巴西橡胶树NAC转录因子HbNAC1基因的克隆及生物信息学分析

为了研究植物特有的NAC(NAM,ATAF1/2和CUC2)转录因子在巴西橡胶树生长发育、胁迫应答和激素调节中的功能,对巴西橡胶树NAC转录因子进行了克隆和分析。根据橡胶树胶乳cDNA文库中筛选到的NACEST序列,利用RACE-PCR技术克隆了橡胶树HbNAC1的cDNA序列。生物信息学分析显示HbNAC1基因开放阅读框(ORF)为891bp,编码了一个296个氨基酸组成的中性不稳定水溶性蛋白,该蛋白的N-端具有保守的NAC结构域,C-端高度变异,具备了NAC转录因子的基本特征。HbNAC1定位在细胞核中,具有3个糖基化位点和21个磷酸化位点,三级结构由3个α-螺旋和9个β-折叠组成。序列比对和系统进化分析显示HbNAC1蛋白属于NAC转录因子家族中的ANAC011亚族,推测其可能作为一种氨基酸合成相关的调节酶参与调控植物的免疫反应。

巴西橡胶树膜结合NAC转录因子HbNTL1的克隆及生物信息学分析

根据巴西橡胶树胶乳cDNA文库中筛选到的NAC EST序列,克隆了橡胶树膜结合NAC转录因子,HbNTL1的cDNA和基因组DNA序列。生物信息学分析显示HbNTL1基因包含6个外显子和5个内含子,开放阅读框(ORF)为1704bp,编码了567个氨基酸。HbNTL1编码蛋白的相对分子量为62.52kDa,理论等电点PI为4.62,N-端具有保守的NAC结构域,高度变异的C-端有一个跨膜结构域(TM)。序列比对和系统进化分析表明,HbNTL1蛋白属于NAC转录因子家族中的NAC2亚族,推测其可能与橡胶树生长发育和胁迫应答有关。

巴西橡胶树WRKY转录因子基因HbWRKY41的克隆与表达分析

为阐明巴西橡胶树WRKY转录因子基因Hb WRKY41的分子特征及表达特性,利用RT-PCR方法从巴西橡胶树中克隆了该基因。Hb WRKY41开放阅读框1 020 bp,编码339个氨基酸,预测蛋白分子量为38.48 k Da,理论等电点为5.52。Hb WRKY41含有1个WRKY保守结构域和1个C_2HC型锌指结构,与蓖麻、棉花、大豆及拟南芥WRKY41蛋白聚为一类,属于Ⅲ类WRKY转录因子家族成员。实时荧光定量PCR检测结果表明,Hb WRKY41在巴西橡胶树根、树皮、胶乳、叶和花等组织中均有表达,以在衰老叶片中的表达最高,而在胶乳和树皮中的表达相对较低。干旱、低温及高盐胁迫均可上调Hb WRKY41的表达,其中以低温或盐胁迫下Hb WRKY41的表达持续升高。Hb WRKY41可能在巴西橡胶树叶片衰老和非生物胁迫应答中起着重要调控作用。

