水稻RAD21/REC8家族基因的分离与功能分析

染色体黏着是有丝分裂和减数分裂的关键事件，是保证姊妹（或同源）染色体正确分离并分配到子细胞中的关键调控环节之一，它建立于细胞分裂前的S期将新复制的姊妹染色体紧密联系在一起。来自酵母的研究结果已经证明姊妹染色体之间的黏着是由多亚基的蛋白质复合体－黏着素所介导的。在芽殖酵母有丝分裂中，黏着素由Scc1，Scc3，Smc1和Smc3四个亚基组成。减数分裂黏着素的组成与有丝分裂中的相似，只是Scc1被其减数分裂特异的Rec8变体所替换。目前，已经从高等真核生物线虫，果蝇，人，鼠以及拟南芥中分离到了黏着素相关的基因，但是对于这些基因在高等真核生物特别是植物细胞分裂中的功能还知之甚少。即使在酵母中人们对于减数分裂和有丝分裂过程中有关染色体黏着与分离的许多基本问题仍然不清楚，而且许多现象表明减数分裂的详细机制在各种生物中存在重大差异。 我们通过同源克隆的方法证明水稻（和拟南芥）基因组编码4个RAD21/REC8-like基因。这4个基因均以单拷贝存在，在核苷酸水平上没有相似性。它们所编码的蛋白质的相似性主要局限于其N-末端结构域和C-末端结构域。这4个蛋白质的中间区域没有（或者仅有极低的）相似性，但是中间区域都含有潜在的核定位信号，PEST序列，分离酶的识别序列以及多个磷酸化位点。 半定量RT-PCR，原位杂交以及Western杂交结果显示这4个基因都在生殖器官中优势表达，但是它们在花发育过程中的表达动态是不同的。OsRAD21-1和OsRAD21-3都在减数分裂时期的颖花中表达量最高，但是OsRAD21-3还在成熟花粉中高表达;OsRAD21-4在减数分裂前的颖花中表达量最高;OsRAD21-2则在雌雄蕊形成时期表达最强，之后逐渐降低。这些结果暗示这4个基因的功能可能是不同的。 免疫荧光定位分析表明，OsRad21-1和OsRad21-3 特异地定位于有丝分裂的染色体上，其分布动态表明这两个蛋白可能都参与了有丝分裂姊妹染色体之间的黏着。由于水稻四个RAD21/REC8类基因中，只有OsRAD21-3在花粉发育过程中表达，同时水稻花粉的发育成熟要经过两次有丝分裂，推测OsRad21-3蛋白可能参与这两次有丝分裂过程姊妹染色体之间的黏着。OsRad21-4则特异地定位于减数分裂前间期到中期Ⅰ的染色体上，说明它可能特异地介导减数分裂过程姊妹染色体之间的黏着。与其它已知的Rad21/Rec8-like蛋白不同，不论在有丝分裂还是在减数分裂过程中，OsRad21-2蛋白都不定位于染色体上而是特异地定位在核仁中，并且它的动态变化与核仁重建和解体的动态规律在时间上也是相一致的，这说明OsRad21-2是一种新的核仁蛋白质而与染色体的黏着无关。 OsRAD21-4 RNAi转基因水稻植株的花粉活性受到严重影响，种子结实率降低。雄性减数分裂过程中染色体出现多种异常行为：前期Ⅰ染色体异常凝集;同源染色体提早分离;染色体出现片断化。进一步的FISH实验结果证明RNAi株系中同源染色体配对和姊妹染色体臂的黏着均发生异常。因此，OsRad21-4是酵母Rec8的同源蛋白，是正确的减数分裂所必需的。 与表达分析和功能分析所得的结果相一致，进化树分析可以将Rad21/Rec8-like蛋白质分为三个亚家族：（1）Rad21亚家族，参与有丝分裂姊妹染色体黏着;（2）Rec8亚家族，参与减数分裂染色体黏着;（3）Rno亚家族，目前仅发现于高等植物中，是一种核仁蛋白质而与其它的Rad21/Rec8-like蛋白的功能不同，可能不参与染色体之间的黏着。

