青蒿的遗传转化及青蒿素生物合成的调控

利用发根农杆菌(Agrobacterium rhizogenes)1601，1000，1500，15834，A4，均成功地转化了中药青蒿(Artemisia annua L.)并且建立了pRi1601，pRi15834，pRiA4诱导的发根培养。pRi1601，pRi15834的发根诱导率比其它质粒高。太老或太幼的叶片不利子发根的诱导;发根主要从叶脉的伤口处萌发;带顶芽或带侧芽的叶片容易诱导根，但不一定是发根。光照有利于发根的诱导和发根的生长。以每个发根的“绝对生长速率”(Gtowth Ratio，GR)和绝对“侧根”数量(Number of Side Roots，NSR），通过大量的发根系的筛选，建立了8个发根系，1601-L-1, 1601-L-2, 1601-L-3, 1601-L-4, 15834-L-1, 1601-P-I, 16 01-P-2，15834-L-2。Southern分子检测表明，160l-1-1，1801-L-2, 1601-L-3，1601-L-4，1601-P-1，1601-P-2均为转化子。8个建立的发根系之间无论生长或者QHS的合成存在明显的差异。比较光／暗(16/8hrs)，25℃条件下培养的16 01-L-1，1601-L-2，1601-L-3，1601-L-4，1601-P-l，和1601-P-2，其中16 01-L-3的生长最快，160l-L-1的生长最慢;但是，1601-L-1的QHS的含量最高（可达1. 048%），1601-1-3的QHS的含量最低。160Z-L-3，15834 -L-1和2583:1-L-2的生长速率相差不大。用盛有l000mLMS液体培养基的3000mL的锥形瓶扩大培养1601-L -3，15834-L-1和15834-L-2，转速为ll0rlpm，培养过程中发根容易形成发根球（Hairy Root Balis，HRB），HRB的形成严重影响发根的生长和QHs的合成，HpLC分析表明扩大培养发根中QHS的含量比较低。 改变MS基本培养基中的无机离子的浓度，研究不同无机离子对发根生长和QHS的合成的影响。 l、KN03为18.79×10-3M时有利于1601- L-1生长，为14. 84×10-3M时有利于QHS的合成。NH-4N0-3浓度在10.93-12. 49×10—3M范围内有利于1601-L-1生长，在0-20.62×10-3M范围内对QHS的合成影响不大，大于20. 62×lO-3M不利QHS的合成。培养基中NH-4+／N0-3-比值为0. 37-0. 4-0.52:1时有利于发根的生长，比值为0.52 - 0.58:1时有利于QHS的合成。 2、H-2P0-4-浓度为2.498×10-3M时有利于发根的生长在0-2. 498×l0-3M范围内，随着浓度的提高，促进发根的生长。培养基中的H2P4 -的浓度在0-1.249×lO-3M的范围内，随着浓度的提高，促进QHS的合成，为1.249×10-3M时QHS的含量最高。 3、培养基中最适16 01-L-1生长的Ca-2+浓度为0.198- 0.766×10-3M，大于或小于该浓度范围，显著地抑制发根的生长。但是，在0-3.695×10-3M范围内，随着培养基中Ca-2+浓度提高，促进QHS的合成，最适Ca-2+浓度为3.695×l0-3M。 4、培养基中不加Mg-2+时，完全抑制发根生长，在0. 142×10-3M-7.506×l0-3M浓度范围内，对发根生长影响没有明显的差别。但是，HPLC和UV分析发根中QHS含量，培养基中不加Mg-2+时，发根中QHS含量最高。 5、培养基中的Fe-2+浓度在0. 25 -1．0×10-3M范围内，同时有利于16 01- L-1的生长和QHS的形成。 6、培养基中最适合予16 01- L-3生长的KI浓度为2.5ppm，大于或小予该浓度均显著地抑制发根的生长，培养基中加入KI明显地降低发根中的QHS的含量。 7、H2BO3对l601-L-l生长影响不大，HPLC分析QHS的含量，培养基中的H3BO3浓度为100ppm和400ppm，QHS的含量分别为1.69mg/g和1.80mg/g(DW)。 8、Cu-2+对1601-L-3的生长影响显著，最适合1601-L-3生长的Cu-2+浓度为1.00ppm，在0 -1.00ppm的浓度范围内，随着培养基中的Cu+浓度的提高，发根的生物量不断增加。培养基中QHS合成的最适Cu2+浓度为0.05ppm，大于或小于该浓度均显著地抑制发根中QHS的合成。 比较光培养和暗培养对发根生长的影响，结果表明光照明显地促进1601-L-l的生长，暗培养明显不利于发根的生长。最适合于发根生长的温度为25℃，大于35℃显著地抑制发根的生长，影响发根的根尖细胞的正常分裂。 改变培养基中的蔗糖浓度和在发根培养的不同时期给培养基中添加蔗糖，试验结果表明蔗糖作为碳源对1601-L-3和1601-L-1的生长具有显著的影响。 (1)培养基中缺少蔗糖显著地抑制发根的生长。 (2)发根培养的前5天时间内，蔗糖浓度为30- 60glL昀培养基最有利于发根的生长，50glL的培养基中的发根生长最快，培养基中的蔗糖浓度大于60g/L小于30g／L时，发根的生物量增加较少。 (3)发根培养至第15天时，蔗糖浓度为60g/L的培养基最有利予发根的生物量的增加。发根培养至30天时，蔗糖浓度为60-90g/L的培养基，发根的生物量的增加相差不大，但是为蔗糖浓度为30-40g/L的培养基中的发根生物量一倍。 (4)发根培养过程中，分别于第5和15天给蔗糖浓度为30g/L的培养基中添加一次或二次蔗糖，使培养基中的蔗糖终浓度相当于60g/L或90g/L，培养至30天时，添加蔗糖的培养基中的发根的干重生物量相当于不添加蔗糖培养基中的发根生物量一倍，相当于初始蔗糖浓度为60g/L和90g/L培养基中发根的生物量。 (5)随着培养基中蔗糖浓度的提高，发根干重/鲜重比显著增加。培养基中的蔗糖的消耗量与发根生物量的增加呈正相关，蔗糖消耗越多，发根生物量的增加越大。 比较pH值对发根生长和QHS合成的影响表明，灭菌前pH值在5.O-6.5范围内的培养基适合予1601-L-1的生长，小于5.O不利于发根的生长，pH5.8有利于1601-1-1生长和QHS的生物合成。发根收获时培养基中的pH值一般为4.5-5.2. pH7.O抑制发根的生长，pHl0.O对发根具有强烈的致死作用。发根在培养过程中，对培养基中的pH值具有显著的调节作用，发根能在很短的时间内(24- 48hrs)使pl:l值为5.8、6.4、7.0培养基降低到pH4. 5-5.2，pH为5.8的培养基有利于QHS合成。 比较不同基本培养基对发根生长和QHS合成的影响，试验结果表明N6、DCR、Litvay培养基有利于1601-L-1的生长，WS、White、B5培养基不利于发根的生长。DCR培养基中的QHS含量最高。 根据三水平试验选用三水平正交表来安排试验的原则，选用三水平正交表L7(3-)，研究多因子效应对发根生长和QHS合成的影响，试验结果表明，Mg2+，Fe2+，Mn-2+，NH4NO3，KN03 ,KI,Ca-2+为发根生长的主要因子，NH4N03，KNOs，Mg2+，Ca2+，肌醇为QHS合成的主要因子。 通过TLC分析发根中QHS和其它化学成分，同时比较发根和无菌苗及野生植株的化学成分，发根和无菌苗均能合成包括QHS在内的野生青蒿叶片中的大部分非挥发性的化台 物。 研究青蒿植株在发育过程中QHS的含量的变化以及发根、无菌苗和野生青蒿中QHS的合成，HP分析结果表明，l、不同的单株青蒿之间的QHS量相差很大。2、同一植株幼 叶的QHS含量比老叶的QHS含量高。3、不同单株青蒿之间达到最高QHS含量的时间不一样，开花期或开花之前。4、无菌苗（带根）或者不带根丛生芽均能合成QHS，但是带根的无菌蕾的QHS量比丛生芽中的QIS的含量高。5、不同发根农杆菌转化的发根系1601-L-1和15834-L-1都能合成ＱＨＳ。

