玉米N-乙酰转移酶ZmNAT1基因响应非生物胁迫的功能分析

GNAT(Gcn5-related N-acetyltransferase)家族蛋白在调控植物生长发育和响应逆境胁迫等过程中发挥着重要作用。目前GNAT家族基因在多个物种中的生物学功能已有报道,但在玉米(Zea mays L.)中的功能验证研究却很少。探究玉米GNAT家族基因的功能,不仅能丰富我国的玉米育种基因资源,同时也可为玉米的新种质资源创制提供重要依据。本研究克隆了ZmNAT1基因(Gene ID:541936,GRMZM2G123159),通过生物信息学分析发现,该基因CDS全长为519 bp,编码172个氨基酸,具有GNAT家族特有的保守结构域。通过对ZmNAT1基因在玉米不同时期不同组织中的表达量和不同逆境胁迫下表达模式分析发现:ZmNAT1在成熟根中的表达量最高,在不同非生物逆境胁迫处理下,ZmNAT1基因均有不同程度的诱导表达。通过异源表达获得了3株独立的表达量较高的转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)纯合株系,对其进行了不同逆境胁迫处理下表型鉴定实验,结果表明,转基因拟南芥相对于野生型拟南芥有更好的表型,在盐胁迫、渗透胁迫和干旱条件下的转基因株系的根显著长于野生型,且植株较野生型植株的绿叶率和叶绿素含量均升高、丙二醛含量降低,差异均达到显著水平。由此推测,ZmNAT1基因可能参与玉米对干旱、盐等非生物逆境胁迫的应答。本研究为进一步解析ZmNAT1在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。

玉米ZmGRAS13基因的克隆及功能研究

GRAS家族是植物特有的一类转录因子,在调控植物生长发育和响应逆境胁迫等方面发挥着重要作用。探究玉米(Zea mays L.)GRAS家族基因功能将为玉米新种质创制提供重要的基因资源。本研究克隆获得了ZmGRAS13基因(Zm00001eb401210),利用生物信息学分析、实时荧光定量PCR(qPCR)等技术对该基因的基本特性、组织表达特性及逆境胁迫下表达模式等进行分析。生物信息学分析结果显示,该基因编码序列全长为1638 bp,编码545个氨基酸;ZmGRAS13蛋白不具有跨膜结构,分子量为60.79 kD,理论等电点为5.86,具有GRAS家族所特有的保守结构域。对基因启动子上游2 kb序列进行分析,发现该序列含有与逆境胁迫、激素响应及光响应等相关的顺式作用元件。qPCR分析表明,ZmGRAS13基因在玉米不同组织中均有表达,且茎中的表达量最高;同时该基因在不同非生物胁迫处理条件下均有不同程度的诱导表达。玉米原生质体瞬时表达实验表明,ZmGRAS13蛋白定位于细胞核。在分别含有不同浓度梯度的NaCl、甘露醇(mannitol)、脱落酸(abscisic acid,ABA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和水杨酸(salicylic acid,SA)的1/2 MS固体培养基上,转ZmGRAS13基因拟南芥株系的根长均显著长于野生型拟南芥;在土壤中,高盐和干旱处理下转基因拟南芥株系较野生型拟南芥生长状态更好,且绿叶率高于野生型。转ZmGRAS13基因拟南芥与野生型相比,抗逆生理指标MDA含量降低、叶绿素含量增加、POD和CAT活性增强,且差异均显著。由此推测,ZmGRAS13基因可能参与玉米生长发育调控和对逆境胁迫应答及激素信号转导途径。本研究为进一步解析ZmGRAS13在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。

