甜菜M14品系BvM14-STPK基因的生物信息学分析及响应盐胁迫的表达分析

旨在进一步研究BvM14-STPK蛋白激酶对盐胁迫的应答反应,本研究以甜菜M14品系为材料,使用特异性引物通过聚合酶链式反应进行扩增,获得BvM14-STPK基因cDNA全长,并进行生物信息学分析,采用荧光定量PCR探究该基因响应盐胁迫的表达分析。生物信息学分析结果表明,BvM14-STPK基因cDNA全长1668 bp,包含1527 bp的最大ORF,编码508个氨基酸;BvM14-STPK蛋白激酶具有典型的蛋白激酶保守结构域。实时荧光定量PCR结果表明,BvM14-STPK基因在甜菜M14品系叶、根中均有广泛表达,叶中的表达量高于根中。该基因在200、400 mmol/L NaCl处理下,在叶片和根中呈现不同的表达状态,表明该基因可以应答盐胁迫,但在不同组织中应答盐胁迫的表达量存在差异。本项研究在挖掘甜菜M14品系优质基因和提高栽培甜菜抗逆性等方面具有重要指导意义,为进一步开展甜菜遗传改良工作奠定基础。

甜菜M14品系BvM14-STPK蛋白激酶在原核表达系统中的低温诱导表达及纯化

为获得纯化的BvM14-STPK蛋白激酶,采用低温16℃,0.5 mmol/L IPTG对转Bv M14-STPK的大肠杆菌进行诱导,利用Ni2+亲和层析技术对菌液上清进行纯化,并利用SDS-PAGE对纯化蛋白进行检测。结果表明37℃,0.5 mmol/L IPTG诱导后,BvM14-STPK蛋白以包涵体形式存在,不能对目的蛋白进行纯化分析研究;通过优化诱导条件,在低温16℃,0.5 mmol/L IPTG过夜诱导,在上清中获得大量BvM14-STPK可溶性目的蛋白,对菌液上清纯化并经SDS-PAGE检测到BvM14-STPK目的蛋白。在目的蛋白纯化过程中,发现150 mmol/L咪唑洗脱液纯化BvM14-STPK目的蛋白效果最好。本研究成功纯化出目的蛋白BvM14-STPK。

甜菜BvM14-MADS box基因启动子的组织特异性表达

MADS-box基因在植物的花器官和各种营养器官中均有不同形式的时空表达模式,行使不同功能。实验室前期获得了甜菜M14品系BvM14-MADS box基因的特异启动子Pbm,并对其进行了瞬时表达。本试验利用含有重组载体pBI121-Pbm-GUS的农杆菌转化烟草,对报告基因GUS在转基因烟草各组织表达特性进行研究,探讨BvM14-MADS box基因特异启动子Pbm是否具有组织特异性表达活性。试验结果表明,GUS基因只在花的萼片中有表达,在根、茎、叶中均无表达,可见此启动子Pbm在花组织的萼片中具有表达特异性。

甜菜M14品系特异表达基因BvM14-MADSbox启动子的克隆及序列分析

甜菜M14品系是带有白花甜菜染色体的栽培甜菜单体附加系,其染色体组成中除了包含18条栽培甜菜染色体外,还附加有白花甜菜第9号染色体,具有无融合生殖特性,无融合生殖能够固定杂种优势。在前期工作中,通过SSH、RACE等技术获得了甜菜M14品系特异表达基因BvM14-MADSbox的cDNA全长。通过6种限制性内切酶分别酶切M14品系基因组总DNA,再与相应接头连接,构建了6个DNA步移文库。根据基因BvM14-MADSboxcDNA序列设计引物,通过染色体步移技术克隆出该基因的上游DNA序列。经生物信息学分析,推测获得了BvM14-MADSbox基因上游1 718 bp的启动子序列,该序列含有启动子的基本元件TATA-box、CAAT-box,和ARE、ERE、HSE、ABRE、CGTCA-motif等重要的顺式调控元件及一些光反应相关元件。该结果为今后BvM14-MADSbox基因的时空特异性表达调控机制奠定基础。

