松科植物木质素合成相关基因研究进展

植物木质素是影响纸浆材品质的关键因素,而松科植物作为重要的纸浆材,对其木质素合成相关调控基因进行系统了解,可为完善木质素生物合成模型提供一定的理论依据。笔者通过对国内外已有研究进行分析,总结植物木质素结构、木质素合成途径、木质素合成相关酶基因及松科植物木质素合成基因的研究进展。归纳出松科植物火炬松(Pinus taeda)、马尾松(P. massoniana)、辐射松(P. radiata)、挪威云杉(Picea abie)等木质素合成酶基因研究主要集中在苯丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase,PAL)、4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate CoA ligase, 4CL)、肉桂酸4-羟化酶(cinnamic 4-hydroxygenase, C₄H)、香豆酸3-羟化酶(Coumarate 3-hydroxylase, C3H)、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(caffeoyl coenzyme A-O-methyltransferase, CCoAOMT)、肉桂酰基辅酶A还原酶(Cinnamoyl CoA reductase, CCR)和肉桂醇脱氢酶(Cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)等一些常见基因上,其他莽草酸羟基肉桂酰转移酶(shikimate hydroxycinnamoyl transferase, HCT)、阿魏酸5-羟化酶(ferulo 5-hydroxylase, F5H)、O-甲基转移酶(O-methyltransferase, OMT)及咖啡酸-O-甲基转移酶(caffeic acid O-methyltransferase, COMT)等基因研究较欠缺,此外,还有部分基因未涉及。木质素合成是研究松科植物纸浆材的重要切入点,对现有松科植物木质素合成过程中存在问题进行精确的估计,对进一步深入研究松科植物木质素合成机制和优质纸浆材选育具有重要意义。     

GRP1.8融合4CL1基因调控杨树木质素生物合成

将形成层定位启动子GRP1.8与毛白杨的4-香豆酸:辅酶A连接酶基因融合,叶盘法转化毛白杨741,southern杂交检测表明融合基因已经整合到转基因杨树的基因组中.通过实时定量PCR技术测定mRNA的表达量,GC-MS分析4CL底物香豆酸的含量和定量硫酸木质素含量,分析了4CL基因的过量表达对转基因杨树生理生长的影响.实验结果表明,整合了正义4CL1的转基因植株在茎中的酶活性比野生植株增加了30%,木质素含量增加了40%.     

杨树木质部特异性定位表达4CL1启动子的结构与表达特性

4-香豆素COA连接酶(4CL1)是木质素代谢途径中的一个关键酶,对该基因启动子的表达特性与调控元件进行了研究:首先,对毛白杨4CL1启动子进行了生物信息学分析,结果表明该启动子包括3个顺式作用元件,box P(CCTTCACCAACCCCC),box A(CCGTTC),box L(TCTCACCAACC),这3个顺式作用元件在已知的木质素代谢途径相关酶系如苯丙氨合成酶(PAI)和4CL中普遍存在;其次,运用PCR方法对该启动子进行了剪切,获得一个长393 bp的启动子片断,该启动子片断包括以上3个顺式作用元件;最后,将该启动子片段与GUS报告基因构建了植物表达载体并转化烟草,成功获得转基因再生苗,结果发现转基因烟草的茎木质部呈现GUS染色阳性.研究结果表明,一个393 bp长度的4CL1启动子片断足以介导外源基因在木质部特异性定位表达.     

植物4CL基因家族结构功能与表达特性研究进展

4-香豆酸：辅酶A连接酶（4CL）是植物苯丙烷衍生物,如类黄酮和木质素等,生物合成途径的一种关键酶,在大多数维管植物中4CL基因以基因家族的形式出现.4CL基因家族成员在植物组织中存在差异表达,并参与不同的苯丙烷类衍生物的生物合成.从4CL酶的基因结构、基因家族组成与表达特性等方面详细论述了当前最新研究进展,这将有助于更好地理解植物4CL基因参与苯丙烷类衍生物途径的合成与代谢机制.     