玉米转录因子ZmEREB211对非生物逆境胁迫的应答

AP2/ERF (APETALA2/ethylene-responsive factor)转录因子是植物中最大的转录因子家族之一,在调控植物生长发育和响应逆境胁迫等方面起重要作用。探究玉米(Zea mays L.) AP2/ERF家族基因功能将为玉米新种质创制提供重要的基因资源。本研究克隆获得了ZmEREB211(GeneID:103647485)基因,利用生物信息学分析、实时荧光定量PCR等技术对该基因的基本特性、组织表达特性及响应逆境胁迫表达模式等进行了分析;对转基因拟南芥株系进行了相应逆境胁迫处理和表型鉴定。结果显示:该基因只包含1个外显子,cDNA全长为792bp,编码263个氨基酸;ZmEREB211蛋白分子量为27.9kD,理论等电点为6.01,具有AP2家族所特有的保守结构域;ZmEREB211基因在玉米根系中的表达量最高,且在幼根中的表达量高于成熟根中的表达量;同时该基因在脱水、高盐、干旱和低温等处理条件下均有不同程度的诱导表达。在分别含有不同浓度梯度的NaCl、甘露醇(mannitol)和茉莉酸(jasmonicacid,JA)的1/2MS培养基上,转ZmEREB211基因拟南芥株系的根长显著长于野生型。在干旱和高盐处理下,盆栽转基因拟南芥株系较野生型株系表现出更强的耐受性,且苗期的绿叶数显著多于野生型,过氧化物酶(POD)活性和叶绿素含量均显著高于野生型。研究表明ZmEREB211可能参与调控玉米根系生长发育,对高盐、干旱、渗透等逆境胁迫及JA激素处理均能起到正向的调控作用。本研究为进一步解析ZmEREB211在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。

谷子生长调节因子互作因子基因家族生物信息学分析

【目的】生长调节因子互作因子(GRF-interacting factor,GIF)是植物体内一类转录共激活因子,在植物生长发育和逆境胁迫中起重要作用。通过系统分析谷子GIF基因家族的组成、各成员的结构以及进化关系,为GIF基因调节机制研究提供参考。【方法】利用谷子基因组数据库,采用生物信息学的方法,鉴定谷子GIF基因家族的基因结构、染色体定位,编码蛋白相似性、二级结构、跨膜区和磷酸化位点预测,通过序列比对进行进化和分类分析。【结果】谷子含有3个GIF基因,均含有4个外显子,分布于第3、8和9号染色体上。编码SiGIF1蛋白和SiGIF2蛋白相似性最高,为72.04%,SiGIF1蛋白和SiGIF3蛋白相似性最低,为37.08%。二级结构分析显示,谷子GIF蛋白无规则卷曲占比最高(41.56%~56.60%),其次为α-螺旋(34.43%~35.50%),再次为β-转角(5.19%~11.69%),β-折叠最低(3.23%~11.26%)。TMHMM跨膜区进行分析显示,谷子GIF蛋白均不含有跨膜区。MEME保守基序分析显示,谷子GIF蛋白均含有保守的SSXT(PF05030)结构域。磷酸化位点预测分析表明谷子GIF蛋白均含有潜在磷酸化位点。【结论】谷子GIF基因家族的基因结构、磷酸化位点预测等生物信息学分析结果将为揭示谷子GIF基因家族在谷子生长发育过程中的功能提供重要的线索。

玉米转录因子ZmEREB180调控根系生长发育及耐逆的功能研究

AP2/ERF(APETALA2/ethylene-responsive factor)转录因子是植物中最大的转录因子家族之一,在调控植物生长发育、响应逆境胁迫、调节激素信号转导和物质代谢等多种生物学过程中发挥着重要作用。目前AP2/ERF超家族基因在许多植物物种中的生物学功能已经得到验证,但对玉米(Zea mays L.)中AP2/ERF基因的结构和功能的研究报道较少。前期工作中我们发现,ZmEREB180(ethylene-responsive element binding)转录因子,在鉴定的玉米六叶期(V6)、十二叶期(V12)和抽雄期(VT)等关键发育时期,根系中的表达量均存在显著差异;通过组织表达分析发现该基因主要在玉米根系中表达,且在幼根中的表达量显著高于成熟根,推测该基因可能参与玉米根系生长发育调控。本研究克隆了ZmEREB180(Gene ID:100192457)基因,结合生物信息学分析、实时荧光定量PCR(RT-qPCR)、亚细胞定位和转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)株系的耐逆表型鉴定等生物学手段,初步分析了该基因的表达模式和生物学功能。该基因包含2个外显子,编码序列全长1023 bp,编码340个氨基酸,具有AP2/ERF家族所特有的保守结构域;该基因在玉米根系中表达量最高,且在高盐、干旱、高氮和低氮等胁迫处理条件下的玉米根部皆有不同程度的诱导表达,其中,低氮处理较高氮处理具有更高的表达量和更快的响应速率;在含0.10、0.15 mol L^(-1)NaCl以及0.15、0.20和0.30 mol L^(-1)甘露醇(mannitol)的1/2 MS固体培养基上,转ZmEREB180基因拟南芥的主根长度均显著长于野生型;土壤环境中,高盐和干旱胁迫条件下的转基因植株比野生型拟南芥具有更健康的生长状态、更高的绿叶率、更低的丙二醛含量和更高的过氧化物酶活性。转录因子ZmEREB180可能在调控玉米根系生长发育方面具有积极的促进作用,并且能增强玉米植株对高盐、干旱、渗透、低氮等逆境胁迫的耐受性。本研究为下一步鉴定转录因子ZmEREB180在玉米中的生物学功能和分子机制奠定了良好的基础。