水稻冷诱导基因OSCOIN的功能分析

对于双子叶模式植物拟南芥在逆境应答中的机理研究已取得了很大的进展，但在单子叶植物中的相关研究相对滞后。在单子叶植物水稻中仅仅报道了一些转录因子类基因以及与代谢有关的酶类基因，但与低温有关的分子伴侣、离子通道和载体等类基因的研究少见报道。 受低温诱导的水稻基因OsCOIN（AK104280）来自水稻10K cDNA芯片，它的cDNA全长有1593bp，开放阅读框内为1089bp，编码363个氨基酸，蛋白质的计算分子量42kDa，等电点5.25。在基因组序列中有7个外显子，6个内含子。生物信息分析显示，OsCOIN在第72—106氨基酸间形成一个指环结构域。OsCOIN蛋白没有跨膜区，定位于细胞质和细胞核。通过酵母双杂交实验证明了指环蛋白OsCOIN没有转录活性，故不是转录因子。RT-PCR结果表明，OsCOIN在所选的11种水稻组织中都有不同程度的表达，4C处理0.5h时OsCOIN基因开始较强地表达，持续较强地表达到4C处理48小时，72h时OsCOIN的表达量下降到起始的水平。另外,该基因表达还受ABA和盐诱导。 利用农杆菌介导的转化手段，得到三个OsCOIN超表达株系和六个RNAi株系。RNAi株系分蘖增多、植株矮化。为了分析OsCOIN与逆境胁迫的关系，实验中分析了超表达植株对低温等胁迫的耐性。结果表明，4C处理60h、72h、84h后，所有植株都出现萎蔫，恢复生长两周后超表达植株的存活率(分别为76.2%、71.4％和50％)明显高于野生型的存活率(分别为52.4%、22.2%和14.8%)。超表达OsCOIN水稻中，OsLti6b、OsNAC6和OsP5CS的表达量明显增加，而OsDhn1和OsDREB1a的表达量明显地降低，OsCDPK7和OsLti6a表达水平未受影响。 上述结果表明OsCOIN基因的过量表达抑制了OsDhn1和OsDREB1a的表达，促进了OsLti6b、OsNAC6和OsP5CS的表达。OsCOIN基因参与的低温响应途径与ABA相关，OsCOIN超表达植株不仅能耐低温，而且对盐和干旱胁迫有一定的抗性。