巴西橡胶树CAMTA转录因子全基因组鉴定与表达分析

钙调蛋白结合转录激活因子(Calmodulin-binding transcription activator, CAMTA)是一类存在于真核生物中结构保守的重要钙调素结合蛋白,广泛参与植物的胁迫应答、生长发育及激素信号转导等生物学过程。本文以巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)为研究对象,从全基因组水平鉴定到8个橡胶树HbCAMTA基因,并对这些基因的理化性质、基因结构、表达模式、启动子区调控元件进行分析。结果显示,该基因家族所有成员均定位于细胞核内,编码蛋白均为亲水性蛋白,分子量在104.34~121.99 kD之间,等电点在5.32~7.83之间;家族基因根据蛋白序列同源性可以分成4个亚组,亚组成员在基因结构、保守基序数目和相对位置等方面具有较高相似性。调控HbCAMTA的miRNA预测分析显示,每个家族成员受到至少3个miRNA调控。表达分析结果显示,HbCAMTA在不同组织的表达有明显的差异,在叶片中随着叶片的发育表达不断上调,在成熟期或变色期达到最高的表达水平;除HbCAMTA2外,乙烯刺激未能显著诱导橡胶树其他CAMTA基因的表达,而低温可以显著诱导HbCAMTA的上调表达。HbCAMTA1是胶乳、叶片、根、树皮、雄花、雌花以及叶片整个发育过程(古铜期、变色期、淡绿期、成熟期)中最高表达的基因家族成员,表明其具有非组织特异性的基础生物学功能。HbCAMTA3在种子中表达水平最高且受低温胁迫诱导显著上调表达,表明其在响应低温胁迫过程中具有重要的作用。HbCAMTA7在大多数组织、乙烯处理、低温胁迫处理以及叶片不同发育时期均是最低表达。本研究初步揭示了橡胶树CAMTA家族成员的理化特征和表达特性,为进一步阐明该基因功能奠定了重要的基础。

巴西橡胶树HbNAC24基因克隆和表达分析

该研究以巴西橡胶树为实验材料,从橡胶树胶乳cDNA中克隆了NAC转录因子基因（HbNAC24）完整开放阅读框（ORF）,并通过酵母实验和实时荧光定量PCR技术,进行转录激活活性分析和表达分析.结果显示：（1）HbNAC24基因ORF为1 167 bp,编码388个氨基酸,在N端第7～174氨基酸之间含有一个典型的NAC结构域.（2）酵母实验表明,HbNAC24具有转录激活活性,转录激活区在高度变异C端,具备了NAC转录因子的基本特征.（3）序列比对和系统进化分析表明,HbNAC24蛋白属于NAC转录因子家族中的TIP亚族.（4）实时荧光定量PCR分析结果发现,HbNAC24基因在叶中的表达量显著高于其他部位;割胶和茉莉酸（JA）处理均能够诱导HbNAC24表达上调.研究认为,HbNAC24基因可能参与植物的生长发育和胁迫应答过程.

橡胶树转录因子HbERF1的克隆与功能分析

【目的】克隆橡胶树转录因子HbERF1,分析其在橡胶树中响应非生物胁迫的表达模式,并通过在拟南芥中过表达鉴定其生物学功能,为橡胶树抗逆育种提供基因储备。【方法】利用RACE技术从巴西橡胶树中克隆到HbERF1全长序列,通过qRT-PCR技术分析其在非生物胁迫下的时空表达特性;通过农杆菌介导法转化拟南芥,利用Southern杂交和qRT-PCR技术对过表达植株进行鉴定,并分析过表达植株在干旱、高盐和PEG等胁迫条件下的表型及相关基因的表达特性,验证HbERF1的生物学功能。【结果】橡胶树转录因子HbERF1没有内含子,GenBank登录号为JQ914647,cDNA序列全长为1 178 bp,包括62 bp的5'非编码区、474 bp的3'非编码区和642 bp的开放阅读框。开放阅读框编码一条213个氨基酸组成的多肽,该蛋白具有一个保守的AP2结构域和一个EAR基序。系统进化分析表明,HbERF1属于AP2/ERF家族中ERF亚族的B-1类,与蓖麻RcERF、杨树PtERF46、拟南芥AtERF4的一致性最高,分别为72%、62%和61%。qRT-PCR分析表明,HbERF1在橡胶树叶片和树皮中均能响应高盐、干旱和PEG胁迫,基因的表达在叶片中受ABA、MeJA的抑制,而在树皮中则受ABA、MeJA和SA的抑制。在高盐和PEG胁迫下,叶片中的HbERF1在处理前期(≤8 h)表达水平都低于对照,而树皮中的HbERF1在胁迫4 h时就受到强烈诱导。在干旱胁迫下,随着干旱程度的增加,HbERF1在叶片和树皮中表达水平持续增加,且在树皮中的表达要高于叶片中的表达。HbERF1的过表达提高了拟南芥的抗旱性、耐盐性和耐PEG胁迫的能力,并抑制了乙烯受体基因AtETR1和AtERS1的表达。在过表达植株中,AtETR1和AtERS1的表达水平分别比野生型中的降低了19倍和9倍,差异极显著(P<0.01)。在高盐胁迫下,过表达植株中AtRD22和AtRD29A的表达水平持续上升,且上调幅度高于WT,分别为对照的115倍和100倍;在20%PEG胁迫下,AtRD22和AtRD29A的表达都受到诱导。用300 mmol·L-1NaCl浇灌拟南芥,处理15 d后,野生型拟南芥的叶片几乎全部萎蔫白化,而过表达株系S1仅有少数叶片萎蔫白化。用20%PEG6000水溶液浇灌拟南芥,处理15 d后,过表达株系S1生长正常,已进入生殖生长,而野生型植株仍保持在营养生长阶段,生殖生长被延迟,且部分叶片出现脱水现象。停止浇水2周后,野生型拟南芥植株叶片枯萎程度高于过表达植株,复水1周后野生型植株的存活率仅为35.0%,而过表达植株的存活率则高达95.0%。【结论】HbERF1参与了橡胶树的ABA、JA、SA和ETH信号途径,是ETH信号的正调控因子,对提高橡胶树的耐旱性具有积极作用。

