苹果内根-贝壳杉烯氧化酶基因的克隆及序列分析

内根-贝壳杉烯氧化酶(KO)是赤霉素合成代谢的关键酶。以苹果(Malus×domestica Borkh.)品种富士(Fuji)为供试材料,应用同源克隆和RACE方法从其茎尖中克隆到KO的cDNA全长序列,命名为MdKO,GenBank登录号:AY563549,其长度为1 859 bp。MdKO的开放性阅读框(ORF)编码514个氨基酸残基,推断其相对分子量为58.9 ku,等电点为7.63。氨基酸同源性分析表明,MdKO与已报道的其他植物的KO氨基酸序列具有较高的相似性;氨基酸聚类分析表明,苹果和梨首先聚类,其次是葡萄;序列结构分析表明MdKO属于细胞色素超家族P450系,具有细胞色素P450的血红素结构域FXXGXRXCXG和跨膜结构域;亚细胞定位分析发现MdKO可能位于内质网膜上。

山核桃贝壳杉烯氧化酶基因CcKO的克隆和表达分析

【目的】内根-贝壳杉烯氧化酶(KO)是赤霉素(GAs)生物合成途径关键酶,也是植物GAs生物合成抑制剂多效唑的靶酶,若GAs生物合成途径中在KO基因位点发生阻塞,会影响植株的正常生长。本研究克隆山核桃CcKO基因(Caca0733S0131)及其启动子并进行表达分析,以利于进一步探究山核桃CcKO基因在植物生长和发育过程中,尤其是与株高调控相关的生物学功能,从而助力山核桃优新种质的创制。【方法】以山核桃体细胞胚为试验材料,采用同源重组及PCR扩增技术,克隆获得山核桃KO的基因及启动子序列,并进一步构建了具有强启动子的35S∷CcKO∷GFP过表达载体和CcKOpro∷GUS启动子表达载体;利用BLAST在线工具得到该基因编码的氨基酸序列,并对其进行生物信息学分析和同源性分析;进一步通过农杆菌介导法将启动子表达载体及过表达载体转入核桃体细胞胚并进行植株再生试验,分别获得阳性再生植株,从而深入分析山核桃CcKO基因的生物学功能。【结果】通过克隆,获得1条山核桃CcKO开放阅读框,其全长为1563 bp,共编码520个氨基酸,相对分子量为59.076 kDa。氨基酸同源性分析表明,山核桃CcKO含有细胞色素P450核心功能域FXXGXRXCXG和氨基端的跨膜结构域。BLAST结果表明,山核桃CcKO氨基酸序列与核桃JrKO氨基酸序列同源性为96%,与白梨、苹果、板栗、欧洲栓皮栎的氨基酸同源性分别为71%、79%、77%、76%。对核桃体细胞胚进行遗传转化:启动子表达经GUS染色和PCR验证表明,CcKOpro∷GUS启动子表达载体被成功转入核桃体细胞胚中,且山核桃CcKO基因主要定位于维管束中;过量表达经荧光检测显示及PCR验证表明,35S∷CcKO∷GFP过表达载体被成功转入核桃体细胞胚中;表型分析结果显示,阳性再生植株株高显著高于对照,且山核桃CcKO基因的表达丰度越高,其株高越高;实时荧光定量PCR及相关分析表明,该基因表达具有空间差异,茎中表达量显著高于其他组织部位,且过量表达可使核桃阳性再生植株GAs合成通路下游GA20ox表达量升高而GA2ox表达量下降。【结论】山核桃CcKO基因编码区全长1563 bp,编码520个氨基酸,该基因所编码的氨基酸序列与核桃JrKO氨基酸序列同源性最高,同源性为96%;启动子表达载体定位结果表明该基因主要定位于维管束。过量表达山核桃CcKO基因的核桃再生植株中,KO mRNA表达量明显升高,植株表现出明显的伸长特征,并且CcKO过量表达可使其GA20ox表达量上调,GA2ox表达量下调。本研究结果可为进一步分析KO基因在山核桃及核桃生长发育过程中的作用提供参考。

