黄瓜EPSPS基因的克隆及其组织特异性表达分析

黄瓜是世界上重要的蔬菜植物之一,对其抗性基因的研究十分必要。5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)是莽草酸合成通路中关键的合成酶,也是除草剂草甘膦的靶向酶。为了研究黄瓜EPSPS基因的结构及功能,基于黄瓜基因组数据库信息,利用RT-PCR的方法克隆得到黄瓜的EPSPS基因,命名为CumEPSPS。克隆得到CumEPSPS基因的ORF全长1 581 bp,编码526个氨基酸,分子质量为56.28 kD,等电点为6.23。CumEPSPS蛋白属于Ⅰ型的EPSPS,与葫芦科的甜瓜和冬瓜的EPSPS蛋白序列高度同源。CumEPSPS基因在黄瓜的不同组织中均有表达,其中叶片中的表达量最高。黄瓜CumEPSPS基因的克隆及其生物信息学分析将为黄瓜抗草甘膦的研究提供理论依据。     

陆地棉水通道蛋白GhNIP6.1基因的克隆及表达分析

根据EST拼接的序列设计引物,利用RT-PCR技术,从陆地棉品种苏棉18中克隆获得了一个水通道蛋白基因GhNIP6.1。该基因开放阅读框包含903个核苷酸,编码300个氨基酸,分子量为30.97kD,理论等电点为8.99。GhNIP6.1蛋白的生物信息学分析表明:GhNIP6.1含有6个跨膜区,由5个环相连,其中环A、C和E在细胞膜外,环B、D和蛋白的N、C末端都位于细胞膜内,N末端79个氨基酸,C末端18个氨基酸,具有MIP家族典型的保守氨基酸序列;该蛋白的三级结构同拟南芥的AtNIP6.1非常相似,亚细胞定位也同AtNIP6.1一致,可能位于质膜中。进化分析发现,GhNIP6.1蛋白同拟南芥的AtNIP6.1蛋白相似性最高。进一步扩增棉花核基因组获得了2021bp的DNA序列,它包含5个外显子和4个内含子,所有外显子/内含子交接点都遵从gt/ag剪接规则。半定量分析表明,该基因在根、茎和叶中都有表达,其中真叶含量较高,子叶中没有表达。     

陆地棉EPSPS基因全基因组分析

当前在NCBI中提交的来源于陆地棉的EPSPS基因有2个,随着陆地棉基因组测序结果的公布,为在陆地棉基因组中全面鉴定EPSPS基因的存在提供了便利条件。从陆地棉异源四倍体标准系TM-1基因组数据库中共搜寻获得4个EPSPS同源基因,这4个基因分别分布在A07、A12、D07和D12亚基因组。从这4个基因的核苷酸序列、氨基酸序列和基因结构的比对,构建进化树的系统发育分析以及基因的转录情况研究来看,定位在A07和D07亚基因组的2个基因属于共线性高度同源基因,定位在A12和D12亚基因组的2个基因也是相同的情况。序列比对结果表明,已经在NCBI中提交的2个EPSPS基因分别是定位在A12和D12亚基因组上的基因,研究结果为定位在A07和D07亚基因组上EPSPS基因的克隆和功能研究提供了基础理论依据。     

一个陆地棉类烯醇酶基因的克隆及其表达分析

 采用改良的CTAB法提取陆地棉总RNA,运用RT-PCR技术首次克隆了陆地棉类烯醇酶基因的CDS序列,该基因已经在GenBank上登录,登录号为 EU169604,其开放阅读框为1338 bp,编码445个氨基酸残基。对其序列和进化分析表明,陆地棉烯醇酶基因与其它植物中的烯醇酶基因有较高的相似性,该基因在进化过程中是相当保守的。半定量RT-PCR表达分析结果显示该基因在陆地棉的叶、根、茎中均有表达,但在根中的表达量高于叶和茎。     

陆地棉GhERF8基因的克隆与表达分析

 乙烯响应元件结合因子（Ethylene-responsive element-binding factor,ERF）是植物中最大的转录因子家族之一。本研究以棉花叶片cDNA文库为基础,从陆地棉中棉所10号中克隆得到一个新的ERF基因,命名为GhERF8（GenBank：JN656957）。该基因编码265个氨基酸,蛋白序列中包含一个AP2保守结构域。采用荧光定量PCR（RT-PCR）的方法,对GhERF8基因在棉株不同生育时期叶片和不同组织中的表达水平进行了定量分析。结果表明,GhERF8基因在各组织中均有表达,但在成熟后期的叶片中表达量最高。GhERF8表达量与叶片衰老过程中叶绿素含量出现相反的变化趋势,推测GhERF8可能与叶片衰老有一定关系。在乙烯利和茉莉酸处理下GhERF8基因在叶片中上调表达,而在脱落酸处理下GhERF8表达量无显著变化,推测GhERF8可能处于乙烯和茉莉酸信号转导网络中,且表达途径为非ABA依赖途径。     

