谷氨酰胺合成酶植物基因工程应用研究进展

简要概述了通过植物遗传操作分别增强细胞质型谷氨酰胺合成酶(GS1)和叶绿体型谷氨酰胺合成酶(GS2)在植物叶片叶肉细胞的细胞质和叶绿体中的表达水平以提高植物氮素利用率的应用研究进展.     

3′RACE法扩增谷氨酰胺合成酶基因及其生物信息学分析

以抽提得到的黑曲霉mRNA为模板,根据GenBank上检索的谷氨酰胺合成酶基因mRNA序列,设计特异性引物,进行3′RACE PCR扩增,并在NCBI网站进行生物信息学分析。结果扩增得到长约1kb的DNA片段,测序结果表明,所获得的DNA序列与gene bank上检索到黑曲霉产谷氨酰胺合成酶基因的同源性大于97%,与其他曲霉产谷氨酰胺合成酶的基因同源性大于50%。经开放阅读框软件分析发现其具有2个外显子,其中1个外显子的氨基酸序列与黑曲霉产GS同源性为100%。     

甜瓜谷氨酰胺合成酶基因在不同氮素条件下的表达分析

采用半定量RT-PCR对甜瓜质体型谷氨酰胺合成酶(GS2)基因进行mRNA的表达检测,观察不同氮源以及氮源不同配比对GS2基因表达的影响,并以actin为内参照进行基因表达水平的半定量分析。结果显示,在硝态氮处理下,随着氮浓度的增加,GS2基因的表达量增高,但是随着处理时间的延长而降低。在铵态氮处理下,处理初期GS2基因的表达水平随着氮浓度的增大而降低,而后随着氮浓度的增加而升高。研究表明,GS2基因的表达水平随着氮素浓度的提高而升高,升高的比例因氮源形态以及处理时间有所不同。不同氮形态比例的氮源处理对GS2基因表达的影响无明显的规律。     

黄瓜细胞质型谷氨酰胺合成酶基因(GS1)的克隆及其在低氮条件下的表达

【目的】分离和克隆黄瓜谷氨酰胺合成酶GS1基因,分析其序列特征,了解其在低氮条件下的表达情况。【方法】依据黄瓜基因组数据库中Csa015274基因编码区全序列,应用引物设计软件Primer Premier 5.0设计引物,从黄瓜叶片cDNA中克隆该基因,用生物信息学方法对获得的cDNA序列及推定氨基酸序列进行分析鉴定,并用实时荧光定量PCR法研究GS1基因在不同氮素浓度下的表达变化。【结果】分离到GS1基因,GenBank登录号为JQ277263。该基因长1 071 bp,编码356个氨基酸,与甜瓜(Cucumis melo L.)GS1基因同源性高达97%。该基因编码的蛋白是1个不稳定的疏水蛋白,无跨膜结构,无信号肽,存在蛋白激酶C磷酸化位点,酪蛋白激酶Ⅱ磷酸化位点,N-十四酰化位点,酪氨酸激酶磷酸化位点等活性位点。GS1基因表达模式分析显示,在低氮条件下,该基因下调表达,随着氮素浓度的增高GS1基因的表达量增加。在高浓度的氮素水平下,该基因的表达同样受到抑制。【结论】成功从黄瓜叶片中分离克隆到GS1基因,该基因具有已知物种GS1基因的特征,可用于该基因的功能研究。     

过量施氮条件下水稻氮素同化关键酶活性与叶色变化的关系

为明确过量施氮条件下水稻冠层叶色的变化动态及其内在生理机制,在水培条件下,整个生育期维持80mg/L氮素浓度,同步测定水稻地上部不同叶位叶片的SPAD值和氮代谢关键酶活性的变化。结果表明,在氮素过量条件下,顶一叶、顶二叶SPAD值与其当周谷氨酸合成酶活性均呈显著正相关,顶三叶、顶四叶SPAD值与其当周谷氨酰胺合成酶活性分别呈极显著、显著正相关。     

