杨树油菜素内酯合成基因DET2的克隆与功能分析

[目的]DET2基因编码一个5α-还原酶,是油菜素内酯(BRs)合成过程中的关键限速基因。研究DET2基因在杨树生长发育中的作用,对于进一步研究油菜素内酯在木本植物中的调控机制有重要意义。[方法]从银腺杨84K(Populus alba×P. glandulosa,‘84K’)克隆得到拟南芥AtDET2同源基因PagDET2,利用生物信息学对其进行序列比对、生化特征分析、构建系统发育进化树。通过RT-PCR分析其在杨树中的表达模式。构建由CaMV 35S强启动子驱动的过表达载体,通过农杆菌介导的叶盘转化法转化84K杨,得到PagDET2-OE转基因植株。分析过表达DET2基因对于转基因植株内源BRs含量、植株生长和抗逆的影响。[结果]克隆了包含全长编码区PagDET2基因全长,可编码一个长度为257个氨基酸的蛋白质。其蛋白序列与毛果杨、拟南芥、水稻、棉花、大豆、番茄DET2蛋白同源性较高,说明该基因在进化过程中相对保守。PagDET2在84K杨不同组织中均检测到表达,其在茎中的表达较高。通过ELISA检测植物BRs含量发现,过量表达DET2可以显著提高杨树内源BRs含量。过量表达DET2基因,可以导致转基因植株的高生长,但对盐胁迫更加敏感。[结论]DET2基因作为BRs合成的关键基因,在杨树中过量表达可以显著提高内源BRs含量,促进植株增高。DET2转基因植株的获得为进一步分析BR参与木本植物生长发育的调控机制奠定了基础。     

毛白杨PtoWOX11/12a对杨树扦插苗生长发育的影响

【目的】WOX转录因子家族是一类植物特有的转录因子家族,在植物胚胎建成、干细胞分裂和分化的维持以及器官的形成过程中发挥重要调控作用。本研究分析毛白杨Pto WOX11/12a基因对转基因84K杨叶形、茎等生长发育的影响,分析毛白杨不定根诱导过程中及过表达和抑制表达Pto WOX11/12a转基因84K杨中Pto WOX11/12a基因、生长素合成基因YUCCA1和YUCCA8的表达模式,为深入研究WOX基因对植物生长发育的调控机制提供参考。【方法】对在温室生长1~3个月的过表达和抑制表达Pto WOX11/12a转基因以及非转基因84K杨(对照)的叶形、株高和地径进行比较;通过组织切片对转基因和非转基因84K杨的第5、9和13节间的解剖学特征进行分析,并对各节间的形成层和木质部宽度进行比较;利用实时荧光定量PCR(q PCR)技术,分析Pto WOX11/12a、生长素合成基因YUCCA1和YUCCA8在毛白杨不定根产生过程中及在过表达和抑制表达Pto WOX11/12a转基因84K杨中的表达模式。【结果】在叶形上,过表达Pto WOX11/12a转基因84K杨叶片长度与非转基因84K杨(对照)没有显著差异,但是宽度显著大于对照;抑制表达Pto WOX11/12a转基因84K杨的叶长和叶宽都明显小于对照,且叶边缘呈现锯齿状缺刻。在植株的株高和地径方面,过表达和抑制表达Pto WOX11/12a转基因84K杨的株高和地径都明显低于对照,且存在显著差异;茎解剖分析发现,过表达Pto WOX11/12a转基因84K杨木质部宽度小于对照,形成层细胞层数多,而抑制表达Pto WOX11/12a转基因84K杨木质部宽度同样小于对照,但与过表达植株相比,木质部宽度相对变大,形成层细胞层数变少。q PCR结果显示Pto WOX11/12a基因在毛白杨不定根产生过程中被诱导并持续表达,而生长素合成基因YUCCA1和YUCCA8在诱导培养3天后表达量才迅速增加,但在过表达Pto WOX11/12a转基因植株中表达量升高,在抑制表达植株中表达量降低。【结论】Pto WOX11/12a基因的过表达或者抑制表达都影响了转基因84K杨叶的发育、茎的高生长和径向生长(次生木质部发育);Pto WOX11/12a基因在杨树不定根形成和生长过程中发挥作用涉及到生长素合成基因YUCCA1和YUCCA8的参与。在生根过程中,Pto WOX11/12a基因和生长素合成基因YUCCA1及YUCCA8在表达时间上存在时间间隔。高水平的Pto WOX11/12a抑制了生长素合成相关基因的表达,导致过表达Pto WOX11/12a转基因84K杨由于更容易形成分生组织,促进了根原基的形成,产生比较多的不定根。在不定根生长过程中,YUCCA1及YUCCA8基因上调表达,可促进生长素合成和根部分生组织细胞的分裂;在茎中,二者上调表达促使过表达Pto WOX11/12a转基因84K杨形成层活动的增强,继而影响木质部的分化,木质部变窄。     

