胡麻P5CS基因家族进化模式分析及LusP5CS1基因耐旱能力验证

吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是植物中由P5CS基因编码的一种与干旱胁迫响应紧密联系的关键酶,它主要负责调节脯氨酸的生物合成。研究胡麻P5CS基因家族进化模式对进一步探索其在胡麻耐旱过程中的作用机制具有重要意义。本研究以拟南芥的2个P5CS基因作为查询序列,从胡麻、油菜、大豆、花生、向日葵、水稻、小麦等主要粮油作物的基因组中筛选获得P5CS基因家族成员。并通过分析不同作物P5CS基因受选择压力的大小、位点及功能分化潜力等阐明其进化模式,并在拟南芥中对其进行功能验证。研究结果显示,与其他作物的同源基因相比,胡麻P5CS基因家族成员在基因结构和进化模式上存在显著差异。在拟南芥中过表达受正向选择的胡麻LusP5CS1基因可以显著增加转基因拟南芥脯氨酸的积累并增强其耐旱性;在非干旱胁迫下过表达转基因拟南芥也表现出明显的适合度优势。本研究为胡麻耐旱分子机制和抗旱育种提供了理论基础。

盐碱胁迫诱导的猴樟酵母cDNA文库构建及CbP5CS上游调控因子筛选

盐碱土壤环境是限制猴樟引种推广的主要因素,脯氨酸是植物适应盐碱胁迫过程中主要的渗透调节物质,筛选并鉴定出调控脯氨酸合成的转录因子对于猴樟耐盐碱分子机理研究具有重要意义。以猴樟实生苗为材料,在水培培养基础上,采用0 mmol/L和10 mmol/L的Na_(2)CO_(3)溶液分别进行处理,选取处理6 h、48 h的根系组织,提取总RNA,构建盐碱胁迫诱导的猴樟根系酵母c DNA文库;以猴樟根系总DNA为模板,克隆CbP5CS启动子序列,采用Y1H酵母单杂交技术筛选出与CbP5CS启动子存在互作的蛋白,并通过高通量测序技术鉴定出调控猴樟脯氨酸合成的转录因子。结果表明,所构建的cDNA文库库容为4.88×10^(7)CFU/mL,总克隆数为9.76×10^(7)CFU,文库插入片段平均长度在1000 bp左右,cDNA片段重组率为100%,符合酵母杂交试验的要求。克隆出的CbP5CS启动子序列长2012 bp,成功构建出诱饵质粒pHIS2-CbP5CS,利用共转化方法从文库中筛选到31个与CbP5CS互作的EST序列。经酵母回转验证,31个EST序列均与CbP5CS存在互作。经NGS测序和BLAST比对搜索,获得6个转录因子基因,分别为锌指CCCH结构域蛋白25异构体x1、AtbHLH104、转录因子TFIIIC、RING/FYVE/PHD锌指超家族蛋白、GATA型锌指转录因子家族蛋白、AtbHLH96。以上结果为进一步研究植物脯氨酸代谢响应盐碱胁迫的分子机制奠定基础。

杨树脯氨酸合成关键基因PagP5CS1全长克隆及功能验证

杨树是重要的工业用材树种。我国北方干旱和半干旱地区水分匮乏,干旱已成为影响杨树人工林可持续发展的一个重要因素。游离脯氨酸的积累常常在植物应对干旱等渗透胁迫时出现,以缓解干旱胁迫带给植物的损害。P5CS作为编码脯氨酸合成关键酶的基因,对于植物调控游离脯氨酸合成、增强耐干旱能力非常关键。该研究克隆84K杨脯氨酸合成代谢的关键基因PagP5CS1并在银中杨内进行遗传转化,从表型、分子和生理水平上对PagP5CS1转基因杨树株系进行了功能鉴定。本研究构建的PagP5CS1超表达载体通过叶盘法转化至银中杨叶片,成功获得12个PagP5CS1超表达杨树株系,其中P5CS1基因表达量最高的转基因株系为野生型表达量的8.3倍。经过干旱胁迫处理,相对于野生型,超表达株系叶片萎蔫程度更低;在干旱胁迫下,超表达株系中P5CS1基因表达量和脯氨酸含量均高于野生型,说明P5CS1超表达增强了杨树的耐旱性,P5CS1基因在干旱胁迫下发挥了正向调控作用。综上所述,杨树P5CS1基因对干旱胁迫高度响应,PagP5CS1超表达杨树会通过增加脯氨酸积累来增强杨树的耐旱性。