甜菜M14品系BvM14-SAMS2基因的克隆及表达特异性分析

甜菜M14品系富含丰富的优质基因资源,对盐、寒冷、干旱等非生物胁迫具有极强的耐受性,是研究逆境胁迫极为难得的材料。课题组前期以甜菜M14品系为试验材料,在500mmol/L NaCl胁迫下,从蛋白质水平筛选获得了76个差异蛋白质点,在转录水平筛选获得了58个Unigenes序列,二者匹配得到了蛋白质点——BvM14-SAMS2。试验采用RACE技术,克隆获得甜菜M14品系BvM14-SAMS2基因cDNA全长1 538bp,包含最大开放阅读框ORF 1 182bp,编码393个氨基酸。采用实时荧光定量PCR(Real-time PCR)技术对甜菜M14品系BvM14-SAMS2基因的表达特异性进行分析,结果表明,在正常生长条件下,BvM14-SAMS2基因在甜菜M14品系根、茎、叶、花中的表达量大小依次为:根>叶>花>茎。受盐胁迫诱导,BvM14-SAMS2基因在甜菜M14品系叶片中的表达量随着盐浓度的增大而增大,根中的表达量随着盐浓度的增大无明显变化。研究结果表明,BvM14-SAMS2基因在甜菜M14品系叶片中受盐胁迫诱导表达,该基因在胁迫下的表达量增加可能有利于植物抵御盐胁迫损伤。

甜菜M14品系BvM14-Dof3.4基因的克隆及响应盐胁迫表达分析

为进一步研究BvM14-Dof3.4基因响应盐胁迫的功能,以甜菜M14品系根为材料,通过PCR技术获得BvM14-Dof3.4基因cDNA全长序列并进行生物信息学以及盐胁迫应答分析。结果表明:该基因最大ORF为408 bp,编码135个氨基酸,蛋白分子量为12646.63 Da,理论等电点为4.68,为亲水性蛋白;BvM14-Dof3.4蛋白质二级结构和三级结构主要由延伸链和无规卷曲组成;BvM14-Dof3.4蛋白氨基酸序列与NCBI数据库中甜菜(Beta vulgaris)的氨基酸序列相似度为99.26%;系统进化分析表明BvM14-Dof3.4蛋白与菠菜(Spinacia oleracea)Dof3.4蛋白亲缘性较高。结合实验室前期盐胁迫下甜菜M14品系根的转录组数据分析,BvM14-Dof3.4基因参与甜菜M14品系应答盐胁迫过程,在200 mmol/L NaCl处理下上调2.05倍,在400 mmol/L NaCl处理下上调1.41倍。实验成功获得BvM14-Dof3.4基因cDNA全长,并确定该基因响应盐胁迫,该结果对挖掘甜菜M14品系优质基因和提高栽培甜菜抗逆性等方面具有重要意义,为后续进一步开展BvM14-Dof3.4基因响应盐胁迫功能研究提供参考。

转录因子BvM14-Dof3.4响应盐胁迫的功能研究

Dof(DNA binding with one finger)家族转录因子是植物特异的转录因子,在胁迫响应、种子发芽、氮同化、光合作用等多种生物学过程中发挥着重要作用。为了探究转录因子BvM14-Dof3.4在响应盐胁迫过程中的生物学功能,本研究以具有强耐盐特性的甜菜M14品系为试验材料,用花序浸染法将BvM14-Dof3.4基因在野生型拟南芥植株中异源表达,经150 mmol/L NaCl处理后发现,BvM14-Dof3.4基因的异源表达促进了盐胁迫下转基因拟南芥植株根的生长,提高了异源表达植株的鲜重和干重,与野生型拟南芥相比异源表达植株中K^(+)/Na^(+)比值增加1.3倍、甜菜碱含量增加1.1倍以及SOD和POD的酶活性分别上调1.3和1.2倍,从而减少了盐胁迫对异源表达拟南芥植株的损伤。这些结果表明了BvM14-Dof3.4基因响应盐胁迫,并且BvM14-Dof3.4基因的异源表达能够提高拟南芥植株的耐盐能力,该结果对甜菜M14品系优质基因资源的挖掘以及开展栽培甜菜抗逆性的遗传改良工作具有重要意义。