银腺杨84K茎段瞬时转化体系的建立

【目的】我国需要大量人工林来满足木材需求,而速生林的木材品质有待改良。研究木材形成的基因调控是材性改良的基础。为加速鉴定木材形成相关基因的研究,建立一种快速、便捷、高效的瞬时转化体系尤为重要。【方法】采用显微切片,观察1年生银腺杨84K休眠茎段水培下的形成层活动规律;以其作为瞬时转化受体,增强型绿色荧光蛋白(e YGFP)作为报告基因,构建表达载体,采用农杆菌介导真空渗透侵染方法进行84K茎段的瞬时转化。并通过L9(34)正交试验对农杆菌GV3101侵染浓度、真空渗透侵染时间、真空渗透侵染次数及侵染后培养时间进行优化。【结果】银腺杨84K 1年生枝条室温水培条件下可以解除休眠,形成层在水培15天左右活动已比较旺盛,并出现新分化的导管。培养约30天,木质部大量积累。这说明枝条经1个月时间可以完成形成层的分化、木质部的形成等木材形成的全过程。从形态上观察,形成层、木质部和韧皮部的生长发育过程与正常树木没有差异。采用农杆菌介导真空渗透侵染方法,茎段及切片在激发光下可在形成层区域观察到绿色荧光,说明茎段转化成功。进一步通过正交试验分析,表明4个转化条件对转化率的影响依次为:侵染后水培天数真空渗透侵染时间菌液浓度真空渗透侵染次数。农杆菌介导真空渗透瞬时转化银腺杨84K茎段的最优组合是农杆菌重悬液浓度OD600为0.9、真空渗透侵染20 min、真空渗透侵染2次、侵染后水培15天。【结论】建立了农杆菌介导的银腺杨84K茎段真空渗透侵染瞬时转化体系。这一体系可快速鉴定参与维管组织分化相关基因的功能,有助于揭示木质部发育的调控机制。同时该方法也可为研究其他木本植物的木材形成相关基因提供借鉴。     

橡胶树HbMYB20基因的克隆及其对拟南芥次生壁发育的调控

【目的】MYB转录因子是调控植物木质素合成和次生壁形成的重要转录因子之一。本文分离克隆到一个与拟南芥AtMYB20高度同源的橡胶树MYB转录因子基因HbMYB20,并在拟南芥中对其功能进行研究,以期了解其在橡胶树木质素合成和次生壁发育的分子调控中的作用,为橡胶树木材形成的分子调控机制研究及其遗传改良奠定基础。【方法】采用 blast分析从树皮转录组中筛选出与拟南芥 AtMYB20序列同一性较高的橡胶树 MYB 基因HbMYB20;设计 ORF区特异性引物,以树皮 cDNA 为模板进行扩增得到该目的基因 cDNA 序列。实时荧光定量PCR检测该基因在橡胶树叶片、胶乳、茎干以及木质部与韧皮部的相对表达量。构建 HbMYB20过表达植物载体,使用农杆菌蘸花法转化拟南芥,获得该基因过表达转基因株系。采用乙酰溴法和间苯三酚染色法,分析转基因、野生型拟南芥茎的木质素含量以及木质素在拟南芥茎基部横截面中的分布。对转基因、野生型拟南芥茎基部横截面切片进行甲苯胺蓝染色,并测量分析导管、木质纤维和维管束间纤维细胞的细胞壁厚度。最后,采用实时荧光定量PCR分析转基因及野生型拟南芥木质素和纤维素合成相关酶基因的表达。【结果】克隆得到1个橡胶树 MYB 转录因子基因 HbMYB20,该基因开放阅读框( ORF)为927 bp,编码309aa 的蛋白,氨基酸序列分析显示,HbMYB20与AtMYB20/43和 AtMYB85/42同源性较高,属 R2R3MYB转录因子 G8亚组成员。表达分析显示 HbMYB20在橡胶树茎干和木质部中高表达,胶乳中表达最低。对 HbMYB20过表达拟南芥分析显示,该基因在3个转基因株系中均表达;相对野生型拟南芥,转 HbMYB20拟南芥植株生长抑制,木质部和维管束间纤维的木质素染色面积较少、染色程度变浅,茎的木质素含量和木质纤维、导管及维管束间纤维的细胞壁厚度均显著低于野生型;同时转基因株系中木质素合成关键酶基因4CL1和 CCoAOMT的表达量以及纤维素合成关键酶基因 CesA8的表达显著下调。【结论】橡胶树 MYB转录因子 G8亚组成员 HbMYB20,在茎和木质细胞中高表达。拟南芥中过表达 HbMYB20导致转基因植株的矮小,细胞壁变薄,阻碍木质部中木质素的合成和积累,同时木质素和纤维素合成相关酶基因的表达显著下降。由此推测 HbMYB20对拟南芥的木质素和纤维素合成都具有负调控作用,可能是1个橡胶树次生壁发育的负调控因子。     