棉花抗虫基因工程研究

本文通过根农杆菌（Agrobacterium tumfaciens）介导法分别将Signal和KDEL修饰的豇豆胰蛋白酶抑制剂（Cowpea trypsin inhibitor, CpTI）基因、豌豆外源凝集素（Pea lectin, P-Lec）和大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（Soybean Kunitz typsin inhibitor, SKTI）双价抗虫基因、雪花莲外源凝集素（Galanthus nivals agglutinin, GNA）基因以及高效复合启动子OM控制的苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis, B.t.）杀虫毒蛋白基因导入了陆地棉（Gossypium hirsutum L.）栽培品种新陆早1号、新陆中2号、晋棉7号、冀合321、辽9和晋棉12号，并获得了大批转基因再生植株。 实验中对影响棉花转化和再生的一些条件进行了研究，从根农杆菌培养、棉花无菌苗的制备、转化操作和共培养等方面对转化条件进行了探讨;从激素配化、植物表达载体、外植体类型、基因型等方面对抗性愈伤组织的诱导进行了摸索;从激素、从碳源、培养容器、pH值、抗褐化剂及固化剂的选择等方面对影响植株再生的条件进行了优化。 本文开创性地采用嫁接代替移栽，从而极大地提高了转化植株定植成活率，缩短了缓苗时间并增加了转化植株当代的繁殖系数。 在建立了一套较为高效的陆地棉转化及再生系统基础上，本文还进行了其它转化方式和转化体系的初步探讨。利用棉花幼嫩种子无菌苗下胚轴作为外植体，通过改变愈伤组织诱导培养基配方面提高胚性愈伤组织的诱导频率，进而得到更多的体细胞胚状和再生植株，缩短再生周期;尝试用胚性愈伤组织作为外植体的根农杆菌介导法转化，确定了一些与转化有关的条件;建立了一套棉花茎尖培养程序，为运用基因枪法轰击棉花茎尖分生组织或用根农杆菌直接转化茎尖分生组织，以克服根农杆菌转化棉花时体胚发生的基因型局限开辟了一条新途径。 本文还建立了一种快速鉴定转化植株后代的方法。这一简便方法还有助于进行转基因棉纯合系的筛选以及外源基因的遗传稳定性研究。 转基因植株经Npt-II ELISA、PCR、PCR Southern 检测证明外源抗虫基因CpTI、SKTI、P-lec、GNA以及B.t.基因已存在于转化植株基因组内。修饰的CpTI转基因植株抗棉铃虫（Heliothis armigera Hubner）试验结果表明，其杀虫效果显著优于前期未修饰的CpTI转化植株。P－lec和SKTI双价转基因植株抗棉铃虫试验结果表明，转基因植株对棉铃虫幼虫具有较强的杀虫活力。 目前，已获得转以上抗虫基因棉花T1代植株。为今后进一步将植物基因工程技术应用于棉花遗传改良打下了基础。

重金属胁迫相关基因PvSR2在大肠杆菌中表达和转化烟草

近年来植物重金属的耐性机制研究及抗重金属基因工程取得了很大进展。本文将来自于菜豆(Phaseolus vulgaris)的特异性重金属胁迫相关基因PvSR2 (Phaseolus vulgaris stress-related protein, PvSR)的cDNA序列克隆到大肠杆菌高效表达载体pBV221的PR PL启动子的下游，构建了原核表达载体pBV221-PvSR2。通过温度诱导，在大肠杆菌中成功地高效表达了PvSR2基因。经重金属(CdCl2)抗性检测，实验组比对照组有明显的抗性。 同时，将该基因克隆到植物转达化中间载体pCAMBEIA2301的花椰菜花椰病毒的35S启动子下游，利用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)Ti质粒介导的遗传转化系统，成功地将该基因导入了烟草的基因组，获得了转基因植株。

