拟南芥G蛋白α亚基GPA1互作蛋白铜离子结合蛋白AtBCB的鉴定及功能分析

拟南芥G蛋白复合体(异源三聚体包括α、β、γ亚基)参与植物多个信号转导途径,G蛋白复合体通过膜上的G蛋白偶联受体(GPCR)接受胞外信号后通过3个亚基将信号传递给下游效应器。目前,有关植物G蛋白复合体的效应器及其信号传递途径的报道较少,寻找新的G蛋白的效应器有助于阐明G蛋白复合体相关的信号传导途径。本研究以拟南芥G蛋白α亚基GPA1为诱饵蛋白,利用泛素分离系统筛选拟南芥cDNA文库,获得一个与GPA1互作的铜离子结合蛋白AtBCB。荧光双分子杂交(BiFC)试验证明,GPA1与AtBCB的互作发生在细胞膜上。基因表达特性分析结果显示,GPA1和AtBCB受金属铝胁迫的诱导表达。进一步以野生型拟南芥(WT)、GPA1拟南芥突变体gpa1-4和AtBCB拟南芥突变体bcb为材料,研究该基因对植物耐金属铝胁迫的功能,结果显示,在无胁迫情况下,2个突变体和WT根部的丙二醛含量无显著差异;在100 µmol L^–1 Al³⁺处理下,gpa1-4突变体根部丙二醛含量显著(P<0.05)低于WT低;bcb根部丙二醛含量极显著(P<0.01)高于WT。对3个铝胁迫响应基因(苹果酸转运体基因AtALMT1、半类型ABC转运蛋白基因ALS1和ABC转运蛋白基因ALS3)的表达进行Real-time PCR分析,比较它们在突变体和野生型之间的表达差异,发现在有铝和无铝处理情况下,ALS1和ALS3的表达水平在突变体和WT间均无显著差异;在铝处理下,gpa1-4中AtALMT1的表达量极显著高于WT;在bcb中的表达量显著低于WT。以上结果表明,植物通过细胞膜上的G蛋白α亚基GPA1和铜离子结合蛋白AtBCB的相互作用调控下游基因AtALMT1的表达,参与植物对铝胁迫的响应,其中GPA1对铝胁迫耐受起负向作用,AtBCB对铝胁迫耐受起正向作用。     

谷子PP2C基因家族的特性

PP2Cs (2C type protein phosphatases)是一种单体丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶,在真核生物中,PP2Cs在脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)等激素信号传导途径中起着重要的调控作用。本研究通过序列比对,从谷子基因组中筛选出80个PP2C候选基因,聚类分析将其分为12个亚族(A、B、C、D、E1、E2、F1、F2、G、H、I、J)。与拟南芥PP2C基因家族比对表明,A~I为2个物种共有的亚族,J亚族只存在于谷子基因组中,L亚族只存在于拟南芥中。将谷子A亚族的10个成员命名为SiPP2CA1-10。基因表达谱分析表明,A亚族基因不同程度受ABA、干旱、高盐、低温和低氮诱导表达,其中,SiPP2CA6、SiPP2CA8在5种处理下诱导表达量都高。对10个A亚族成员的启动子分析发现,在这些基因的启动子序列中含有多种参与逆境胁迫应答的顺式作用元件,其中,SiPP2CA5、SiPP2CA6、SiPP2CA7、SiPP2CA8的启动子中含有参与低氮胁迫响应的元件。进一步研究发现,SiPP2CA8主要在根部表达,且在低氮胁迫下一直有较高的表达水平。亚细胞定位结果显示SiPP2CA8定位在细胞膜、细胞质、细胞核中;双分子荧光互补试验(BiFC)结果表明,SiPP2CA8与一个ABA受体类似蛋白SiRCAR3(基因号Si018317m.g)在细胞膜、细胞质及细胞核上互作,表明SiPP2CA8在谷子中可能参与ABA信号传导过程。     

小麦TaDREB6转录因子互作蛋白的筛选

 【目的】利用酵母双杂交技术从小麦cDNA文库中筛选TaDREB6互作蛋白,进一步研究DREB介导的小麦抗逆机制。【方法】以小麦的cDNA为模板扩增得到TaDREB6,构建小麦cDNA文库和pGBKT7-TaDREB6诱饵载体,将诱饵载体pGBKT7-TaDREB6以及pGADT7和cDNA文库混匀转入AH109酵母感受态细胞,在SD/-Ade/-His/-Leu/-Trp营养缺陷型培养基上,30℃培养3—5 d,挑取平板上直径大于2 mm的菌落,进行显蓝筛选。【结果】对筛选到的102个候选阳性克隆进行测序,在NCBI上进行BLAST比对分析,获得与能量代谢、抗逆和防御、转运、转录和翻译、信号转导以及生长发育等相关的候选蛋白。【结论】筛选得到候选蛋白的功能预测表明TaDREB6可能参与了多条信号转导途径,在抗逆境调控中具有重要作用。     

