小麦TaDHN2基因及其启动子的克隆与功能研究

为给深入研究Ta DHN2基因在小麦抗旱机制中的作用机理奠定基础,并为进一步丰富小麦DHN基因研究内容提供参考,本研究通过筛选石麦15基因组BAC文库和BAC克隆测序方法克隆了Ta DHN2基因及其启动子,并对Ta DHN2基因序列特征、表达模式和启动子功能等进行了分析和探讨。结果表明,Ta DHN2基因含有1个88 bp的内含子,开放读码框长为696 bp,编码1个含有231个氨基酸的脱水素蛋白。Ta DHN2蛋白具有Y-segment、S-segment和K-segment结构域,属于YSK2类型脱水素蛋白。此外,该蛋白含有明显的核定位信号序列S-segment和基序RRKK。Ta DHN2基因受渗透胁迫诱导表达,在根和叶中表达模式类似,叶中表达量显著高于根中。Ta DHN2基因启动子序列长为2 025 bp,预测含有9个脱水响应顺式元件。在转基因拟南芥中,Ta DHN2基因启动子能够启动GUS基因表达,并在渗透胁迫下诱导GUS基因上调表达。以上结果说明,Ta DHN2基因为脱水响应基因,其启动子为渗透胁迫强诱导启动子。     

小麦TaNIP4-1基因的克隆及生物信息学分析

水通道蛋白不仅控制着水分和一些小分子溶质的跨膜运输,也是植物体应对非生物胁迫的重要组成部分。为了进一步研究小麦水通道蛋白的功能,本研究以NCBI和Ensemble Plant数据库中查找出的已报道的小麦水通道蛋白基因序列为模板,针对其保守区设计了19对引物,应用PCR的方法从5个小麦品种中克隆出19个基因片段。通过比对鉴定到一个此前未曾报道的新基因,并对其进行生物信息学分析,将其命名为TaNIP4-1。理化特性分析表明,该基因位于3A染色体短臂,基因全长1 315bp,CDS序列长度864bp,含有3个外显子和2个内含子,编码含有288个氨基酸的多肽,含有保守的沙漏模型,有6个跨膜区和2个保守的NPA基序。亚细胞定位预测结果表明该基因位于质膜上。该基因启动子序列含有与逆境响应相关的顺式调控元件,而对7日龄的麦苗进行干旱和盐胁迫处理后,其qRT-PCR结果显示,干旱和盐处理5h后,TaNIP4-1基因在小麦叶片中的表达量明显上调;盐处理7d后,TaNIP4-1基因在小麦根部的表达量显著上调。由此可见,TaNIP4-1基因参与了小麦应对逆境的过程。     

小麦逆境胁迫基因TaSKIP的克隆、定位及初步表达分析

非生物逆境是小麦生长、发育及产量形成的主要限制因子之一。为揭示小麦抗逆胁迫响应机制,并为培育转基因抗逆种质奠定基础,本研究利用同源克隆的方法从普通六倍体小麦中国春中克隆出TaSKIP基因并进行序列分析及基因定位,同时对TaSKIP基因在PEG6000胁迫下的表达模式进行分析。结果表明,共克隆得到3个TaSKIP基因,其中2个基因被定位于6A和6D染色体上。序列分析表明,TaSKIP-6A编码区长为1 827bp,编码608个氨基酸,TaSKIP-B和TaSKIP-6D编码区长均为1 824bp,编码607个氨基酸。氨基酸序列比对分析表明,小麦TaSKIP蛋白与水稻、玉米和大麦等禾本科植物SKIP蛋白的同源性均大于88%,而且含有相同的SKIP/SNW结构域。实时荧光定量PCR(Quantitative real-time PCR,qRTPCR)检测结果表明,TaSKIP在模拟干旱胁迫条件下表达量上调,暗示该基因在小麦非生物逆境胁迫响应中起重要作用。     