真菌诱导子对青蒿发根生长和青蒿素生物合成的影响及开花与青蒿素生物合成的相关性研究

本论文主要包括以下两部分内容： 一、真菌诱导子对青蒿发根生长和青蒿素生物合成的影响 用3种真菌诱导子[大丽花轮枝孢（Verticillium dahliae Kleb.）、葡枝根霉(Rhizopus stolonifer (Ehrenb. ex Fr.) Vuill)和束状刺盘孢(Colleto trichumdematium (Pers.) Grove)]分别处理青蒿(Ar temisia annuaL．)的发根，这3种真菌诱导子均能促进发根中青蒿素的合成，其中以大丽花轮枝孢的诱导效果最好;对细胞生长均没有明显影响。经大丽花轮枝孢处理的发根中青蒿素含量达1. 12 mg/gDW，比对照(0. 77 mg/g DW)提高45%。诱导子的作用效果与诱导子浓度、诱导子作用时间及发根的生长状态有关。对大丽花轮枝孢来说，诱导子作用的最适浓度为每毫升培养基含糖0.4 mg;发根在指数生长末期对诱导作用最敏感：在加入诱导子4d后收获发根，发根中的青蒿素含量最高。 二、早花基因FPF1、co对青蒿开花时间的影响及开花与青蒿素生物合成的相关性 1．将来源于拟南芥的早花基因Flowering Promoting Factorl (FPFl)插入到植物表达载体pBI121中，构建CaMV 35S启动子控制下含FPFl基因的植物表达载体pBI121FPF/，用含有pBI121FPF/质粒的根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404感染青蒿(Artemisia annua L.)叶片并诱导丛生芽，经卡那霉素筛选，获得转基因抗性植株。PCR、 PCR-Southem blot及Southern blot检测表明，外源基因FPFI已整合到青蒿基因组中：RT-PCR及RT-PCR Southern blot分析表明，外源基因在转录水平上已有表达。在短日照条件下，FPF1转基因植株的开花时间较对照提前20天左右，但提早开花的转基因植株与未开花的对照其青蒿素含量无明显差异，即提早开花并不能使开花植株的青蒿素含量有所提高，开花与青蒿素合成之间可能没有直接的关系。 2．将拟南芥的早花基因CONSTANS (CO)置于CaMV 35S启动子之下，通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA4404介导转入青蒿(Artemisia annuaL．)，使之在青蒿中表达，并得到了抗性植株。PCR、PCR-Southem blot及Southemblot检测表明，外源基因co已整合到青蒿基因组中;RT-PCR及RT-PCR Southemblot分析表明，外源基因在转录水平上已有表达。在短日照条件下，co转基因植株的开花时间较对照提前2周左右，但提早开花的转基因植株的青蒿素含量与未丌花的对照无明显差异，即植株开花前青蒿素含量的提高并不是由于开花本身引起的，再次证明，开花与青蒿素合成之间可能没有直接的关系。

紫黄质脱环氧化酶在烟草中的过量表达和反义抑制研究

叶黄素循环被发现具有热耗散的作用后，已引起人们广泛的关注。目前普遍认为叶黄素循环的色素定位于天线色素蛋白复合体上，在跨膜质子梯度（ΔpH）形成后，玉米黄质（zeaxanthin;Z）和环氧玉米黄质（antheraxanthin;A）能够从叶绿素中吸收过多的激发能，并以热能的形式耗散到体外，从而保护光合器官免受强光的破坏。紫黄质脱环氧化酶（Violaxanthin de-epoxidase;VDE）是叶黄素循环的关键酶，存在于植物类囊体内腔中，它催化紫黄质（violaxanthin）脱环氧化生成环氧玉米黄质(A)和玉米黄质(Z)。本文利用过量表达和反义抑制技术获得两种转基因烟草植株，并用于研究紫黄质脱环氧化酶在叶黄素循环中的作用。 首先我们从烟草中克隆了编码VDE酶的基因，分别以正向和反向插入到具有潮霉素抗性选择标记的双元载体pCAMBIA1301，构建了Tvde基因的过量表达载体pCBTO和反义抑制表达载体pCBTA。然后通过根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导法转化烟草(Nicotiana tabacum L.)，获得了过量表达和反义抑制两种转基因植株。PCR扩增潮霉素抗性基因hpt和Southern杂交检测结果表明，Tvde基因已整合到转基因烟草的基因组中，外源基因在转基因烟草基因组中以1个拷贝的形式存在。VDE酶活性测定表明，在反义抑制转化体中VDE酶活性被抑制60%，而在过量表达转化体中VDE酶活性提高了75%。通过色素的HPLC分析和荧光动力学测定结果表明，强光处理后，在反义抑制转化体和过量表达转化体中，Z的含量，DES，NPQ和Fv/Fm等数据说明转基因烟草中VDE含量与植物非光化学猝灭能力有直接关系，进而说明叶黄素循环具有热耗散的功能。

