大豆GmLlsl基因的克隆及表达调控分析

玉米的叶片坏死斑点(lethal leaf-spot 1,Lls1)基因及其拟南芥中的同功能基因已证明编码叶绿素分解代谢中的关键酶脱镁叶绿酸氧化酶(pheide a oxygenase,PaO)．为了深入研究大豆叶片衰老过程中叶绿素分解代谢的调控机制,从大豆中克隆了玉米Lls1的同源基因,其cDNA全长1817bp,命名为GmLls1(GenBank登录号：DQ154009)．序列分析表明,该基因与拟南芥、玉米、豇豆和番茄等的Lls1及其同功能基因具有很高的同源性,其编码蛋白含有典型的Rieske[2Fe-2S]结构域、非亚铁血红素铁结合域和C-末端CXXC基序,这些都是PaO功能蛋白所具有的典型结构特征．RT-PCR结果显示,在大豆叶片自然衰老、人工黑暗诱导衰老和子叶衰老3个系统中,GmLls1基因都表现出明显的衰老上调趋势．进一步分析发现,在因敲减类受体蛋白激酶rlpk2基因而导致衰老延缓的大豆转基因叶片中,GmLls1的表达显著下降,而在因过表达rlpk2而导致加速衰老的转基因叶片中,GmLls1的转录本积累明显增加,暗示RLPK2介导的信号途径可能参与调控GmLls1在大豆叶片衰老过程中的表达,而rlpk2-RNAi转基因离体叶片光照下表现出lls1突变体典型的斑状失绿坏死表型则进一步支持了上述推论．     

利用RNA干扰技术敲减rlpk2基因的表达可以延缓大豆叶片衰老

叶片衰老是受细胞内部遗传程序控制的、植物叶片发育过程的最后一个阶段, 对启动和调控这一过程的分子机制及衰老信号的传递途径的研究具有重要意义. 从人工诱导衰老的大豆叶片中克隆到一个新的LRR型类受体蛋白激酶基因rlpk2 (GenBank登录号: AY687391), 无论在前期人工诱导衰老系统还是叶片自然发育过程中, 该基因在大豆叶片中的表达水平都表现出明显的衰老上调趋势. 利用RNA干扰技术(RNA interference, RNAi)“敲减”(knock-down)该基因的表达, 可以明显延缓转基因大豆叶片无论自然发育还是营养缺乏胁迫引起的衰老进程, 转基因植株叶片具有比较致密的表面结构及较高的叶绿素含量.     

转大豆GmDREB基因增强小麦的耐旱及耐盐性

DREB(dehydration responsive element binding)转录因子通过调控下游多个抗逆相关基因表达, 有效提高植物的抗逆性. 利用酵母单杂交技术从大豆(Glycine max)品种吉农27的cDNA表达文库中克隆了一个新的GmDREB基因. 该基因编码174个氨基酸, 具有一个由58个氨基酸组成的AP2/EREBP保守域, 其中第14与第19位保守氨基酸分别是缬氨酸(V)与谷氨酸(E), 在N末端和C末端分别有一个核定位信号区和转录激活区. 利用玉米组成型启动子Ubiquitin和拟南芥诱导型启动子rd29A构建了植物表达载体, 通过基因枪转化小麦品种鲁麦22号, 获得103株T₀代再生植株, 通过PCR检测, 分别获得含Ubi::GmDREB和rd29A::GmDREB的转基因植株13株和11株. T₁代经过PCR, Southern blot, RT-PCR检测, 证明GmDREB基因已经整合到小麦基因组中, 并在转录水平上表达. 携带Ubi::GmDREB或rd29A::GmDREB转基因株系的T₁代植株苗期耐旱或耐盐性鉴定表明, 转基因小麦植株的耐旱或耐盐能力明显提高, 说明GmDREB基因在2种不同启动子驱动下均能有效提高转基因小麦的耐盐、耐旱性.     