茶树CsASR基因的克隆及其表达分析

逆境胁迫影响茶树生长发育及茶叶品质,ASR(abscisic acid,stress,ripening-induced)基因在植物抗逆响应中具有重要功能。本研究以龙井43品种茶树为材料,从中克隆了CsASR基因的全长cDNA序列、基因组序列及其启动子序列,分析了该基因的生物信息学特征及在组织间和不同胁迫处理下的表达模式。结果显示,CsASR的cDNA序列全长875 bp,含有546 bp的ORF序列,编码181个氨基酸,蛋白质分子量19.89 kD,理论等电点5.69;CsASR蛋白结构序列中74.5%的序列为无序结构,是一种无序蛋白;CsASR的C-端含有ABA/WDS功能结构域,主要定位于细胞质和细胞核中;茶树CsASR与海枣的ASR相似性最高,为87%,而在进化树中与枣的关系最近。CsASR基因含2个外显子,第1个外显子长363 bp,第2个外显子长183 bp,内含子较大为2 750 bp,内含子中含7种简单重复序列和2种DNA转座子序列。克隆获得起始密码子ATG上游2 554 bp的启动子区序列,该启动子上含有干旱、低温、高温以及ABA等相关的顺式作用元件。CsASR在根中的表达量最低;ABA抑制CsASR的表达,而干旱、NaCl和低温胁迫能够显著上调CsASR的表达。表明CsASR基因可能与茶树抗逆密切相关。     

小麦细胞色素P450(TaP450)基因的克隆与序列分析

细胞色素P450是一种多功能氧化酶,在植物体内担当着生物合成、代谢解毒以及抗逆等重要功能。本研究采用RACE方法从普通小麦中同源克隆到一个新的P450基因,命名为TaP450(Genbank No.KJ541960)。该基因基因组序列全长为2 643bp,含有2个外显子和1个内含子,cDNA全长为2 033bp,含有一个1 557bp的开放读码框,推导蛋白含518个氨基酸;序列分析发现其具有保守的P450结构域,但该蛋白与已报道的小麦P450蛋白序列有较大差异,表明它是小麦P450家族的新成员;蛋白结构特征分析发现,该蛋白的分子量为57.092kD,等电点为8.63,N端具有一个含29个氨基酸的跨膜结构和一个含22个氨基酸的信号肽,亚细胞定位分析表明该蛋白属于分泌蛋白。其在小麦叶片、茎、根与种子中均有表达,但在叶片和茎中表达量最高;在胁迫处理下,该基因的表达量均上调,且在盐胁迫处理下上调尤为显著,表明该基因与盐胁迫密切相关。     

大豆GmGBP1启动子受激素和外源环境诱导的研究

采用PCR方法克隆大豆光周期GmGBP1基因启动子,构建含有GmGBP1启动子驱动报告基因GUS的融合性表达载体pBI121-pGmGBP1::GUS,通过花序浸泡法,转化野生型拟南芥获得pBI121-pGmGBP1::GUS转基因植株,对T3代转基因拟南芥进行GUS染色,研究了GmGBP1启动子受激素和外源环境诱导的表达规律。结果表明:大豆GmGBP1启动子受水杨酸(SA)和干旱(PEG)以及高温等外源环境的诱导,与生物信息学预测GmGBP1启动子序列存在的逆境胁迫响应元件的结果相一致。     

橡胶树HbWRKY3的克隆及其响应逆境胁迫的表达分析

通过RACE技术扩增获得橡胶树HbWRKY3基因,并对该基因及其所编码氨基酸序列进行生物信息学分析和响应逆境胁迫的表达分析,结果表明：该基因含有2个WRKYGQK结构域和2个C2H2锌指结构,属于WRKY基因家族第Ⅰ类;由4个外显子和3个内含子组成,DNA序列全长3 780 bp;开放阅读框长度为2 211 bp,编码由737个氨基酸组成的多肽。该基因定位于细胞核中,在橡胶树叶片、树皮、花、胶乳等不同组织中都有表达,以花中的表达水平最高。盐、PEG、茉莉酸、水杨酸等非生物胁迫均可诱导HbWRKY3的表达,但干旱、ABA、乙烯和低温胁迫的诱导较为明显。     