两个转W23基因小麦株系的抗旱性鉴定

以两个T₅代转W23基因小麦株系G19-X59、G19-X61为材料,在水培条件下采用PEG-6000人工模拟干旱胁迫措施对转基因小麦株系的根系发育特点、抗旱相关的光合生理等指标进行了测定。结果表明,干旱胁迫条件下各参试小麦的光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)均下降,转基因株系降幅较小,且其Pn和Tr值极显著高于受体品种;在正常供水和干旱胁迫两种水分处理下,转基因株系均比受体品种具有较发达的根系,其根总长、根总表面积、根总体积等参数极显著高于受体品种。这一结果说明,转W23基因小麦株系G19-X59、G19-X61在苗期依靠发达的根系维持较强的光合作用,提高其应对干旱胁迫的能力。     

谷子F-box家族基因的鉴定、分类及干旱响应

蛋白参与细胞周期调控、细胞凋亡及信号转导等多种生命活动对维持植物正常生长发育和介导非生阿物胁迫响应等过程发挥重要作用。谷子具有显著的耐旱耐瘠薄等特性本研究根据谷子转录组分析结果从个家族成员中鉴定出个在干旱胁迫下表达量上调的基因根据序列相似性将其分为类同一类基因具有相似的内含子外显子结构染色体定位分析发现这些基因分别分布在谷子的条染色体上其中第条染色体上含基因最多有个。结构域分析结果表明个蛋白均含保守的结构域而端含、、、、和等结构域。启动子元件分析表明谷子个基因均含逆境应答元件其中和元件的数量最多个说明这些基因对干旱应答反应可能主要受、转录因子调控。转录组分析结果表明基因对干旱胁迫的响应远远高于其他成员对干旱、高盐、、和都有响应亚细胞定位结果显示蛋白定位在细胞核中。本研究为进一步深入了解基因的功能提供了依据。F-box蛋白参与细胞周期调控、细胞凋亡及信号转导等多种生命活动, 对维持植物正常生长发育a和介导非生阿物胁迫响应等过程发挥重要作用。谷子具有显著的耐旱耐瘠薄等特性, 本研究根据谷子转录组分析结果, 从525个F-box家族成员中鉴定出19个在干旱胁迫下表达量上调的F-box基因; 根据序列相似性将其分为6类, 同一类基因具有相似的内含子-外显子结构; 染色体定位分析发现, 这些基因分别分布在谷子的8条染色体上, 其中, 第2条染色体上含F-box基因最多, 有6个。结构域分析结果表明, 19个F-box蛋白均含保守的F-box结构域, 而C端含FBD、WD40、FBA、ZnF、Kelch和LRR等结构域。启动子元件分析表明, 谷子19个F-box基因均含逆境应答元件, 其中, MYB和MYC元件的数量最多(9~78个), 说明这些基因对干旱应答反应可能主要受MYB、MYC转录因子调控。转录组分析结果表明, SiF-box18基因对干旱胁迫的响应远远高于其他F-box成员, 对干旱、高盐、ABA、SA和JA都有响应; 亚细胞定位结果显示, SiF-box18蛋白定位在细胞核中。本研究为进一步深入了解SiF-box18基因的功能提供了依据。     

小麦胁迫相关基因TaLEAL3的克隆及分子特性分析

第3组LEA蛋白(late embryogenesis abundant protein)介导干旱、高温、高盐等非生物胁迫响应, 关于普通小麦LEA基因的研究鲜有报道。利用噬菌体原位杂交技术, 从小麦苗期干旱胁迫条件构建的cDNA文库中筛选出LEA蛋白基因TaLEAL3, 其全长750 bp, 编码区长501 bp, 编码166个氨基酸, 含有一个明显的核定位信号区。氨基酸同源性分析发现, TaLEAL3属于第3组LEA蛋白, 序列中含有由11个氨基酸组成的3个不完全重复的基序和α-螺旋的LEA结构。电子定位结果显示, TaLEAL3基因位于4BL、4DL和5AL染色体上, 主要在茎中表达, 而在根中几乎无表达。实时荧光定量PCR分析表明, 在干旱、低温和ABA诱导下, TaLEAL3基因表达量明显增加。在该基因上游1.7 kb序列处, 预测具有启动子的核心序列和增强子序列, 及与干旱和低温等多种逆境胁迫相关的调控序列。本研究为深入分析小麦LEA蛋白基因的功能, 初步解析LEA蛋白的作用机制提供了数据。     