干旱和高盐胁迫下钙离子依赖核酸酶基因CDD对银腺杨84K生长发育的影响

【目的】钙离子依赖型脱氧核糖核酸酶(CDD)具有消化单链和双链DNA的活性,但CDD对水分等胁迫的响应尚未明确。本研究以CDD转基因银腺杨84K为材料,分析在干旱和高盐胁迫条件下CDD在84K杨生长中的作用,探讨CDD对干旱和高盐胁迫的响应,可为揭示杨树CDD基因在抗逆中的作用提供参考。【方法】以过表达PtoCDD和敲除PagCDD转基因银腺杨84K组培苗为材料,对其进行模拟干旱和高盐处理,分析其受干旱、高盐非生物胁迫条件下的表型变化,包括植株高、不定根数目。通过切片观察,分析不同处理条件下茎段木质部大小变化。利用qRT-PCR分析在不同处理条件下CDD转基因植株中水通道蛋白基因(PIP)的表达。【结果】与84K对照相比,在正常条件下CDD转基因植株株高没有显著差异,而干旱、高盐条件下CDD缺失突变体植株显著高于对照和CDD过表达植株,而过表达植株极显著低于对照及突变体。说明CDD过表达增强了杨树对干旱、高盐的敏感性,而敲除CDD后降低了杨树对干旱、高盐的敏感性。组织切片分析显示,在正常条件下木质部细胞层数呈现CDD过表达对照84KCDD缺失突变体,而在干旱、高盐条件下木质部细胞层数为CDD过表达对照84K CDD缺失突变体。表明CDD参与了木质部细胞分化过程,并当受到干旱、高盐胁迫时,CDD的表达对木质部分化过程的影响尤为明显。不定根数目统计显示,在正常条件和高盐条件下植株不定根数目呈现为CDD缺失突变体对照84KCDD过表达,且差异均达到显著水平或极显著水平,而干旱条件下差异不显著。表明CDD差异表达引起的不定根数目上的变化在一定程度上反映了杨树对干旱和高盐胁迫的敏感性。qRT-PCR分析显示,CDD过表达和CDD缺失突变体植株中均表现出多个PIP基因诱导高表达。表明CDD的表达变化可引起PIP基因不同成员的诱导表达,从而改变杨树的水分利用。【结论】杨树CDD的缺失或过量表达引起不定根数目的变化,同时改变了杨树的水分利用,影响对干旱和高盐胁迫的敏感性,导致胁迫下生长的变化。上述结果表明CDD参与杨树响应干旱和高盐胁迫过程。     

通过RNAi技术抑制杨树c3h基因表达提高糖转化效率

利用克隆得到的毛白杨c3h1基因构建其RNAi抑制表达载体,通过根癌农杆菌介导的叶盘法转化银腺杨无性系84 K,Realtime PCR检测表明其转基因株系323、325和322中c3h1基因表达量较野生型植株分别下调89.04%、82.22%和68.38%;茎横切片组化染色和显微结构观察表明转基因植株木质部发育和木质素沉积方式发生了改变;木质素、纤维素含量测定及苯酚—硫酸法总糖含量与HPLC法可溶性总糖和单糖含量检测结果表明:转基因植株木质素含量平均降低23.00%,最高可达39.71%;酸前处理效率最高提高了41.39%;未经酸处理直接酶解的糖化效率是对照植株的2.34～2.72倍,322株系和323株系比对照植株经酸前处理后再酶解的糖化效率高出81.18%和375.53%。     

S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因对银腺杨84K抗旱性的影响

【目的】多胺广泛存在于植物体内,参与调节植物发育过程以及胁迫响应,S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶（SAMDC）是多胺合成途径的关键限速酶。本研究以SAMDC转基因银腺杨84K为材料,分析在干旱胁迫下SAMDC对杨树生长的影响,探讨SAMDC在林木响应干旱中的作用,为揭示多胺在杨树抗逆性方面的作用提供参考。【方法】以生长3个月的银腺杨84K及其PagSAMDC4a过表达转基因株系的土培苗为试验材料进行干旱处理,观察植株表型,并对多胺含量、H₂O₂含量、叶片相对含水量、叶片失水率、电解质渗透率等生理指标进行分析。【结果】PagSAMDC4a过表达银腺杨84K株系PagSAMDC4a-OE#3、PagSAMDC4a-OE#15、PagSAMDC4a-OE#17的内源亚精胺、精胺含量都显著高于未转基因植株,且PagSAMDC4a-OE#17株系内源腐胺、亚精胺、精胺含量分别是未转基因植株的1.95、3.43、1.32倍。正常条件下,过表达PagSAMDC4a植株的叶片表型、叶片相对含水量和电解质渗透率与未转基因植株无显著差异,而过表达株系PagSAMDC4a...     