3种蛋白含量大豆生育期内不同部位GS基因家族成员表达量差异及GS活性分析

【目的】研究谷氨酰胺合成酶(GS)各基因家族成员在不同蛋白含量大豆生育期间的表达量,认识高蛋白大豆籽粒蛋白质形成的特点.【方法】选择普通栽培大豆、高蛋白栽培大豆和高蛋白野生大豆为材料,研究了整个生育期间GS基因家族各成员在根、茎、叶和根瘤的表达量差异以及不同类型大豆根、茎和叶谷氨酰胺合成酶活性(GSA)的变化.【结果和结论】结果表明:不同蛋白含量大豆各器官中GS基因家族不同成员的表达量具有明显的差异.GSβ1在根、茎、叶和根瘤中都能高效表达;叶中GS2表达量显著升高,超过其他器官和根瘤.GSγ1在根、茎、叶中表达量极低,而根瘤GSγ1的表达量明显增加.生育期内各器官GSβ1及V3~R3期GS总表达量、叶GS2、根瘤GSγ1都表现为高蛋白类型大豆高于普通栽培大豆,这与不同蛋白含量大豆GSA的变化规律基本一致.在生育期间高蛋白类型大豆较普通栽培大豆能更有效地调控GS基因家族各成员的表达,获得GSA是籽粒蛋白质含量较高的生理特点之一.     

低磷胁迫条件下大豆磷高效近等基因系相关酶活性的变化

测定低磷胁迫条件下大豆近等基因系(NIL)根系和叶片中酸性磷酸酶(ACP)、过氧化物酶(POD)、核糖核酸酶(RNAse)、吲哚乙酸氧化酶(IAAO)活性的变化,为解析大豆根系高效吸收利用磷的机理提供依据。【方法】设置高磷(1 mmol/L)、低磷(0.5μmol/L)水培试验,培养15 d后取样,利用试剂盒分别测定2种供磷水平下磷高效相关根形态构型近等基因系(NIL)及其受体亲本BD2(CK)根系和叶片中的ACP、POD、RNAse、IAAO活性。【结果】低磷胁迫条件下,NIL根系ACP、POD、RNAse、IAAO活性均显著高于BD2(CK),分别提高19.91%、10.48%、21.71%、 22.31%;NIL叶片ACP、POD、RNAse、IAAO活性均显著高于BD2(CK),分别提高10.47%、26.86%、15.94%、8.7%。NIL根部ACP、POD、RNase、IAAO活性低磷水平显著高于其高磷水平,分别提高31.66%、20.98%、21.93%、41.89%;NIL叶片ACP、POD、RNase、IAAO活性显著低磷水平高于其高磷水平,分别提高14.73%、2...     

低氮条件下间作大豆对宿根蔗内生固氮菌固氮酶活性、氮素积累及产量的影响

【目的】探讨低氮条件下间作大豆对宿根蔗内生固氮特性及生长的影响,为生产上合理应用甘蔗/大豆间作提供理论依据。【方法】采用裂区试验,以单、间作不同种植模式为主因素,以ROC22、B8和GT213个甘蔗品种为副因素,比较低氮条件下不同处理间甘蔗的产量、氮素积累及内生固氮菌固氮酶活性的差异。【结果】低氮条件下,与甘蔗单作处理相比,甘蔗/大豆间作处理的宿根蔗茎径、有效茎数和产量分别提高5.1%~8.7%、7.9%~31.0%和9.0%~40.5%,而不同处理间的株高没有明显差异。间作处理可显著提高宿根蔗的茎、叶内生固氮菌固氮酶活性,其中ROC22茎、叶中的固氮酶活性增幅最大,分别提高了59.35和0.98~1.89 nmol C2H4/gFW·h。除分蘖期间作处理B8叶片的全氮含量和GT21的氮素总积累量显著提高18.8%和35.2%外(P<0.05,下同),其他品种叶片的全氮含量和氮素积累量在处理间差异不显著(P>0.05);伸长期时,间作处理下蔗茎的全氮含量和氮素积累量均较单作有不同程度提高,其中ROC22和GT21的氮素总积累量分别显著提高35.0%和81.1%。【结论】低氮条件下,间作大豆可明显提高宿根蔗的内生固氮菌固氮酶活性、氮素积累及产量,其中以GT21间作大豆的增产效果最佳。