陆地棉GAI基因原核表达与多克隆抗体制备

 DELLA蛋白是GA信号响应的关键负调节因子,本文采用基于EST的电子克隆方法,从棉花中克隆了DELLA蛋白家族的一个成员GhGAI。根据电子克隆序列,从陆地棉花胚珠cDNA中扩增得到GhGAI全长基因片段。将其在原核中表达,得到了分子量（Mr）为62000的蛋白质条带。表达蛋白经His-Tag亲和层析纯化后,对兔子进行免疫,制备的抗血清通过间接ELISA检测,具有较高的效价和特异性。     

陆地棉GhSPL3基因的克隆、亚细胞定位及表达分析

 利用生物信息学结合RT-PCR技术从陆地棉中克隆出SPL转录因子,命名为GhSPL3,在GenBank的登录号为JN795132。该基因包含一个426 bp的ORF(开放阅读框),推测编码141个氨基酸的多肽。生物信息学分析表明GhSPL3包含一个典型的SBP结构域和一个核定位信号;进化树分析发现,GhSPL3与AtSPL3聚为一组,推测棉花GhSPL3和拟南芥AtSPL3在结构和功能上可能有着一定的相似性。亚细胞定位表明,GhSPL3定位于细胞核中,荧光定量RT-PCR结果表明,GhSPL3基因在棉花各组织中都有表达,但表达量不同。在花中表达量最高,其次是在顶芽和茎中的表达量,在根和叶中表达量较低。通过分析GhSPL3在顶芽的不同发育时期的表达量发现,GhSPL3在三片真叶展平时的顶芽中表达量最高,推测GhSPL3可能在花芽的分化、生长阶段的转变和花器官的形成上起着重要作用。     

三个陆地棉水孔蛋白基因的克隆与表达分析

从陆地棉SSH-cDNA文库的测序结果中得到一条具有完整ORF的陆地棉水孔蛋白基因序列,将其命名为GhAQP2。以该基因编码的氨基酸序列为探针,在棉花EST数据库经同源搜索得到2个相似性较高的EST,利用RACE技术获得其全长cDNA序列,将其基因命名为GhAQP3和GhAQP4。基因结构分析发现GhAQP2和GhAQP3各有4个外显子,3个内含子;GhAQP4有3个外显子,2个内含子。生物信息分析表明3个基因编码蛋白均含有6个跨膜区,2个NPA结构域,其氨基酸序列具备MIP超家族典型的蛋白保守区序列特征。多序列比对发现3个基因的氨基酸序列与其他物种PIP2类水孔蛋白氨基酸序列具有很高的同源性。qRT-PCR分析表明,GhAQP2在纤维伸长后期优势表达,GhAQP3在下胚轴和子叶中高表达,GhAQP4在纤维伸长前期优势表达,推测3个基因在不同的组织中发挥作用。GhAQP2在20DPA优势表达,为研究该基因在纤维伸长向次生壁加厚期转化过程中的表达调控提供了重要信息。     

棉花TCP家族转录因子基因GhTCP1的克隆与表达分析

通过比对拟南芥、金鱼草、水稻和玉米等植物中已知TCP家族转录因子的氨基酸序列,根据保守区设计兼并引物,以陆地棉(Gossypium hirsutum L.)品种新陆早13号的DNA为模板,获得棉花转录因子基因GhTCP1的中间保守区序列。根据该段序列设计特异性引物,采用5'和3'RACE技术获得了全长cDNA序列,编码397个氨基酸。基因组DNA序列分析表明,GhTCP1基因含有一个内含子。棉花GhTCP1蛋白与其它植物中的TCP家族转录因子有较高的相似性,证明该基因在进化过程中是相当保守的。半定量RT-PCR表达分析结果显示,该基因在棉花的侧芽中特异表达。     

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...     