干旱胁迫下沙棘脯氨酸含量及HrP5CS基因表达分析

筛选中国沙棘全长转录组数据中差异表达的HrP5CS基因,对其进行生物信息学分析和不同胁迫下各部位表达模式的研究,同时测量叶中脯氨酸的含量。结果表明:HrP5CS基因全长为2127 bp,编码708个氨基酸,不含信号肽,无跨膜结构的稳定疏水蛋白。与30个同源序列比对表明,氨基酸长度、理论等电点和分子质量相近;聚类分析表明,P5CS蛋白存在明显科属特性,在同科不同属内亲缘性较近;多重序列比较中,中国沙棘HrP5CS与酸枣(Ziziphus jujuba var.spinosa)亲缘性最近且序列一致性最高。荧光定量结果表明,HrP5CS基因在中国沙棘各部位特异性表达,在根和叶中总体呈上升状态,复水后下降至正常水平,在茎中第2天达到最高值后持续下降至最低值,复水后回到正常水平。脯氨酸含量随着干旱胁迫时间的持续呈阶梯式上升趋势,SPSS皮尔森相关系数分析表明,根和茎中的HrP5CS基因表达量与叶中脯氨酸含量呈正相关关系,而在叶中则呈负相关关系。以上结果说明HrP5CS基因表达和脯氨酸的积累对中国沙棘抗旱具有重要意义。

转LpP5CS和LpP5CSF128A基因烟草耐盐及抗旱性分析

利用农杆菌介导法,将多年生黑麦草Δ′-吡咯琳-5-羧酸合成酶基因LpP5CS和该酶第128位苯丙氨酸变异为丙氨酸的突变基因LpP5CSF128A转入烟草,获得转基因表达植株。在NaCl和自然干旱处理下,对多年生黑麦草的野生型基因LpP5CS和突变基因LpP5CSF128A的抗逆生理功能进行初步研究,通过测定脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)含量和T1代烟草幼苗耐盐性鉴定,进一步证实LpP5CS和LpP5CSF128A过表达的转基因烟草植株,其耐盐性和抗旱性得到了明显改善,转LpP5CSF128A植株的胁迫耐性要强于转LpP5CS植株。

转PvP5CS1基因拟南芥植株对干旱和盐胁迫的反应

为探索普通菜豆脯氨酸合成酶基因P5CS1在植物渗透胁迫中的作用,本研究应用农杆菌介导法,将PvP5CS1基因转入拟南芥,获得6株阳性转基因株系;通过检测转基因植株与野生型植株在干旱和盐胁迫下种子发芽率,幼苗脯氨酸含量、株系电导率、相对根长和成株死亡率,分析了PvP5CS1基因的表达对改善拟南芥抗渗透胁迫的效应。结果表明,在150mmolL-1NaCl和150mmolL-1甘露醇渗透胁迫下,转基因植株平均相对发芽率分别是野生型的1.60倍和1.62倍;150、250mmolL-1甘露醇和150mmolL-1NaCl处理下,转基因拟南芥植株平均脯氨酸含量分别是野生型的2.68、1.30和1.30倍;平均相对电导率分别是野生型植株的85%、77%和85%;平均相对根长分别是野生型植株的1.2、1.3和1.2倍;300mmolL-1NaCl处理下,转基因植株的平均死亡率为42%,显著低于野生型(90%)(P<0.05);干旱胁迫下,转基因植株的平均死亡率为56%,显著低于野生型(70%)(P<0.05),说明PvP5CS1基因在拟南芥中的表达明显改善了转基因植株的抗旱性和耐盐性。