非生物胁迫对橡胶树热激转录因子家族成员表达的影响

热激转录因子(heat shock transcription factor,Hsf)是一类重要的调节因子,能够使植物响应多种逆境胁迫,赋予植物多种抗逆性。通过qPCR技术,分析了30个橡胶树HbHsf家族成员在低温胁迫下橡胶树‘93-114’和‘热垦501’叶片中的表达模式,结果显示多个HbHsfs基因可被低温诱导上调表达,尤其是HbHsfA4a、HbHsfA4d、HbHsfA9b、HbHsfC1a和HbHsfC1b在低温胁迫下‘93-114’叶片中的表达量显著高于‘热垦501’。此外,HbHsfA4a和HbHsfA4d在干旱和高盐胁迫下显著上调表达,HbHsfA9b在干旱条件下极显著上调表达,HbHsfC1a和HbHsfC1b响应高盐胁迫上调表达。橡胶树HbHsfs基因响应多种逆境交叉胁迫,暗示着基因功能的多样性和复杂性。本研究为进一步解析Hsf家族成员的抗逆机理提供理论依据。

巴西橡胶树HbMYBs转录因子的克隆及表达分析

通过同源序列比对,笔者克隆了巴西橡胶树5个与抗逆相关的HbMYBs基因,根据其与拟南芥同源基因的相似性,分别命名为HbMYB15,HbMYB21,HbMYB24,HbMYB35和HbMYB75,其阅读框长度分别为651,984,999,1 095,933 bp。生物信息学分析结果表明,这5个HbMYBs基因编码的蛋白序列都包含MYB家族结构域,属于R2R3类MYB转录因子。酵母自激活实验结果显示这5个HbMYBs蛋白均具有转录活性,具有转录因子特征。荧光定量PCR分析结果表明,创伤、乙烯处理和茉莉酸处理对这5个HbMYBs基因中有不同程度的诱导作用,这些基因有可能参与乙烯和茉莉酸信号相关的植物防御应答。

巴西橡胶树HbNAC1基因的克隆和表达分析

根据EST序列信息,利用RACE技术从巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)中克隆了1个NAC类转录因子基因HbNAC1,其cDNA全长为1419 bp,含有完整的开放阅读框,编码309个氨基酸。推导的氨基酸序列含有1个NAM结构域,具有典型的NAC类蛋白的结构特征,与毛果杨(Populus trichocarpa)、蓖麻(Ricinus communis)、水稻(Oryza sativa)和拟南芥(Arabidopsisthaliana)中的相应氨基酸序列的同源性分别达79%、80%、57%和60%。聚类分析表明,HbNAC1属于NAC家族Ⅱ亚族。半定量RT-PCR分析表明,该基因在胶乳中的表达较丰富,经乙烯利刺激后其在胶乳中的表达量明显增加。