转AtTGA4小麦田间耐低磷胁迫的功能分析

【目的】将bZIP类转录因子基因AtTGA4转化小麦创制耐低磷转基因小麦新材料,同时分析AtTGA4提高小麦抗逆性的生理机制,为小麦耐低磷胁迫分子育种奠定基础。【方法】采用最小表达框基因枪转化法将AtTGA4和筛选标记基因Bar共转化受体小麦石4056,通过PCR检测筛选出无Bar并能稳定遗传AtTGA4的转基因小麦新株系。基于试验地土壤养分含量状况施用不同水平的磷肥,形成一定程度的正常和低磷营养胁迫,对AtTGA4转基因小麦新株系进行低磷胁迫耐受性试验。在开花期进行了光系统Ⅱ原初光能转化效率（light efficiency of the light system Ⅱ,Fv/Fm）,叶绿素相对含量（soil and plant analyzer development readings,SPAD值）和气冠温差（canopy temperature depression,CTD）等生理指标的测定,在成熟期进行了株高、分蘖数、穗粒数等农艺性状的调查,并在小麦收获后进行了产量及不同组分（根、茎、叶、籽粒）磷浓度和磷吸收、残留总量的测定和统计。【结果】PCR分析结果证明,AtTGA4已在石4056小麦中稳定遗传至T₄代,共获得4个稳定转基因株系。根据土壤养分含量测定结果,在正常条件地块施加812.39 kg·hm^-2的过磷酸钙,低磷处理地块不施磷肥。产量及农艺性状统计结果显示,AtTGA4转基因株系L1和L2在正常和低磷胁迫条件下的产量相对于受体对照小麦显著增加,正常条件下产量增幅为5.3%-8.6%,低磷胁迫下产量增幅为4.4%-7.7%。在低磷胁迫条件下,过表达AtTGA4的转基因小麦种子千粒重显著比受体显著增加。开花期田间生理指标测定结果显示,转基因株系L1和L2在低磷条件下的Fv/Fm和CTD明显优于受体,而SPAD值没有明显差异。田间调查时发现,低磷条件下受体比转基因材料提早结束灌浆,表现在穗子提早变黄。成熟末期磷含量测定结果显示,转基因株系L1和L2在低磷条件下茎杆磷浓度比受体显著提高,在其他组织中则无显著差异。2个转基因株系在低磷条件下茎、叶和籽粒吸收、残留的总磷含量都要高于受体,地上部总磷含量增幅达6.38%-17.47%。转基因材料AtTGA4表达量分析结果显示,目标基因在株系L2中的表达量较株系L1中的低,是株系L1的0.69倍。【结论】在低磷胁迫条件下AtTGA4可以显著提高转基因小麦对磷元素的吸收及运输,提高转基因小麦的产量,进而提高转基因小麦对低磷胁迫的耐性。     

以小麦根尖分生组织细胞核及染色体制备高分子量DNA

为了克服以叶片为材提取HMW DNA的局限性,优化了一套简便、实用的提取方法。该法以细胞周期同步化处理的根尖分生组织为材,利用机械匀浆释放细胞核或中期染色体制备悬浮液,再以蔗糖密度梯度离心和流式分选技术分别分离细胞核和染色体,经去蛋白、酶切,透析获得HMW DNA。经检测,来自200条根尖（10个胶块）的HMW DNA的浓度约为4~20 ng/µL,而连接、转化后的BAC克隆平均插入片段超过100 kb。证明该法适用于提取HMW DNA以构建BAC文库。     

病毒复制酶基因Nib8和ERF转录因子W17基因枪法共转化小麦

将对小麦黄花叶病毒表现高抗的复制酶基因Nib8和具有广谱抗病性的ERF基因W17分别构建到单子叶高效组成型表达载体上,采用基因枪共转化法转化到小麦品种扬麦12和扬麦16中,PCR检测共获得Nib8基因的阳性转基因植株42株,W17基因的阳性转基因植株48株,及两个功能基因均为阳性的转基因植株6株。以扬麦12为受体的转化率分别为1.53%(Nib8)、4.87%(W17)和0.42%(Nib8+W17);以扬麦16为受体的转化率分别为2.05%(Nib8)、0.86%(W17)和0.20%(Nib8+W17)。对两个功能基因都呈阳性的6个植株进行Southern blotting分析,进一步证实功能基因已经整合到小麦基因组中。本研究为获得具有综合抗病性的小麦新材料奠定了基础。     

中国作物分子育种现状与发展前景

近年来,随着基因组测序等多种技术实现突破,基因组学、表型组学等多门“组学”及生物信息学得到迅猛发展,作物育种理论和技术也发生了重大变革。以分子标记育种、转基因育种、分子设计育种为代表的现代作物分子育种技术逐渐成为了全世界作物育种的主流,在我国也正在成为作物遗传改良的重要手段。本文在界定分子育种的基础上,简要分析了中国作物分子育种研究现状和面临的问题,探讨了未来我国作物分子育种的发展策略。