植物AGMOUS-like 6基因的进化及功能研究进展

AGMOUS-like 6 (AGL6)亚家族是MADS-box转录因子中一个古老的分支,AGL6基因主要参与植物开花时间、花器官发育、花色形成以及果实发育等方面的调控。明确AGL6基因的起源时间,关注不同物种中AGL6亚家族成员的功能研究,将有助于进一步的了解花的发育及开花机理,同时为今后解读或破译MADS-box基因的形成顺序、进化和功能提供重要依据。本研究将着重论述AGL6亚家族基因的结构与生物进化、生物学功能,并阐述AGL6基因与上下游基因之间的调控关系。为进一步利用生物技术手段调控开花时间,提高植物的观赏价值及果实品质等提供理论依据。     

陆地棉MADS-box家族基因鉴定及组织特异性表达分析

【目的】MADS-box蛋白是1种重要的转录因子,参与调控棉花生长发育进程。鉴定分析陆地棉MADS-box家族基因,可为研究其生物学功能奠定基础。【方法】基于2019年最新组装的陆地棉TM-1参考基因组,通过HMMER 3.0软件鉴定陆地棉TypeⅠ型及MIKC型MADS-box基因。利用MapInspect、MEGA7.0、MEME和TBtools软件以及omicshare网站进行染色体定位、多序列比对聚类分析、Motif预测、基因结构鉴定以及组织特异性表达分析。【结果】从全基因组水平上鉴定出181个陆地棉MADS-box基因(66个TypeⅠ型和115个MIKC型),染色体定位发现该181个基因在陆地棉26条染色体上均有分布,其中A组染色体上分布有78个基因、D组上分布有103个基因。系统进化分析显示TypeⅠ型MADS-box蛋白有3个亚家族,MIKC型蛋白包括MIKC*型和含有10个亚家族的MIKCC型;motif预测结果显示所有MADS-box蛋白均含有MADS结构域,基因结构分析结果显示,外显子、内含子结构和长度在各亚家族内具有同一性;组织特异性表达分析发现MADS-box家族基因中有33个在纤维组织中优势表达,103个在花器官中优势表达,41个基因在根茎中优势表达。【结论】本研究通过生物信息学方法,鉴定并获得了与陆地棉开花调控和纤维发育相关的MADS-box基因,对于揭示棉花纤维品质等重要性状的遗传调控机制及分子育种具有一定的理论意义和应用价值。     

MADS-box家族蛋白在植物开花、结实及根瘤形成中的多功能调节作用

MADS-box家族蛋白是一类序列特异的转录调控因子,在激活或抑制基因的转录过程中起作用。本研究对MADS-box家族蛋白在植物开花、果实发育中的重要作用以及在根瘤形成中的功能作了概述,提出了部分MADS-box家族蛋白的双功能调节性质,并对MADS-box基因的研究意义和研究前景进行了讨论。     

MADS-box基因在果实发育、成熟过程中的作用

MADS-box基因是一个序列特异的调节基因家族,所编码的蛋白为转录因子,主要由MADS盒、K盒、I区、C末端、N末端等5个部分组成,其中MADS盒非常保守。MADS-box转录因子是通过二聚体化的形式以其保守结构域与特定的DNA序列相结合来调控基因的表达的。大量的研究表明,MADS-box基因在植物花的发育上具有重要的作用,已克隆出了许多与花器官发育相关的A-C类的MADS-box基因,而且也发现了许多可以调控花时的MADS-box基因。目前,越来越多的研究表明,MADS-box基因在果实的发育、成熟中也有着重要的作用。已在矮牵牛和拟南芥中分离出与胚珠的发育密切相关的几个MADS-box基因FBP7、FBPII、STK、SHP及SEP基因。目前认为果实的成熟主要是由于乙烯的调控而引起的,但在番茄中发现1个MADS-box基因与果实的成熟相关,而且可能是跃变型和非跃变型果实共有的果实成熟调节者,首次发现MADS-box对果实成熟的作用会为用非激素的方法来调控果实成熟提供新途径。果实的开裂会严重影响某些裂果的产量,进行相关的分子调控有着重要的实际意义,已在拟南芥中发现2个MADS-box基因SHP和FUL与果实的开裂密切相关,SHP会控制裂开区域的分化,而FUL的过量表达会抑制裂片区域的木质化,FUL可以负调控SHP基因。     