梨内根-贝壳杉烯合酶基因克隆及表达分析

中矮1号(Pyrus communis)是中国农业科学院果树研究所选育的梨优良矮化砧木,为研究其矮化机理,应用同源克隆的方法从中矮1号叶片总RNA中克隆赤霉素合成过程中的关键酶——内根-贝壳杉烯合酶(KS)基因的cDNA全长序列,并对该基因在不同梨品种中的表达进行分析。结果表明:基于苹果基因组序列设计的特异引物从中矮1号的总RNA中扩增出了1个编码框全长为2214 bp的cDNA序列,其编码737个氨基酸残基,推断分子量为83.63 kD,等电点为5.37。其氨基酸序列与报道的其他植物KS氨基酸序列的相似性为53.61%～72.63%,其中,与板栗(AEF32083.1)的相似性最高,其氨基酸序列中包含植物KS基因所共有的YDTAWVAWVP和DDXXD保守结构域,因此,将分离到的基因命名为PcKS。早酥、锦香和中矮1号等不同梨品种的PcKS基因的cDNA序列仅有个别碱基差异,但编码的氨基酸序列完全一致,品种间不存在结构差异。RT-PCR表达分析结果表明,PcKS基因在早酥中的表达量低于同时期的锦香和中矮1号,与植株高度相反,初步表明该基因的表达有与梨植株生长势呈负相关的趋势。

苹果内根-贝壳杉烯合成酶基因的克隆及表达分析

以柱型苹果茎尖为试材,采用同源克隆的方法克隆得到赤霉素合成代谢关键酶内根-贝壳杉烯合成酶的cDNA全长序列,命名为MdKS。MdKS的开放阅读框(ORF)全长2 214 bp,编码737个氨基酸。KS属于萜类合成酶亚家族,具有DDXXD保守结构域。氨基酸聚类分析表明,MdKS与梨同源性最高,为98%,其次是板栗,为73%;实时荧光定量PCR分析表明,在苹果的生长季节,MdKS基因在柱型和普通型苹果中均能表达。在苹果的生长初期,普通型苹果MdKS基因的表达量均明显高于柱型苹果,而在6月初,其表达量却略低于柱型苹果。

石榴赤霉素合成相关基因PgKO的克隆及表达分析

该研究以‘红玉石籽’(Punica granatum cv.Hongyushizi)石榴为试验材料,采用RT-PCR和RACE技术,从石榴花中克隆得到赤霉素合成关键酶——内根贝壳杉烯氧化酶(KO)基因,命名为PgKO(GenBank登录号为MG208017)。PgKO全长cDNA为1 729bp,包含1 542bp开放阅读框(ORF),编码513个氨基酸,相对分子量为141.16kD,理论等电点为4.9。多重序列对比显示,PgKO与苹果MdKO、白梨PcKO、葡萄VvKO的相似性分别为61.28%、64.56%和73%,并且具有CYP450结构域(脯氨酸富含域、氧还原位点和血红素结合域)。系统进化树分析表明,PgKO与其他物种的起源相同,并与桉树EgKO的亲缘关系最近。荧光定量PCR发现,在石榴蕾期和盛花期,PgKO基因的表达量均为筒状花高于钟状花,且PgKO基因在两种花型的子房、花药、花萼中均有表达,但筒状花中子房的表达量最高,花萼的表达量最低;钟状花中花药的表达量最高,子房的表达量最低。

赤霉素生物合成酶基因GhCPS和GhKS参与甲哌鎓对棉花幼苗叶片生长的控制

室内盆栽欣抗4,在棉花幼苗第3片真叶完全展平时（第4叶未展开）鎓叶面喷施甲哌（DPC）,研究DPC对棉花幼苗叶片生长的控制与赤霉素（GA）合成早期关键酶柯巴基焦磷酸合酶（CPS）和内根-贝壳杉烯合酶（KS）基因表达的关系。结果表明, DPC处理显著减小棉花幼苗第3和第4叶的叶面积,第4叶叶面积受控制程度较第3叶大；80 mg L＾-1 DPC处理的棉花幼苗第3和第4叶中GA4含量分别于处理后4 d和4～6 d显著低于对照；与对照相比,80 mg L＾-1 DPC处理的棉花幼苗第3叶中GhCPS和GhKS表达在处理后1～4 d显著降低,而第4叶中GhCPS和GhKS的表达在处理后1～6 d显著降低。由此可见, DPC通过影响GhCPS和GhKS的表达,降低内源活性GA4的含量,控制棉花幼苗叶片生长,且较幼嫩叶片对DPC较敏感。