重组毛白杨4-香豆酸:辅酶A连接酶催化不同肉桂酸衍生物的酶促动力学研究

4-香豆酸:辅酶A连接酶是杨树木质素合成途径的关键酶之一,催化维管植物木质素合成羟基肉桂酸及其衍生物辅酶A酯化合物的形成.对毛白杨的重组Pt4CL1蛋白的不同肉桂酸衍生物底物的酶促动力学进行了分析,Pt4CL1对肉桂酸、4-香豆酸、咖啡酸、阿魏酸具有催化活性,其中的4-香豆酸、咖啡酸、阿魏酸,Km(μM)值分别为55.02±3.5、52.94±6、44.62±4,Vmax(nM.S-1)值分别为4.23±0.27、4.12±0.11、2.16±0.07;4-香豆酸,咖啡酸,阿魏酸的Kcat(S-1)值分别为44.73×10-3、43.57×10-3、7.61×10-3;对4-香豆酸,咖啡酸,阿魏酸的Kenz(M-1.S-1)值分别为823、812.98、170.55.Pt4CL1对肉桂酸的催化能力很弱,而对芥子酸没有催化活性.结果表明,Pt4CL1对4-香豆酸的催化效率最高,对咖啡酸的催化效率略低于4-香豆酸,而对阿魏酸的催化效率最低,对咖啡酸的催化效率略有很高的转化效率.     

油葵种子特异性基因HaAP10启动子克隆及功能验证

为研究植物脂质转移蛋白基因HaAP10启动子能否在油葵种子中驱动外源基因特异性表达,从油葵(Helianthus annuus L.)基因组DNA中采用PCR技术克隆了HaAP10基因上游的调控序列964bp.序列分析结果表明,964bp核苷酸序列与报道序列同源性99%,包含TATA-box等基因表达的重要特征元件及种子特异表达所必需的核苷酸序列.将其与β-葡糖苷酸酶(β-glucuronidase,GUS)基因融合构建植物表达载体,并利用花粉管通道法转化油葵获得转基因植株,通过PCR鉴定和组织化学染色进行分析.PCR扩增初步证明目的片段已整合到油葵基因组中,组织化学分析表明HaAP10基因启动子能够驱动GUS基因在种子中特异表达,而在根、茎和叶中无GUS活性.结果表明HaAP10基因上游964bp片段可驱动外源基因在油葵种子中特异性表达,具有种子特异性启动子的功能,为油葵植物生物反应器的构建提供了优良的基因资源,同时也为油葵的油脂基因工程改良提供了基因资源.     

玉米MAR序列的分离及其在转基因烟草中的功能研究

从玉米基因组中分离了一段核基质结合区(MAR)序列,它位于乙醇脱氢酶1基因的5'端启动子区域.为研究此段MAR序列在转基因植物中的功能,将MAR构建在报告基因β-葡糖醛酸酶(GUS)基因(uidA)和植物选择标记新霉素磷酸转移酶II基因(nptII)的两侧形成植物表达载体,在载体中两段MAR之间的距离为6.2kb.GUS活性检测表明,MAR序列对报告基因的表达水平没有影响.这一现象与MAR只构建在报告基因两侧形成小环时提高外源基因表达的结果不同,为进一步研究MAR作用机制提供了基础.     

CMV启动子克隆及其在植物体内的表达

根据细胞肥大病毒CMV启动子基因序列设计引物,PCR扩增目的基因后,利用基因重组技术成功构建具有Kan抗性和GUS intron报告基因的植物表达载体LpPCG,并将重组质粒转化到烟草叶片中.通过CMV启动子指导的GUS intron基因在烟草叶片内的瞬时性表达,比较了其植物表达特性.结果表明:CMV启动子可启动GUS在植物体内的表达,其表达活性相当于2×35S启动子的(80.4±26.6)％.     