陆地棉脱水素基因GhDHN1启动子序列分析

为了筛选棉花抗逆转基因育种的候选启动子,根据陆地棉脱水素基因GhDHN1的cDNA序列和陆地棉基因组序列,利用生物信息学分析方法,获得棉花陆地棉脱水素基因GhDHN1启动子序列。结果表明,该启动子上多个位点含有启动子的基本元件TATA-box和CAAT-box,并含有非生物逆境胁迫响应元件、响应植物激素顺式作用元件、多种光调控相关的顺式作用元件以及胚乳表达顺式调控元件等。推测GhDHN1基因的启动子受光诱导,同时受低温和干旱胁迫等非生物逆境的诱导,参与棉花的生长发育。     

花生中三个LEA基因的克隆与表达分析

胚胎发生晚期丰富蛋白(LEA)是一类受发育阶段及脱水信号调节的脱水保护蛋白,在响应植物干旱、低温、高盐等逆境胁迫中具有重要功能。本研究在转录组数据分析时,发现3个LEA基因在花生干旱胁迫时大量上调表达。利用RACE技术以及生物信息学方法,发现这三个基因分别属于LEA2、LEA3以及LEA4。通过序列比对进行进化分析,结果表明其均与Arachis duranensis,A.ipaensis相关基因具有极高相似度,印证了栽培花生来源于Arachis duranensis和A.ipaensis的研究结果。通过表达分析发现,正常状态下这三个基因在花生根、茎、叶中均有表达;干旱胁迫状态下,花生根部的LEA基因大量表达,暗示其在花生抗旱机制中发挥重要作用。本研究结果可为筛选新的抗旱花生种质提供理论依据。     

大豆GmST1基因的生物信息学分析

磺基转移酶(sulfotransferase,SULT)基因是一个基因超家族。对大豆磺基转移酶基因GmST1(Glyma.13G191400)进行基于生物信息学的基因结构分析与功能预测,结果表明:GmST1(Williams82)基因序列全长1 439 bp,CDS区长1 035 bp,编码344个氨基酸。通过序列比对,分析出在感病Williams 82和抗病品种东农93-046中,GmST1序列存在着非同义SNP,导致氨基酸改变。利用Plant CARE分析启动子元件,发现在基因启动子序列中含有多个与光诱导、生长素、水杨酸、干旱等相关的元件。在BAR数据库中分析了GmST1的拟南芥同源基因在不同逆境胁迫条件下基因表达情况,表明该基因表达具有组织表达特异性,参与盐胁迫、干旱胁迫和抗病等相关反应。     

滨麦蔗糖:果聚糖6-果糖基转移酶(6-SFT)基因全长cDNA的克隆与生物信息学分析

为了挖掘和利用滨麦(Leymus mollis,2n=4x=28,JJNN)的优良基因,以拓宽小麦非生物胁迫抗性基因资源,以滨麦为材料,利用RT-PCR结合RACE技术从滨麦叶片中克隆到6-SFT基因cDNA的全长序列,并对其进行生物信息学分析。结果表明,其cDNA全长为2 086bp,开放阅读框为1 866bp(命名为Lm-6-SFT),编码621个氨基酸;其推导的蛋白分子量为69.1kDa,理论等电点(pI)为5.18,属于酸性蛋白。保守结构域分析表明,该基因推导的氨基酸序列含有SDPDG、RDP和EC结构域。多序列比对及进化树分析表明,滨麦6-SFT与冰草6-SFT在氨基酸水平具有高度的序列相似性。     

