS(cyclin-dependent kinase regulatory subunit)结构域。应用在线分析软件预测该基因上游2kb序列表明,该序列具有启动子的核心序列和增强子序列,同时还具有与干旱等多种逆境胁迫相关的调控序列。应用实时荧光定量PCR分析表明该基因在幼穗中表达量最高,且受干旱和MeJA诱导上调表达,受低温和外源ABA诱导下调表达。     

不同长度AlsCBF基因启动子片段分离及瞬时表达分析

CBF基因在冷驯化过程中发挥重要的作用。本研究依据已克隆的新疆野扁桃(Amygdalus ledebouriana Schleche)CBF基因启动子顺式作用元件的分布,构建ACpro-P1(1 110 bp)、ACpro-P2(923 bp)、ACpro-P3(654 bp)和ACpro-P4(350 bp)4个5'缺失植物表达载体;利用烟草叶片注射法瞬时表达分析后进行GUS组织染色分析和定量分析。结果显示这4个片段均具有诱导型启动子活性,启动子Als CBF在-1 391~-1 110 bp之间并无与低温、高盐、干旱三类逆境密切相关的启动子元件;-1 110~-654 bp之间存在大量与低温响应相关的启动子元件;-1 110~-923 bp之间存在能够响应高盐胁迫的元件,而-923~-350 bp之间可能存在一些负调控元件,降低了启动子对高盐的响应;-923~-654 bp之间存在大量与干旱胁迫有关的响应元件。研究结果为进一步分析Als CBF的功能奠定基础。     

陆地棉光合系统Ⅱ GhPsbS基因的克隆及其表达分析

以拟南芥光合系统Ⅱ PsbS蛋白序列为探针,采用电子克隆与同源克隆结合的方法得到陆地棉光合系统Ⅱ PsbS基因的cDNA序列(GenBank No.ANS53414),进行序列分析,并对其在不同处理下的表达水平进行研究。结果表明:该基因开放阅读框全长837 bp,编码278个氨基酸,蛋白分子量大小为22 kD,为疏水性蛋白,含有两个典型的捕光叶绿素a/b结合蛋白功能域,属于典型的叶绿素a/b结合蛋白家族中的成员。qRT-PCR分析表明,强光、弱光、干旱、高盐、低温胁迫处理后,该基因的表达量整体均呈下降趋势,推测该基因不仅能响应不同光照处理,还能够响应干旱、高盐和低温胁迫,尤其受弱光、高盐和干旱胁迫的诱导表达较为明显。该研究为进一步了解GhPsbS基因对陆地棉高光效育种及抗逆机制的研究提供帮助。     

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。     

二穗短柄草BdDREB1 H基因的克隆和表达分析

植物DREB转录因子在应答干旱、低温和高盐等非生物胁迫过程中发挥着重要作用,为了探讨二穗短柄草BdDREB1H转录因子在应答逆境胁迫的作用,对其序列进行了克隆、生物信息学和转录激活分析.然后利用qRT-PCR法对其在根、茎、叶3种组织和冷、干旱、盐和过氧化氢4种非生物胁迫条件下的表达模式进行了研究.结果显示,BdDRE...     

谷子CBL基因鉴定及其在干旱、高盐胁迫下的表达分析

CBL/CIPK信号网络系统在植物对逆境应答过程中起重要作用。本文利用生物信息学方法从谷子基因组中鉴定出7个候选CBL基因,命名为SiCBL1~SiCBL7。分析表明谷子CBL基因在蛋白质序列和结构上非常保守,所有预测SiCBL基因都含有7~8个内含子,而且其外显子序列同源性很高并且大部分外显子含有相同的碱基数目。预测SiCBL基因均含有4个EF-Hand功能域而且相邻EF-Hand功能域之间的氨基酸数目非常保守。进化和聚类分析结果表明, CBL基因在陆生植物早期的进化过程中就已经存在,所有CBL基因被分为4个亚组。7个候选SiCBL基因中, 4个基因(SiCBL1、SiCBL2、SiCBL3和SiCBL5)受干旱胁迫诱导表达,3个(SiCBL1、SiCBL3和SiCBL7)受高盐胁迫诱导表达。SiCBL3基因在干旱胁迫下被强烈诱导可能意味着其在干旱应答中起重要作用。本文报道的谷子CBL基因丰富和完善了植物CBL成员, 为进一步研究CBL/CIPK网络系统在抗逆作物谷子逆境响应中的功能、机制奠定了基础。     