青蒿素生物合成相关基因的功能分析及遗传转化研究

从中国传统药用植物青蒿（Artemisia annua L.）中提取的青蒿素及其半合成衍生物如蒿甲醚等是一类新型的抗疟特效药，特别是对抗氯喹的恶性疟疾和脑型疟疾有很好的疗效。由于青蒿素在植物中的含量极低，使得其价格很高，特别是对于亚非拉等第三世界国家来说。因此如何提高青蒿素的产量成为近年来研究的热点。各种传统的育种、生理生化手段和细胞培养技术均未取得较好的结果，因此，利用植物基因工程技术提高青蒿素产量已成为研究的重点之一。 本论文围绕青蒿素的生物合成途径开展了以下的工作： 一、中药青蒿紫穗槐二烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定 利用RT-PCR方法，从中药青蒿高产株系001中克隆到的中药青蒿紫穗槐二烯合酶(ADS) cDNA, 其推测编码蛋白与前人报道的有两个位点的突变。将其开放阅读框插入到原核表达载体pET30a(+)的BamHⅠ和XhoⅠ酶切位点之间，构建N端携带有HIS6表达标签的紫穗槐二烯合酶重组表达载体pETADS。将pETADS转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta -D-thiogalactoside)诱导重组紫穗槐二烯合酶的表达。表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（含FPP），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示重组紫穗槐二烯合酶可以催化FPP向紫穗槐二烯的转化。体外酶促动力学分析表明，两个位点的氨基酸突变，并没有影响到青蒿紫穗槐二烯合酶的催化活性。基因组DNA杂交表明，紫穗槐二烯合酶基因在001株系基因组中至少有4个拷贝。 二、中药青蒿鲨烯合酶的大肠杆菌表达、纯化与功能鉴定 将经RACE方法克隆到的中药青蒿鲨烯合酶cDNA(AF302464) 开放阅读框的3'末端截短99 bp，插入到原核表达载体pET30a(+)的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间，构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的鲨烯合酶重组表达载体pETSSA。将pETSSA转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta-D-thio galactoside)诱导重组鲨烯合酶的表达。表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（含FPP和NADPH），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示重组鲨烯合酶可以催化FPP向鲨烯的转化。青蒿鲨烯合酶的功能鉴定，为进一步利用反义或RNAi技术限制甾类生物合成，从而提高青蒿中的青蒿素含量提供了基础。 三、中药青蒿法呢醇合酶原核表达、纯化与功能鉴定 将经RACE方法克隆到的中药青蒿倍半萜合酶cDNA ( AF304444) 开放阅读框插入到原核表达载体pET30a(+)的NcoⅠ和BamHⅠ酶切位点之间，构建N端和C端均携带有HIS6表达标签的重组表达载体pET30SESQ。将pET30SESQ转入大肠杆菌BL21(DE3)， IPTG (Isopropyl-beta-D-thioga lactoside)诱导蛋白表达，表达产物经镍琼脂糖柱纯化。纯化蛋白加入酶促反应体系（FPP），GC-MS分析酶促反应体系的正己烷萃取物，结果显示此重组酶可以催化FPP向法呢醇的转化。 四、中药青蒿FPS、ADS双功能酶基因的构建、表达与功能鉴定 将青蒿素生物合成途径中催化两步连续反应的酶：法呢基焦磷酸合酶和紫穗槐二烯合酶的基因进行融合，经大肠杆菌表达后鉴定融合蛋白的功能，结果表明融合蛋白具有了双功能酶活性。进一步将融合酶基因转入酿酒酵母中，发酵后检测紫穗槐二烯的含量，并与同时转入法呢基焦磷酸合酶和紫穗槐二烯合酶单个基因的酵母、单独转入紫穗槐二烯合酶基因的酵母进行了比较，结果表明，转入双功能酶的酵母发酵获得的紫穗槐二烯含量要比两个对照酵母高，这表明，获得的双功能酶的催化效率要比两个单独酶的催化效率高。 五、过量表达青蒿紫穗槐二烯合酶对青蒿中青蒿素及其前体物含量的影响 利用根癌农杆菌介导，将青蒿紫穗槐二烯合酶转入青蒿株系001，分子检测证明，紫穗槐二烯合酶整合到了青蒿基因组中并在mRNA水平得到了高效表达。部分转基因青蒿的青蒿素含量有明显增加，最多的比001株系提高了41%。青蒿酸和二氢青蒿酸含量测定表明，转基因青蒿株系的青蒿酸和二氢青蒿酸含量最多的比对照分别提高了47%和79%。这些结果表明，紫穗槐二烯合成在青蒿素生物合成途径中是一个限速步骤，同时，也显示青蒿酸或二氢青蒿酸的进一步转化也可能是青蒿素生物合成中下游的限速步骤。

OsBZR1和14-3-3蛋白在水稻BR信号转导中的功能研究

油菜甾醇类物质（Brassinosteroids, BRs）是植物生长发育必需的一类植物激素。在拟南芥中，BR可直接结合在位于细胞膜表面的受体激酶BRI1去激活BR的信号转导从而调节细胞核内的基因表达来调控植物的生长发育。为更好的了解水稻中BR信号的转导机理，我们利用反向遗传学研究了OsBZR1的功能并鉴定了一些与OsBZR1有相互作用的蛋白。利用RNAi干涉降低植物体内OsBZR1的表达可导致植株矮小，叶片直立，BR敏感性降低并改变一些BR响应基因的表达水平。此外我们利用酵母双杂交发现14-3-3蛋白可与OsBZR1发生相互作用，而去除推定的14-3-3结合位点的OsBZR1则不能与14-3-3蛋白在酵母和植物体内发生相互作用。去除14-3-3结合位点的OsBZR1转入拟南芥bri1-5突变体中可部分恢复bri1-5的表型而转野生的OsBZR1则对bri1-5的表型没有明显的影响。同时我们发现去除OsBZR1的14-3-3结合位点可影响OsBZR1在细胞内的分布，能增加OsBZR1在细胞核内的分布，这表明14-3-3蛋白至少可通过降低OsBZR1核内的分布来抑制OsBZR1的功能。这些结果有力的证明了OsBZR1和14-3-3蛋白在水稻BR信号转导中的重要功能。

