Predicted glycosyl transferase genes located outside the HEP island are required for formation of heterocyst envelope polysaccharide in Anabaena sp strain PCC 7120

During maturation, heterocysts form an envelope layer of polysaccharide, called heterocyst envelope polysaccharide (HEP), whose synthesis depends on a cluster of genes, the HEP island, and on an additional, distant gene, hepB, or a gene immediately downstream from hepB. We show that HEP formation depends upon the predicted glycosyl transferase genes all4160 at a third locus and alr3699, which is adjacent to hepB and is cotranscribed with it. Mutations in the histidine kinase genes hepN and hepK appear to silence the promoter of hepB and incompletely down-regulate all4160.

The acute effects of microcystin LR on the transcription of nine glutathione S-transferase genes in common carp Cyprinus carpio L.

The glutathione S-transferases play important roles in the detoxification of microcystin. In this experiment, nine glutathione S-transferase genes including cytosolic GSTs (rho, mu, theta, alpha and pi), mitochondrial GST (kappa) and microsomal GSTs (mGST1, mGST2 and mGST3) were cloned from common carp Cyprinus carpio. The mRNA abundance of each carp GST isoform in liver was analyzed by real time PCR. The relative changes after stimulation with microcystin LR were also analyzed: increased levels of transcription of GST alpha, rho and mGST3 isoforms were detected at 6 h post stimulation; the transcription of mu, theta and mGST2 isoforms were relatively stable; and all the GST isoforms except GST kappa and rho recovered to original levels compared with controls at 72 h. It is suggested that MC-LR showed different effects on the transcription of nine carp GST isoforms. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

PLLA-PCys co-electrospun fibers for capture and elution of glutathione S-transferase

The copolymer poly(L-lactic acid)-b-poly(L-cysteine) (PLA-b-PCys) was co-electrospun with PLGA into ultrafine fibers. The reduced glutathione (GSH) was conjugated to the fiber surfaces via disulfide bonds. The glutathione S-transferase (GST) was captured onto the GSH fibers via specific substrate-enzyme interaction between the bound GSH and GST. The captured GST was eluted with free GSH aqueous solution and lyophilized to get pure GST powders. The results show that the GSH moieties on the fiber surface retain the bioactivity of the free GSH and thus they can bind specifically with GST and the GST in solution is captured onto the fiber surface. In addition, the bound GSH is not as active as free GSH so that the captured GST can be eluted off from the fiber by free GSH aqueous solution. Based on this principle, GST itself or its fused proteins can be separated and purified very easily. The preliminary purification efficiency is 6.5 mg center dot(g(PCys))(-1). Further improvements are undertaken.