一个竹类植物MADS盒基因的克隆及其在拟南芥中的表达

采用RACE方法, 从竹类植物麻竹(Dendrocalamus latiflorus)幼穗中克隆到一个含完整编码区及3′端非翻译区的cDNA, 命名为 DlMADS18. 该cDNA全长1039 bp; 编码区共编码249个氨基酸, 具有典型的植物MADS盒基因结构, 由MADS区、I区、K区和C末端组成. 序列相似性分析结果表明, DlMADS18属于AGL6亚家族, 其氨基酸序列与水稻(Oryza sativa L)的MADS盒基因OsMADS6同源性最高, 序列一致性为88%, 与拟南芥(Arabidopsis thaliana)的AGL6一致性为59%. 将DlMADS18置于CaMV 35S启动子控制下在拟南芥中异位表达, 转基因拟南芥表现出叶卷曲、植株矮小、开花时间提前、花聚生于花序顶端等性状, 表明DlMADS18很可能参与麻竹开花时间的调控.     

拟南芥中AtMEK5激活导致不依赖于水杨酸信号途径的细胞死亡

用MBP作为磷酸化底物的凝胶内激酶活性分析结果显示，在转基因拟南芥植株中诱导表达组成型激活的AtMEK₅蛋白（AtMEK₅^DD）引起的细胞死亡和用带有avr Rpt2基因的病原菌P. Syringe处理转基因植株导致的超敏性细胞死亡过程中，44kDa和48kDa的两个MAPK均被激活；AtMEK₅^DD在NahG转基因烟草叶片中瞬时表达和在拟南芥杂交植株AtMEK₅^DD x NahG中诱导表达依然引起细胞死亡，且杂交植株中AtMEK₅^DD表达并未引起水杨酸含量的显著变化； Northern检测结果显示，病原菌处理可显著诱导AtMEK₅^DD转基因植株中PAL、PR1和PR5 基因的大量转录，而AtMEK₅^DD的表达仅导致PR5 基因的大量转录；表明有别于超敏性细胞死亡的水杨酸依赖特性，AtMEK₅激活引起的细胞死亡不依赖于水杨酸信号途径。     

利用人工控制细胞死亡策略培育抗稻瘟病水稻

利用细菌编码RNase的barnase 基因及其特异抑制剂编码基因barstar构成的双元组分系统, 把本实验室构建的具有稻瘟菌(Magnaporthe grisea)诱导活性的嵌合启动子与barnase基因融合, 再与由CaMV 35S启动子驱动的barstar的构件融合, 构建植物表达载体pWBNBS和pPBNBS, 转化水稻, 并对转基因水稻进行了抗稻瘟病和白叶枯病的检测. 结果表明, 接种稻瘟菌后, 转基因水稻植株中barnase基因受诱导表达; 在稻瘟菌侵染诱导下, barnase的表达超过barstar的抑制, 导致转基因水稻叶片出现类似过敏感应, 表现出对稻瘟病的抗性; 转基因水稻对白叶枯病表现出一定的抗性. 这些结果说明, 通过该双元组分系统策略获得的转基因水稻具有明显的抗致病性真菌和一定程度的抗细菌危害的较广谱抗性.     

大豆GmNHX1在百脉根中的过表达研究: 体内Na+含量的降低是耐盐性提高的基础

从大豆中克隆到了液泡膜Na⁺/H⁺反向转运蛋白编码基因(GmNHX1)的全长cDNA, 包括5′端非翻译区464 bp, 编码区1641 bp, 3′端非翻译区486 bp, 共2591 bp. 该cDNA编码的GmNHX1蛋白共546个氨基酸, 具有典型的液泡膜Na⁺/H⁺反向转运蛋白特征, 与已知功能的液泡膜Na⁺/H⁺反向转运蛋白AtNHX1, OsNHX1及AgNHX1具有较高的同源性. GmNHX1在大豆基因组中为单拷贝基因, 其表达具有组织特异性, 并能受到NaCl, KCl, LiCl, ABA以及脱水等胁迫上调; 耐盐品种GmNHX1的转录水平在叶片中低于而在根系和下胚轴中均高于敏盐品种. 将GmNHX1 cDNA置于两个串联的CaMV35S启动子控制下在豆科模式植物百脉根中过表达, 提高了转基因百脉根的耐盐性. Na⁺及K⁺含量测定表明, 与对照相比, 过表达GmNHX1的百脉根小苗中Na⁺, K⁺含量显著降低, K⁺/Na⁺比率显著增加, 显示了百脉根中过表达GmNHX1所导致的耐盐性与减少转基因植物中Na⁺的积累有密切关系.     