由农杆菌介导将葡萄糖氧化酶基因转入水稻

过氧化氢（Hydrogen peroxide,H2O2）是植物和病原微生物互作中快速合成的一种早期活性氧类（reactive oxygen species, ROS ），它在植物受到病原微生物侵染后引发的一系列防御反应中起着非常重要的作用，因此通过外源基因导入提高植物体内过氧化氢的含量，可以增强植物的广谱抗病性。葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GO）可以催化β-D-葡萄糖氧化生成过氧化氢和葡萄糖酸，此酶已在数种细菌和真菌中检测到，但在植物和动物中仍未发现。为了尝试将此酶应用于水稻广谱抗病基因工程，本研究将葡萄糖氧化酶基因插入具有潮霉素抗性选择标记的双元载体pCAMBIA1301，新构建为水稻高效表达载体pCAG1301。将此质粒导入根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens ）菌株LBA4404后,转化粳稻(Oryza sativa )品种日本晴(Nipponbare)成熟胚来源的愈伤组织和幼胚，并由筛选出的潮霉素抗性愈伤组织分化再生植株。对所得到的潮霉素抗性植株的Southern杂交分析表明GO基因已整合到受体基因组,为单拷贝或双拷贝插入。利用过氧化氢与淀粉-碘化钾反应显蓝色的特性检测到了转基因植株产生的过氧化氢，证实GO基因表达产生的葡萄糖氧化酶已经在水稻中发挥功能，这是将GO基因转入单子叶植物的首例报道。 基于过氧化氢诱导的植物防御反应没有种属专一性的优点，可以预期所得转基因水稻植株很可能对水稻的多种病原菌具有良好的抗性。已完成的抗病性鉴定表明，所得转基因水稻植株对稻瘟病具有良好的抗性。

BADH基因转化番茄提高耐盐性的研究

甜菜碱是植物在盐、干旱或其它胁迫下在细胞中迅速积累的一种相容性有机小分子化合物，它在细胞中的积累与植物抗盐性的提高密切相关。甜菜碱醛脱氢酶（BADH）催化甜菜碱醛转化为甜菜碱。我们将来源于耐盐植物山菠菜（Atriplx hortensis L.）的BADH基因通过农杆菌介导法导入‘百丽春’番茄(Lycopersicon esculentum L. ‘Bailichun’)中，并获得15株转化植株，PCR、Southern和Northern检测表明，其中的6株有外源BADH基因的整合，5株中BADH基因能够正常表达，但不同植株间BADH基因的表达水平和BADH酶活力有较大差异。对叶片电导率的测定表明，转基因植株比野生型的耐盐性有较大提高。T1代分析表明，检测的两个转基因株系后代遵循孟德尔分离规律，90mmol/L NaCl胁迫下种子发芽率提高了2~4倍，幼苗的苗高、根长和须根数三个指标均明显优于对照。部分T1代植株在水培条件下能够耐受180mmol/L NaCl胁迫。 植物耐盐的另一机理就是利用液泡膜上存在的转运蛋白将细胞内的有毒离子区域化。我们将已转入编码转运蛋白基因AtNHX1的番茄品种‘Moneymaker’（L. esculentum‘Moneymaker’）株系X1OEA1通过农杆菌介导法转入山菠菜BADH基因，以期获得转双基因耐盐番茄。目前已获得转基因植株，PCR结果证明部分抗性幼苗中已整合了BADH基因，其它各项分子检测正在进行中。

烟草NtFtsZ2-1基因在叶绿体分裂中的作用机制研究及NtFtsZ1-2基因启动子的克隆

根癌农杆菌通过将一段含有“癌”基因的T-DNA导入植物基因组中，引起植物的肿瘤：冠瘿。根癌农杆菌的这种能力来源于Ti质粒（Tumor inducing plasmid）。遗传工程中，根癌农杆菌的这一特性被用来将连接入Ti质粒T-DNA区两个边界之间的外源基因转入植物基因组。随着植物分子生物学的发展，T-DNA转化的原理被进一步阐明，农杆菌介导的转基因技术也得到进一步优化，更适合遗传工程操作。特别是Ti质粒毒性区和T-DNA区的反式作用（即位于不同质粒的T-DNA和毒性区也能侵染植物）被发现以来，双元表达载体的构建使遗传工程操作大为简便。 常用的双元表达载体大小都在11kb以上，尽管远远小于几百kb的野生型Ti质粒，但在实际的体外操作中还是不够简便。常用的植物双元表达载体pBI121的基因序列被测定（Frisch et al.，1995），数据显示非T-DNA区一半以上的序列被发现和功能无关，这使双元载体的进一步缩小成为可能。本文即通过PCR方法克隆到pBI121非T-DNA区中载体复制、三亲杂交必需的片段，结合载体pART27中的T-DNA区（含有真核、原核表达活性的嵌合npt II基因）创造了小的合成型植物表达双元载体pSY1（小于7kb）。然后将pBI121上带有35S启动子和nos终止子的GUS基因克隆到pSY1的T-DNA区中，得到pSY2（约10kb）。进一步用pROK2上的35S启动子和nos终止子区替换pSY2上的GUS表达区，得到pSY3（约8kb）。通过三亲法将pSY2转入根癌农杆菌中，根癌农杆菌再通过叶盘法侵染烟草叶片，获得愈伤组织，愈伤组织进一步分化出小苗。GUS组织化学染色表明GUS基因在转基因的愈伤组织和小苗中均有表达，PCR检测也证明GUS基因被导入了植物基因组。pSY系列载体能成功的用于植物遗传转化。

青蒿高效遗传转化体系的建立与青蒿素生物合成的分子调控

青蒿素是从中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）中提取的新型抗疟特效药。青蒿素在国际市场上供不应求，而青蒿植株中青蒿素的含量很低，因此如何提高青蒿素的产量成为近年来研究的热点。通过基因工程获得转基因青蒿高产株系是提高青蒿素产量的最有潜力的途径之一。 对不同基因型青蒿进行不同的激素浓度配比的比较研究，得到丛生芽诱导率较高、生根诱导率较高的激素配比，从而建立了青蒿高效再生体系。然后系统地分析了青蒿丛生芽诱导、丛生芽生长、丛生芽生根诱导对Kan的敏感性。对影响根癌农杆菌介导青蒿转化的转化效率的两个主要因素，即农杆菌类型和青蒿基因型，以及其它影响因素，即预培养时间、侵染液的组成、共培养的方式和时间进行比较研究，建立了根癌农杆菌介导的青蒿高效转化体系。本高效转化和再生体系的转基因植株的得率为4%至10%，而且转基因植株再生周期短，再生能力强。 通过基因工程，在青蒿高产株系中过量表达本实验室从青蒿中克隆的FPS基因，结果转基因青蒿中FPS的酶活性是非转基因青蒿的2-3倍;转基因青蒿的青蒿素含量最高可达0.9%（DW），是非转基因青蒿中青蒿素含量的1.34倍。这些结果进一步论证了FPS在青蒿素生物合成代谢中的调控作用。