花粉管通道法转EPSPS基因创制耐草甘膦玉米种质

【目的】对T_(0)-T_(3)代转基因植株进行抗草甘膦EPSPS基因的筛选检测,以期得到遗传稳定的转基因株系。【方法】利用花粉管通道法将EPSPS基因转入优良自交系京92中,通过田间草甘膦筛选和分子检测鉴定外源基因在世代间的遗传表达。【结果】在田间用200 mg·L^(-1)的草甘膦除草剂筛选,T_(0)代15个抗性植株经PCR鉴定,共获得10个阳性植株,转化率为1.03%;对各株系从T_(1)代到T_(3)代逐代筛选淘汰,株系内阳性株数逐渐增多,在T_(3)代5个株系中分离出K3和K8两个整合了EPSPS外源基因的稳定遗传株系;进一步对K3和K8两个株系的T_(3)代采用试纸条进行功能表达分析,发现目的基因均能正常表达。【结论】K3和K8两个转基因玉米株系后期可作为培育耐草甘膦的基础材料。

玉米转录因子ZmbHLH91对非生物逆境胁迫的应答

bHLH(basichelix-loop-helix)是植物中一个重要的转录因子家族,在调控植物生长发育、逆境胁迫及信号转导过程中发挥着重要作用。目前,动物中大部分bHLH转录因子功能已明确,但是在植物中,尤其是玉米中的研究报道较少。在前期工作中,我们对玉米生长发育过程中的4个关键时期进行了根系表型鉴定和转录组测序分析,发现转录因子ZmbHLH91在六叶期(V6)、十二叶期(V12)和抽雄期(VT)的相邻时期间的表达均差异显著,且ZmbHLH91在V6,V12和VT这些根系生长发育活跃期的表达量较高,推测该基因可能调控玉米根系的生长发育。为探究ZmbHLH91基因在根系生长和抵抗逆境胁迫方面的作用,本研究克隆了ZmbHLH91(AC:NC_AQL05369)基因,该基因全长2112bp,具有bHLH转录因子家族特有的保守结构域。实时荧光定量PCR(RT-qPCR)分析表明,ZmbHLH91在玉米根中的表达量最高,其在三叶期幼根中的表达量高于抽雄期成熟根。在高盐、渗透、低温以及脱水胁迫处理下,玉米幼苗中ZmbHLH91的表达均上调。在无胁迫处理的1/2 MS培养基上,ZmbHLH91异源表达拟南芥与野生型拟南芥的根长无明显差别,而在梯度浓度NaCl和甘露醇处理的培养基上,ZmbHLH91异源表达拟南芥的根均长于野生型,且差异显著;在土壤中进行干旱和高盐处理后,转基因拟南芥比野生型拟南芥表现出更好的生长状态、更高的过氧化物酶(POD)活性和更高的绿叶率。推测ZmbHLH91基因可能参与响应高盐、干旱以及渗透胁迫等逆境条件。ZmbHLH91基因在茉莉酸(jasmonic acid,JA)、脱落酸(abscisic acid,ABA)等激素处理下均上调表达,推测ZmbHLH91基因可能参与响应JA和ABA激素信号。在梯度浓度JA处理的培养基上,转基因拟南芥的根长均长于野生型,且差异显著。酵母双杂交实验表明ZmbHLH91与ZmMYC2相互作用,ZmMYC2是JA信号通路中重要的蛋白,由此推测ZmbHLH91蛋白可能参与JA信号通路。综上所述,ZmbHLH91可能参与高盐、干旱和渗透胁迫应答及JA信号转导途径。本研究为进一步解析ZmbHLH91在玉米中的生物学功能提供了重要的参考依据。