巴西橡胶树HbMYB52基因的克隆及其在拟南芥中的表达

为揭示Hb MYB52在巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)木材发育过程中的功能,从其转录组中分离克隆到1个MYB转录因子G21亚组成员基因,命名为Hb MYB52,开放阅读框为726 bp,编码242个氨基酸的蛋白,在木质部中高度表达。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过表达Hb MYB52,虽未改变转基因植株株型,但植株维管束间纤维细胞壁明显增厚,同时抑制了木质纤维、导管次生壁形成。转基因拟南芥株系3和株系6中纤维素和木质素含量减少,相应各组分合成的关键酶基因的表达量也不同程度下降;株系8产生了木质素异位沉积,且木质素合成关键酶基因表达活跃。因此,推测Hb MYB52参与了植物次生壁形成调控,在拟南芥次生壁形成中可能发挥了双重功能:一方面负调控维管束次生壁形成以及各组分的生物合成,另一方面具有促进束间纤维次生壁增厚的作用。

巴西橡胶树乳管细胞HbWRKY1基因克隆及表达分析

采用PCR和RACE技术,从巴西橡胶树无性系热研7-33-97的乳管细胞中克隆了WRKY转录因子家族的一个成员HbWRKY1。该基因全长为1755 bp,含有1个1440 bp阅读框,编码479个氨基酸。生物信息学分析表明,HbWRKY1含有2个WRKY结构域和C2H2锌指结构基序,与蓖麻、杨树、葡萄、黄瓜、拟南芥的WRKY成员的氨基酸序列同源性分别为64.14%、60.04%、42.54%、40.61%和35.4%,属于Ⅰ类WRKY家族成员。实时荧光定量PCR分析表明,割胶和乙烯显著上调HbWRKY1基因的表达,但茉莉酸和机械伤害对HbWRKY1的表达没有明显影响,表明HbWRKY1可能在乙烯信号途径对防卫蛋白的调节中起重要作用。

巴西橡胶树HbNTL2基因的克隆和表达分析

利用RT–PCR和实时荧光定量PCR技术,对巴西橡胶树膜结合转录因子Hb NTL2进行克隆和表达,并通过酵母试验进行转录激活功能分析。结果表明,Hb NTL2基因的开放阅读框为1 380 bp,编码一个由459个氨基酸组成的蛋白,该蛋白属于NAC转录因子家族中的ANAC001亚族;在第6~172位氨基酸之间含有典型的NAC结构域,第433~453位氨基酸具有跨膜结构域,是膜结合NAC转录因子;Hb NTL2具有转录激活功能,转录激活区在C–末端;Hb NTL2在叶片的表达高于在橡胶树的其他部位,受割胶、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）处理以及低温胁迫诱导。综合分析结果表明,Hb NTL2可能参与调控巴西橡胶树的生长发育和胁迫应答过程。

橡胶树皮乳管组织茉莉酸诱导相关因子AP2/EREBP基因的克隆与表达分析

茉莉酸(jasmonic acid,JA)可诱导橡胶树(Hevea brasiliensis Muell.Arg.)乳管分化,是乳管分化的关键信号分子。目前,对JA诱导橡胶树乳管分化的分子机理仍然不清楚。在前期研究中通过筛选JA刺激乳管分化时期的橡胶树树皮组织cDNA差减文库,获得了4条与茉莉酸诱导乳管分化相关的AP2/EREBP家族转录因子基因的EST。该研究在此基础上,采用RACE法完整地克隆了这4个AP2/EREBP转录因子基因的开放阅读框,蛋白氨基酸序列分析表明其中3个属于ERF亚类,1个属于RAV亚类;表达分析发现,这4个基因在乳管分化时期的橡胶树树皮组织的表达受JA诱导,随JA处理时间的延长,其表达量先增强后减弱,推测它们可能在JA诱导橡胶树乳管分化过程中起着重要的调控作用。