无根萍生物学特性研究

无根萍属（Wolffia ）隶属于浮萍科天南星目，是世界上最小的被子植物。该属植物繁殖速度快;易于培养;结构简单，只具有一个雄蕊和一个雌蕊;自然状态下通常为克隆繁殖，遗传结构高度一致，具备特定研究目的模式植物的特点，正在或已经成为一些实验室研究光合作用、生物反应器、毒理学、生态修复和环境监测等的重要模式生物材料;同时还被作为建造航天生活仓和地外生命支撑系统的首选植物。该属植物蛋白含量高且氨基酸组分平衡，营养价值可与大豆相媲美。但该属植物一直是分类学界的疑难类群，不同的学者对该属的分类处理比较混乱;其次，对该属的生物地理研究也很不够，尤其是对国产类群的研究;另外，W. globosa 作为该属中国分布的物种，其生理学特性和形态结构发育还缺乏研究。为此，本文通过mat K 基因测序、RAPD 标记等手段，结合野外和室内的长期观测，对其分类和中国的地理分布以及生理学特性进行了研究。针对浮萍科植物作为水生植物，其对重金属和芳香烃衍生物的耐受逆境能力大小，和对淡水水体环境生态的指示作用。本文研究了W. globosa 具解毒功能的谷胱甘肽转硫酶的活性;最后，探索了从黄鳝（Monpterus albus Zuiew ）中分离纯化GSTs 的技术与方法并对maGST 的部分特性进行了研究。主要研究结果如下： 1. Wolffia 系统分类学研究 前人认为，Wolffia 柱头的颜色是重要的分组、分种检索性状。我们对其长期、活体、原位、实时跟踪观测结果表明，柱头颜色是Wolffia 个体发育上的变化过程，不是一个稳定性状，用作Wolffia subgroup 内组的划分特征和种的鉴别特征是不适合的。在此基础上我们重新修定了该属的分种检索表。利用形态分类学性状——气孔、长/宽、高/宽以及最大宽度在水面上还是水面下等性状，认为中国分布的类群应是W. globosa，但亦有W. neglecta 存在的证据。mat K 基因片段结果支持形态学的结论。通过广泛的野外采集，在我国北京、河北和吉林发现Wolffia 的新分布。 2. 中国Wolffia 居群遗传学研究 以RAPD 分子标记对广泛分布的居群遗传多样性研究表明，无根萍属植物主要以无性繁殖方式繁育，居群主要由单一克隆后代组成，如海河流域以及松花江流域居群;但一些居群亦兼有性繁殖方式，并具较高的遗传多样性，如武汉、海南居群。利用MVSP, Popgene 和Ntsys 等分析方法探讨了中国产Wolffia 居群遗传多样性和地理分布格局间关系。 3. W. globosa 的生理学研究 建立了较为完善的W. globosa 的无菌培养和保存体系。W. globosa 在逆境中，会形成休眠体;同时，发现不同居群甚至不同克隆系之间其抗逆性和生长速度存在着显著差异，差异最大的如海南文昌居群的生长速率，是长春居群的4.19 倍;不同的时间统计生长周期存在着不同结果，生长节律每天有两个生长高峰呈双“S”型;W. globosa 的耐受温度范围和pH 范围广;低浓度的IAA，GA，6-BA， EDDHA-Fe 以及EDTA 等物质具有促进W. globosa 生长的特性;但是，所有这些处理均没能促使W. globosa 从营养生长转入生殖生长。 4. W. globosa 的解剖学研究 W. globosa 通常是进行克隆繁殖，通过组织切片发现无性分枝子体还未伸出母株之前就已经完成分化，与此同时分枝子体中又分化出新的子体，分枝呈聚伞状，子体生长方向彼此相对;另外，生殖生长结构的分化也是在母体中完成的;生殖生长点与营养生长点不是同一生长点。 5. 浮萍科植物的毒理学研究 以重金属Cr3+和芳香烃衍生物CDNB 溶液处理Wolffia，Spirodela 和Lemna， 三种水生生物，结果表明Wolffia 比Spirodela， Lemna 对重金属和芳香烃衍生物有更强的抗逆能力，如在同等条件下对于Cr3+Wolffia 的半致死剂量800GB(≈ 80mg/L)，而Spirodela 和Lemna 则分别为10mg/L;20mg/L;表明W. globosa 是一个优良的生态环境修复植物。与此同时，研究了W. globosa 中具有解毒功能的GSTs 粗酶液活力在不同浓度的重金属离子（Cu2+和Cd2+）以及芳香烃衍生物（CDNB 和NBD-Cl）随处理时间的变化情况。 6. 从水生生物黄鳝Monpterus albus Zuiew 中分离纯化GSTs 的研究GSTs 活性的变化是环境监测的一个Biomarker，为此研究从M. albus 中分离 纯化GSTs 的技术与方法。经GSH 亲和层析纯化的酶活力为粗酶液的207 倍，进而鉴定了maGST 的部分特性。SDS-PAGE 电泳和MALDI-TOF/MS 表明MaGST 为同源二聚体，分子量约为52kDa，单亚基分子量约为26 kDa。maGST 酶动力学表明对CDNB 为13.07 ± 0.37 微摩尔每分钟每毫克蛋白;对NBD-Cl 为5.54 ± 微摩尔每分钟每毫克蛋白;对ECA、4-NPA 几乎没有活性。在GSH 底物饱和，CDNB 的Km 值和Vmax 分别为0.32 mM 和16.19 微摩尔每分钟每毫克蛋白;CDNB 底物饱和，GSH 的Km 值和Vmax 分别为0.44 mM 和28.83 微摩尔每分钟每毫克蛋白。maGST 的酶活性pH 值较宽，温度范围广：在pH7.0-7.5 具有最大速度，在pH6.5 和pH8.5 时分别具有65%和72%的酶活力;在45℃时具有最大活性，30℃和55℃时为最大活力的80%，60℃几乎完全丧失酶活力。