农杆菌介导的双价抗盐基因转化番茄的研究

近年来，植物耐盐生物技术研究取得了可喜的进展，特别是通过抗盐基因转化在一定程度上使植物的耐盐性得到了提高。然而，植物的耐盐性是一个多基因控制的复杂性状，依赖于多个基因之间的相互作用。因此，只是将单个基因导入植物获得的抗逆性还是远不能达到满意的效果。一般认为，将多个与耐盐相关的基因转入到同一个植物（即所谓的“复合基因转化”）将会大大提高转基因植物的耐盐能力。 渗透调节是植物抵御盐胁迫的主要方式。植物渗透调节的方式分为两类：一是在细胞中吸收和积累无机盐，如通过离子通道、Na+/H+逆向运输蛋白和ATP酶/H+泵;二是在细胞中合成有机溶质，如脯氨酸和甘氨酸甜菜碱。 我们通过农杆菌介导法向转AtNHX1（拟南芥Na+/H+逆向运输蛋白编码基因）的番茄（Lycopersicum esculentum L. ‘Moneymaker’）株系X1OEA1自交二代植株（T2）中转入山菠菜甜菜碱醛脱氢酶基因（BADH）。PCR、Southern、RT-PCR和甜菜碱含量分析结果证明，BADH已经整合到目标植物基因组，并在转基因植株中转录和翻译表达。叶绿素荧光（Fv/Fm）、相对电导率（Rc/Rc’）、叶绿素含量（Chla+b）、叶绿素a/b比（Chla/b）和光合速率（Pn）测定结果表明，在200 mM NaCl 胁迫下，二次转化的番茄植株各项生理指标均优于转单基因AtNHX1的番茄。初步证明“复合基因转化”有助于进一步提高植物的耐盐性。同时对番茄的转化系统进行了优化，结果表明使用抗生素‘特美汀’作为抑制农杆菌的抗生素的转化效率明显高于使用头孢霉素。

二穗短柄草的遗传转化及VER2等基因在水稻中的功能初探

作为模式植物，水稻和拟南芥对于禾本科植物的研究都有其不足，二穗短柄草（Brachypodiumdistachyon）有望成为它们良好的补充。它具有作为一种模式植物所应该具有的各项优点，并且它与温带禾本科植物的亲缘关系比水稻更近。建立其良好转化体系是其成功应用的一环。本论文第一章以建立其农杆菌转化体系为目的，成功的诱导了其胚性愈伤组织，获得了潮霉素抗性愈伤，发现乙酰丁香酮浓度与转化效率的关系，并证明Silwet L-77对提高其转化效率有明显的作用，为进一步完善其转化体系打下了基础。 VER2是由本实验室发现的小麦春化相关基因，并己证明它可能参与春化过程中O-CJlcNAc介导的信号传导。本论文第二章研究了将VER2在水稻中过表达所引起的表型，发现VER2与光有类似的抑制根生长的作用，并且能够互相影响对方的表型，说明二者在水稻内调控根生长的信号途径既有共同的作用，但是又相互制约。进一步的研究有可能会找到水稻根内IAA响应的重要因子。 在第三章中，根据芯片数据克隆了水稻的十个可能与赤霉素、茉莉酸和减数分裂相关的上下调基因，并对其中四个利用过表达和RNAi技术进行了水稻转化，以研究它们在水稻中的功能。其中一个基因过表达的表型与赤霉素缺陷造成矮化和叶色深绿两个特征一致，而RNAi导致植株高度增加、叶色黄绿。而该基因受赤霉素诱导上调的程度在三个芯片杂交结果中最大(log2=2.3275)这一点也为其功能提供了很好的提示，即可能参与了赤霉素信号途径。