普通小麦TaADF8基因的克隆及表达分析

肌动蛋白解聚合因子(actin-depolymerizing factor,ADF)普遍存在于真核细胞中,为低分子量的肌动蛋白结合蛋白,在调控细胞内肌动蛋白纤维的聚合和解聚中起关键作用。为给深入研究TaADF8基因在小麦中的功能机理奠定基础,并为进一步丰富小麦ADF基因研究内容提供理论参考,本研究利用电子克隆策略从小麦品种CP53中克隆出TaADF8基因(GenBank登录号为KJ864962)后对其进行序列分析,并进一步采用荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)技术对其在小麦不同组织间的表达差异及不同非生物胁迫下的表达模式进行分析。核酸序列分析表明,该基因全长695bp,拥有完整的ORF,编码142个氨基酸。氨基酸序列分析表明,该蛋白含有保守的ADF同源区和PIP2结合结构域,且在氨基端有核定位信号。进化和聚类分析表明,小麦TaADF8基因与大麦HvADF2基因、HvADF3基因和水稻OsADF3基因亲缘关系较近,蛋白相似度分别为75.35%、93.66%和67.86%。qRT-PCR表达特性分析显示,该基因为组成型表达,在根、茎、叶、颖壳和雄蕊中均表达,且在根、叶和雄蕊中表达量较高;该基因表达受低温的强烈诱导,同时也受水分、高盐和外源脱落酸胁迫诱导。     

小麦转录因子TaMYB5 like转录自激活能力及其参与生理型花粉败育过程表达模式研究

化学杂交剂SQ-1诱导的小麦花粉败育是一个复杂的生理代谢过程，TaMYB5-like被发现参与此过程。为了解TaMYB5-like基因在SQ-1诱导小麦生理型花粉败育过程中的作用，以SQ-1诱导的小麦生理型雄性不育系PHYMS-1376和对照可育系CK-1376四分体、单核早期、单核晚期、二核期和三核期花药为试验材料，克隆TaMYB5-like基因，并对其进行序列结构、生物信息学、表达模式、亚细胞定位及转录自激活效应分析。结果发现，TaMYB5-like基因序列长5 207 bp，其cDNA长为1 133 bp，其中CDS序列长819 bp，编码272个氨基酸，含有2个SANT结构域，分子量为29.36 kDa，无信号肽，无跨膜结构，亚细胞定位在细胞核内；TaMYB5-like基因启动子涉及光响应、逆境胁迫响应、茉莉酸甲酯响应等顺式作用元件。自激活效应发现，TaMYB5-like蛋白的自激活区段位于N端，合适浓度的AbA和3-AT可以抑制BD-TaMYB5-like和BD-TaMYB5-like-N-SANT融合蛋白的自激活性；随着蛋白质氨基酸序列的截断，自激活性呈降低趋势。与CK-1376相比，PHYMS-1376四分体和单核早期花药中TaMYB5-like表达量差异不显著；花药发育到单核晚期、二核期和三核期时，TaMYB5-like表达量显著增加；CK-1376和PHYMS-1376三核期时花药内TaMYB5-like表达量均最高。     

小麦品种东农冬麦2号根中TaEXPA7部分同源基因的克隆及表达特性分析

膨胀素(expansin)是植物生长发育过程中诱导细胞壁松弛和伸展的蛋白,包括EXPA、EXPB、EXLA、EXLB四个基因家族,对植物根系的形成及快速发育具有重要作用。本试验以寒地冬小麦品种东农冬麦2号两叶一心期的根为材料,克隆了TaEXPA7基因的3个CDS全长,其氨基酸序列同源性较高,仅信号肽处有两个氨基酸不同,其核酸序列长度均为777bp,编码258个氨基酸,分别命名为TaEXPA7-A、TaEXPA7-B、TaEXPA7-D,且分别定位于2AL、2BL、2DL染色体。蛋白均含有DPBB-1和Pollen-allerg-1两个保守结构域,分子量为27 670.74Da,等电点为8.09,均为疏水性蛋白;与节节麦、二穗短柄草的相似性分别为99%和92%。采用两叶一心期的根进行qRT-PCR分析发现,TaEXPA7-A/B/D三个基因在根尖中的表达量均较高,伸长区和成熟区次之;对冬小麦根进行低温、干旱和激素处理后,这三个基因均下调表达,并且TaEXPA7-B基因的相对表达量较高,TaEXPA7-D的相对表达量较低。由此可见,多倍体小麦不同染色体上的基因在应对不同环境胁迫时,表达以及应答模式存在差异,并且在不同的环境胁迫下,发挥主导作用的染色体也存在差异;此外,该基因在根中的表达可能与低温、干旱以及外源激素的胁迫有一定的关系,可能是促进根系生长的重要基因。     