水稻减数分裂基因OsDMC1的功能研究

减数分裂是有性生殖物种世代交替的转折点;减数分裂不仅维持了基因组的稳定性，而且通过重组创造了遗传多样性。在减数分裂过程中，DNA复制一次后进行两次连续的细胞分裂。第二次减数分裂与有丝分裂类似，涉及到姊妹染色单体的分离;而第一次减数分裂是独一无二的，在这次分裂中同源染色体分离。为保证同源染色体的准确分离，同源染色体在减数分裂前期I通过一系列复杂的过程结合在一起形成稳定的二价体。这些复杂的前期I事件包括同源配对、联会和重组。分子遗传学、细胞学和生物化学研究已经表明酵母DMC1基因在减数分裂重组、配对和联会过程中起了重要作用。OsDMC1基因是酵母DMC1基因在水稻中的同源基因。本课题应用RNA干扰技术分析了该基因在水稻生长发育过程中的功能。利用本实验室设计的RNAi工具载体pWTC605构建OsDMC1-RNAi载体;并通过农杆菌介导的水稻愈伤组织转化法获得了转基因株系;进而通过PCR和Southern杂交鉴定筛选出阳性的OsDMC1-RNAi株系。OsDMC1-RNAi株系的营养生长正常，但结实率显著降低;成熟花粉的Alexander染色显示这些OsDMC1-RNAi株系的花粉是败育的。通过内源OsDMC1基因表达量的半定量RT-PCR、Western杂交分析以及OsDMC1特异性small RNA的Northern杂交鉴定，证实OsDMC1-RNAi株系的不育表型与RNA干扰介导的内源OsDMC1 mRNA和蛋白水平的降低是相关的。进一步深入的细胞学观察显示，OsDMC1基因的knockdown导致OsDMC1-RNAi株系的雄性减数分裂异常，表现为二价体形成缺陷、染色体不等分分离和异常四分体的产生;OsDMC1基因的knockdown同时还诱导了雄性减数分裂进程的改变。荧光原位杂交实验揭示OsDMC1-RNAi株系的减数分裂同源配对过程是缺陷的。这些研究结果表明OsDMC1基因是水稻减数分裂的必需基因，该基因在减数分裂同源配对过程中起了重要作用。

水稻AP2/EREBP转录因子基因OsDRE和OsRAF的功能分析

AP2是一个大的转录因子家族，因其成员含有一个60-70 个氨基酸残基的保守结构域即AP2结构域而得名，它们的功能涉及植物花的发育以及植物对生物或非生物逆境的应答反应。根据它们所含的AP2 结构域的数目，这个家族可分为AP2亚家族和EREBP 亚家族。 AP2亚家族成员含两个AP2结构域，EREBP 亚家族成员含一个AP2结构域。一般来说，AP2 亚家族的成员主要参与植物发育过程的调控;EREBP 亚家族成员则主要参与对逆境的应答反应。按照它们响应外界刺激的类型和AP2结构域中结合顺式作用元件的核心氨基酸的不同，EREBP亚家族又可分为ERF和CBF/DREB两大类群，ERF 类主要响应生物类逆境的诱导，CBF/DREB类则响应干旱、低温等非生物胁迫的刺激。 根据AP2保守结构域搜索，水稻基因组中一共有147个AP2/EREBP成员，但其中功能得到证实的还非常有限。为了解更多AP2基因在植物生长发育过程中的功能，我们先从水稻基因组数据库中搜索到含有AP2/EREBP 结构域的推测基因序列，选择其中40个扩增并成功扩增出31个，将这些DNA片段点在尼龙膜上，然后用水稻叶片cDNA 作模板标记探针，与固定在膜上的推测基因杂交。杂交结果作为选择基因进行功能分析的重要依据。 OsDRE就是我们选择进行研究的一个表达较强的基因。首先，通过RACE 克隆得到OsDRE 的cDNA全长 1589bp，它编码318个氨基酸。Blast 搜索和保守结构域序列比对分析以及进化树分析显示它是一个新的ERF 基因。RT-PCR分析表明该基因在水稻各种组织中表达量比较一致，而且，OsDRE 既不对植物生长物质如乙烯，水杨酸（SA），茉莉酸甲酯（MJ），脱落酸（ABA），赤霉素（GA3），油菜素内酯（BR）的诱导起反应，同样也不响应环境因子如低温、干旱条件的处理。这些结果说明OsDRE是一个不响应胁迫相关因素的诱导的、组成型表达的水稻基因。用OsDRE的非保守区域构建的RNAi 载体转入水稻后未能使转基因水稻产生异常表型，然而，OsDRE在水稻和拟南芥中的过量表达都导致转基因植物出现植株矮小、开花延迟、生长周期延长以及育性降低等表型，说明OsDRE对生长和发育的影响在水稻和拟南芥中是一致的。 基于以上原因，我们选择在遗传分析方面有明显优势的拟南芥作为材料，对OsDRE基因功能进行研究并得出以下结论：（1）瞬时表达和随后的过量表达证明OsDRE定位于细胞核中，过量表达OsDRE引起转基因植株的生长周期变长、抽苔时间延迟和抽苔时莲座叶的数量增多;（2）过量表达OsDRE通过一种不影响细胞数量的方式抑制了细胞的膨胀从而导致植物器官以致整个植株变小，而且，在此过程中部分器官的形态也受到了影响;（3）OsDRE过量表达能激活已知位于乙烯信号途径下游的基因表达并且转基因植株幼苗在黑暗中出现下胚轴及根缩短变粗的现象，提示OsDRE 可能部分参与了乙烯信号途径下游的反应。 除此之外，我们还初步分析了另一个EREBP基因，并将其命名为OsRAF。氨基酸序列分析表明该基因与大麦的RAF 基因在蛋白水平上相似性最高。Northern 杂交结果进一步显示，与RAF 一样，OsRAF 也是根中优势表达的基因，并且它的表达量在乙烯或低温的诱导下增加。对转基因植株的观察和瞬时表达表明OsRAF 定位于细胞核中。 综上所述，对水稻基因OsDRE 和OsRAF的分析表明， OsDRE是一个新的ERF基因，它不受乙烯等因素的诱导并且过量表达该基因导致转基因植株出现细胞膨胀受到抑制等一系列的表型。另外，OsRAF在水稻根中优势表达并受乙烯和低温的诱导，目前，与之相关的功能研究正在进行。