水稻Phi类谷胱甘肽转移酶基因家族的功能分化研究

在植物中大多数功能基因是以基因家族的形式存在的，而基因重复则是基因家族的一种重要的进化方式。很多基因往往是由重复事件产生形成不同的拷贝，进而分化形成基因家族。谷胱甘肽转移酶（GSTs）是一类古老、庞大、行使解毒、抗逆、信号转导等多种功能的一个基因家族。本研究以栽培水稻（Oryza sativa ssp. japonica c.v. Nipponbare）为研究材料，以栽培水稻的Phi类GST的5个基因（OsGSTF3、OsGSTF6、OsGSTF14、OsGSTF15、OsGSTF16）为研究对象，分析了它们的系统发生和起源历史、不同组织的差异性表达、编码蛋白质的功能差异等问题，探讨了基因重复后5个基因的功能变化，主要结果如下： 1. OsGSTF3、OsGSTF14、OsGSTF15、OsGSTF16由串联重复产生，而OsGSTF6则由DNA转座产生;它们起源时间早在稻属（Oryza）分化之前。 2. 对水稻不同部位组织的RT-PCR结果表明这5个基因在水稻中的特异性表达组织部位有较大差异：OsGSTF3基因在叶、叶鞘、茎、根4个部位均有大量表达;OsGSTF6基因仅在叶中有表达;OsGSTF14基因在叶鞘、茎2个部位中有表达;OsGSTF15基因在茎、根2个部位中有表达;OsGSTF16则在叶、茎、根3个部位中有表达。 3. 将这5个基因连接原核表达载体PET30a并转化大肠杆菌BL21（DE3），获得了高表达菌株。将表达菌株进行大量表达，表达形式分析显示OsGSTF3蛋白是可溶性表达，而其余4个蛋白以包涵体的形式表达。通过亲和层析获得了纯化的OsGSTF3融合蛋白，OsGSTF3融合蛋白对底物CDNB和NBD-Cl具有高活性，酶动力学分析显示OsGSTF3融合蛋白对GSH与NBD-Cl有较高的亲和力，热力学分析显示该蛋白在40℃以下是热稳定的。通过对包涵体进行洗涤、亲和层析获得了纯化的OsGSTF6、OsGSTF14、OsGSTF15、OsGSTF16的融合蛋白，OsGSTF14融合蛋白对NBD-Cl有微弱活性，OsGSTF15融合蛋白对NBC有较高的活性，而没有检测到OsGSTF6与OsGSTF16融合蛋白的活性。

sporamin A ipt嵌合质粒的构建及其对马铃薯的转化

细胞分裂素在植物的生长、发育过程中起着重要的作用，来源于农杆菌Ti质粒上基因4区域的ipt基因特异地编码控制细胞分裂素生物合成中的关键酶－－异戊烯基转移酶。 启动子是一类非常重要的基因表达调控元件，在植物的生长、发育过程中控制着基因的时空及顺序表达。来源于甘薯的Sporamin有两种类型（A和B），它是甘薯块根中的主要贮藏蛋白，并且特异地在块根中表达。我们将sporamin A启动子和ipt基因嵌合构成双元载体pBz213，使之进入农杆菌，然后再转化马铃薯，已经得到了具有卡那霉素抗性的小植株，进一步的检测工作正在进行中。在马铃薯块茎中可望异戊烯基转移酶特异地合成，并且能够增加细胞分裂素的水平。