苹果AQPs生物信息学分析及2个砧木AQPs对干旱胁迫的响应

为了解苹果水通道蛋白基因家族(AQPs)的生物信息学特征及苹果砧木对干旱胁迫的响应特点,对苹果AQPs进行系统进化、基因结构等生物信息学分析,并利用荧光定量PCR测定干旱胁迫下M26和山定子AQPs的表达水平。研究表明,苹果AQPs 30家族成员个可分为3个亚族,含2~7个外显子,分别定位于苹果的15条染色体上,2号、4号染色体无AQPs存在;1号、9号染色体上分别定位5个、4个基因,其余定位1~3个不等。AQPs氨基酸序列含NPA特征序列及TGINPARSI/FGAAI/VI、SGXHXNPAVT及GGGANXXXXGY保守基序;跨膜区域数量为4~7不等。轻度干旱胁迫下,M26叶片中MdPIP2;4的表达量最高,为11.029 8;根中Mdδ-TIP表达量最高,为17.148 0。山定子叶片中MdNIP4;2表达量最高(18.464 3),根中MdTIP1;3表达量最高(5.217 2)。中度干旱胁迫下,M26叶片中MdPIP2;4、MdNIP1;2和MdNIP4;1表达量分别上调34.63%、35.23%和89.42%;根中MdTIP5;1、Mdδ-TIP和Mdβ-TIP表达量分别下调46.04%、50.12%和52.48%。山定子叶片中MdNIP5;1、MdNIP6;1表达量分别上调16.8%和27.47%,MdNIP1;2下调37.73%;根中MdTIP1;3、MdTIP2;2、MdTIP5;1表达量分别上调29.92%、37.15%和70.29%。苹果AQPs基因结构和氨基酸序列具有较高的保守性。干旱胁迫下各AQPs基因在山定子和M26中的表达量存在显著差异,部分AQPs只在叶片或根部表达,存在组织差异性现象。     

两个谷子CIPK基因在非生物逆境胁迫下的表达分析

CIPK是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,该蛋白在植物响应逆境胁迫过程中发挥重要作用。本文利用生物信息学方法从谷子基因组中鉴定出2个CIPK基因, 命名为SiCIPK6和SiCIPK16。序列分析表明SiCIPK6基因组序列长1994 bp,编码451个氨基酸;SiCIPK16基因组序列长1885 bp,编码473个氨基酸,2个基因均无内含子和可变剪切。生物信息学分析显示这2个基因在蛋白质序列和结构上与其他物种CIPK基因一样非常保守。实时定量PCR分析表明SiCIPK6和SiCIPK16在ABA、低温、高温、干旱、高盐诱导下表达量均有所上调, SiCIPK6基因在ABA、干旱和盐处理时表达量上调幅度较大,而SiCIPK16基因在低温、干旱和高温处理时表达量上调幅度较大。半定量PCR检测结果表明SiCIPK6和SiCIPK16两个基因在拔节、孕穗、灌浆期时均有表达,在相应生育时期受到干旱胁迫时它们表达量均有所提高。推测SiCIPK6和SiCIPK16基因在谷子的干旱或其他逆境胁迫中起一定作用。     

拟南芥NSP家族基因序列分析及响应干旱胁迫表达分析

芥子油苷是十字花科植物中的一种重要的次生代谢产物,它被酶水解的降解过程与植物响应逆境胁迫有关。NSP蛋白是一类能与黑芥子酶结合从而改变芥子油苷降解途径最终生成腈类物质的特异蛋白,其与ESP家族蛋白在功能上存在冗余。本研究以拟南芥NSP家族基因为对象,对家族成员基因序列、蛋白质序列、启动子序列进行生物信息学分析,并使用实时荧光定量PCR技术检测了该家族基因在干旱胁迫下的表达量。结果表明:该家族成员基因分布于3条染色体上,外显子数目2～4个;AtNSP5蛋白亚细胞定位于细胞核,其他成员定位于细胞质;结构域预测显示,该家族蛋白均含有4个Kelch结构域,除AtNSP5外,其他四个成员还含有1～2个Jacalin结构域;启动子序列中均含有CAAT-box、TATA-box核心元件及数量不一的逆境响应元件;干旱胁迫表达量分析显示,该家族中AtNSP5基因受干旱胁迫诱导表达,其他成员响应干旱胁迫不显著。本研究为进一步研究NSP蛋白在植物响应干旱胁迫中的分子机制提供依据,并为植物抗旱基因工程提供潜在候选基因。