小麦逆境胁迫相关基因TaC2DP1的克隆及表达分析

【目的】克隆与逆境胁迫相关的基因,并对其序列特征、进化关系和表达特性进行分析,探讨该基因在小麦抗逆调控过程中的生物学功能,为进一步解析植物的抗逆机制提供候选基因和理论依据。【方法】以cDNA芯片数据获得的水分胁迫诱导上调表达基因EST序列为探针,对小麦EST数据库进行搜索,筛选与探针同源性在97％以上的EST序列,通过电子克隆结合RT-PCR获得该基因cDNA全长,采用生物信息学软件分析比较克隆基因的保守结构域及序列特征;采用MEGA6.0软件构建该基因的系统进化树;将测序正确的该基因片段通过EcoRⅠ和HindⅢ限制性内切酶酶切连接至原核表达载体pMAL-c2X,重组质粒转化大肠杆菌BL21,经终浓度为0.3 mmol·L^-1 IPTG诱导1-5 h后,用SDS-PAGE分析融合蛋白的表达;采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析该基因在小麦不同组织间的表达差异及其在低温、干旱、高温和ABA处理下的表达模式。【结果】成功获得小麦cDNA全长序列,命名为TaC2DP1。该基因序列全长为1 356 bp,包含一个1 209 bp的开放阅读框（ORF）,5′端非编码区50 bp,3′端非编码区97 bp,编码402个氨基酸,推导编码蛋白质的预测分子量为43.41 kD,等电点为4.30,属于酸性蛋白,BLAST分析表明,该蛋白含有一个与钙离子结合的结构域,称为C2结构域（C2-domain）。多序列比对及进化树分析表明,TaC2DP1与乌拉尔图小麦TuC2亲缘关系最近,二者具有高度的同源性,其编码的氨基酸一致性达到91%;蛋白质结构预测分析显示TaC2DP1无跨膜螺旋和双硫键,亚细胞定位于细胞质中;成功构建了该基因的原核表达载体pMAL-c2X-TaC2DP1,在IPTG诱导下得到90 kD左右的蛋白,与理论值一致。通过实时荧光定量PCR进行TaC2DP1表达分析,显示该基因在小麦的根、茎、叶、幼穗、未成熟籽粒、胚及胚乳中均有表达,其中在幼穗中表达量最高,在花后5 d籽粒中表达量最低。TaC2DP1可被植物激素ABA诱导而上调表达;干旱胁迫过程中,TaC2DP1受胁迫诱导呈稳定上调表达趋势;高温和低温胁迫过程中,TaC2DP1均在胁迫后的0.5 h迅速诱导上调表达,分别为对照的21和17倍。推测该基因可能参与小麦ABA 信号通路中对逆境胁迫的抗性反应。【结论】获得小麦TaC2DP1的全长序列,其编码蛋白含有与钙离子结合的C2结构域;在低温、干旱、高温和ABA逆境胁迫下,TaC2DP1属于依赖于ABA胁迫响应基因调控网络,可能在干旱、低温和热胁迫中发挥重要作用。     

小麦16.9 kD热激蛋白cDNA克隆及其表达分析

为进一步了解小分子量热激蛋白在小麦耐热能力中的作用,根据玉米16.9 kD小分子热激蛋白的氨基酸序列,采用同源序列法进行序列拼接和引物设计,用RT-PCR扩增获得了1个源自小麦叶片的热激蛋白基因cDNA片段,即TaHSP16.9-1(GenBank登录号为EU649679).TaHSP16.9-1全长770 bp,5′非翻译区81 bp,3′非翻译区233 bp,开放阅读框编码151个氨基酸.序列分析结果表明,此蛋白与已知单子叶植物来源的同类基因高度同源,相似性介于78.3%～96.7%之间.定量RT-PCR表达谱分析显示,TaHSP16.9-1在小麦抽穗期的茎和旗叶以及幼苗期叶片中均能表达,其在小麦幼苗叶片中的表达受高温胁迫的诱导.     

小麦TaLEA4基因的克隆和表达

为探讨小麦胚胎发育晚期丰富蛋白(LEA)在水分胁迫过程中的生物学功能,以PEG6000(20%)处理6.0 h的洛旱2号幼苗为材料,利用RT-PCR方法克隆了小麦的TaLEA4基因,并分析了该基因在水分胁迫过程中的表达特征.序列分析显示,TaLEA4基因编码的蛋白具有2个典型的LEA4保守域.半定量RT-PCR分析表明,在小麦幼苗根系中,随着PEG6000介导的水分胁迫时间的推移,该基因的表达量逐渐上升,24 h达到最强,48 h又迅速回落;而在小麦幼苗的叶片中,该基因在水分胁迫0.5 h的表达量较强,其他时间点的表达水平都较低.可见,TaLEA4基因与小麦水分胁迫反应密切相关,该基因在根系和叶片中的不同表达特性预示着该基因在根系和叶片的水分胁迫反应中发挥着不同的生物学功能.     