海南钻喙兰B类MADS-box基因的克隆与表达分析

为了更多的了解B类MADS-box基因对兰花花器官发育的调控机理,本研究通过设计简并引物,利用RT-PCR结合RACE技术从海南钻喙兰(Rhynchostylis gigantea)中分离得到两个B类MADS-box基因。序列分析表明,两基因分别属于B类MADS-box基因的AP3和PI家族,命名为RgAP3和RgPI。RgAP3基因含有一个675bp的开放阅读框(ORF),编码225个氨基酸,RgPI基因含有一个633bp的开放阅读框,编码211个氨基酸。表达分析显示,两基因仅在生殖器官中表达,而在营养器官中没有表达,其中RgPI在花器官的各个部分均有表达,而RgAP3仅在花瓣、萼片中有表达,而在花梗和子房中没有表达。     

甜荞FaesFUL4基因的克隆与表达分析

本研究采用同源克隆的方法,从甜荞(Fagopyrum esculentum Moench.)品种‘北早生’中分离出调控果实发育的FaesFUL4基因,该基因的cDNA序列全长795 bp,包含一个长为714 bp完整的开放阅读框,共编码237个氨基酸和1个终止密码子。分子系统发生分析和同源蛋白比对结果显示:FaesFUL4蛋白属于A类MADS-box基因家族AP1/SQUA亚家族的euFUL进化系,含有MADS、I、K和C末端四个明显的结构域,且C末端转录激活区含有2个保守的模体(Motif):FUL motif和paleoAP1 motif。基因表达的组织特异性分析表明:FaesFUL4基因主要在甜荞叶片、花序和果实中表达,在根和茎中有微量表达,其在花序中的相对表达量最高。进一步分析基因在果实不同发育时期的表达量发现,其在果实迅速膨大期表达量最高。因此推测该基因不但参与调控花器官的发育过程,且对于维持果实的正常发育具有重要作用。     

香蕉MuMA DS2的克隆、序列分析和表达分析

根据抑制缩减文库获得的一个MADS-box基因片段,从香蕉果实cDNA文库中,采用RT-PCR技术分离获得一个全长cDNA,经序列测定和同源性分析表明,该cDNA含705bp的完整的开放阅读框,编码234个氨基酸残基的MADS-box蛋白,将其命名为MuMADS2。MuMADS2具有植物MADS-box基因家族中特有的M、I、K和C四个结构域,与芦笋、风信子、蝴蝶兰和百合的MADS-box基因的氨基酸序列存在很高的一致性（82%、78%、77%和75%）。将MuMADS2与其它植物来源的MADS-box基因进行序列比较发现,MuMADS2属于MADS-box基因的AGAMOUS亚族的D世系。RT-PCR分析表明,MuMADS2仅在生殖器官（花和果）中表达,在营养器官（根、茎和叶）中不表达。进一步分析发现MuMADS2仅在雄花和雌花的子房、由雌花发育而成的果实中表达,而在雄花和和雌花的柱头和花柱都不表达。推测MuMADS2可能在果实的发育和成熟过程中起作用。     

棉花GhMADS12基因的克隆及其表达载体的构建

MADS-box基因是真核生物中一类重要的转录调控因子,调节着植物根、茎、叶到花的发育和果实的成熟。本研究以中棉所36花发育期均一化全长cDNA文库为基础,分离出一个棉花的MADS-box基因全长cDNA命名为GhMADS12。同时利用pBI121双元载体成功构建了GhMADS12基因的植物过表达载体,并利用基因枪轰击法瞬时表达载体,验证了载体的可靠性,为下一步转基因验证基因的功能奠定了基础。     