盐角草（Salicornia europaea L.）SePSY和SeLCY基因克隆及功能分析

盐角草（Salicornia europaea L.）是一种叶片退化而茎肉质化，不具有盐腺和盐囊泡的真盐生植物，可以在1020 mM NaCl下生存。其特殊的形态适应特点使其成为研究植物抗盐性的良好实验材料。但目前与盐角草抗盐机理相关的生理和分子方面的研究还非常有限。本文以盐角草为材料，首先探讨了盐分和渗透胁迫对其光合作用和渗透平衡的影响，在此基础上进一步克隆了盐角草类胡萝卜素合成途径中的两个关键酶，八氢番茄红素合成酶（SePSY）和番茄红素β-环化酶（SeLCY）基因，并进行了功能分析。该研究对于了解类胡萝卜素在植物抗盐性中所起的作用具有重要意义。 盐分和渗透胁迫对其光合作用和渗透平衡影响的实验结果表明：200 mM NaCl是盐生植物盐角草生长的最适盐浓度，在该盐度下盐角草中叶绿素a/b的比值和光饱和点升高，植株的光合作用表现出增强的效应，植株生长最佳。而27％ PEG-6000所模拟的渗透胁迫显著降低了盐角草中叶绿色a/b的比值，抑制其光合作用和生长。200 mM NaCl下，Na+的含量显著增加，但脯氨酸含量保持不变，说明Na+对盐角草渗透平衡的作用要强于脯氨酸。同时盐角草中液泡H+-ATPase（V-H+-ATPase）活性增强，而盐角草Na+/H+逆向转运蛋白基因（SeNHX1）在盐分和渗透胁迫下却表现为组成型表达;我们因此推断在盐分胁迫下，Na+的吸收是由于液泡H+-ATPase活性的增强，而不是诱导SeNHX1基因的表达。同时Na+的吸收可能进一步诱导了与光合作用相关基因的表达。 盐分对植物的影响涉及植物体内包括光合作用和活性氧代谢在内的多个代谢过程。在植物中，类胡萝卜素是植物捕光天线复合体（LHC）和光系统反应中心叶绿素结合蛋白的重要组成部分。植物体内类胡萝卜素能够清除植物叶绿体，线粒体和过氧化物体在电子传递过程中产生的活性氧。同时类胡萝卜素是植物激素ABA的前体。200 mM NaCl虽然增加了盐角草细胞的渗透势，但并没有对其造成氧化胁迫和离子毒害，相反提高了其光合能力。类胡萝卜素作为植物活性氧的淬灭剂和光系统的组成成分，可能在盐角草抗盐机理中发挥着比较重要的作用。在过去的十年中，类胡萝卜素研究大多集中在其生物合成和提高作物中类胡萝卜素含量方面，可是，在植物对非生物逆境（如氧化和盐分胁迫）的适应机制中，类胡萝卜素合成途径究竟发挥什么作用目前还不是很清楚。为了了解盐角草中类胡萝卜素合成途径在植物逆境的适应机制中所发挥的作用，本文采用RACE的方法克隆了盐角草类胡萝卜素合成途径中的两个关键酶基因 SePSY和SeLCY，将它们构建到植物表达载体SN1301中，转化拟南芥，并对它们进行了初步的功能分析。 研究发现盐角草SePSY基因全长1655 bp，编码419个氨基酸，推测分子量为47.2 kDa，等电点为8.92。其蛋白在1-65个氨基酸处有一个信号肽。在1-19和242-264氨基酸处有2个跨膜区。盐角草SeLCY基因全长1937 bp，编码498个氨基酸，推测分子量为56.1 kDa，等电点为8.41。其蛋白在1-37个氨基酸处有一个信号肽。在79-96，367-385和454-474氨基酸处有3个跨膜区。SePSY和SeLCY基因过量表达均促进转基因拟南芥的生长，转SePSY基因拟南芥次生根数目比野生型拟南芥明显增多。SePSY和SeLCY基因的过量表达还使转基因拟南芥对百草枯的抗性得到提高;SePSY基 因的过量表达增强了植株体内抗氧化保护酶过氧化物酶（POD），超氧化物歧化酶（SOD）活性，但过氧化氢酶 （CAT）的变化不显著;转SeLCY基因株系POD，SOD，CAT的活性都有所增强，但转SePSY基因株系中POD活性明显高于 转SeLCY基因株系。转SePSY和SeLCY基因拟南芥叶片中丙二醛（MDA）和H2O2含量均降低，但转SePSY基因株系中MDA和H2O2含量明显低于转SeLCY基因株系。说明转基因拟南芥对氧化胁迫的抗性得到了提高，同时使得光系统II（PSII）和细胞膜的结构和功能不被破坏。而转SePSY基因株系对盐分和氧化胁迫的抗性明显高于转SeLCY基因株系。SePSY和SeLCY基因的过量表达还提高了转基因拟南芥的光合效率，气孔导度和Fv/Fm比值。 SePSY和SeLCY基因转化拟南芥及其功能分析的初步结果表明，SePSY和SeLCY基因的过量表达提高了转基因拟南芥对体内活性氧（ROS）的清除能力，增强了拟南芥的光合能力，进而提高了拟南芥的抗盐性。

拟南芥生育酚环化酶基因（VTE1）在烟草中的表达及功能研究

维生素E（V.E.）在动物细胞内具有抗氧化等重要作用，但在植物体内的功能却鲜为人知。本研究以烟草为材料，利用根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法在烟草中过量表达拟南芥来源的VTE1。通过外源VTE1基因的过量表达提高内源V.E.的含量, 进而研究转VTE1基因植株对胁迫的耐受性反应，以探讨植物体内V.E.含量与植物胁迫耐受性的关系，为植物抗逆机理的研究和利用奠定基础。 本实验利用CaMV35s启动子与拟南芥来源的生育酚环化酶基因（VTE1）构建的嵌合表达载体，以根癌农杆菌介导的叶盘法转化烟草W38。实验结果表明: 1. 具有卡那霉素抗性的再生植株经PCR检测，得到了与阳性对照一致的495bp的目标片段;经RT-PCR检测，其中90%有外源基因表达。 2. 转基因植株的V.E.含量比对照植株高2倍左右，个别株系高达10.16倍。 3. VTE1基因的表达受环境胁迫的影响，不同程度的冷冻、热激、PEG处理均可影响VTE1基因的表达。经过冷冻处理60分钟、热处理20小时、以及PEG处理6小时，该基因表达量均有提高。冷冻处理条件下该基因的表达量是未处理的3倍，热处理条件下是未处理的2倍左右，PEG处理是未处理的3.5倍。在冷冻、热激、PEG胁迫处理过程中，转化苗的V.E.含量变化与外源VTE1基因的表达相对应，表明转化苗的V.E.合成主要由外源VTE1基因的终产物VTE1催化;在冷冻、热激、PEG胁迫处理过程中，V.E.含量与APX、CAT、SOD等抗氧化酶活性之间存在一定程度的正相关性，表明V.E.与这些抗氧化酶共同组成了植物体内的抗氧化网络，保护植株免受氧化损伤;V.E.的变化与MDA之间存在一定程度的负相关性，减轻植物的过氧化损伤; 4. V.E.可提高植物的抗旱性，我们检测了11个转化烟草株系的叶片相对含水量（RWC），在大多数转化烟草植株中，干旱胁迫24小时的RWC都比野生型高，高出0.16-45%（p<0.001）。表明转基因烟草比野生型更抗旱; 5. 在耐盐性实验中转基因植株对盐的抗性明显高于野生型烟草;同时，在不同盐浓度（150、250mM）胁迫下转基因植株V.E.含量比未转化植株增加了1.3-1.8倍。 这些研究结果表明，在植物体内转入V.E.代谢途径中的单个外源基因，可有效提高内源V.E.合成，提高植株对环境胁迫的抗性。