转玉米PEPC和PPDK基因杨树苗期的光合生理特性

【目的】磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和磷酸丙酮酸二激酶(PPDK)是保证C4植物高效光合作用的关键酶。杨树作为光合效率较低的C3植物,其光能利用率低,本研究以玉米PEPC基因和PPDK基因分别作为目的基因进行杨树遗传转化,分别获得转基因的高效表达植株,并进行分子检测及相关功能分析,为培育杨树高光效新品种提供依据。【方法】通过生物信息学筛选玉米PEPC和PPDK基因。利用Gateway系统,将PEPC和PPDK基因分别构建到植物表达载体pGWB406,通过农杆菌介导法转化南林895杨。比较分析转基因植株与对照(南林895杨)的光合生理特性。【结果】筛选克隆的PEPC及PPDK基因均编码典型的C4光合作用关键酶。南林895杨转PEPC基因获得5个株系,不同株系间基因表达量具有差异,最大达1.79倍,但编码蛋白在不同株系叶片中的表达量无显著差异;转PPDK基因获得3个株系,各株系间基因及蛋白表达量无显著差异。PEPC和PPDK在叶片中的表达量均高于茎中,且随着植株生长发育而提高; PEPC和PPDK基因的表达均受光照条件的影响,在高光照下表达量上升2～3倍。转基因株系净光合速率在11:00—14:00出现双峰状态,且显著高于对照组,最高达16.2%(PEPC-5株系);气孔导度在12:00—16:00高于对照组;除PPDK-2株系外,转基因株系都检测到比对照组更高的胞间CO2浓度,除PEPC-1和PEPC-4株系外,转基因株系CO2饱和点均低于对照组;全部转基因株系CO2补偿点均低于对照组,且光饱和点以及在光饱和点的光合速率均高于对照组。生长参数方面,PEPC-3和PEPC-4株系多个指标显著优于对照组(P0.05),平均株高分别高于对照组5.6%和2.9%,叶面积分别高于对照组13.8%和8.9%,叶片质量分别高于对照组23.6%和19.8%,地径分别高于对照组13.5%和5.4%;转基因株系的茎生物量均高于对照组,叶生物量优势最为明显的依次是PEPC-3、PEPC-5和PEPC-4株系,分别高于对照组34.8%、15.4%和6.3%。【结论】玉米PEPC和PPDK基因导入南林895杨获得的转基因植株在强光利用方面具有明显的优势,植株的光合能力显著提高,生长指标优于对照组。利用C4植物的光合作用关键酶编码基因对杨树进行遗传转化,对于提高杨树甚至木本植物的光合效率具有重要意义。     

核桃JrGA2ox基因的克隆、亚细胞定位及功能验证

【目的】GA2-oxidase(GA2ox)是赤霉素合成过程中起负调控作用的一种关键酶,能够催化有活性的赤霉素为无活性的赤霉素,从而对植物生长起到一定的抑制作用。本研究主要对核桃中赤霉素氧化酶基因JrGA2ox进行克隆及功能验证,有利于进一步探究核桃JrGA2ox基因在植物生长和发育过程中,尤其是在植物株高调控中的作用,从而助力于挖掘与利用核桃中更多的优质基因,培育出更多优良的核桃品种。【方法】采用PCR扩增技术,克隆获得核桃JrGA2ox基因的全长编码序列,进一步通过In-Fusion克隆技术构建具有强启动子的35S∷JrGA2ox∷GFP过表达载体;利用BLAST网络在线工具得到其他植物中的JrGA2ox同源氨基酸序列,并对其进行氨基酸同源序列比对和系统进化分析;其后,通过亚细胞定位揭示其发挥功能的场所,进一步利用农杆菌介导法将构建好的过表达载体转化到核桃体细胞胚中,获得JrGA2ox超表达的阳性转化植株,深入分析JrGA2ox基因的生物学特性。【结果】通过基因克隆,得到1条JrGA2ox开放阅读框,其全长为1 056 bp,共编码351个氨基酸,分子量为39.25 kDa。通过比对发现,该基因编码的蛋白序列含有保守2OG-FeII-Oxy蛋白结构域,具有GA2-氧化酶蛋白家族共同的结构特点,表明JrGA2ox属于GA2-氧化酶基因家族。氨基酸进化树比对分析结果显示,核桃JrGA2ox与毛白杨PtGA2ox聚为一个分支。且JrGA2ox蛋白与木本植物川桑MnGA2ox1、西洋梨PcGA2ox、桃PpGA2ox1及苹果MdGA2ox1蛋白序列同源性较高。烟草叶片表皮细胞亚细胞定位分析表明,JrGA2ox是定位于细胞核与细胞膜中的蛋白。对核桃体细胞胚进行基因遗传转化后经荧光检测及PCR验证表明,35S∷JrGA2ox∷GFP过表达载体被成功转入核桃体细胞胚中。阳性再生植株株高与对照苗相比具显著性差异,其平均株高为对照植株的1/2;且其株高与JrGA2ox基因表达量呈负相关。【结论】核桃JrGA2ox蛋白亚细胞定位于细胞核与细胞膜中。JrGA2ox基因调控核桃株高,主要起到负调节作用。阳性基因转化再生植株中JrGA2ox基因的表达量升高,并表现出明显的矮化特征。本研究结果可为进一步分析该基因在核桃生长发育过程中的作用提供技术参考,且为优良的矮化核桃品种选育奠定一定的基础。     

抗虫转基因杨树的培育及其抗虫性初步研究

以杨树优良新品种欧美杨107(Populus×euramericanacl."74/76")为试材,通过根癌农杆菌(Agrobacteriumtumefaciens)介导法,将Bt毒蛋白基因导入107杨的叶片及茎段外植体,经潮霉素抗性筛选,获得了转基因再生植株。提取转基因植株的总DNA,经PCR扩增,部分植株呈阳性反应,证明目的基因已经整合到杨树基因组中。以转基因杨树叶片饲喂天幕毛虫幼虫的杀虫试验结果表明,转基因杨树表现出一定的杀虫活性。     

