甘蓝光敏色素B基因的克隆及在拟南芥中异源转基因的功能验证

【目的】甘蓝(Brassica oleracea L.)是世界上最广泛种植的蔬菜作物之一,其种植已由春、秋两季种植转变为四季栽培,因此,研究甘蓝对光温的反应能力是品种改良的重要基础。光敏色素是植物最重要的一类光受体,主要响应远红光和红光的变化,其中,光敏色素B是红光的最主要受体,与光形态建成、避荫性以及生物产量等性状密切相关。克隆甘蓝的光敏色素B基因(Bo PHYB),在拟南芥中验证异源基因Bo PHYB在光形态建成和避荫性反应中的作用,丰富植物光敏色素基因功能研究,评价光敏色素在甘蓝品种改良中应用的潜在价值。【方法】利用RT-PCR的方法克隆、测序验证得到甘蓝自交不亲和系12C的Bo PHYB编码区c DNA序列;利用生物信息学软件分析其编码的氨基酸序列及结构域,并与其他植物的光敏色素B进行序列比对,分析它们之间的同源关系;构建其35S启动子驱动的植物表达载体p JIM19-Myc-Bo PHYB,通过农杆菌介导法转化拟南芥野生型Col-0和phy B-9突变体,并获得纯合转基因株系;比较Bo PHYB与拟南芥光敏色素B(At PHYB-GFP)的转基因株系在不同光质下的下胚轴伸长和成株期的表型,验证其在光形态建成和避荫性反应中的作用。【结果】从甘蓝中克隆了Bo PHYB的编码区c DNA序列,该基因编码区含有3 507个核苷酸,编码具有1 168个氨基酸残基、分子量为128.9 k D的蛋白质;与拟南芥和白菜的phy B结构域类似,Bophy B包含1个GAF结构域、2个PAS结构域、1个His KA结构域和1个HATPase_c结构域;氨基酸序列同源性分析发现,Bophy B与拟南芥以及白菜的phy B同源性最高,与小麦、玉米、水稻等单子叶植物的同源性较低;与At PHYB-GFP类似,在红光和白光下不但Myc-Bo PHYB能互补phy B-9极端黄化的表型,而且转基因株系均表现为下胚轴加剧缩短;长日照和短日照下成株期转基因导致植株矮化、叶片深绿和叶柄缩短。【结论】克隆了甘蓝光敏色素B基因,甘蓝光敏色素B与拟南芥和白菜的光敏色素B具有相似的结构和功能,在红光和白光下促进幼苗的去黄化反应,在成株期显著抑制长日照和短日照下植株的避荫性反应。

2个玉米光敏色素C基因的克隆及功能验证

为了研究玉米与拟南芥光敏色素C(Phytochrome C,PHYC)功能的异同,以及2个玉米PHYC基因在光形态建成和避荫性反应中的作用,克隆了玉米2个PHYC基因,用生物信息学方法分析玉米PHYC蛋白结构域,与常见物种PHYC蛋白进行系统进化分析,并利用转基因技术在拟南芥中验证玉米PHYC基因的功能。结果表明,从玉米B73自交系中克隆了ZmPHYC 1和ZmPHYC2基因。它们的编码区长度为3405 bp,编码具有1135个氨基酸残基、分子质量为126.14 ku和126.07 ku的蛋白质。ZmPHYC1和ZmPHYC2蛋白结构域与拟南芥和水稻的PHYC蛋白相似,包含1个PAS_2结构域、1个GAF结构域、1个PHY结构域、2个PAS重复结构域、1个组氨酸激酶A结构域和1个类组氨酸激酶ATP酶结构域。氨基酸序列同源性分析发现,二者与高粱PHYC同源性最高。在拟南芥中过量表达ZmPHYC 1和ZmPHYC2可以互补红光下拟南芥phyC-2突变体的长下胚轴表型,并且在持续红光和蓝光条件下均能促进幼苗的去黄化反应,在避荫条件下抑制下胚轴的伸长生长。在促进幼苗的去黄化反应和抑制避荫反应方面,ZmPHYC1的作用优于ZmP HYC2。

摭谈植物的光形态建成

光不仅是主要的能量来源,也是重要的信号因子。光能够作为信号影响、调节植物生长发育最终引起植物形态和结构的改变,称为光形态建成。人教版高中生物学教材(2019版)中涉及的主要光形态建成反应有需光种子萌发、幼苗去黄化反应、避阴反应、植物运动反应、光周期现象与成花诱导、叶片衰老等。本文以上述光形态建成反应为对象,阐述其现象及反应机理。