小麦耐冷相关基因TaCTR的克隆及其表达特性分析

低温冷害是小麦生长发育过程中面临的重要非生物逆境因素。为了挖掘小麦耐冷功能基因,本研究采用同源克隆的方法从普通小麦品种小偃22中分离到一个耐冷相关基因TaCTR,该基因序列全长2 192 bp,含有12个外显子、11个内含子,编码区全长为1 407 bp,编码468个氨基酸,分子量约为53.43 kDa;系统进化树分析表明,该基因在进化关系上与山羊草最近;亚细胞定位结果显示,该基因编码的蛋白为膜蛋白;实时荧光定量PCR（RT-PCR）结果表明,TaCTR在不同品种、不同组织和不同发育阶段低温特异表达;在干旱、高盐及GA处理下,TaCTR的表达量显著上升,说明该基因可能参与调控小麦的抗逆反应。     

小麦木瓜类半胱氨酸蛋白酶基因TaRD21的克隆及赤霉病菌诱导下的表达分析

木瓜类半胱氨酸蛋白酶（PLCPs）作为一类重要的蛋白水解酶,在植物生长发育以及胁迫应答过程中都发挥着重要作用。本研究从抗、感赤霉病小麦品种差异表达基因谱中获得1个注释为RD21 Cysteine proteases的EST（表达序列标签）,以此序列检索小麦最新基因组数据库并设计引物,从小麦中克隆到3个基因,分别命名为TaRD21-2A、TaRD21-2B和TaRD21-2D,属于PLCPs RD21家族。序列分析表明,3个基因的开放阅读框长度分别为1 410、1 428和1 419 bp,分别编码469、475和472个氨基酸。序列比对发现,3个基因的序列相似性为89.3％,所编码蛋白的氨基酸序列相似性为95.6％。系统进化分析表明,TaRD21-2A、TaRD21-2B和TaRD21-2D蛋白的同源性较高,且与乌拉尔图小麦TuRD21A蛋白聚为一类。qRT-PCR分析表明,3个TaRD21基因均受水杨酸(SA)、乙烯利(ETH)以及赤霉病菌诱导表达;感病品种中,TaRD21-2A对SA和赤霉病菌的响应更迅速,且表达量较高;抗病品种中,TaRD21-2B和TaRD21-2D基因对ETH的响应更迅速。     

青稞HvnWRKY26基因的克隆及表达分析

WRKY家族转录因子广泛参与植物的生物和非生物胁迫过程。为探索WRKY家族转录因子在青稞抗条纹病过程中的作用,本课题组前期利用条纹病菌分别侵染抗病青稞品种昆仑14号和感病品种Z1141,并进行转录组测序,发现一个在侵染时期差异表达的WRKY基因家族成员。序列分析发现,该基因的开放阅读框为765 bp,可编码255个氨基酸,具有典型的WRKY结构域,属于WRKY基因家族。Uniprot注释结果表明,该蛋白为HvnWRKY26。启动子区域预测表明,该区域含有脱落酸和茉莉酸响应元件以及与干旱、低温、盐胁迫和防御应激等逆境胁迫相关的顺式作用元件。序列比对分析显示,HvnWRKY26蛋白与其他物种中同源蛋白的氨基酸序列一致性均不高,但该蛋白与大麦HvWRKY26蛋白的WRKY结构域序列完全相同。系统进化分析表明,青稞HvnWRKY26与大麦WRKY26的亲缘关系最近;进一步对HvnWRKY26及与其亲缘关系较近的大麦、玉米、水稻WRKY蛋白进行进化分析,发现这些WRKY蛋白被分为A、B和C三大类,其中HvnWRKY26蛋白属于A类。RNA-seq和qRT-PCR分析结果表明,青稞在遭受条纹病菌侵染时,HvnWRKY26基因的相对表达量在抗病品种昆仑14号和感病品种Z1141中均显著上调表达,且抗病品种的表达量显著高于感病品种,推测HvnWRKY26基因在青稞抗条纹病过程中发挥重要作用。