毛果杨Rubisco活化酶基因的克隆与功能分析

【目的】核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)是参与植物光合作用的第1步碳同化的关键酶,而Rubisco活化酶(RCA)能够使Rubisco处于稳定的催化活性状态,从而提高光合效率。本研究从毛果杨中克隆RCA基因并通过遗传转化南林895杨,获得PtRCA高表达的转基因株系,并进行分子检测及相关功能分析,为培育杨树新型高光效抗逆品种提供依据。【方法】基于毛果杨基因组数据库信息克隆PtRCA基因序列,利用生物信息学对PtRCA基因进行功能和结构分析。采用Gateway技术将PtRCA构建到植物表达载体pGWB406中,以南林895杨为受体材料,通过农杆菌介导法进行遗传转化。以转PtRCA基因南林895杨和对照(南林895杨)为材料,测定分析在高温胁迫下转基因植株的基因表达、光合参数和叶绿素荧光参数的差异。【结果】从毛果杨中克隆获得PtRCA的CDS序列长1 323 bp,编码440个氨基酸残基,其蛋白相对分子质量为48 315.9 Da,等电点pI为5.57,为疏水性蛋白,无信号肽以及跨膜结构;通过序列对比,发现PtRCA属AAA+超级家族一员,且与大豆、拟南芥RCA蛋白同源性较高。转PtRCA基因南林895杨RCA表达量均高于对照,且能够利用强光充分进行光合作用,其光饱和点也均高于对照,增加约12.5%~37.5%;光补偿点除3号株系外,其他转基因株系均略低于对照;转基因植株在光饱和点的光合速率比对照增高24.6%~55.7%。转基因株系对CO_2的利用能力和羧化效率均强于对照组,CO_2饱和点除1号和4号株系外,其他株系均比对照低12.5%~25.0%;CO_2补偿点比对照降低53.1%~80.4%;光呼吸比对照低37.7%~79.3%,并且转基因杨树在CO_2饱和点的光合速率比对照增高4.4%~26.4%。另外,转基因杨树表现出耐光氧化的能力,光氧化处理后,对照PSⅡ原初光化学效率下降61.7%,而转基因杨树下降45.0%~53.1%;对照PSⅡ实际光化学效率下降54.1%,而转基因杨树下降38.7%~52.0%;光化学猝灭系数对照下降68.3%,而转基因杨树下降51.0%~65.8%;非光化学猝灭系数对照仅增加3.0%,而转基因杨树增加6.0%~26.5%。【结论】杨树Rubisco活化酶(PtRCA)蛋白与大豆、拟南芥RCA蛋白同源性较高。通过实时定量及相关生理分析表明,转PtRCA基因南林895杨具耐高温特性,利用CO_2和强光进行光合作用的能力较强,催化Ru BP进行羧化反应的效率较高。转PtRCA基因杨树能够充分利用吸收的光子,PSⅡ反应中心效率较高,过剩光能量得到较好的耗散,表现出耐光氧化的能力。研究结果表明,PtRCA基因的高效表达提高了转基因植株的光合效率,并对高温高光强具有调节能力。     

杨树微管功能研究植物表达载体构建及验证

[目的]分别构建84K杨的微管蛋白TUA5和TUB16与红色荧光蛋白mCherry融合的植物过表达载体,瞬时表达验证载体在植物体内表达后的荧光信号,为研究杨树微管功能奠定基础。[方法]以毛果杨微管蛋白TUA5和TUB16的基因序列为模板,设计84K杨的皿5和7TZB76基因的引物,提取野生型84K杨的RNA并反转录成cDNA,同源克隆得到84KTUA5和84KTUB16基因,分别连接在pCAMBIA 1300载体mCh-ep荧光标签的N,端和C端,转化到大肠杆菌TOP10感受态细胞中,通过菌落PCR和测序鉴定获得阳性单克隆,并通过电击法将重组质粒转化到农杆菌GV3101中,瞬时转化烟草后进行荧光观察。[结果]克隆得到了84KTUA5和84KTUB16基因,成功与pCAMBIA 1300-mCherry载体连接,烟草瞬时表达荧光观察结果显示:仅目的基因与mCherry标签C,端相连的融合蛋白能够成功表达,且荧光明显。[结论]成功构建了84K杨皿5和TUB16基因与pCAMBIA 1300-mCherry的融合表达载体,为进一步研究杨树微管功能提供了背景材料。     

杨树木质素合成基因C3H与HCT表达下调对细胞壁空间形态的影响

木质纤维素是地球上数量最大的可再生资源,由木质素、半纤维素及纤维素三者紧密结合产生的抗降解屏障作用是纤维素能源利用的主要障碍。高效分离木质素,须对木质素在木材细胞壁中的结构与分布进行充分的研究。本研究中选定莽草酸/奎尼酸羟基肉桂酰转移酶HCT基因和毛白杨香豆酰莽草酸/奎宁酸羟化酶C3H基因为调控目标,通过根癌农杆菌叶盘转化法转化银腺杨无性系84K,最终得到C3H-RNAi与HCT-RNAi转基因植株。发现C3H-RNAi和HCTRNAi转基因株系比野生型植株内中外三层木质部的平均导管腔茎、导管壁、木纤维腔径、木纤维壁均变小。壁腔比值都小于1,比较适合作为造纸纤维原料。探索通过基因改良技术改变杨树木质素结构在细胞壁中空间尺度上分布变化,这将为林木材性改良,木质纤维素高效利用研究奠定基础。     