细胞分裂素的测定及其转基因植物的基因表达和调控的研究

细胞分裂素是一类重要的植物激素，它参与调节许多植物的生命活动过程。本文从几个方面研究了细胞分裂素的作用。 在细胞分裂素的活性测定中，通过改进尾穗蔸苋红素合成法建立了一种简便、准确的生物试法，同时还建立了根据物理化学和免疫学原理而测定细胞分裂素的HPLC和ELISA方法，使得细胞分裂素的定量更加准确。经过对上述三种方法的相互验证实验表明，同时采用二种方法可以保证细胞分裂素分析的准确和可靠。 细胞分裂素可以促进黄瓜子叶的扩张。利用离体黄瓜子叶，分析BA诱发其扩张与子叶内源细胞分裂素之间的关系，实验证明，BA能促进玉米素及其核苷的迅速积累，进而诱发子叶的扩张。上述结果还表明，黄瓜子叶可能具有合成细胞分裂素的能力。 荸荠球茎是一种贮藏器官，但实验测定发现其中含有细胞分裂素的生理活性形式——异戊烯基腺嘌呤核苷(iPA)，而且合成它的前体腺嘌呤的含量也十分丰富，考虑到球茎与种子的类似之处，推测它可能做为合成细胞分裂素的一个源，而且其合成途径可能有别于植物其它组织。 农杆菌中的异戊烯基转移酶(ipt)基因是负责细胞分裂素生物合成的关键基因。将ipt基因克隆后对其启动子进行了改造，分别构建了如下三种基因：(1) ipt启动子+ipt编码区和3，区(ipt)，(2)磷酸核酮糖羧化酶小亚基启动子SSU 301+ipt编码区和3，区(SSU -ipt)，(3)豌豆种子特异性启动子viciln+ipt编码区和3，区(vic-ipt)。上述三种基因经农杆菌介导转化烟草，获得了16株再生植株，经Southern杂交证明其中15株的基因组上含有正常整合的ipt基因。Northern杂交表明有13株转基因烟草中的ipt基因能转录出大小正常的ipt mRNA并促进了细胞分裂素的生物合成。 实验表明，转基因烟草中ipt基因的表达受到多种因素的调控。首先启动子决定了ipt基因的表达模式，SSU -ipt基因的表达受光的诱导，黑暗中这种基因的转录完全停止，而vic-ipt基因的表达是种子特异性的，它不在烟草营养生长器官如根、茎、叶和愈伤组织中表达。第二，生长素能降低ipt基因的表达活性。第三，在整体植物的根中，存在某些反式因子，能够控制ipt基因的过量表达，这其中可能涉及到细胞内的蛋白因子、基因的甲基化作用及细胞分裂素的反馈调节等。 vic-ipt基因在烟草种子中的特异性表达导致种子内形成了一个细胞分裂素合成的源(source)。对种子中营养物质积累的研究表明，ipt基因的表达促进了种子干物质的积累，其中作用最明显的是增加种子内蛋白质的合成。转入vic-ipt基因后的烟草种子其萌发率没有显著变化，但幼苗的生长速率明显加快，这表明细胞分裂素能调节植株的生长。 通过Northern杂交检测转基因烟草中基因表达的调控，实验证明，ipt基因的表达明显抑制一组植物病理相关蛋白(PR)基因的转录活性，这组基因编码：几丁质酶，β-1，3一葡萄糖苷酶，伸展蛋白和渗调蛋白。对这些调控作用的生理学意义还有待进一步探索。 上述结果表明，在高等植物中，除了传统上认为根是合成细胞分裂素的部位之外，其它组织和器官也具有合成细胞分裂素的能力，其中合成能力最强的是一些离体组织和贮藏器官。农杆菌中的细胞分裂素生物合成基因(ipt)能够在高等植物的基因组中正常的整合和表达，并受到植物体内生理、发育等多种因素的调控，而与整体植物的正常生理过程协调一致。ipt基因的表达还能够调节植物体的生长和发育，包括种子发育时营养物质的积累、幼苗的生长和某些相关基因的表达。对上述问题的深入研究,必将促进细胞分裂素及其相关生理学和发育学研究的进展。