玉米C4 型pepc基因的分子克隆及其在小麦的转基因研究

通过LA-PCR方法，从当地玉米材料中获得了完整的玉米C₄ 型pepc基因。测序结果与GenBank中登录的玉米C₄ 型pepc基因序列进行比对分析表明，DNA序列的同源性达98.96%，mRNA同源性达99.38%，蛋白质的氨基酸序列同源性达99.38%，在DNA水平，两者之间有49处碱基差异， 18处发生在内含子区，18处发生在外显子处。在mRNA水平，两者之间有15处差异，但是这些差异在蛋白质水平上仅导致了4个非连续排列的氨基酸差异。构建了该基因的农杆菌二元表达载体pBAC214。通过PDS/1000He基因枪转化法，获得了该基因的转基因小麦。对转基因小麦进行的Southern杂交，结果表明来自玉米的鉴定pepc基因完全整合到了小麦基因组中。通过对转基因小麦叶片的可溶性蛋白质SDS-PAGE电泳分析，表明该基因在小麦中获得了正确的转录、剪接和翻译。通过对转基因小麦叶片中PEPC酶活性的初步测定，发现部分转基因植株叶片中PEPC酶活性提高了3-5倍，与玉米叶片中的PEPC活性相当。对转基因小麦旗叶光和生理指标的测定，发现部分转基因植株光合速率有所提高，并且气孔的开放程度与叶片中的PEPC活性紧密相关。说明完整的玉米C₄ 型pepc基因在小麦中可以正确表达和起到一定的生理作用。     

通过转δ-OAT基因获得抗盐抗旱水稻

δ-OAT基因编码的鸟氨酸-δ-氨基转移酶是以鸟氨酸为前体合成脯氨酸途径中的关键酶. 采用基因枪法将拟南芥δ-OAT基因导入粳稻品种中作321, 通过PCR及分子杂交分析确定目的基因已插入水稻染色体中并得到超量表达. 抗盐抗旱检测结果表明, 水稻在受到渗透胁迫时会大量积累脯氨酸, 各种条件下转基因水稻积累的脯氨酸是对照的5~15倍; 同等胁迫条件下转基因株系相对生长更快, 苗与根的生物学产量都要高于对照, 最后种子产量也显著高于对照, 如在0.1 mol/L NaCl胁迫下转基因株系相对产量提高了16%~41%, 说明δ-OAT基因超量表达并积累脯氨酸在抗渗透胁迫中有着重要作用, 通过转化δ-OAT基因可以获得抗盐抗旱的基因工程水稻.     

大蒜金属硫蛋白家族新成员AsMT2b在镉离子胁迫下的功能分析

利用RACE方法, 从大蒜(Allium sativum)幼苗中克隆到一个MT基因家族的新成员, 命名为AsMT2b. AsMT2b全长520 bp, 编码80个氨基酸, 具有type 2 MT蛋白的结构特征, 但其Cys的位置和排列方式与其他type 2 MT蛋白具有明显差异. RT-PCR结果表明, 该基因与其他 type 2 MT的表达模式不同, 只有在CdCl₂的胁迫强度增加到一定程度时才增强表达. 将AsMT2b在酵母细胞中表达后可以提高转化子对Cd的抗性. 同时AsMT2b在拟南芥中过表达后, 转基因植株对Cd抗性显著增强, 同时Cd的积累量也增加. AsMT2b在镉离子胁迫下的特性表明, 其在Cd污染土壤的植物修复中具有应用前景.     