复苏植物牛耳草BhLEA2基因启动子的分离和基因表达模式研究

为研究干旱诱导的基因表达模式,利用Inverse-PCR和Tail-PCR的方法从复苏植物牛耳草（Boea hygrometrica（Bunge）R Br．）中扩增出胚胎发育晚期丰富蛋白编码基因BhLEA2的1215bp启动子序列,命名为PBhLEA2。构建了由PBhLEA2启动子引导GUS嵌合基因的植物表达载体pBhLEA2-GUS,并经农杆菌介导导入到烟草中,得到4株转基因烟草植株。GUS检测分析表明,该启动子可驱动GUS报告基因在转基因烟草的种子和刚萌发的小苗的子叶和胚轴中高效表达,在10-20d苗龄的植株中不表达,表现出一定的发育阶段和组织特异性。干旱、高盐胁迫及脱落酸（ABA）、乙烯和H2O2等信号分子可在不同程度上诱导GUS报告基因在20d苗龄的转基因植株的叶片中表达,但只有ABA可诱导其在根中表达,表明该启动子对BhLEA2基因表达的调控受环境信号影响。     

麻疯树异戊烯基焦磷酸异构酶基因(IPI)启动子的克隆及瞬时表达分析

本文以麻疯树基因组DNA为模板,通过PCR扩增得到麻疯树异戊烯基焦磷酸异构酶(IPI)基因(JcIPI)起始密码子上游1 536bp的启动子序列.利用在线软件PLACE和PlantCARE分析表明该序列除具备TATA-Box、CAAT-Box等启动子基本元件外,还含有AuxRR-core、TATC-box、MBS、HSE等特异性元件.为确定启动子核心启动区域,构建JcIPI启动子283、550、970、1 276和1 536bp的5′端缺失片段,并将其分别驱动pBI121载体的葡萄糖苷酸酶(GUS)基因,构建植物表达载体.采用农杆菌介导法转化烟草,在烟草叶片中进行瞬时表达分析.GUS酶活测定结果显示,五个启动子缺失片段都具有启动子活性,并随长度增加而增强.     

水稻Os05g0442400基因启动子分析以及由Os05g0442400基因启动子引导GUS报告基因在转基因水稻中的表达

采用Plant CARE和PLACE软件分析预测水稻Os05g0442400基因启动子序列中可能存在的顺式作用元件.结果显示,在起始密码子ATG上游1500bp区域内,除了启动子基本的核心作用元件外,还存在一些与植物抵御非生物胁迫过程有关的作用元件、脱落酸应答元件、光诱导启动子作用元件、病原菌诱发因子作用元件,以及根特异性结合位点.采用根癌农杆菌介导法成功将Os05g0442400 promoter::gus构建导入"中花11"水稻.由不同组织部位GUS染液检测表明:在水稻苗期,内源Os05g0442400基因可能主要在根部表达;随着水稻生殖期的延续,水稻内源Os05g0442400基因在颖壳中的表达区域由上向下面积增大,并在抽穗后达到最大表达区域.这些结果可能与Os05g0442400基因启动子上分别存在根特异性结合位点和光诱导启动子作用元件具有一定的联系.     

Kas基因启动子区的克隆及功能初步分析

利用TAIL-PCR技术,克隆到了与辣椒素合成有关的胎座特异表达基因——3-酮酯酰．ACP合成酶基因（Kas）上游400bp的调控区域．将其全长片段与GUS基因连接构建植物表达载体并转化烟草．GUS组织化学染色表明,克隆到的440bp片段具有启动子活性．对该片段进行序列分析发现,在起始密码子ATG上游存在2个TATA-box,分别为-316～-311位的TATAAA和-224～-219位的TATAAA;在TATA-box上游还存在1个位于-378～-374处的CAAT-box,序列为CCAAT．该研究旨在为利用基因调控辣椒素的生物合成,提高辣椒果实中的辣椒素含量奠定基础．     

Influence of DNA methylation on transgene expression

DNA methylation plays an important role in gene expression in eukaryote. But DNA methylation of transgene usually leads to target gene silencing in plant genetic engineering. In this research, reporter gene b-glu- curonidase (GUS) gene ( uidA ) was introduced into tobaccos via Agrobacterium-mediated transformation method, and the foreign uidA gene became inactive in some transgenic tobaccos. No mRNA of uidA was detected in these plants by Northern blotting analysis, and DNA methylation of promoter region was found. The results indicated that gene silencing might be caused by DNA methylation of promoter.     

小鼠液胞H~+-ATPase 15 K启动子(M15 K)的克隆及其在植物体内的表达特性研究

PCR克隆了小鼠液胞H+-ATPase 15K启动子,构建具有Kan抗性和GUS intron报告基因的植物表达载体LpPMG.通过M15K启动子指导的GUS intron基因在烟草叶片内的瞬时性表达,比较了其植物表达特性.结果表明:M15K启动子可启动GUS在植物体内的表达.其表达活性相当于2×35S启动子的87.0%±17.3%.     