BvM14-GAI基因的克隆及亚细胞定位

GAI蛋白属于GRAS家族中的DELLA亚家族,参与植物发育、光合、抗逆等重要的植物生长过程。实验室前期在盐胁迫的转录组数据中发现甜菜M14品系GAI基因(BvM14-GAI)受盐胁迫上调表达,为了进行该基因生物学功能的研究,本研究以甜菜M14品系为材料,通过PCR技术获得BvM14-GAI基因cDNA全长序列,并进行生物信息学以及亚细胞定位分析。研究成功获得了BvM14-GAI基因cDNA序列;生物信息学分析显示,BvM14-GAI基因开放阅读框为1824 bp(包括终止密码子),编码607个氨基酸,理论分子量为66 kDa,等电点为5.37;蛋白多重序列比对和系统进化树分析显示,BvM14-GAI蛋白与菠菜(Spinacia oleracea)和藜麦(Chenopodium quinoa)中GAI蛋白亲缘关系最近;亚细胞定位预测显示定位在细胞核。进一步将BvM14-GAI基因与pCAMIA2300-eYFP载体重组,构建亚细胞定位载体,利用冻融法转化农杆菌EHA105,进行烟草注射,结果显示BvM14-GAI蛋白定位在细胞核。本研究成功获得BvM14-GAI基因的cDNA全长,并确定该基因的烟草亚细胞定位在细胞核中,结果为后续该基因功能的研究提供了重要参考。

甜菜M14品系BvM14-UNG基因克隆及生物信息学分析

为研究Bv-UNG蛋白在植物碱基切除修复(base-excision repair,BER)途径中的功能,以甜菜M14品系为材料,根据NCBI上二倍体栽培甜菜UDG编码基因Bv-UNG序列,利用同源序列克隆法获得甜菜M14品系BvM14-UNG基因cDNA全长,并对其进行生物信息学分析。结果表明,该基因编码374个氨基酸,BvM14-UNG蛋白表现出较强的亲水性,为可溶性蛋白,主要由无规卷曲和α螺旋构成,具有水激活基序、尿嘧啶结合基序、小沟插入环基序、尿嘧啶糖基化酶抑制剂(uracil glycosylase inhibitor,UGI)结合位点和亮氨酸(Leu)位点,属于UDG-F1亚家族,BvM14-UNG蛋白与甜菜BvUNG蛋白亲缘性最近,其次为藜麦CqUNG蛋白。本研究可为后续开展甜菜M14品系BER途径中BvM14-UNG酶活性研究提供参考。

转录因子BvM14-GAI耐盐功能研究

转录因子在植物应答逆境胁迫过程中发挥着重要作用,GAI蛋白是植物转录因子家族的重要一员,对其研究主要集中在光响应机制领域,而该蛋白响应耐盐机制研究报道较少。实验室前期已经获得甜菜M14品系盐胁迫转录组中上调表达基因BvM14-GAI的cDNA全长,本研究试图阐明该基因参与盐胁迫的功能。通过构建该基因植物表达载体,利用农杆菌介导花序浸染法转化拟南芥野生型和GAI基因突变株,检测150 mmol/L NaCl胁迫下异源表达和异源互补拟南芥植株的表型和生理生化指标。0 mmol/L NaCl处理时,以拟南芥野生型和GAI基因突变株为对照,异源表达和异源互补植株的根长、鲜重和干重均显著低于对照,说明BvM14-GAI基因为生长负调控因子;150 mmol/L NaCl胁迫处理后的根长、鲜重、干重及K+/Na+差异不显著,但甜菜碱、SOD和POD酶活性的含量显著增加,表明转录因子BvM14-GAI通过增强渗透调节和抗氧化酶系统提高异源表达和异源互补拟南芥植株的耐盐功能。研究结果不仅拓展了植物GAI基因响应非生物胁迫的功能,而且对阐明甜菜M14品系耐盐分子机制和培育耐盐作物品系具有一定研究价值。

甜菜M14品系BvM14-RIN4基因的克隆及应答盐胁迫分析

为了研究甜菜单体附加系M14品系RIN4基因耐盐功能,本研究以甜菜M14品系为实验材料,通过PCR技术获得BvM14-RIN4基因cDNA全长序列,对BvM14-RIN4基因进行了生物信息学分析、组织特异性和应答盐胁迫分析。BvM14-RIN4基因ORF长度为264 bp,编码87个氨基酸,蛋白分子量为9.67 kDa,理论等电点为9.64,初步鉴定该蛋白为亲水性蛋白;BvM14-RIN4蛋白质二级结构主要由延伸链和无规卷曲组成;BvM14-RIN4蛋白质三级结构预测出该蛋白的保守结构域和疏水区;系统进化树分析结果表明BvM14-RIN4蛋白与菠菜SoRIN4和藜麦CqRIN4蛋白亲缘关系最近;荧光定量PCR结果显示,BvM14-RIN4基因在根中表达量是叶的2.26倍,说明其具有组织特异性;该基因在200 mmol/L NaCl处理后的根中上调表达,说明它参与甜菜M14品系应答盐胁迫过程。本研究在挖掘甜菜M14品系优质基因和开展甜菜遗传改良工作等方面具有重要意义,为后续该基因的功能研究提供了重要参考。