大豆早期结瘤素基因enod2B启动子在水稻中的表达受结瘤因子诱导

在根瘤菌与宿主豆科植物形成的共生关系中, 根瘤菌分泌的结瘤因子是宿主专一性的主要决定因子. 结瘤因子信号能够诱导豆科植物根毛细胞质膜去极化、离子流动和早期结瘤素基因的表达以及根毛变形、皮层细胞分裂和根瘤原基形成等与共生有关的表型变化. 水稻是重要的粮食作物, 能否对结瘤因子信号产生应答反应是最终实现水稻结瘤固氮的关键因素. 将大豆早期结瘤素基因Gmenod2B的启动子与报告基因b-葡萄糖苷酶(GUS)基因融合构建成嵌合基因Gmenod2BP-GUS, 以此嵌合基因作为探索水稻细胞感受结瘤因子信号的分子标记. 通过根癌农杆菌介导的遗传转化系统, 获得了携带嵌合基因Gmenod2BP-GUS的水稻再生植株. 以广宿主根瘤菌NGR234(pA28)分泌的结瘤因子作为探针, 检测转基因水稻中嵌合基因Gmenod2BP-GUS的表达. 结果表明, 转基因水稻中大豆早期结瘤素基因enod2B启动子的表达可以受结瘤因子诱导, 仅在水稻根部的皮层薄壁细胞和内皮层细胞中呈特异性表达, 并且受到氮源的调控. 推测在水稻中可能存在结瘤因子所诱导的豆科早期结瘤素表达的类似机制.     

棉花半胱氨酸蛋白酶基因的克隆和表达特性分析

根据不同植物编码半胱氨酸蛋白酶基因的保守序列, 设计兼并引物, 通过PCR 和RACE技术, 从辽棉9号衰老叶片中克隆了编码半胱氨酸蛋白酶的cDNA, 其相应的基因命名为Ghcysp, 该基因序列的长度为1368 bp, 包含一个1034 bp的可读框, 编码344个氨基酸, 分子量为37.88 kD, 等电点为4.80. 数据分析结果显示, 该蛋白质由1个19个氨基酸残基组成的信号肽和3个酶活性催化反应中心组成, 是一个跨膜蛋白质, 位于液胞膜上. Ghcysp蛋白质与其他植物半胱氨酸蛋白酶的氨基酸同源性为67%~82%. Northern杂交结果表明, 在棉花衰老的根、脱落的花、下胚轴、胚珠和幼叶中, Ghcysp基因不表达, 在棉花的衰老叶片中Ghcysp基因表达量高.     

通过叶绿体基因工程在烟草中合成中长链羟基脂肪酸聚酯

中长链羟基脂肪酸聚酯(medium-chain-length-PHAs, mcl-PHAs)属于微生物聚酯. PHA合酶(PHA synthase, 由phaC基因编码)和3-羟酰基-酰基转移蛋白-辅酶A转移酶(3-hydroxyacyl-acyl carrier protein-coenzyme A transferase, 由phaG基因编码)是mcl-PHAs生物合成途径中的关键酶. 以aadA(氨基糖苷-3′-磷酸转移酶)基因做筛选标记, 分别构建了含phaC2基因的单价叶绿体转化表达载体pTC2以及同时嵌合phaC和phaG基因的双价叶绿体转化表达载体pTGC. 通过PDS1000/He基因枪转化法转化烟草, 获得具有壮观霉素抗性的叶绿体型转基因烟草植株, PCR和Southern Blot结果表明, 外源基因确已整合进烟草叶绿体基因组中且基本达到同质化. 气相色谱法检测转基因株系中的mcl-PHAs含量最高达4.8 mg/g干重, 合成的PHAs单体主要成分为3-羟基辛酸(3-hydroxyoctanoate, 3-HO)和3-羟基癸酸(3-dydroxydecanoate, 3-HD). 透射电子显微镜观察到转基因烟草叶片叶绿体中确有PHAs颗粒累积.     