水通道蛋白PIP1基因过表达杨树的光合生理过程对干旱和复水的响应

【目的】通过比较转水通道蛋白基因Pt PIP1;3(Gen Bank登录号:MN795092 ptopip1.3)的84K杨与野生型植株的光合作用对干旱及复水的响应,分析该过程的限制因素,以期深入了解水通道蛋白PIP1在干旱胁迫及复水过程中对CO_2导度的调节作用及其对光合作用的影响。【方法】以杂交杨84K野生型及转Pt PIP1;3基因植株为研究对象,进行重度干旱胁迫(土壤含水量达到田间持水量的35%)及复水处理,测定气体交换及叶绿素荧光各个指标,计算叶肉导度(g_m)等参数,进而分析水通道蛋白在干旱条件及复水后对CO_2导度和光合作用的调节作用。【结果】转Pt PIP1;3基因84K杨在正常浇水下净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)和蒸腾速率(Tr)显著高于84K野生型。干旱胁迫至第6天,野生型和转基因植株光合作用都开始下降,且转基因植株光合作用下降速度更快,至第7天降到野生型同样的水平。干旱处理的第7～10天,转基因植株和野生型植株的g_s、g_m和P_n均显著低于各自对照(正常浇水植株),光化学淬灭(q_P)、光系统Ⅱ实际光化学效率(Ф_(PSⅡ))、电子传递速率(J_(flu))、最大羧化速率(V_(cmax))和最大电子传递速率(J_(max))也显著降低,此时2种植株的光合作用都主要受到叶肉导度的限制。在复水的3天过程中,转基因植株的光合作用恢复速度更快,而且叶绿素荧光参数能够恢复到正常水平,期间光合作用主要受到叶肉导度的限制;而野生型植株的光合参数以及叶绿素荧光参数都未完全恢复,其光合作用除了受到叶肉导度的限制外,还受到光合作用中生物化学过程的限制。【结论】叶肉导度是转水通道蛋白基因及野生型84K杨干旱胁迫和复水过程中光合作用的主要限制因素。在干旱胁迫后水通道蛋白基因过表达的转基因杨树光合作用恢复迅速,包括光系统Ⅱ性能的恢复,这有助于杨树适应自然界中经常发生的阶段性干旱胁迫。     

毛白杨PtoWOX4a基因过表达对次生生长的影响

【目的】WUSCHEL-related homeobox(WOX)转录因子是植物特有的一类转录因子,参与干细胞维持、侧生器官发育和不定根再生等过程,对植物生长发育有至关重要的作用。本文通过对毛白杨Pto WOX4a基因表达模式的分析和过表达植株表型的观察,研究Pto WOX4a在杨树生长发育中的作用,为全面了解不同物种中WOX基因的作用机制奠定基础。【方法】利用qRT-PCR技术分析Pto WOX4a基因在茎顶端分生组织、幼叶、成熟叶、嫩茎、老茎、木质部、韧皮部和根中的相对表达量;利用GUS染色技术对p Pto WOX4a∷GUS转基因植株进行染色,通过GUS信号观察,进一步分析Pto WOX4a在不同组织中的表达模式。对过表达Pto WOX4a植株和对照植株的不定根、茎和叶片进行形态观察和生长指标测定,并通过组织切片对其解剖结构进行观察比较,分析过表达Pto WOX4a对杨树不定根、茎和叶片维管发育的影响。【结果】qRT-PCR结果显示,Pto WOX4a在茎中表达量最高,且主要集中在木质部和韧皮部,在根中表达水平次之,而在叶片等其他组织中的表达量较低;p Pto WOX4a∷GUS转基因植株的GUS染色结果与qRT-PCR结果一致,并发现Pto WOX4a主要在根、叶及茎的维管组织中表达。对过表达Pto WOX4a转基因植株表型观察发现,过表达Pto WOX4a抑制了不定根的伸长,3周苗龄的转基因植株不定根长度约为3~4 cm,仅为对照植株的1/3~1/2,不定根直径变粗,根部木质部区域增加。3月苗龄的过表达Pto WOX4a植株变矮,与对照植株相比,株高减少了14%~20%,节间数减少了16%~22%;对第10节间茎段的解剖结构分析发现,过表达Pto WOX4a植株茎部髓心部分变窄,比对照植株减少了10%~20%,木质部区域变宽,比对照植株增加了24%~35%,而形成层区域宽度无明显变化。此外,过表达Pto WOX4a导致植株叶片生长异常,叶片两侧边缘向上卷曲。【结论】毛白杨Pto WOX4a基因主要在杨树的维管组织中表达,过表达Pto WOX4a可影响杨树不定根、茎和叶片维管的发育。     