烟草FtsZ基因的表达特征分析及其对质体发生的影响

FtsZ (filamentation temperature-sensitive，fts)是广泛存在于原核生物和高等植物中的一种功能蛋白。它控制着原核细胞和质体的分裂过程。研究该基因的表达调控特征，为我们进一步认识原核细胞和质体分裂的分子机制及真核细胞的起源和进化等重要问题提供了新的思路。从烟草克隆FtsZ cDNA，构建了谷胱甘肽转移酶（GST, glutathione S-transferase，EC 2.5.1.18）与FtsZ融合蛋白的表达质粒，并将其导入到在异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)诱导下能高效表达的JM109大肠杆菌中。高表达的融合蛋白通过谷胱甘肽一琼脂糖(glutathione-agarose)亲和层析和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳纯化后，用以免疫兔子制备抗血清。免疫印迹法表明烟草FtsZ基因表达具有明显的组织器官特征，在质体（叶绿体）分裂活跃部位表达强：幼嫩花瓣>幼叶>幼根>老叶>茎。黑暗处理l天对FtsZ表达似乎无影响，随黑暗培养时间延长，FtsZ蛋白表达逐渐降低，叶绿体转化成为数目众多（增加2-3倍）体积小的淡黄色或白色质体。该实验结果显示，光对植物FtsZ基因表达很可能无直接影响，FtsZ基因表达强弱是决定质体（叶绿体）分裂和细胞中质体（叶绿体）数目多少的主要原因之一。

羊草细胞差异表达基因分析与遗传转化方法研究

羊草（Leymus chinensis (Trin.) Tzvel），隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部重要建群种之一。羊草是牧草之王，是我国比较有优势的战略性生物资源，对我国北方畜牧业的发展以及生态环境的保育均具有重要意义。近年来，由于缺乏科学管理、过度放牧等不利影响，加之羊草本身固有的“三低”问题（即抽穗率低、结实率低、发芽率低）已对羊草生物多样性维持构成了严重的威胁，限制了我国人工草地建设和天然草地的改良及沙化治理的步伐。因此，如何通过细胞、分子生物学以及生物技术手段改良羊草、快速评价和创造新的种质;如何加快育种进程便成为当前亟待解决的问题。本文围绕这些问题开展了系统的研究并取得如下结果： 1. 建立了羊草离体培养再生体系，并研究了影响愈伤组织诱导和植株再生的因素，影响植株再生的主要因素为激素配比和基因型。将3～5mm的幼穗接种到含有2,4-D 0～5.0mg/L的N6基本培养基上，随着2,4-D浓度的变化，愈伤组织诱导率不同，最高诱导率为93.21%（基因型C6）、最低为33.35%（吉生1号）;愈伤组织在N6(大)＋B5(微)＋KT1.0mg/L+BA1.0mg/L的培养基上可以分化出芽，并在1/2MS培养基上生根。羊草基因型W4不同幼穗诱导的愈伤组织在继代培养过程中其生长、褐化死亡等方面存在着差异;在分化培养过程中，不同幼穗的愈伤组织最高分化率为9.24%，最低分化率为5.26%。 2. 对来自同一基因型不同幼穗的愈伤组织中差异表达的基因进行了研究。采用DDRT-PCR技术对其差异表达的基因进行了分离，通过银染技术显示差异片段。将得到的差异片段进行回收、克隆测序，得到两个差异片段序列，经过序列分析表明，其中一个片段是与水稻翻译延伸因子eEF-1基因高度同源;另一差异片段与水稻谷胱甘肽转移酶GST基因高度同源。 3. 建立了羊草遗传转化方法。在获得羊草离体培养再生体系的基础上，采用基因枪法对羊草两个基因型进行转抗除草剂基因（PAT）的研究。对分别来自基因型W4和C3的愈伤组织各1430和1850块进行转化。在附加1.0mg/L PPT的培养基上进行一系列的筛选培养，共获得了23株再生苗，经过生根筛选培养，得到5株抗性苗，3株来自基因型W4，2株来自基因型C3。对5株植株进行PCR和Southern 检测，得到2株阳性苗，均来自基因型W4，对阳性植株经过无性繁殖得到的无性系进行PCR检测及Basta耐受性鉴定，外源基因可以在其无性系稳定遗传并表达，无性系除对Basta具有抗性外，其表型特征与对照无明显区别。