渗透胁迫调节拟南芥谷胱甘肽过氧化物酶3的基因表达

以拟南芥谷胱甘肽过氧化物酶3 (ATGPX3)的T-DNA插入突变体和转ATGPX3启动子GUS融合基因植株为材料, 深入分析了ATGPX3基因表达及其在渗透胁迫信号转导中的作用. 甘露醇渗透处理后, 与野生型拟南芥相比, ATGPX3基因突变体(atgpx3-1)的生长和发育明显受到了抑制; 并且渗透胁迫也提高了ATGPX3-GUS融合基因的表达. 在植物激素ABA诱导下, RD29A, ABI1, ABI2和RbohD等基因在atgpx3-1突变体中出现了不同程度的表达. 以上结果提示, ATGPX3可能参与了渗透胁迫反应的调节.     

大豆疫霉甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因在病原物植物互作中诱导表达及其抗氧化作用在酵母遗传互补系统中的功能验证

甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)是真核生物细胞中一类功能丰富的蛋白质. 采用抑制性差减杂交(suppression subtractive hybridization, SSH)的方法, 筛选到一个在大豆疫霉侵染早期上调表达的、编码GAPDH的cDNA片段; 克隆了该基因的全长序列, 命名为PsGapdh. Southern杂交结果显示, PsGapdh在大豆疫霉基因组中含有3个拷贝. 该基因编码的氨基酸序列具有GAPDH的保守结构域. 在系统发育树中, PsGAPDH与两性绵霉(Achlya bisexualis)的GapC1同源性最高、与中华盒形藻(Odontella sinensis)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的GapC2同源性较高, 三者聚类分布于GapC亚族的C-Ⅱ分支. RT-PCR分析表明, 该基因在大豆疫霉侵染早期转录水平提高. 该基因可以恢复酵母突变体Δtdh1对H₂O₂的耐受性. 上述结果提示, 大豆疫霉的甘油醛-3-磷酸脱氢酶具有与酵母tdh1相似的抗氧化作用, 且参与了大豆疫霉对寄主植物的侵染过程.     

基因转录后沉默信号可以在拟南芥嫁接体内快速双向传递

RNA干扰(RNAi)是引起生物体基因转录后沉默的新技术之一, 通过转基因向植物体内引入特异的RNA沉默信号, 已成功用于基因功能研究. 我们利用拟南芥动蛋白异型体KatB和KatC两个基因上共有的一段同源编码序列(168 bp)构建了能导致目标基因KatB和KatC双基因转录后沉默的DEX (dexamethazone) 诱导性RNAi载体. RT-PCR和Northern blot结果显示, 转基因拟南芥纯合体植株(简称RNAi型植株)经DEX诱导后,KatB和KatC的mRNA逐渐减少, 表明这两个基因发生了转录后沉默作用. 用改进后的简易方法将RNAi型与野生型拟南芥植株进行高效率嫁接, 对砧木和接穗中目标基因mRNA变化进行了半定量RT-PCR检测. 结果表明, 无论用RNAi型植株作为砧木或接穗, DEX诱导产生的基因沉默信号均能导致相应野生型接穗或砧木中KatB和KatC mRNA的减少, 证明说明基因转录后沉默信号可以通过嫁接面在拟南芥体内双向传递; 与已报道的基因沉默信号在烟草嫁接体内传递速度相比, 拟南芥基因沉默信号的传递更为迅速．     

高赖氨酸含量基因在转基因小麦的表达

构建了含高赖氨酸含量基因(wblrp)和赖氨酸合成关键酶(dapA)基因的植物表达载体pBPC102, 用基因枪导入京花1号、京411、优899和烟农15等受体品种的幼穗和幼胚, 获得了100多株转基因小麦植株(T₀)及其后代株系(T₁~T₂). PCR和PCR-Southern杂交结果表明, 外源基因已稳定整合到转化植株T₀和T₁的基因组中. 进一步用RNA分子杂交的方法对高赖氨酸基因的表达及水平调控进行了深入研究, 结果表明外源基因已在T₂不同株系中获得了表达. 植株叶片游离赖氨酸(Lys)含量和种子结合态Lys含量的测定和分析结果表明, 有9个转基因植株后代株系叶片的游离Lys含量提高了2~3倍, 4个株系的Lys含量提高了10%以上, 小麦的营养品质得到了显著的改善.     