巴西橡胶树HbMADS4的克隆及原核表达分析

为了探讨巴西橡胶树自根幼态无性系高产的分子机制,通过抑制缩减杂交获得了在巴西橡胶树自根幼态无性系和老态无性系胶乳中差异表达的基因片段。为进一步鉴定差异表达基因的功能,对相关基因进行克隆。通过RACE方法克隆一个新的橡胶树MADS-box转录因子基因(命名为Hb MADS4),Hb MADS4全长984 bp,含有633 bp的阅读框,编码230个氨基酸。推测Hb MADS4蛋白分子量为23.71 ku,等电点为7.61,在N端含有典型的MADS-box结构域。构建Hb MADS4原核表达载体p Hb MADS4,将其转化E.coli,经优化条件后,在20℃,0.1 mmol/L IPTG诱导4 h的条件下,获得Hb MADS4融合蛋白。Hb MADS4的克隆和Hb MADS4融合蛋白的获得为深入研究Hb MADS4的功能奠定基础。

巴西橡胶树YABBY基因家族鉴定及表达分析

YABBY基因家族是一类植物特有的转录因子,在植物叶片和花器官的发育以及非生物胁迫应答中起重要的调控作用。本研究从橡胶树基因组中鉴定得到11个HbYABBY家族成员,并从基因结构、启动子顺式作用元件、染色体定位、系统进化及基因表达等方面进行分析。结果显示11个橡胶树HbYABBY基因分布在9条染色体上,编码蛋白的长度在132~241个氨基酸,分子量在14.75~26.41 kDa,启动子区域含有丰富的光响应元件。该基因家族具有显著的组织表达特异性,叶片和花中高表达,而在胶乳和根中基本不表达。叶片的发育过程中,除HbCRC1上调表达,另外9个HbYABBY基因均显著持续下调表达,表明HbYABBY深度参与橡胶树叶片发育调控。转录组测序和荧光定量检测均发现所有HbYABBY成员受高温诱导持续下调表达,但不受低温胁迫诱导,暗示了HbYABBY在橡胶树的高温胁迫中发挥调控作用。本研究以热带经济林木巴西橡胶树为研究对象,对YABBY转录因子基因家族的理化特征、表达及功能进行了初步分析,为该基因家族功能的深度研究提供了理论依据和参考。

巴西橡胶树HbHsfA4a的克隆及其对低温胁迫的响应

热激转录因子(Hsf)是植物响应非生物胁迫的重要调节因子。本研究利用RT-PCR技术从橡胶树93-114叶片中克隆到一个Hsf转录因子,命名为HbHsfA4a。该基因开放阅读框为1215bp,编码404个氨基酸,其蛋白质分子量为46.40 ku,等电点为4.91。实时荧光定量PCR结果表明,低温(4℃)胁迫下HbHsfA4a在抗寒性强的橡胶树无性系93-114树皮中受低温诱导大幅上调表达,而且显著高于抗寒性弱的橡胶树无性系热垦501。进一步分析结果表明,HbHsfA4a在抗寒性强的2个橡胶树无性系中的本底表达量和低温胁迫8 h内的表达量均显著高于抗寒性弱的2个橡胶树无性系。HbHsfA4a基因可能在橡胶树应对低温胁迫中起着重要的调控作用。

巴西橡胶树一个AP2/EREBP转录因子的克隆及表达分析

本文采用RACE技术从巴西橡胶树中鉴定出一个AP2/EREBP转录因子。该转录因子全长cDNA为1 225 bp,最长开放阅读框699 bp,预测编码蛋白包含232个氨基酸;序列比对分析发现,该转录因子具有一段保守的AP2/EREBP结构域,与拟南芥Soloist(At4g13040)类蛋白具有较高的相似性,将该基因命名为HbSoloist。半定量RT-PCR分析结果表明,HbSoloist在巴西橡胶树的胶乳、叶片、树皮和花中均有表达。与健康橡胶树相比,死皮树胶乳中HbSoloist表达量明显下降。研究发现HbSoloist表达受乙烯利、茉莉酸和低温处理调控,表明HbSoloist基因可能在巴西橡胶树乙烯、茉莉酸和低温反应中发挥作用。