水稻RAD21/REC8家族基因OsRAD21-3的功能研究

有丝分裂和减数分裂包含一系列协同作用的事件，姊妹染色体的黏着是其中非常重要的一个环节。通过对芽殖酵母的研究发现姊妹染色体的黏着是由一个多亚基的蛋白复合体——黏着素介导的，在有丝分裂过程中，黏着素由Scc1（裂殖酵母中为Rad21）、Scc3、Smc1和Smc3四个亚基组成，而在减数分裂中Scc1被其同源蛋白Rec8所取代。通过对其它真核生物包括线虫、果蝇、爪蟾、鼠、人以及拟南芥等进行的研究显示，黏着素介导的姊妹染色体黏着的基本机制在真核生物中具有保守性，但在不同的物种中，其具体的分子机制还存在着差异。开花植物的有性生殖过程包含了一个非常特殊的花粉发育阶段，其间发生了两次花粉的有丝分裂，对其我们还知之甚少。Rad21/Rec8作为黏着素的重要组分，对水稻中它的同源蛋白进行深入研究可以帮助我们对植物有丝分裂和减数分裂的染色体黏着机制有进一步的了解。 我们发现在水稻基因组中存在4个编码Rad21/Rec8家族蛋白的基因，其中OsRAD21-3位于水稻第8号染色体上，其编码的蛋白与其它的Rad21/Rec8家族蛋白一样，具有保守的N-和C-末端结构域。序列比对和进化分析的结果表明OsRad21-3蛋白属于Rad21亚家族，而免疫荧光定位分析显示OsRad21-3可以特异地定位于有丝分裂的染色体上，由此说明OsRAD21-3应当是酵母RAD21的直系同源基因。对OsRAD21-3进行半定量RT-PCR，Western杂交以及原位杂交的结果显示它在生殖器官花中优势表达，在营养器官中也能检测到表达。在花中它在从雌雄蕊形成期到成熟花粉期都有表达，其表达的位置主要位于减数分裂时期的小孢子母细胞以及减数分裂后的小孢子和花粉中。在水稻四个RAD21/REC8基因中，OsRAD21-3是唯一一个在花粉发育过程中表达的基因，说明它可能在减数分裂后的雄配子体发育过程中发挥了功能。 采用RNAi手段对OsRAD21-3的功能进行研究发现OsRAD21-3 RNAi转基因水稻植株的育性显著下降，进一步的分析表明其花粉活性受到严重影响。对OsRAD21-3i株系的雄性减数分裂过程及减数分裂后的小孢子和花粉发育过程进行观察发现，减数分裂过程中有少量细胞存在染色体的异常行为，但总体上没有对雄性减数分裂造成严重影响，而减数分裂后的小孢子和花粉发育过程则出现了显著异常，表现为花粉有丝分裂的停滞或有丝分裂染色体分离的扰乱，因此，OsRAD21-3应当主要是通过在花粉的有丝分裂过程中发挥功能而参与减数分裂后的雄配子体发育过程，而它在雄性减数分裂过程中可能也有一定作用。 利用原位杂交技术分析了水稻另外三个RAD21/REC8基因的表达特性，结果表明OsRAD21-1、OsRAD21-2和OsRAD21-4都在减数分裂前及减数分裂期的小孢子母细胞中表达，但在减数分裂后较晚时期的小孢子中则没有检测到表达。OsRAD21-4在小孢子母细胞中的表达为其参与减数分裂过程染色体的黏着提供了证据，而OsRAD21-1和OsRAD21-2在此过程中的功能还有待进一步研究。此外，OsRAD21-1和OsRAD21-2还在营养器官有丝分裂旺盛的区域表达，OsRAD21-1作为RAD21的同源基因可能与OsRAD21-3在参与有丝分裂染色体黏着方面存在功能上的冗余性，但OsRAD21-3参与花粉的发育过程则是其所特有的，这可能也在一定程度上说明了为什么水稻中会存在4个RAD21/REC8基因，并帮助我们更好地了解了它们在功能上的分化。