SeNHX1和BADH基因提高植物耐盐性的研究

土壤的盐碱化问题已经严重影响到世界范围内许多重要作物的生产。培育耐盐作物是解决这一问题的最有效途经。利用耐盐相关基因的转化可以在不改变或很少改变植物其它性状的情况下提高植物的耐盐性，因此基因工程方法对于改良植物耐盐性及其机理的研究具有重要的意义。目前植物耐盐基因工程从调控渗透调节物质和盐离子区隔化两个方面开展了较多的研究。已经获得一些耐盐性提高的转基因植物。 本研究拟用耐盐性较强植物山菠菜中的甜菜碱合成关键基因BADH和盐生植物盐角草的液泡膜Na+/H+ anitiporter基因SeNHX1对模式植物烟草进行转化，以确定其各自在耐盐性方面所起的作用。同时，现有的研究表明植物的耐盐性是多基因控制的复杂性状，因此拟把SeNHX1和BADH 这两个涉及不同耐盐机理的基因构建到同一个植物表达载体上，以比较单基因转化和双基因转化在提高植物耐盐性方面的优劣。除此之外，并对已经转入BADH基因番茄的耐盐性和遗传稳定性分析进行了研究。 转BADH基因番茄已经稳定遗传到T4世代。通过对5个转BADH基因番茄株系在T0世代、T3世代和T4世代的分析，表明除了株系T4-3由T0世代的3个拷贝变为1个拷贝外，其余各株系拷贝数均没有发生变化。外源基因编码的酶活性和最终催化产物甜菜碱在盐分胁迫下都能较容易的检测到，说明外源基因在番茄基因组中的遗传是稳定的，没有发生丢失。在连续2个世代的耐盐性鉴定中，各转基因株系的耐盐性较为一致，均比野生型有了较大的提高。其中株系T4-5连续2年表现出了较低的减产率，株系T4-8也在连续的2年中表现出了最高的单株产量。盐分胁迫下转BADH基因各个株系比野生型有较高的K+和Ca2+含量，较低的Na+含量，转基因株系较野生型有较低的脐腐病果率。 通过SeNHX1、BADH单独转化以及构建双价载体共转化的方法获得了3种类型的转基因烟草。Southern和Northern 检测结果表明，外源基因已经整合到烟草基因组中，并得到了正确的表达。转BADH基因烟草在盐分胁迫下能检测到明显的BADH酶活性和甜菜碱含量。转基因烟草T0代对盐分胁迫、氧化胁迫的抗性均较野生型对照有较大的提高。转基因株系在200 mM NaCl胁迫下较野生型有较高的光合速度。百草枯处理过的野生型叶盘比转基因株系积累了更多的丙二醛，表明野生型受到了更大的氧化胁迫。 已经获得3种转不同基因烟草的T1代，且T1代具有较强的耐渗透胁迫能力。转基因烟草的T0种子均能在含100 mg/L 卡钠霉素培养基上发芽和正常生长，其中部分种子能够在含200 mM NaCl 培养基上发芽并能较好的生长，而野生型根本不能发芽。从200 mM甘露醇胁迫1周后，又转移到营养液中的生长1周的情况来看，转基因烟草能较快的恢复正常的生长，有新的叶子和根长出，而野生型却不能，同时转基因株系比野生型具有更大的单株鲜重。 转BADH基因番茄在遗传上是稳定的，并且其耐盐性有了较大的提高。双基因转化烟草的抗盐性要好于单基因转化，但SeNHX1基因转化要好于BADH基因转化。说明SeNHX1基因在提高植物耐盐性方面要比BADH基因有更强的功能，同时，也表明多基因转化在植物的耐盐改良方面可能是一个更为有效的方法。