棉花基因组数据库中CPS&KS基因的查找与分析

为了探究赤霉素合成关键酶CPS&KS类基因在棉花中的分布情况,分析了已发表的拟南芥CPS&KS基因编码的蛋白质氨基酸序列,发现该类基因存在2个保守结构域,Terpene_synth和Terpene_synth_C,其在Pfam数据库中的种子文件分别为PF01397和PF03936。利用软件HMMER中的Hmmsearch程序在雷蒙德氏棉蛋白质数据库中调取72条序列,通过与拟南芥中的CPS&KS基因序列进行比对,最终在雷蒙德氏棉基因组中筛选到5个CPS&KS候选基因,这5个基因与四倍体棉花TM-1基因组At和Dt亚组的10个基因具有同源关系。通过对赤霉素敏感的棉花超矮杆突变体赤霉素处理前后转录组数据库分析比对,最终确定2个KS候选基因在转录组中表现为上调作用。

小麦矮缩病毒引起的植株矮化与赤霉素代谢的相关性分析

【目的】由异沙叶蝉(Psammotettix alienus)传播的小麦矮缩病毒病是近年来中国西北部麦区严重发生的小麦病毒病害之一。受侵染的小麦植株严重矮化,有效分蘖减少,产量损失严重。论文旨在明确小麦矮缩病毒(Wheat dwarf virus,WDV)侵染小麦植株后矮化症状形成与赤霉素代谢调控的关系,为该病害的防治打下基础。【方法】以小麦品种扬麦12为试验材料,以异沙叶蝉为传毒介体饲毒后转移到1叶期的健康幼苗(3头/株)上进行传毒,同时以无毒异沙叶蝉取食健康幼苗为对照。根据试验需要,不同时间取样备用。为保证试验的准确性,经PCR检测为阳性的作为处理组试验材料;采用间接酶联免疫吸附(ELISA)法,利用植物赤霉素(GA3)试剂盒测定分析侵染第21天取样的小麦叶片赤霉素含量;将带毒条沙叶蝉接种的小麦苗分为两个平行处理组,接种后第7天分别用GA3(浓度为50 mg·L-1)和H2O进行叶面喷施处理,每隔一周处理一次。以无毒叶蝉接种后长势一致的小麦苗作为对照组,根据株高统计结果分析外施赤霉素对受侵染小麦植株的表型变化;以山羊草(Aegilops tauschii)的内根-贝壳杉烯合成酶(ent-kaurene synthase-like 3,KSL3)的基因编码区序列为参考基因设计引物(KSL3-F:5′-ATGATGGTGAATCCGCCGC-3′;KSL3-R:5′-TTAATGGTTGATCTTTGTTT-3′),对扬麦12的KSL3进行克隆和序列分析;分别取接种后7、14和21 d的小麦植株叶片,提取RNA后反转录,以克隆得到的Ta KSL3基因序列设计引物(Ta KSL3-F:5′-GAGACATGTGCCATGGCGTTC-3′;Ta KSL3-R:5′-CGTGTCACTCAGATCGGTGGAG-3′),选择小麦翻译延伸因子1A(EF-1α)作为内参基因,利用荧光定量PCR方法分析赤霉素代谢相关基因的转录水平。【结果】经ELISA检测发现,接种21 d的发病植株赤霉素含量与健康植株相比降低了28.9%;通过施用浓度为50 mg·L-1的赤霉素后,发病植株的平均株高相比对照组显著增加35.9%;采用同源克隆得到了完整的小麦赤霉素合成途径关键酶KSL3的编码区序列,长度为1 827 bp,编码608个氨基酸,BLAST比对分析发现该DNA序列与山羊草KSL3编码区序列相似度为85.2%。经荧光定量检测发现受小麦矮缩病毒侵染后小麦KSL3表达量显著下降,接种14 d降低为对照组的35.7%,21 d降低为对照组的9.6%。【结论】小麦矮缩病毒的侵染导致赤霉素合成途径关键酶的表达量降低,可能使赤霉素合成受阻,赤霉素含量降低引发受赤霉素调节的细胞生物学过程异常,从而诱导矮化症状形成。研究结果为揭示小麦矮缩病毒侵染的致病机理和病害防控打下了基础。