巴西橡胶树HbNAC33基因的克隆和表达分析

植物特有的NAC转录因子在植物的生长发育、胁迫应答和激素调节等方面具有重要功能。本研究从橡胶树胶乳cDNA中克隆了HbNAC33基因,生物信息学分析显示该基因的完整开放阅读框（ORF）为1 092 bp,编码363个氨基酸。HbNAC33蛋白的N-端第3～156位氨基酸之间含有一个典型的NAC结构域,酵母试验表明,HbNAC33具有转录激活活性,转录激活区在C-端,具备了NAC转录因子的基本特征。序列比对和系统进化分析表明HbNAC33蛋白属于NAC转录因子家族中的ANAC011亚族。实时荧光定量PCR分析表明,HbNAC33在叶中的表达量显著高于其他部位;割胶,乙烯利（ET）和茉莉酸（JA）处理均能诱导HbNAC33的表达上调。以上结果表明,HbNAC33可能参与植物的生长发育和胁迫应答过程。

橡胶树WRKY家族转录因子HbWRKY75基因的克隆及表达分析

从巴西橡胶树无性系PR107的叶片组织中克隆了1个新的WRKY家族转录因子基因,命名为HbWRKY75,其ORF序列长为603 bp,编码201个氨基酸。生物信息学分析表明,HbWRKY75在N端第110-160氨基酸之间含有1个典型的WRKY结构域,属Ⅱ类WRKY转录因子家族成员,与葡萄、大豆、油棕、陆地棉和拟南芥等同类基因序列的同源性分别为92%、85%、71%、63%和57%。实时荧光定量RT-PCR分析表明,HbWRKY75基因在橡胶树叶片组织中的表达量最高,而在叶柄组织中的表达量最低;HbWRKY75基因在橡胶树衰老晚期叶片中的表达量高于其他叶片发育时期;乙烯利、茉莉酸甲酯（MeJA）、聚乙二醇（PEG）、H2O2、NaCl、低温处理及机械损伤均可不同程度地诱导HbWRKY75基因的上调表达;但ABA处理则诱导HbWRKY75基因的下调表达。HbWRKY75可能是与橡胶树叶片衰老和响应乙烯等激素刺激相关的转录因子,并在橡胶树响应NaCl和低温等逆境胁迫中可能发挥调控作用。

植物激素对橡胶树热激转录因子家族成员表达的影响

热激转录因子(heat shock transcription factor,Hsf)是一类重要的转录因子,调控ROS清除酶和热激蛋白(heat shock protein,HSP)的活性,从而提高植物的抗逆性。为了研究Hsf调控橡胶树响应非生物胁迫(低温,干旱等),我们分析了橡胶树HbHsfs基因家族的亚类及亚类成员特征;同时,通过Q-PCR技术分析了Hsf家族在中响应茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,Me JA)、脱落酸(abscisic acid,ABA)和乙烯(ethylene,ET)的表达模式。橡胶树Hsf家族30个成员中分别响应MeJA、ABA和ET上调表达的有20、9和22个,其中HbHsfA3b、HbHsfA4b、HbHsfA6a和HbHsfA8a均受其诱导表达,但受激素诱导表达的变化规律与响应的时间和强度相关。橡胶树HbHsfs基因受多种植物激素诱导表达,暗示着基因功能的多样性和复杂性。本研究探索了HbHsfs参与MeJA、ABA、ET等激素介导的信号转导途径,为揭示HbHsfs调控橡胶树对低温、干旱等非生物胁迫的耐受性提供理论依据。