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制分析

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 虎杖 (Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc) 属于蓼科蓼属多年生草本植物，在中国和日本民间曾被广泛用于动脉粥样硬化、高血压、咳嗽、化脓性皮肤炎以及淋病的治疗，具有祛风利湿、散瘀定痛、止咳化痰等功效。而在现代医学上最令人瞩目和具有发展前景的是其在抗肿瘤、心血管保护、抗氧化方面的作用，相关疗效主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮化合物及其衍生物资源。这些聚酮类化合物主要包括蒽醌、大黄素、大黄素-甲醚、大黄酚、芪类以及类黄酮化合物等。其中，大部分聚酮类化合物生物合成途径机制尚不明确，但可以肯定的是植物类型III聚酮合酶type III polyketide synthases (PKSs) 在这些聚酮化合物的生物合成起始反应中行使着关键的作用。因此，除了我们所熟悉的类黄酮化合物、芪类化合物之外，进一步分离和分析虎杖中其它重要聚酮类化合物生物合成所涉及的类型III聚酮合酶基因的是非常值得期待的。 目前，已经有14个植物类型III PKS基因被克隆和功能分析。植物类型III PKS的共同特征包括基因结构、序列相似性、保守的活性中心、酶学性质以及共同的催化机制等。显花植物（裸子植物和被子植物）中，植物类型III PKS的基因结构绝对保守，除了一个早期报道的金鱼草（Antirrhinum majus）查尔酮合酶chalcone synthase (CHS) 含有第二个内含子外，迄今为止所有已知的植物类型III PKS基因均含有一个内含子且该内含子位置保守。有趣的是，在本研究中，两个含有3个内含子的类型III PKS基因从虎杖中被分离，且两个基因3个内含子的位置完全保守，这是三内含子类型III PKS基因首次得到分离。除了新奇的基因结构外，体外功能分析显示上述两个基因还具有特殊的酶学性质和功能。 本论文围绕上述2个三内含子基因开展了以下工作： 虎杖中一个由三内含子基因编码的新型类型III聚酮合酶 一个类型III PKS的cDNA及其相应的基因（PcPKS2）从药用植物虎杖中被克隆。序列分析结果表明，PcPKS2的开放阅读框被3个内含子分隔，这是一个出人意料的发现，因为截至到目前为止，除了金鱼草一个CHS基因外，所有已知的类型III PKS基因均在固定位置上含有一个内含子。除了特殊的基因结构外，PcPKS2显示了一些有趣的特性：(i) CHS“守卫”苯丙氨酸——Phe215和Phe265在PcPKS2中双双缺失，它们分别被亮氨酸和半胱氨酸取代;(ii) 体外功能分析结果表明，当酶促反应体系的pH值为6.5-8.5时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS2高效地合成丁烯酮非环化产物——4-香豆酰甘油酸内酯（4-coumaroyltriacetic acid lactone (CTAL)）为主产物，而丙烯酮非环化产物bis-noryangonin (BNY) 以及苯亚甲基丙酮为副产物;而当酶促反应体系的pH值为9.0时，PcPKS2高效地合成苯亚甲基丙酮为主产物，而CTAL、BNY为副产物。另外，除了上述3种产物外，在不同的pH条件下，还有痕量的柚皮素查尔酮能被检测到。此外，在4-香豆酰辅酶A（4-coumaroyl-CoA）的类似化合物中，除了4-香豆酰辅酶A外，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS2接受作为起始底物。PcPKS2不接受脂肪酰辅酶A——异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS2基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，在根茎和幼叶中，PcPKS2表达量很高，而在根中无表达。叶中的PcPKS2的表达受病原菌诱导，但不受伤诱导。 虎杖中一个编码双功能类型III聚酮合酶的三内含子基因的鉴定 显花植物中，所有已知的类型III PKS 基因均含有一个内含子且位置绝对保守。本研究中，综合运用PCR技术，从富含聚酮类化合物的植物虎杖中克隆得到一个类型III PKS 基因（PcPKS1）及其cDNA。序列分析结果表明，PcPKS1含有3个内含子。系统发育分析结果表明，PcPKS1与其它植物的CHSs归为一类。然而，体外功能分析结果表明，当酶促反应体系pH值为7.0时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS1高效地合成柚皮素查尔酮（naringenin）为单一产物;而当pH值为9.0时，苯亚甲基丙酮（p-hydroxybenzalacetone）几乎为重组PcPKS1的唯一产物。后续的研究表明，与典型的CHSs相比，PcPKS1具有另外一些不同的特点：在pH值为9.0时（PcPKS1的苯亚甲基丙酮合成活性最适pH值），在4-香豆酰辅酶A的类似化合物中，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS1接受作为起始底物。与CHSs展现出的对脂肪酰辅酶A宽泛的底物特异性不同，在不同的pH条件下，PcPKS1不接受异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。以上数据指出重组PcPKS1是一个具有查尔酮合酶（CHS）和苯亚甲基丙酮合酶（BAS）活性的双功能酶。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS1基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，PcPKS1可能在防御病原菌和草食动物方面起着重要作用。PcPKS1和PcPKS2共同从虎杖中被分离的事实极有可能暗示了苯丁烷类化合物（phenylbutanoid）及其衍生物存在于虎杖中。 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制研究 高山红景天（Rhodiola sachalinensis A. Bor）是景天科（Crassulaceae）红景天属多年生草本植物，作为一种适应原性中草药在中国的应用史已经超过800年。最近红景天提取物作为一种重要的商业药用制剂资源，其应用遍及欧洲、亚洲和美国，其主要治疗范围包括抗变应性和消炎，提高心理机敏性等。目前已经非常明确，红景天甙（salidroside）和甙元酪醇（tyrosol）是红景天属植物的主要功效成分，主要分布于这类植物的根中并且具有抗缺氧、抗疲劳、延缓衰老、预防紫外线辐射伤害等功效。红景天甙为酪醇8-O-β-D葡萄糖甙，是酪醇在葡萄糖基转移酶UDP-glucosyltransferase (UGT) 的催化下糖基化后形成的，可以认为是酪醇在植物体内的贮存形式。酪醇作为一种重要的活性分子，同样存在于橄榄树和葡萄酒中。 虽然已经非常明确酪醇来自于莽草酸代谢途径，然而其具体的生物合成途径及其调控仍不明确。总结以往的报道，在酪醇的生物合成上主要存在两种观点：一是酪醇可能来自于苯丙烷代谢途径产生的4-香豆酸（4-coumaric acid）前体;二是来自于酪氨酸的酪胺（tyramine）可能是酪醇生物合成的直接前体。我们的工作兴趣主要围绕着鉴别高山红景天中的酪醇生物合成途径展开： 高山红景天内源苯丙氨酸解氨酶PALrs1的过表达对红景天甙积累的影响 红景天甙是来自于药用植物高山红景天的一种适应原性新型药物，其生物合成途径可能起始于苯丙氨酸或酪氨酸。由于高山红景天野生植物资源的匮乏和相对含量很低，阐明红景天甙的生物合成途径对于增加红景天甙的供给至关重要。在我们以前的工作中，运用cDNA末端快速扩增技术（RACE），一个编码苯丙氨酸解氨酶phenylalanine ammonia-lyase (PAL)的cDNA从高山红景天中被克隆，命名为PALrs1。在本研究中，PALrs1置于35S启动子+Ω增强子序列的控制下通过农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法转化回高山红景天。PCR 和 PCR–Southern blot分析结果表明，PALrs1已经整合到了转基因植物的基因组上。Northern blot杂交结果表明，PALrs1已经获得在转录水平上的高水平表达。与预期的结果相同，高效液相色谱High-performance liquid chromatography (HPLC)测定结果显示PALrs1的过表达引起4-香豆酸含量增长3.3倍。然而，与之相反的是，酪醇和红景天甙含量与对照相比反而分别下降4.7和7.7倍。此外，我们发现PALrs1的过表达造成酪氨酸含量下降2.6倍。这些数据暗示着PALrs1的过表达和4-香豆酸的积累并不能促进酪醇的生物合成。酪醇，作为一种苯乙烷类衍生物并非来自苯丙氨酸，而酪氨酸含量的下降则极有可能是酪醇生物合成和红景天甙积累大规模下降的直接原因。