毛竹4个B-box锌指蛋白序列和基因表达特征及PeBZF4的功能

【目的】B-box锌指蛋白( BZF)在植物生长发育和应对逆境过程中发挥着重要的调控作用。强光胁迫对竹子的生长发育有着重要的影响,通过分析毛竹 BZF 基因编码蛋白的分子特征及组织表达模式,研究过量表达PeBZF4转基因植株的荧光动力学参数变化,以期为揭示竹子 BZF 基因对强光的应答与调节机制提供参考。【方法】采用同源基因比对的方法直接从 BambooGDB中获得毛竹 BZF基因同源序列,利用专用软件和在线公共平台分析基因及其编码蛋白序列,查找各种作用元件,预测蛋白功能结构域,分析蛋白的亲水性/疏水性。采用实时定量 PCR技术分析基因在不同组织中的表达情况以及强光(1200μmol·m －2 s －1)和黑暗处理后基因在叶片中的表达变化。构建 PeBZF4基因的过量表达载体,利用农杆菌介导法转化拟南芥,直接观察转基因植株表型,利用IMAGING-PAM 荧光仪测定其叶绿素荧光参数。【结果】从毛竹数据库获得4条不同的 BZF 基因同源序列,编码4个不同的锌指蛋白,分别命名为 PeBZF1,PeBZF2,PeBZF3和 PeBZF4。4个基因中均具有光应答顺式作用调控元件 ACE和 G-box,但它们所含光应答元件却有所差异,PeBZF1中有 MNF1和 Sp1,PeBZF2中有 I-box,Sp1和 boxⅡ, PeBZF3和PeBZF4中有GT1-motif,MNF1和Sp1。4个基因所编码的蛋白都具有2个B-box结构域和CHC3H2锌指结合域,属于B-box型锌指蛋白。在根、茎、叶片和叶鞘中的表达4个基因存在着明显差异,其中PeBZF1和PeBZF3在叶片中的表达丰度最高,PeBZF2和 PeBZF4在叶鞘中的表达丰度最高。强光处理后 4个基因的表达均受到抑制,且随着光照时间的延长 PeBZF2和 PeBZF3的表达呈逐渐下降趋势,而 PeBZF1和 PeBZF4的表达却在光照1 h时比0.5 h时略微上调,随后迅速下降;黑暗对 PeBZF1,PeBZF2和 PeBZF3的表达有明显抑制作用,而 PeBZF4的表达却显著上调,约是对照的3.2倍。过量表达 PeBZF4的转基因植株光系统Ⅱ的实际光合效率 Y(Ⅱ)和非光化学猝灭( NPQ)值都比野生型有不同程度的提高。【结论】毛竹中有4个不同B-box型锌指蛋白基因,其表达为组成型,强光和黑暗处理4个基因的表达变化表明它们参与了光胁迫的应答调节。过量表达 PeBZF4基因能够提高转基因植株的 Y(Ⅱ)和 NPQ值,证明 PeBZF4能够增强其热耗散能力,提高强光下的光合效率。因此,BZF 可能与竹子抵抗强光胁迫有关。     

杨树蔗糖转运体基因PagSUT4的鉴定及功能分析

【目的】植物蔗糖转运体SUTs参与蔗糖由源组织到韧皮部的装载、韧皮部的运输和由韧皮部到库组织的卸载过程,对植物生长发育至关重要。本研究通过在杨树中超表达Pag SUT4基因(Gen Bank登录号:KX545405)并分析转基因株系的表型,探讨Pag SUT4在杨树糖转运、光合作用和次生生长中的作用。【方法】利用同源基因克隆技术,克隆银腺杨Pag SUT4基因;利用实时荧光定量PCR技术,分析银腺杨Pag SUT4基因在根、幼叶、成熟叶、初生茎、次生茎、雄花和雌花及木质部、韧皮部中的表达。通过在烟草叶片瞬时转化35 S∶YFP-Pag SUT4,对Pag SUT4的亚细胞定位进行分析。利用Gateway技术,将Pag SUT4编码区序列重组进入PMDC32载体,从而构建35 S∶Pag SUT4载体。利用农杆菌介导法转化银腺杨,并选取Pag SUT4表达量较高的2个转基因株系用于表型分析。对在温室生长2个月的转基因株系和对照植株的株高、地径、净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率进行测定。此外,通过组织切片对转基因和对照植株的第7节间的解剖学特征进行分析。【结果】Pag SUT4基因编码的蔗糖转运蛋白定位于液泡膜。Pag SUT4基因在各组织中均有表达,并在成熟叶、次生茎、韧皮部和花中具有较高表达。基于实时荧光定量PCR分析,确认获得13个Pag SUT4超表达株系,其Pag SUT4在叶片中的表达量均显著高于对照。2个Pag SUT4超表达株系(S1和S12)的气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率均高于对照,而其胞间CO2浓度低于对照;净光合速率显著高于对照,分别高出24%和21%;与对照相比,株高分别增加22%和17%,地径分别增加9%和7%。茎解剖分析发现,2个Pag SUT4超表达株系第7节间木质部宽度与对照株系相比分别增加32%和21%。【结论】Pag SUT4基因主要在成熟叶、次生茎和韧皮部及花中发挥作用。杨树超表达Pag SUT4可能通过促进叶片中糖的外运和茎中糖的运输与卸载,提高蔗糖在源端的装载及在库端的卸载效率进而对光合作用产生正反馈效应。光合作用的增强和茎中蔗糖卸载效率的增加,促进杨树的高生长和径向生长(次生木质部发育)。     