水稻幼苗脱黄化过程以及灌浆期茎的蛋白质组学研究

水稻既是我国三大粮食作物之一，又是基因组学研究的模式材料，在生产实践和科学研究中都占有极其重要的地位。基因组学研究取得的巨大成就以前所未有的深度和广度推动了生命科学各个研究领域的飞速发展。水稻基因组的破译是水稻科学研究的重要里程碑，同时也宣告了功能基因组学时代的到来。蛋白质组学是研究细胞内全部蛋白质的动态表达及其相互关系的新兴学科，是功能基因组学研究的重要组成部分和战略制高点。 本论文采用高分辨率的蛋白质双向电泳分离技术和高通量的蛋白质质谱分析技术以及生物信息学等手段，开展水稻灌浆期茎蛋白质组表达模式和水稻幼苗脱黄化过程的比较蛋白质组学研究，探讨茎生长发育规律和水稻应答光信号相关蛋白质及其网络调控机制，是学科前沿与实际应用的有机结合，在科研和生产实践中都具有重要的意义。 首先，分别构建了灌浆期水稻顶端茎段和水稻黄化幼苗的蛋白质组表达谱。并对其中185个目的蛋白点进行了MALDI-TOF/MS分析和数据库检索鉴定。共有149个蛋白质得到了鉴定，蛋白质鉴定的成功率为80.5％。这些被鉴定的蛋白质分属118个基因的表达产物，根据它们功能可以分为13种不同的类别，其中绝大多数为能量产生和代谢以及抗性相关的蛋白质。 在水稻灌浆期顶端茎段表达的蛋白质中，与能量和物质代谢相关的蛋白质例如ATPase、磷酸丙糖异构酶，6－磷酸葡萄糖异构酶等占有很高比例，说明茎段组织中具有很强的代谢活动。与生长发育相关的蛋白质包括beta-tubulins、无机焦磷酸酶（inorganic pyrophosphatase）、液泡质子ATP酶（vacuolar proton-ATPase）以及UDP葡萄糖焦磷酸酶等的大量累积，显示出顶端茎段细胞分裂和生长迅速;同时，贮存多糖和结构多糖也在旺盛合成。G蛋白、GDP释放抑制因子等信号传导蛋白以及苯丙氨酸氨解酶、谷胱苷肽S转移酶（glutathione S-transferase，GST）、抗坏血酸过氧化酶（ascorbate peroxidase，APX）以及超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等抗性相关蛋白质在该时期丰度表达，表明在灌浆期水稻顶端茎段能够迅速感受并传递外界信号，从而使得其在遭受胁迫时能够立刻启动抗逆防御系统，最大限度地降低不利环境对种子发育的影响。 在黑暗中萌发和生长的水稻黄化幼苗随着光照时间（0~24小时）的延长，能通过双向电泳后检测到的蛋白质逐渐变少，24小时后趋于稳定，相当于正常光照条件下生长的水稻幼苗蛋白质组表达谱。进一步分析表明，在黄化苗中，分解代谢及能量产生相关的蛋白如丙糖磷酸异构酶、琥珀酰辅酶A连接酶、异戊酰辅酶A脱氢酶与ATPase等的表达量比较丰富;另外，还可能启动了脂肪酸的α氧化分解途径，以供黑暗中生长所需的物质和能量。当黄化幼苗光照后，与光合作用及物质合成相关的一些蛋白质表达量增加，而那些分解代谢相关酶类则有所下降。同时，鸟核苷酸结合蛋白β亚基类似蛋白、20S proteasome以及Bowman Birk trypsin inhibitor等信号传递及抗性相关蛋白随着光照时间的延长而减少，说明黑暗胁迫条件下水稻幼苗启动了相关的抗逆途径。叶绿素合成途径中的蛋白酶胆色素原脱氨基酶和金属鳌合酶在脱黄化过程中表达量有所下降，可能是因为叶绿素合成产物具有反馈抑制作用。 本研究首次利用蛋白质组学方法来解析水稻灌浆期茎蛋白质组表达模式和水稻黄化幼苗响应光因子的蛋白质组变化情况，鉴定了一些有价值的蛋白质，并得到了它们的表达特点和相关数据，为更好地理解水稻顶端茎秆的生长特点和功效、水稻应答黑暗胁迫和光形态建成以及光合作用机理等提供了分子证据。