ClaMADS12基因克隆及在西瓜果实发育中的表达特性分析

本研究从西瓜果实发育转录组数据中,筛选出ClaMADS12基因,并对其进行基因克隆、生物信息学以及初步表达分析。生物信息学分析显示该基因的开放阅读框为3 374 bp,编码区全长621 bp,共编码206个氨基酸。结构域分析显示,该基因含有一个典型的“MADS-box”保守结构域,位于从N端第1到75个氨基酸,属于MADS-box家族。对其蛋白质的理化性质分析显示,ClaMADS12蛋白以异亮氨酸为主,无信号肽和跨膜结构域,属于不稳定型、亲水蛋白,亚细胞定位预测该蛋白位于细胞核。对该基因进行同源性比对及系统进化树分析显示,冬瓜MADS-box 12基因与ClaMADS12亲缘关系最近,同源性高达95.61%。RT-PCR分析表明,ClaMADS12在西瓜果实发育中,相对表达量与果肉质地的软化呈正相关。本研究为进一步明确ClaMADS12基因在西瓜果实发育中的功能提供依据。     

MADS-box基因GmAGL15在大豆种子发育过程中的表达

以同源序列法克隆了大豆MADS-box基因GmAGL15, 序列分析表明, 该基因编码的氨基酸与拟南芥AGL15蛋白的同源性为61%, 其中在MADS区的同源性为84.3%, K区的同源性为63.2%。半定量RT-PCR分析表明, GmAGL15在幼胚中高度表达, 而没有检测到在根、茎、叶和花中的表达。荧光定量RT-PCR分析发现, GmAGL15在大豆种子发育的不同时期均有不同程度的表达, 其中在开花后15 d的幼胚中表达量较高, 而在开花后30 d的幼胚中表达量最高。以上结果显示, 基因GmAGL15对于大豆种子发育的调控可能有重要作用。     

油葵HaDGAT2基因的功能及表达特性分析

二酰甘油酰基转移酶(DGAT)在植物油脂合成中起关键作用,其活性高低与植物含油量显著相关。为探明油葵二酰甘油酰基转移酶2基因(HaDGAT2)的功能,本研究以‘新葵杂5号’为试验材料,从油葵中扩增HaDGAT2基因序列并构建酵母穿梭表达载体pYES2-Ha DGAT2,将重组载体转入酿酒酵母INVSc1后提取酵母总脂肪酸,甲酯化后GC-MS分析。结果显示,在酿酒酵母中可成功诱导HaDGAT2基因,且转HaDGAT2基因酵母中棕榈油酸(16:1)和油酸(18:1)含量与对照相比得到提高。结果表明,HaDGAT2基因在调控油脂合成的过程中具有重要作用。实时荧光定量PCR分析结果表明HaDGAT2基因在油葵根、茎、叶、花、子叶和不同发育时期的种子中都有表达,且在开花后31天的种子中表达量高,说明该基因表达无组织特异性,在油葵种子油脂积累后期起关键调控作用。本研究为深入了解油葵油脂和调控机制提供了基础,为今后利用分子育种手段提高并改良葵花籽油的品质提供了理论基础。     

梅花PmSOC1-like基因的克隆与表达分析

SOC1/TM3(Suppressor of overexpression of constans 1/Tomato MADS-box gene 3)是MADS-box家族一员,它能够整合多条开花途径的开花信号,调节植物由营养生长向生殖生长的转变。为了解梅花成花转变过程的分子机理,采用RT-PCR的方法从梅花长蕊绿萼中克隆到3个SOC1的同源基因,分别命名为Pm SOC1-1、Pm SOC1-2和PmSOC1-3,并采用荧光定量PCR对3个基因的表达模式进行了分析。序列分析表明,3个基因的编码区长度分别为645 bp(Pm SOC1-1)、654 bp(Pm SOC1-2)和660 bp(Pm SOC1-3);编码的氨基酸长度分别为214,217,219 aa。系统进化结果显示,Pm SOC1-1、Pm SOC1-2和Pm SOC1-3分别与拟南芥SOC1/TM3亚家族中的SOC1、AGL42/71/72和AGL14/19聚为一组。实时荧光定量分析结果表明,3个Pm SOC1-like基因均在茎、叶等营养器官中表达量较高,在花、果实和种子等生殖器官中表达量较低;在梅花花芽分化过程中,3个Pm SOC1-like基因的表达量整体呈下降趋势,推测PmSOC1-like基因可能在诱导梅花由营养生长向生殖生长转变过程中起重要作用。     