陆地棉蔗糖磷酸合成酶基因家族的鉴定及表达分析

【目的】蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)是调控植物蔗糖代谢合成途径的关键酶,在植物光合产物的积累与分配方面发挥着重要作用,然而棉花中SPS基因的系统研究尚很少开展。本研究旨在对陆地棉SPS基因进行全基因组鉴定,并对它们的表达特性进行系统分析。【方法】基于已公布的陆地棉基因组序列,利用生物信息学和荧光定量聚合酶链式反应(Quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)等方法对陆地棉SPS家族基因的蛋白结构、进化关系、基因结构特征、染色体定位、基因复制和表达特性进行分析。【结果】(1)在陆地棉基因组中,共鉴定到10个Gh SPS基因(Gh SPS1-Gh SPS10);(2)Gh SPS蛋白具有植物SPS家族特有的两个保守的蛋白结构域和3个相对保守的蛋白磷酸化位点;(3)进化分析表明,Gh SPS蛋白可聚为A、B和C共3个亚族,其中A亚族成员最多,包含6个GhSPS蛋白;(4)位于同一亚族的GhSPS基因具有相似的外显子-内含子分布模式,但是外显子/内含子数目在不同亚族间差异很大;(5)GhSPS基因均匀地分布在陆地棉A亚组和D亚组的5条染色体上,片段复制可能导致了GhSPS基因在陆地棉基因组中的扩增;(6)转录组分析表明,不同亚族GhSPS基因具有不同的组织表达模式,A亚族Gh SPS基因在被检测的各个组织均有较高的表达,B亚族GhSPS基因主要在叶片中高表达,C亚族Gh SPS基因主要在纤维、叶片和花瓣中高表达;(7)进一步荧光定量PCR分析表明,GhSPS4在叶片中表达量很高,GhSPS1在叶片和花瓣中表达量较高,Gh SPS7和Gh SPS10在被检测的各个组织均有较高的表达,该结果与转录组分析结果相对一致。【结论】陆地棉SPS基因家族包含10个成员,分布在5条染色体上,可分为3个亚族,不同亚族成员呈现出不同的表达模式,为后续深入解析陆地棉SPS家族基因的功能奠定理论基础。     

棉花EPSPS基因一个可变剪接体的克隆及功能分析

可变剪接是生物体基因在转录过程中存在的普遍现象,该现象是导致蛋白质功能多样性的重要原因之一,但是在棉花中关于功能基因可变剪接事件的报到相对较少。本文在克隆棉花EPSPS(5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase)基因的过程中,发现了该基因的一条可变剪接序列。运用生物信息学的方法研究发现,该序列比正常的EPSPS基因的c DNA序列少152 bp,这造成了终止密码子在该序列的提前出现;正常的EPSPS基因内含子的剪切都遵循常见的"GT-AG"剪切规律,而该可变剪接序列最后一个内含子的剪切是按照"AT-AC"规则进行;该可变剪接序列预测的三维结构模型同正常的EPSPS基因的三维结构存在显著差异。将该可变剪接序列插入到原核表达载体p ET32a,随后将构建好的原核表达重组载体转化入大肠杆菌菌株BL21(DE3)Δaro A,通过在M9基本培养基中的生长研究发现该可变剪接序列不具备正常EPSPS基因所具有的功能。本研究结果丰富了棉花EPSPS基因转录本存在的形式,为深入研究棉花EPSPS基因的转录机制打下了基础。     

EPSPS外源基因对陆地棉农艺性状和纤维品质的影响

以G6-1至G6-19等19个转基因抗草甘膦除草剂棉花种质为材料,以其非转基因背景亲本中棉所49为对照,研究EPSPS外源基因导入对陆地棉农艺性状和纤维品质的影响,结果表明外源基因的导入对棉花纤维上半部平均长度、马克隆值、断裂伸长率和断裂比强度等品质性状有显著影响;对于棉花衣分和铃重等农艺性状亦有显著的影响,衣分变异范围为30.5%~42.7%,T1和T2相关性分析表明衣分的变异为可遗传性变异,铃重最高为6.5 g,最低为4.6 g,两者相差40%。因此,转基因棉花育种研究不仅要注重目标性状的转育,还要注重非目标性状的筛选。     

陆地棉三个WRKY基因的克隆及表达分析

WRKY转录因子可调控下游抗逆基因的表达,进而在植物生长发育以及对外界环境的反应中起着重要的调控作用,目前对棉花WRKY家族基因的研究比较少。本研究利用电子克隆的方法,从陆地棉品种山农圣杂3号中克隆得到了3个具有完整开放阅读框的棉花WRKY基因,聚类分析表明它们同属于WRKY家族中的第Ⅱ类。利用RT-PCR结果表明:250mmol/LNaCl盐胁迫和20%PEG6000干旱胁迫下同时诱导GhWRKY4的基因表达,GhWRKY5仅受干旱胁迫下的诱导,而GhWRKY6对这两种逆境胁迫都没有变化。     