苎麻Δ~1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）基因的克隆和表达分析

以耐旱性较强的湘苎3号为材料,从苎麻转录组测序结果中获得了1个与P5CS基因高度相似的Unigene,该片段长1448bp,根据该序列设计5′RACE和3′RACE槽式PCR引物,利用RACE结合RT-PCR技术分别克隆得到590bp的5′端和293bp的3′端,拼接获得该基因全长cDNA序列。对该序列进行生物信息学分析表明,该基因全长为2318bp,其中开放读码框为2154bp,编码717个氨基酸,其编码蛋白质的等电点和分子量分别为6.57kD和77.56kD,与亚洲棉、麻风树、拟南芥和水稻的P5CS基因的核苷酸序列相似性分别为81%、81%、75%和72%,蛋白质序列的相似性分别为86%、85%、78%和77%,说明该基因与P5CS为同源,被命名为BnP5CS1。半定量RT-PCR分析表明,该基因在苎麻的茎尖中表达量最高,在根中其次,且受干旱胁迫的诱导。P5CS基因是植物体内合成脯氨酸的关键酶基因,BnP5CS1基因的克隆将为苎麻的抗逆分子育种和进一步的功能分析鉴定基础。

普通菜豆PvP5CS2基因对逆境胁迫的应答

为了探索逆境条件下脯氨酸积累的分子遗传机理,改善作物的抗逆能力,应用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术和水杨酸法分别检测干旱、高盐(200mmol L-1NaCl)和冷(4℃)胁迫条件下普通菜豆幼苗叶和根中脯氨酸合成酶基因PvP5CS2表达量和脯氨酸含量的变化。结果显示,3种胁迫条件下普通菜豆幼苗叶和根中PvP5CS2的转录水平快速上升,干旱处理4d,叶中PvP5CS2表达量达到最大值;高盐处理下,叶和根中PvP5CS2的表达高峰分别出现在2h和6h;冷胁迫下,叶和根中的表达高峰都出现在2h;随着胁迫时间的延长,PvP5CS2基因的转录水平逐渐下降。普通菜豆在逆境胁迫下,幼苗叶和根中脯氨酸大量积累,积累高峰出现在PvP5CS2基因表达高峰之后。这些结果说明,PvP5CS2基因的表达受干旱、高盐和冷胁迫诱导,脯氨酸积累受PvP5CS2基因转录水平的调控。PvP5CS2基因在洋葱表皮细胞中的瞬时表达结果显示PvP5CS2蛋白定位在细胞核和膜上。

羊草Δ1-吡咯琳-5-羧酸合成酶(LcP5CS1)基因的克隆与分析

羊草具有耐寒、耐盐和耐旱等特点,是一种兼具经济价值和生态价值的多年生重要牧草。脯氨酸是植物在渗透胁迫下积累的主要渗透调节物质之一。Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸的谷氨酸合成途径中的关键酶。根据前期Solexa测序结果的数据,设计同源引物,从羊草中克隆了一个P5CS基因,该基因cDNA序列全长2 197bp,推断其编码730个氨基酸,根据序列比对将其蛋白命名为LcP5CS1。同源性分析表明:LcP5CS1与单子叶植物短柄草P5CS的同源性为95%,而与双子叶植物的P5CS同源性较低。表达模式分析表明,在叶鞘、叶和茎中,LcP5CS1均有较高表达;在冷、ABA、盐和干旱胁迫下,该基因明显受胁迫诱导,并随胁迫时间的延长,其表达量总体呈上调趋势。对羊草人工创伤处理后的Solexa测序差异表达数据分析表明:LcP5CS1在处理2和6h后表达量明显提高,推测羊草创伤处理后体内脯氨酸含量升高可能是其耐牧的一种适应性机制。

p5CS基因在蒙农杂种冰草植株中的表达及耐盐性研究

为尽快培育出适宜我国干旱荒漠地区大面积推广的耐盐冰草新品种,试验以经PCR和Southern blot杂交检测的含有p5CS基因的蒙农杂种冰草植株为材料,用Northern blot检测目的基因在转化植株中的表达;并用1.5%NaCl盐溶液进行胁迫处理确定转化植株的耐盐性。结果表明:转基因冰草植株与DIG标记探针杂交呈现明显的杂交带;盐胁迫下,游离脯氨酸含量增加较快,质膜透性、丙二醛含量增加较小,SOD活性较高。说明p5CS基因能够在冰草基因组的转录水平上表达,表达植株的耐盐性明显增加。