转反义trxs基因对小麦种子α-淀粉酶活性的影响

通过PCR检测，转基因小麦植株均出现474bp的目的带，说明反义trxs基因已整合到小麦基因组上。经测定在种子萌动过程中转基因种子的α—淀粉酶活性低于未转基因种子，证明该基因能够正常表达，从而使转基因品种具有抗穗发芽的能力。     

小麦转基因再生植株培养体系的优化

以5个基因型不同的小麦幼胚，幼穗作为供试材料，探讨了品种基因型、ABA咱生根条件等对小麦离体培养的影响。结果表明，小麦品种豫麦18－64为遗传转化的良好受体材料；0．2mg/L NAA和0．8mg/L IAA可促进幼苗生根；在幼胚愈伤组织诱导前14d，用0．5mg/L ABA处理可有效抑制出芽率，并有利于促进胚愈伤组织形成和再生能力的保持.     

基因枪轰击后大麦幼胚的组织培养及植株再生研究

以基因枪轰击后的6个大麦品种的幼胚为材料，研究了不同质量浓度的ABA，2，4-D，ZT和IAA对胚幼的出愈率、愈伤组织分化特性和植株再生能力的影响。结果表明：用1．0mg／L的ABA在诱导培养基上处理幼胚能大大降低胚芽鞘发生率，并对出愈率和胚性愈伤组织的形成无不良影响；经1．0mg／L的2，4-D诱导产生的胚性愈伤组织转到分化培养基上以后，芽分化率可达8％～17％，而4．0mg／L 2，4-D处理芽分化率极低。1．0mg/L ZT与0．1mg／L IAA配比能降低分化过程中不定根的发生率，有利于芽的分化。通过植株再生系统的优化，6个大麦品种的转化幼胚植株再生率达到2％～8％。     

转反义trxs基因小麦籽粒蛋白组分的巯基含量与α-淀粉酶活性的关系

利用反义trxs基因特异引物,对扬麦5号转反义trxs基因株系00TY5的T4和T5代进行了PCR分子鉴定,并对其纯合株系籽粒蛋白质组分的巯基含量、α-淀粉酶活性及二者的相关性进行了测试.结果表明,00TY5的T4和T5代PCR分子检测均呈阳性.与非转基因植株相比,在籽粒成熟和后熟过程中,籽粒清蛋白巯基含量在开花后30 d至成熟后5 d平均降低33.2%,球蛋白巯基含量在开花后20d至成熟后5 d平均降低42.5%,均达极显著水平（P＜0.01）;醇溶蛋白和谷蛋白巯基含量有下降的趋势,但降低幅度较小;α-淀粉酶活性低,变异小,尤其在开花后35 d至成熟后10 d,平均比非转基因植株下降36.5%.各种蛋白质组分的巯基含量与α-淀粉酶的活性呈正相关关系,清蛋白巯基含量在成熟前与α-淀粉酶活性相关性达极显著水平（P＜0.01）;球蛋白巯基含量在成熟前10 d至成熟后10 d达显著水平（P＜0.05）;贮藏蛋白巯基含量与α-淀粉酶活性的相关性在各时段均较高.     

小麦穗发芽与籽粒内可溶性糖和α-淀粉酶活性的品种差异

为了探索不同小麦品种潜在穗发芽能力存在的差异,分别对豫麦34、豫麦18、豫麦70和豫麦49等4个河南主栽小麦品种在籽粒发育后期的潜在发芽势、可溶性糖含量和α-淀粉酶活性进行了测定,结果表明,①所有品种在开花20 d后均有一定的发芽能力,其中豫麦34潜在发芽能力明显高于其他几个参试品种;②豫麦34籽粒可溶性糖含量相对较高,而豫麦18最低,且4个品种在花后20 d的可溶性糖含量都略有升高的趋势,而在花后25~30 d又开始下降;③α-淀粉酶活性与可溶性糖含量的变化规律在整个籽粒发育过程中大体呈一致趋势;④穗发芽率与籽粒可溶性糖含量及α-淀粉酶活性呈正相关关系,豫麦34和豫麦49的籽粒可溶性糖含量与α-淀粉酶活性达极显著正相关。因此,小麦穗发芽现象与籽粒内较长时间维持高的可溶性糖的含量和α-淀粉酶活性有密切关系。     

转反义基因小麦品系00T89农艺性状分析

为了探明转反义TrxS基因小麦株系农艺性状的变异程度,对转基因株系00T89与非转基因对照进行了比较分析,结果表明,00T89转基因株系与对照同步发育,生育期相近。单株籽粒数和单株产量平均比对照提高了35.3%和39.5%;在单株成穗数和千粒重方面与对照无明显差异,平均株高增加了3.8 cm。在穗部性状上表现为穗长增加13.37%,但总小穗数变化不大,单穗结实小穗数平均增加1.7个;单穗粒数和粒重分别比对照增加24.2%和26.77%。     

反义Trx-S基因对小麦子粒淀粉酶活性的影响

研究了反义Trx-S基因对小麦Trx-h基因表达抑制情况，对两个转反义Trx-S基因品系(OOTY5和OOT89)的T3代进行了PCR检测，证明反义Trx-S基因已经遗传到转基因品系T3代植株当中、对不同成熟时期的转基因品系种子的α-淀粉酶和β-淀粉酶活性测定表明，转基因种子在不同成熟时期的α-淀粉酶和β-淀粉酶活性有较大的变化，但与对照相比均有不同程度的降低，其中α-淀粉酶活性最低值出现在花后33～36d，平均降低幅度达到61％；而β-淀粉酶活性最低值出现在花后22d、方差分析表明不同成熟时期的差异均达到显著或极显著水平，表明反义Trx-S基因对小麦Trx-h基因的表达具有明显抑制作用。