一个棉花类受体蛋白激酶基因的克隆与表达分析

 利用简并引物扩增、染色体步移以及RT-PCR的方法,分离了棉花的一个类受体蛋白激酶基因的全长序列。序列分析表明,该基因没有内含子,开放读码框的长度为2964 bp,编码的多肽序列含有988个氨基酸并与拟南芥控制花器官脱落的基因HAESA-like2具有60%左右的相似性,将该基因命名为GRLK5。半定量RT-PCR分析发现GRLK5在种子、茎皮、根和纤维中的表达量较高,并且受ABA的诱导表达。将GRLK5整合到植物表达载体pCAMBIA2301中,构建植物过量表达载体,通过农杆菌介导,采用叶盘法转化烟草,PCR检测证明目的基因已经整合到烟草基因组中。     

国内外陆地棉品种资源的亲缘关系和遗传多态性研究

 应用SSR分子标记对国内外74份棉花种质资源的遗传多样性进行分析,从2278条SSR引物中筛选出82条引物,这82条引物共扩增出个435条带,其中多态性带313个,多态率达83.70%,平均每条引物扩增出3.81个条带。UPGMA聚类分析结果表明,74份材料的相似性系数(GS)变化范围在0.371～0.958。其中国内品种遗传相似系数变化范围在0.684～0.916,平均遗传相似系数大小顺序为：长江流域棉区品种>特早熟棉区品种>短季棉品种>黄河流域棉区品种>新疆品种。国外品种遗传相似系数变化范围为0.661～0.958,平均遗传相似系数大小顺序为：乌兹别克斯坦品种>法国品种>墨西哥和前苏联品种>美国和巴基斯坦品种>乌干达品种>印度品种>澳大利亚品种。聚类图0.760阈值处可以把国内外品种聚为两类,26个国内品种和1个国外品种被聚为国内品种类,包括3个亚类。绝大多数国外品种为一类,包括4个亚类。本研究结果表明,SSR具有丰富遗传多样性和稳定性,是一种较好的遗传分子标记,适宜于棉花品种遗传多样性分析。     

转基因抗草甘膦棉花及其对草甘膦抗性的时空表达

草甘膦是一种非选择性除草剂,它通过竞争性抑制莽草酸途径中的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶（EPSP合酶）干扰芳香族氨基酸的生物合成而发挥毒性作用。虽然获得抗草甘膦棉花的途径有多种,但当前用于生产的抗草甘膦棉花主要是以CP4- EPSPS基因转化棉花获得的。草甘膦对转CP4- EPSPS棉花的营养生长没有不利影响,但4叶期后喷施草甘膦会显著降低花粉粒的活性,抑制散粉、授粉和结实,导致转CP4- EPSPS棉花对草甘膦抗性呈现出一定程度的时空变化。草甘膦对抗草甘膦棉花（雄性）生殖器官的抑制效应一方面源于草甘膦在生殖器官内的大量积累,另一方面在于CP4- EPSPS基因在（雄性）生殖器官的低效表达。促进CP4- EPSPS基因在全株高效表达是提高棉花对草甘膦抗性的重要途径。     

Genome-Wide Identification and Functional Prediction of Phytochelatin Synthase Gene in Upland Cotton

[Objective] Heavy metal stress rise advertise effects on growth and development in plant, from which phytochelatin synthase (PCS) plays key roles to protect plant cells. This article will present studies on the gene amount, structure, distribution and features. [Method] PCS gene family in cotton are analyzed based on completely global genome sequence cotton species including Gossypium hirsutum ((AD)1), G. raimondii (D5) and G. arboreum (A2), for further understanding of those genes and protein family features. In this study, we conducted the analysis involving in identification on PCS family members, special protein domain comparison, polygenetic analysis, gene structure prediction and Cysteine survey. [Result] 2, 2 and 4 PCS genes were identified out in G. raimondii (D5), G. arboreum (A2) and G. hirsutum ((AD)1), respectively. All these 8 PCS genes had phytochelatin and phytochelatin_C domains and strictly conserved amino acid residues related to catalytic activity. Cotton PCS protein family members could be divided into 2 sub-group, and these members belongs to sub-group I or sub-group II are close todicotyledon or nematode, respectively. What’s more, there are some difference in both gene structure and Cys distribution between those 2 sub-groups. Less integrity of exons in PCS genes in G. raimondii, comparing to G. hirsutum and G. arboreum. [Conclusion] Comparing to sub-group II, the PCS genes from sub-group I should be higher catalytic activity. G. hirsutum and its donor G. arboreum probably are more heavy metal tolerant than G. raimondii. Based on the results, this research will provide some insights on further functional study.