烟草NFL1基因启动子区的克隆和初步的功能分析

植物的开花过程是一个复杂的发育过程,涉及到许多基因的表达和调控,其中LFY同源基因(LFY-like genes)发挥着重要的作用[1～7].在拟南芥中,LFY基因发生突变而失去功能后,花芽分生组织的形成受到显著的抑制[8];将LFY基因在植株中的表达水平提高后则可以有效地促进开花[9].     

水稻RSSG8基因启动子与GUS融合基因的构建及在烟草中的瞬间表达

使用染色体步移(Genome walking)法，从籼稻(Oryza sativa subsp．indica)桂朝2号基因组中克隆到长度为471bp的水稻精细胞优势表达基因RSSG8的启动子片段R8PN，并进行了全序列测定和分析．该段序列中含有3个CAAT-box，6个Gobox和多种植物顺式作用元件，但没有发现典型的TATA-box，推测为一种特殊的启动子结构，为了鉴定RSSG8基因的基本启动子元件，将二条长度不同的5’端侧翼区缺失体(分别长471bp，260bp)定向插入载体pBI121中，取代原有的CaMV 35S启动子，构了驱动报告基因GUS的植物表达载体pRGUS1，pRGUS2，通过农杆菌介导的瞬时表达法转化烟草叶片和花粉，快速鉴定启动子片段中起关键作用的区域，结果显示两个缺失片段都能启动GUS的表达，可以初步判定这两个片段具有启动子功能。     

水稻16kDa醇溶蛋白启动子克隆及载体构建

水稻种子16 kDa醇溶蛋白是水稻种子成熟过程中,由16 kDa基因编码,16 kDa醇溶蛋白启动子调控,在胚乳中特异表达的蛋白质.以水稻基因组DNA为模板,通过PCR扩增技术得到16 kDa启动子片段,序列分析结果表明:获得的启动子片段的大小为931 bp,与已报道的该启动子序列相比较,其核苷酸序列同源性为99.9%.该启动子区域含有TATA-box,CAAT-box,GCN4基序,Prolamin-box等胚乳特异表达启动子所必需的正调控元件.利用该启动子构建了植物种子特异表达载体pC16 kDP.     

Expression analysis ofgdcsP promoter from C3-C4 intermediate plantFlaveria anomala in transgenic rice

ThegdcsP promoter isolated from C₃-C₄ intermediate plantFlaveria anomala was fused to the β-glucuronidase (GUS) gene. The chimeric gene was inserted into the binary vector pBin19 and introduced into the rice (Oryza sativa L.) cv. 8706 byAgrobacteriummediated gene transfer. GUS activity can be detected in leaf, leaf sheath, stem and root tissues via fluorometric GUS assay. However, no GUS activity was found in mature endosperm. Histochemical localization revealed that GUS expression was exclusively restricted to vascular tissues in transgenic plants. This promoter also showed spatial-temporal expression patterns that GUS expression declined significantly with the maturity of plants. These expression patterns make thegdcsP promoter extremely valuable in the applied biotechnology that needs target gene expression restricted to vascular tissues.     

Effect of 5'-deletion of Arabi-dopsis profilin2 promoter on its vascular specific expression

Based on the published sequence of profilin2 promoter of Arabidopsis thaliana, a full-length promoter (1667 bp) was amplified by PCR. The 5' -end deletion fragments with length of 1380, 1153, 969 and 597 bp were then fused with gus (uidA.) gene respectively. Constructed plant expression vectors were individually transferred into Kalan-choe laciniata and transgenic plants regenerated. GUS his-tochemical assay confirmed that the full-length promoter Pfn1.7 was vascular-specific. Deletion assays showed that profilin2 promoter could be divided into three parts. Deletion of fragment 1 ( -1667--1380 bp) resulted in constitutive expression, suggesting that element(s) responsible for vascular-specific expression might exist in this region. Fragment 2 located at -1153 - -597 bp strongly inhibited gus gene expression. Fragment 3 ( -597 - -1 bp) is considered as a basic domain of profilin2.