植物△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）基因的研究进展

△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是植物脯氨酸生物合成的关键酶。近年来,许多学者对P5CS酶基因克隆、其在植物中的表达特性与在抗逆基因工程上的应用进行了大量研究,证实P5CS基因已成功在许多植物中进行过量表达并能有效提高植物的抗旱、耐盐性。随着分子生物学和现代生物技术的快速发展,今后可进一步挖掘利用植物P5CS基因,有效验证其功能和了解其作用机制,探讨P5CS基因与其他基因的互作及调控植物抗逆的生理生化机理,研究其在植物生长发育及器官发生等过程中的作用;培育出高效、实用、抗逆性强的转基因植物品种,均有待今后进行深入研究。

小叶杨Δ~1-吡咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)基因克隆及在杂种落叶松中的转化

以小叶杨为材料构建了干旱胁迫和正常生长条件下的cDNA文库,以特异性引物从中扩增出一条1 850bp大小的DNA片段,经序列分析证实该片段编码Δ1-吡咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)。将该片段构建入植物表达载体pBI121中,在落叶松杂交育种中利用花粉管通道法将带有该P5CS基因的植物表达质粒转化入杂种落叶松,收获球果取出种子,提取转化种子发芽长出幼芽的DNA,特异性PCR扩增和Southern,Western Blotting检测证实落叶松中已导入P5CS基因。

利用P5CS基因转化白三叶的研究

为了培育抗旱白三叶,构建了植物表达载体pBPC-P5CS,利用基因枪法转化白三叶的愈伤组织,PCR检测和Southern blot鉴定证实白三叶中已导入P5CS基因。对转P5CS基因白三叶植株的不同抗旱指标进行了分析。结果表明,与对照相比,转P5CS基因株系的抗旱能力得到了较大的提高。干旱胁迫下,与对照相比,转P5CS基因植株的脯氨酸含量和相对含水量分别比对照高20.0%-21.2%和5.6%-8.5%。

农杆菌介导的朝鲜碱茅PuP5CS基因转化紫花苜蓿的研究

为提高紫花苜蓿(Medicago sativa)的抗逆性,利用在朝鲜碱茅(Puccinellia chinampoensis)已克隆的Pu P5CS基因成功构建了p CAMBIA3300-Pu P5CS表达载体,以子叶为外植体,通过农杆菌介导共培养法转化紫花苜蓿"公农5号"(M.sativa cv.Gongnong No.5),并以2.0 mg·L-1的草铵膦进行筛选,抗性愈伤组织诱导率为22.4%,经草铵膦筛选的植株进行PCR检测和RT-PCR检测。结果显示,共获得11株转化植株,表明Pu P5CS基因已转入T0紫花苜蓿植株,且能够在RNA水平上正常表达。

转PuP5CS基因烟草对低温胁迫的生理响应

以朝鲜碱茅PuP5CS基因(HQ637435)为目的基因,构建了PuP5CS基因的正义表达载体和反义表达载体,通过农杆菌介导的叶盘法转化烟草,研究了PuP5CS基因对烟草耐寒性的影响。结果显示,低温胁迫下,正义转基因烟草体内可溶性糖、脯氨酸、叶绿素a和叶绿素b的含量均显著高于野生型烟草,丙二醛含量增幅显著低于野生型烟草,提高了转基因烟草的抗寒性,而反义转基因烟草体内各项生理指标变化不明显。

普通烟草抗渗透胁迫基因NtP5CS的克隆与表达分析

从普通烟草中克隆脯氨酸合成的关键酶基因P5CS,分析其序列特征、进化关系、表达模式,以期为烟草的抗逆研究奠定基础。设计兼并引物获得P5CS基因中间片段,利用RACE技术扩增其全长cDNA;采用生物信息学技术分析该基因的序列结构及其编码蛋白的保守域及基本特性;利用RT-PCR研究其表达模式。从受干旱胁迫诱导的普通烟草品种中烟14中克隆到全长为2584bp的烟草P5CS基因,命名为NtP5CS,GenBank登录号为HM854026,开放读码框为2160 bp,编码719个氨基酸。经Blast同源性比对分析,该序列与番茄tomPRO2基因在核苷酸和氨基酸水平上高度同源。系统进化树分析显示,NtP5CS与番茄tomPRO2基因可能是直系同源基因。RT-PCR分析表明,干旱、低温、ABA、高盐等胁迫条件均可诱导NtP5CS基因的上调表达,且在旺长期和胁迫条件下根和叶中表达量最高。首次从普通烟草中克隆得到P5CS基因,该基因对水分胁迫响应,可能参与普通烟草抗渗透胁迫反应。