AtMET1基因在84K杨中的遗传转化及诱导表达分析

[目的]研究拟南芥甲基化转移酶基因AtMET 1在银腺杨84K(Populus alba×P. glandulosa ‘84K’)中的诱导表达特性,为建立杨树甲基化诱导变异体系、进而实现杨树品种改良等奠定基础。[方法]以白杨派优良品种84K杨的无菌苗叶片为受体材料,采用农杆菌介导法将化学诱导启动子与AtMET1基因导入84K杨基因组中;经潮霉素筛选获得抗性植株,通过常规PCR检测、DNA测序等方法对抗性植株进行鉴定。通过化学诱导剂17-β-雌二醇对随机挑选的1个转基因株系离体叶片进行诱导处理,处理时间为0、3、6、12、24、48、96、144 h,采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测外源基因AtMET1表达量变化。[结果]本研究共获得了潮霉素抗性芽648个,经生根筛选获得18株抗性植株,经分子检测证实全部为转基因植株,分别标号为AM-1～18#。qRT-PCR结果显示:化学诱导剂17-β-雌二醇处理3 h时,目的基因AtMET1的表达量即达到最大值,随后在处理6 h时表达量下降,处理12 h时有所回升,处理24 h后表达量降低至不足12 h时的一半。[结论]化学诱导剂17-β-雌二醇能迅速有效地调控转基因杨树中AtMET1基因的表达,为进一步研究MET1基因在杨树基因组甲基化调控方面的作用机制奠定基础,也为今后杨树化学诱导表达研究及品种改良提供新思路、新方法。     

鹅掌楸LcPAT8基因的克隆及功能初步分析

【目的】基于前期鹅掌楸生长性状与EST-SSR分子标记关联分析结果,克隆分离与鹅掌楸生长性状相关联的SSR位点相对应的基因,通过分析其序列特征、结构特征、与其他物种同源基因的亲缘关系和表达特性,初步了解该基因在鹅掌楸生长发育过程中的作用。同时,利用遗传转化技术对分离的基因进行功能研究,以期为鹅掌楸生长发育的分子机制研究及功能基因挖掘奠定基础。【方法】以鹅掌楸叶芽为材料,借助其叶片转录组数据库,采用RT-PCR和RACE技术克隆分离与鹅掌楸生长性状相关联的642号位点对应的EST序列相关基因,对其进行生物信息学分析。通过实时荧光定量PCR检测该基因在鹅掌楸花芽、盛花期的叶芽、叶片、花瓣、雄蕊、雌蕊中的相对表达量。利用Gateway技术构建该基因的植物过表达载体,使用农杆菌GV3101介导的花絮浸染法转化拟南芥,获得T2代转基因植株,直接观察转基因植株表型。【结果】克隆获得与鹅掌楸生长性状相关联的642号位点相对应的基因,该基因全长1 968 bp(GenBank登录号:KU883608),开放阅读框为1 269 bp,编码422个氨基酸。生物信息学分析表明该基因编码的蛋白序列含有1个典型的DHHC-CRD结构域,属于DHHC型锌指蛋白家族成员,与其他植物预测的蛋白质棕榈酰基转移酶(PAT)高度相似,并根据与NCBI中拟南芥PAT基因的比对结果,将其命名为LcPAT8。组织表达分析表明,LcPAT8基因在鹅掌楸花芽、叶芽等6个组织中均有表达,在雌蕊中表达量最高,花瓣和叶片中的表达量高于叶芽和花芽,而在雄蕊中的表达量最低。利用Gateway技术,成功构建了鹅掌楸LcPAT8基因的植物过量表达载体,获得T2代转基因拟南芥。与野生型拟南芥相比,过表达LcPAT8基因的拟南芥植株的莲座叶片数目以及抽薹时间没有发生明显变化,而野生型植株大部分角果成熟、叶片枯黄掉落时,转基因植株依然生长旺盛,叶片鲜绿并且还有大量花絮,在野生型植株干枯死亡后,转基因植株还有大量侧枝生长、开花。【结论】鹅掌楸LcPAT8基因在雌蕊中表达量最高,其次是花瓣,可能参与花瓣的扩展、心皮及胚的发育;在拟南芥中过表达LcPAT8基因,明显延长了植株的生长期。因此,鹅掌楸LcPAT8基因可能在植物生长发育过程中起着重要的调控作用。     

杨树皮储藏蛋白基因启动子的克隆和功能研究

杨树树皮储藏蛋白BSP是类似种子储藏蛋白的氮素储藏物 ,冬季在韧皮部薄壁细胞中大量积累 ,是落叶树氮代谢中的重要成分。为了研究BSP基因启动子在转基因植物中的表达特性 ,探索其在植物基因工程研究中潜在的应用价值 ,我们用PCR方法从美洲黑杨基因组中DNA扩增得到了BSA启动子片段。与GUS基因融合构建中间载体后 ,转化烟草 ,获得了一批PCR检测为阳性的转化再生植株。经GUS组织化学检测 ,发现若干转基因烟草的茎和叶柄韧皮部以及叶脉都呈GUS染色阳性 ,初步证明杨树BSP基因启动子确有韧皮部表达特性 ,可介导GUS基因在转基因烟草韧皮部特异表达。