小麦花发育MADS-box基因的表达模式分析

为解析小麦花发育的分子机制,构建了MADS-box基因系统进化树,发现小麦中存在花发育ABCDE模型的各类基因。半定量RT-PCR和定量RT-PCR分析结果显示,A类基因AP1/FUL小麦中的同源基因TaFUL在所有花器官中都表达,在外稃和內稃中表达水平最高。B类基因TaAP3和C类基因TaAG的表达模式保守,TaAP3在浆片和雄蕊中表达,TaAG在雄蕊和雌蕊中表达。D类基因OsMADS13的同源基因除了在雌蕊表达外,在浆片也有较高的表达,暗示该基因可能同时影响胚珠和浆片的发育。E类基因TaSEP在内稃和内三轮器官表达,在外稃和护颖中不表达。LHS1是禾本科特有的MADS-box基因亚家族,发挥E类基因的功能。TaLHS1除了在內稃和外稃表达,在护颖中也有表达。水稻中控制心皮发育的DROOPING LEAF(DL)基因的同源基因TaDL除了在外稃和心皮表达外,在护颖中也有表达。根据这些结果,我们认为控制小麦花发育的分子机制比较保守,但部分基因功能在进化过程中可能发生了分化。另外,结合小麦外稃和护颖形态结构分析,TaLHS1以及TaDL的表达模式暗示小麦的护颖和外稃这两个器官可能有共同的起源。     

棉花高质量RNA的提取及MADS-box基因保守区段的克隆

研究和探讨了一种可用于高质量棉花总RNA提取的热硼酸法,并用于棉花MADS box基因的RT PCR分析,结果表明,该方法制备的RNA质量较高,克隆得到的基因片段序列与已知MADS box基因序列之间具有较高同源性。     

百合花发育的分子生物学研究进展

百合是重要的花卉植物,其花朵硕大,具有很高的观赏价值。由于百合的基因组较大,对其分子水平的研究较少。近年来对百合花发育相关的分子生物学研究进展迅速,已克隆了多个相关的基因,包括与花器官发育相关的MADS-box基因,LGC1基因,LLA_23基因等。本文对百合部分已克隆的与花发育相关的基因做一简述。     

棉花GhMADS7基因正调控棉花花瓣发育

MADS-box基因家族作为一类重要的转录因子,主要参与植物花器官的生长发育。GhMADS7/98具有保守的MADS-box及K结构域,属于AG亚家族MIKC~C型MADS-box基因。通过同源序列比对发现,GhMADS7/98与拟南芥AtAG (AT4G18960)基因的蛋白序列具有64%的同源性。组织表达分析表明, GhMADS7基因在花瓣、花药、柱头和胚珠等花器官组织中均有表达。为进一步研究该基因的功能,构建了该基因的RNAi干涉载体并转化棉花,获得了表达量明显下调的转基因株系。表型观察发现,在干涉植株长度为5~6 mm和7~8 mm的花蕾中出现花瓣发育延缓的表型;通过对干涉系转基因植株花瓣进行石蜡切片观察发现,相较于野生型植株,干涉系植株花瓣中的维管束存在明显的收缩现象;通过qRT-PCR检测发现,转基因株系中控制花瓣发育的A、B类基因的表达量出现异常。因此推测GhMADS7在棉花花瓣发育过程中起着重要的作用。