大蒜芥Δ′-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因(P5CS)的克隆及表达分析

Δ′-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是植物渗透胁迫下脯氨酸合成谷氨酸的关键酶。利用RACE结合RT-PCR技术克隆获得大蒜芥(Sisybrium altissimum)SaP5CS1基因全长cDNA序列,该基因全长1 907bp,其中开放阅读框为1 719bp,编码573个氨基酸,预测编码蛋白质的等电点为4.95,分子量为156.279kDa。同源分析显示,SaP5CS1与甘蓝型油菜(Brassica napus)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)的蛋白序列相似性分别为98%和96%。实时荧光定量PCR分析表明,在干旱逆境胁迫条件下,大蒜芥SaP5CS1基因在根和叶的相对表达量受胁迫的诱导均上调。SaP5CS1基因的克隆及序列分析将为其功能分析和分子育种奠定基础。

Δ’吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)基因在水稻上的荧光原位杂交(英文)

脯氨酸的积累与植物对干旱和盐胁迫的抗性有关。P5CS基因编码一个双功能酶 ,具有谷氨酸激酶和谷氨酸 -γ -半醛脱氨酶活性 ,催化脯氨酸合成过程中的前 2步反应。它是脯氨酸合成的限制因子。用生物素标记的荧光原位杂交技术 ,以蛾豆 (Vignaaconitifolia)中克隆到的P5CS基因作探针对水稻进行物理作图。该探针定位于水稻第 9染色体的短臂近端点处 ,信号点距着丝粒的相对距离为 ( 5 1 .79± 1 .2 4 ) %。

StP5CS基因转化结球甘蓝的研究

为研究StP5CS基因在结球甘蓝中的耐盐作用,以结球甘蓝下胚轴为外植体,采用农杆菌介导法将耐盐基因StP5CS和抗除草剂Bar基因导入结球甘蓝基因组中,在双丙氨膦的筛选下扩繁、生根,共获得了36株抗性植株。PCR扩增和Southern印迹杂交检测表明:目的基因StP5CS和Bar基因已经成功导入结球甘蓝基因组中。RT-PCR检测表明:StP5CS基因在转录水平也有表达。转基因植株耐盐试验结果显示:高浓度盐处理(400mmol/L NaCl)下,对照植株整株枯死,而转基因植株仍能正常生长;转基因植株的SOD活性、脯氨酸含量和相对膜透性均随盐浓度的升高呈上升趋势,均在400mmol/L NaCl处理下达到最大。结果表明转基因植株对高盐环境有一定的耐受性。

木薯MeP5CS和MeP5CR基因克隆及其干旱胁迫下的表达分析

在不同浓度(0、20%、30%、40%、50%)PEG处理下考察木薯(Manihot esculenta Crantz)叶片中脯氨酸含量的动态变化。从木薯中分别克隆了Me P5CS和Me P5CR基因,对其序列进行生物信息学分析,并分析了Me P5CS和Me P5CR基因在20%PEG胁迫处理下各组织中的表达。结果表明,脯氨酸含量受渗透胁迫快速诱导,在一定范围内随PEG浓度升高而明显升高,表现出较好的相关性。序列分析表明,Me P5CS基因c DNA全长2 217 bp,编码738个氨基酸,含有P5CS保守结构域;Me P5CR基因c DNA全长828 bp,编码275个氨基酸,含有P5CR保守结构域,它们分别与麻风树和蓖麻中的P5CS、P5CR亲缘关系较近。Me P5CS和Me P5CR基因在转录水平受到渗透胁迫的调控。