甘薯细胞壁蔗糖转化酶基因IbCWIN家族成员鉴定及表达分析

甘薯是重要的粮食、饲料、工业原料作物和新型的生物能源作物,细胞壁蔗糖转化酶是植物源、库组织蔗糖代谢的关键酶,但关于甘薯细胞壁蔗糖转化酶基因IbCWIN家族成员的研究尚未见报道。本研究测定供试品种不同组织部位的蔗糖淀粉含量,利用生物信息学方法对IbCWIN基因家族的理化性质、保守结构域、系统进化关系、启动子作用元件、组织特异性表达模式进行分析。结果表明,甘薯茎中蔗糖含量最高,须根和叶次之,块根最低;块根淀粉含量最高,极显著高于其他部位。甘薯中含有10个IbCWIN基因,编码氨基酸442~1115个,蛋白质分子量范围49.56~124.44kD,等电点为5.0~9.1。分布在8条染色体上,都含有Glyco_32保守结构域及相同或相似的保守基序motif,属于糖基水解酶基因家族GH32。IbCWIN与木薯MeCWINV同源性高,IbCWIN基因家族启动子区域含有多种类型的顺式作用元件。qRT-PCR结果表明,IbCWIN基因家族在甘薯不同组织中均有表达且有多种表达模式,其中IbCWIN2和IbCWIN9在块根中表达量显著高于其他组织部位。本研究为下一步探索甘薯IbCWIN基因家族的功能及调控甘薯源、库关系机制提供理论指导。

不同氮素形态配比对菜用甘薯产量和品质的影响

菜用甘薯存在产量低、品质差以及在种植过程中由于不合理施肥造成生态环境恶化等问题,因此,针对以上问题开展本研究。氮肥作为农业肥料投入的主要部分,是影响菜用甘薯产量和品质的重要因素,通过设置不同氮素形态配比处理,根据菜用甘薯茎尖产量和品质相关指标的变化,揭示菜用甘薯产量和品质对氮素形态配比的响应机制,为提升菜用甘薯产量和品质的同时减轻因不合理施肥造成环境污染提供理论依据。本研究为大田试验,供试品种为生产上主栽的2个菜用甘薯品种‘福薯18’(F18)和‘鄂薯10号’(E10),采用两因素裂区试验设计,设5个氮素形态配比处理为:(1)NH_(4)^(+)-N∶NO_(3)^(-)-N∶CONH_(2)-N=1∶1∶1(N1);(2)NH_(4)^(+)-N∶NO_(3)^(-)-N∶CONH_(2)-N=1∶0∶2(N_(2));(3)NH_(4)^(+)-N∶NO_(3)^(-)-N∶CONH_(2)-N=2∶0∶1(N_(3));(4)NH_(4)^(+)-N∶NO_(3)^(-)-N∶CONH_(2)-N=1∶2∶0(N_(4));(5)NH_(4)^(+)-N∶NO_(3)^(-)-N∶CONH_(2)-N=2∶1∶0(N_(5))。研究结果表明,N_(4)和N_(5)处理均可显著提高菜用甘薯的茎尖产量、总酚含量、总黄酮含量、可溶性糖含量、苯丙氨酸解氨酶(PAL)酶活性和IbPAL基因表达量;同一时期不同处理间差异显著,随着生育期的不断推进,各项指标的变化呈先升后降的趋势,其中以N_(4)处理效果更为显著,除可溶性糖含量在N_(3)处理下最低外,其他各项指标均在N_(2)处理下最低,由相关性分析证实,总酚、总黄酮和可溶性含量及PAL酶活性与IbPAL基因表达量呈显著正相关,而可溶性糖含量与基因表达量呈负相关,表明可溶性糖含量的变化与IbPAL基因表达无相关性;由氮素形态配比处理可知,相对于N_(2)和N_(3)处理,N_(4)和N_(5)处理为植株提供了更多的NO_(3)^(-)-N,由此推断NO_(3)^(-)-N在菜用甘薯生长发育过程中起到更为重要的促进作用,而CONH_(2)-N在本研究中对甘薯产量和品质的促进作用并不突出。而N_(4)处理即NH_(4)^(+)-N∶NO_(3)^(-)-N∶CONH_(2)-N=1∶2∶0的配肥方案是促进菜用甘薯产量和品质提升的最佳配施组合。本研究结果可为合理配肥以获得理想的作物产量和品质提供理论依据,为在其他作物上开展相关研究提供参考。

甘薯苯丙氨酸解氨酶基因IbPAL的克隆与表达分析

本研究基于甘薯(Ipomoea batatas(L.)Lam.)与绿原酸合成代谢相关的转录组数据克隆了苯丙氨酸解氨酶基因IbPAL,通过蛋白序列比对、系统进化分析、二级和三维蛋白结构预测、跨膜结构域以及启动子分析,对该基因的氨基酸序列和启动子序列的结构特征进行了解析;通过qRT-PCR技术分析该基因在不同甘薯品种的根、茎、茎尖和叶中的表达情况,并对其进行亚细胞定位验证。结果显示,IbPAL的CDS序列全长2130 bp,编码709个氨基酸。其氨基酸序列与已知物种的氨基酸序列同源性在80%以上。IbPAL蛋白以α螺旋和随机卷曲为主,具有1个可能的跨膜螺旋区。该基因启动子中包含多个顺式作用元件。表达模式分析结果表明,IbPAL主要在茎和茎尖中表达,其在甘薯品种‘EC16’4个组织器官中的表达量均显著高于其他品种。亚细胞定位结果显示该基因在细胞膜和细胞核上均可以表达。

甘薯黄烷酮3-羟化酶基因IbF3H的克隆和表达特性分析

黄烷酮3-羟化酶(flavanone 3-hydroxylase,F3H)是黄酮类化合物合成途径中的一个关键酶。本研究基于前期转录组数据,以‘福菜薯7-6’叶片为材料成功克隆CDS序列长度为1107 bp的基因IbF3H,利用生物信息学分析甘薯F3H基因的序列特征、氨基酸序列对比、蛋白系统进化树、蛋白的二、三级结构、预测其跨膜结构和亚细胞定位,并利用qRT-PCR分析盐旱胁迫处理下基因的表达特性。结果表明,该基因含有3个外显子和2个内含子,编码368个氨基酸,蛋白分子量为41.12 kDa,等电点为5.83。存在多种类型的启动子顺式作用元件,如光响应元件G-Box、ACE,干旱胁迫相关的MBS元件,与脱落酸激素响应相关的ABRE元件等。与其他植物的氨基酸序列相似性达到了80%以上,可见IbF3H的编码区高度保守,且黄烷酮3-羟化酶在进化上具有较高的保守性。IbF3H蛋白含有非血红素双加氧酶结构域(DIOX-N superfamily)和典型的F3H蛋白功能结构域(2OG-FeⅡ-Oxy加氧酶结构域),属于双加氧酶超家族。IbF3H蛋白可能在细胞质中表达并且不具备跨膜结构。qRT-PCR研究结果表明,IbF3H基因并非组织特异性表达的基因,叶和茎表达量高于茎尖和根。模拟盐胁迫处理后,IbF3H基因表达量呈现先下降后上升的趋势;模拟干旱胁迫处理后,IbF3H基因表达量始终高于对照组,以响应逆境胁迫。本研究可为下一步探索IbF3H基因在调控甘薯类黄酮生物合成途径和功能作用奠定基础。