苜蓿全基因组WRKY转录因子基因的分析

蒺藜苜蓿的基因组较小,遗传转化相对容易,是国际上广泛用于研究豆科植物的模式植物,其全基因组测序已经完成。WRKY转录因子是近年来在植物中发现的N-端含有WRKYGQK高度保守氨基酸序列的新型转录调控因子,调节启动子中含W-box元件的调节基因和(/或)功能基因的表达,从而参与植物的各种防卫反应。本研究以苜蓿基因组序列(Mt2.0)为材料,利用生物信息学方法分析苜蓿全基因组WRKY转录因子基因的数目、种类、系统发生学、保守基序,结果表明,苜蓿中共有28个WRKY基因,其中5个基因含有2个WRKY结构域,共含有33个WRKY结构域,根据其结构域特点可以分为3个大类,同时与水稻WRKY基因进行了比较研究,发现基因数目远少于拟南芥和水稻,同时研究证实苜蓿与水稻WRKY基因的起源和进化关系存在较大差异,显示出苜蓿WRKY进化有其独特的特点,此外分析苜蓿WRKY基因的保守motif共有46个,筛选得到WRKY结构域的5个保守motif。该研究对苜蓿WRKY基因功能的研究及进化具有重要的意义。

玉米脱水素基因家族的鉴定与分析

脱水素(dehydrin,DHN)属于LEA蛋白第二家族成员,是一种植物中广泛存在的亲水性蛋白,在干旱、低温和高盐等非生物胁迫的环境中起到重要作用。通过生物信息学方法对玉米全基因组DHN家族成员进行了鉴定,并进一步对其系统发育、基因结构、染色体定位和基因复制以及表达模式进行了系统分析。结果显示,在玉米DHN基因家族中共有5个家族成员,多物种系统发育进化树分析、基因结构以及基序分析都表明DHN家族成员在进化上具有高度的保守性。基因复制和物种间微共线性分析表明,在5个玉米DHN基因中存在着1对片段复制基因(ZmDHN1-ZmDHN2),玉米、高粱和水稻3个物种间存在2对直系同源基因(ZmDHN2-Sb04g032250.1,ZmDHN2-Os02g44870.1)。通过转录组表达数据分析表明,玉米DHN家族基因在不同发育时期具有不同的组织表达模式;同时,诱导表达模式分析表明ZmDHN基因的表达受到盐和干旱胁迫的显著诱导。该研究结果将为进一步鉴定玉米DHN家族重要的基因成员并对其开展功能分析奠定基础。

玉米全基因组谷胱苷肽-S-转移酶基因家族的分析

谷胱苷肽转移酶(glutathione-S-transferase,GST)是植物生长发育过程中一类多功能酶,在植物的初级代谢和次级代谢以及调控植物的逆境胁迫和细胞信号转导等过程中具有重要作用。根据GST蛋白序列构建的隐马尔可夫模型(hidden markov model,HMM),鉴定玉米全基因组GST基因,并对GST基因数量、类型、染色体定位和进化关系进行分析。结果表明,玉米全基因组中共含有37个GST基因,在10条染色体上呈非随机分布,具有U型、F型和Z型3个亚族。与水稻比较,玉米未发现T亚族。该研究结果对深入了解GST基因家族的分子进化以及GST基因的克隆和功能验证提供了重要参考依据。

玉米抗矮花叶病基因SSR分子标记定位研究

通过矮花叶病抗性鉴定筛选出玉米高抗自交系黄野四-3和高感自交系8112。遗传分析显示矮花叶病抗性表现为显性遗传。利用SSR分子标记,结合群体分离分析方法(BSA),对抗矮花叶病基因进行定位,筛选获得了与玉米抗矮花叶病基因位点连锁的SSR标记,并将该基因定位于第3连锁群,与两侧的Bnlg1035和Umc2266分子标记遗传距离分别为8.02 cM和3.04 cM。这一研究结果为快速筛选抗矮花叶病玉米新种质,培育抗性新品种提供了理论依据,为抗矮花叶病基因的分子标记辅助育种和抗病基因克隆奠定了基础。