转OsNHX1基因耐盐84K杨的培育

采用农杆菌介导的方法将水稻Na+/H+反向转运器基因OsNHX1导入84K杨, 获得3株抗性转化植株, PCR, Southern 和Northern检测结果表明, OsNHX1基因已经整合到84K杨基因组中, 并可以稳定表达. 耐盐实验表明, 3个株系的转基因植株能在200 mmol/L NaCl条件下正常生长. 对盐胁迫处理的转基因植株进行Na+含量和渗透势测定, 发现转基因植株叶片中的Na+明显高于对照植株, 其渗透势明显低于对照植株. 分子检测和耐盐性实验表明OsNHX1基因的转化获得成功, 并获得84K杨耐盐转基因 植株.     

拟南芥磷酸肌醇特异性磷脂酶AtPLC6基因的克隆与表达

利用文库筛选和RT-PCR方法, 从拟南芥中克隆到长度为1954 bp, 包括全长1734 bp编码区的AtPLC6 cDNA, 推测其编码一含有578个氨基酸的多肽, 其等电点为7.24, 分子量为66251.84 Da. 在GenBank中进行序列比对发现, AtPLC6为一新发现的拟南芥PI-PLC基因. 对推测的氨基酸序列结构的分析表明, AtPLC6具有EF手性结构、X结构域、Y结构域和C2结构域, 与植物中已知的其他磷酸肌醇特异性磷脂酶C(PI-PLC)在结构上相似, 类似于动物中典型的δ-型磷酸肌醇特异性磷脂酶. 将AtPLC6的编码区序列插入原核表达载体后进行了原核表达, 纯化的AtPLC6重组蛋白可水解PIP2产生IP3和DAG, 且水解活性呈明显的钙依赖特性, 反应的最适Ca²⁺浓度为10 μmol/L. Northern分析结果表明, 在检测的根、茎、叶、花、果和幼苗中均有AtPLC6 mRNA的转录, 但转录水平较低. 用ABA, NaCl, 冷和热等胁迫处理的实验表明, AtPLC6 mRNA的转录受到冷胁迫的诱导, 而受ABA, NaCl和热等胁迫影响较小, 推测AtPLC6可能参与了植株对冷胁迫的响应.     

红树植物耐盐基因转化烟草及耐盐品系的培育

从耐盐性强的红树植物白骨壤(Avicennia marina)中分离出的耐盐基因CSRG1, 构建了pGAM189/CSRG1转基因载体. 以烟草嫩叶为外植体, 通过农杆菌介导的叶盘转化法将CSRG1基因及GUS基因, Km^r基因和Hyg^r基因转入烟草基因组中. 转化50个外植体, 经过50 mg/L潮霉素和150 mg/L卡那霉素抗性筛选共获得了13个稳定抗性株系. 通过PCR扩增检测、Southern blot分析和GUS基因活性检测, 结果表明, 最终获得的11个转基因品系(基因转化频率为22%)中, CSRG1基因整合到烟草的染色体DNA上. Northern blot分析结果表明, CSRG1基因在转基因植株中获得表达. 耐盐性测定和光合速率测定结果表明, 转基因植株在盐分提高到2% NaCl和全海水(盐度为24)配置的MS培养基中, 成活率保持在80%~90%, 株高增长20%~40%, CSRG1基因的表达产物及形成的生理代谢途径确实可使烟草获得较高的耐盐性, 同时这种耐盐性不仅针对钠离子胁迫, 而且对于各种离子的综合盐胁迫都具有耐受性.