玉米抗病相关基因NPR1的同源克隆及表达分析

NPR1是植物系统获得性(systemic acquired resistance,SAR)抗病反应中的关键基因,对植物的广谱抗性起重要调控作用。以玉米自交系"齐319"为材料,通过PCR方法克隆到一个玉米NPR1基因(命名为Zm NPR1)。序列分析结果显示Zm NPR1包含两个保守结构域POZ/BTB位点和Ankyrin repeat锚蛋白重复位点。蛋白质聚类分析表明Zm NPR1与水稻Os NPR2的同源性最高。亚细胞定位结果显示Zm NPR1定位于洋葱表皮细胞的细胞核中。半定量PCR结果显示,Zm NPR1和玉米防卫基因PAL(编码苯丙氨酸解氨酶)响应水杨酸、玉米矮花叶病毒和玉米小斑病原菌的诱导并显著上调表达;而Zm NPR1和PAL的表达水平受到茉莉酸甲酯的明显抑制。这表明Zm NPR1在玉米中参与到水杨酸介导的抗病反应通路。

玉米叶绿体铁氧还蛋白1的原核表达及部分性质分析

叶绿体铁氧还蛋白(Fd)通过活性中心的铁硫簇传递还原力,在各种氧化还原途径中起重要作用。本研究中,氨基酸序列比对显示玉米中5种Fd的叶绿体导肽同源性很低,而去除导肽的成熟蛋白氨基酸序列具有很高的同源性。采用RT-PCR技术从玉米幼叶总RNA中克隆了编码成熟Fd1的基因,并分别插入pQE 80和p28SUMO表达载体,转化大肠杆菌BL21(DE3),表达的N端含有组氨酸标签的Fd1(His-Fd1),和含有组氨酸标签的小类泛素修饰蛋白(SUMO)的Fd1(HisSUMO-Fd1),用Ni-NTA层析介质亲和纯化,SDS-PAGE显示纯化的His-Fd1为一条带,亚基分子量约12kD。纯化的HisSUMO-Fd1用专一性蛋白酶Ulp除去HisSUMO,获得纯化的Fd1。紫外可见光谱扫描显示纯化的HisSUMO-Fd1溶液在315nm、415nm和459nm有特异吸收峰,电子顺磁共振波谱分析表明Fd1中存在[2Fe-2S]。SDS-PAGE显示多种玉米幼叶可溶性蛋白被固定化的His-Fd1吸附。

复合调控Wx与SBE3基因对水稻籽粒直链淀粉含量的影响

颗粒淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶3(SBE3)是淀粉合成过程中的两个关键酶,这两个酶主要由Wx和SBE3两个基因分别控制,它们的表达量直接影响直链淀粉和支链淀粉的含量比例。为了探讨水稻淀粉关键酶基因Wx过量与SBE3干涉复合表达对直链淀粉含量的影响,构建了Wx过量表达与SBE3干涉结合的多基因表达载体,并通过农杆菌介导的方法将其导入日本晴水稻中。经过PCR检测分析获得了65株转基因阳性植株,半定量RT-PCR检测表明转基因株系中Wx基因表达量明显增加,而SBE3基因表达量显著减少。转基因株系籽粒透明度明显降低,直链淀粉含量比野生型的平均高45%,但是千粒重变化不大,与野生型相当。遗传分析表明这些转基因株系多数可稳定遗传。

玉米蔗糖合酶基因启动子的克隆及功能分析

蔗糖合酶(sucrose synthase,Su Sy)是植物蔗糖代谢中的一类关键酶,在植物的生长发育过程中具有重要功能。以玉米自交系"B73"的基因组DNA为材料,通过PCR扩增出玉米蔗糖合酶基因SH1起始密码子上游1853 bp序列。生物信息学结果显示该序列含有多个CAAT-box和TATA-box等基本作用元件,参与干旱诱导的MYB结合位点,根、胚乳等器官表达响应元件。构建了由SH1启动子驱动报告基因Gus的植物表达载体,通过农杆菌介导法产生了水稻转化株系,Southern印迹结果显示获得了单拷贝的"中花11"转基因植株(PSH1)。组织化学分析和实时荧光定量PCR结果表明,Gus基因在根、茎、叶、叶鞘及颍壳中高效表达,但在花和种子中不表达。综上可知,SH1启动子是一个新颖的营养器官特异型启动子,在作物的品质改良中具有良好的应用前景。

玉米Rp3基因LRR结构域的多态性及进化分析

玉米扩锈病基因Rp3是来源于玉米B73自交系中的一类NBS-LRR抗病基因。研究中提取了87个玉米自交系基因组,在52个自交系中扩增到Rp3基因的LRR结构域片段。利用生物信息学对LRR结构域的核酸多态性、选择压力及不同杂种优势群中的遗传差异等参数进行分析。Rp3基因的LRR结构域在核酸水平上变异程度较高,核苷酸多态性π值为0.062 36,存在较多的多态性位点;Ka/Ks值的估算发现该基因的LRR结构域总体上受到纯化选择作用。Rp3基因的LRR结构域在5种杂种优势群中的遗传多态性存在明显差异。