油菜素内酯信号转导相关基因的克隆、鉴定和功能分析

油菜素甾醇类(Brassinosteroids，BRs)是一类新的植物内源激素，在植物整个生长发育周期中发挥着很重要的作用。拟南芥中BR信号转导途径基本清晰，从膜受体BRI1到细胞质中的负调控因子BIN2，再到核内的转录因子BZR1和BES1。但是从BR信号感知到细胞质内的传递，再到细胞核内的调控特异基因的表达都还有很多问题有待于进一步的探索。 本研究运用激活标签pDSK15-11对大约5000株拟南芥bzr1-1D进行了转化, 得到抗性植株约50000株，构建了一个拟南芥激活标签突变体库，从中筛选到和BR相关的突变体七个，并对其中的B26和B16突变体进行了详细的分析。此外还筛选到若干个和BR没有关系的突变体，并对其中的一个表皮毛缺陷的突变体B11进行了分析。 B26是一株恢复了bzr1-1D茎叶处打弯表型的突变体，并且具有矮化、叶色深绿、晚花等特点。B26部分抑制了bzr1-1D对BR合成抑制剂BRZ的不敏感性，但仍然对BR超敏感。BR上调的基因SAUR-AC1在bzr1-1D中表达上升，而在B26突变体中SAUR-AC1的表达量比bzr1-1D中有所下降。B26突变体显示的表型是依赖于bzr1-1D突变的。我们通过T-DNA侧翼序列，RT-PCR，以及重现实验证实造成突变表型的基因，并命名为BZS1。BZS1编码一个B类锌指蛋白，在植物发育的各个时期各个器官中都有表达。亚细胞定位分析显示BZS1定位于细胞质和细胞核中，以上这些结果说明BZS1可能在BR信号途径中是位于BZR1的下游，作为一个负的调节因子调控下游BR反应基因的表达。 B16是从突变体库中筛选得到的一个叶柄明显增长，营养生长期延长，开花晚，结实率比较低的突变体。T-DNA侧翼序列和基因表达分析显示B16突变体中T-DNA插入点附近的一个基因表达量升高，这一基因被命名为BZE1。BZE1编码一个含有bHLH结构域的蛋白。BZE1 RNAi转基因植株的叶柄比对照明显变短，说明BZE1调控叶柄的伸长。在B16突变体中，CPD和DWF4的表达较bzr1-1D中增强了，而SAUR-AC1的表达减弱了，这一结果说明BZE1过表达减弱了BZR1对CPD的反馈抑制。Pro35S:BZE1 /bzr1-1D转基因植株对BRZ的敏感度与bzr1-1D相似。BR不调节BZE1的转录水平，却可以促进BZE1蛋白在核内积累。这些结果都说明BR处理不改变BZE1的转录水平，只是通过促进BZE1在核内的积累增加，从而参与调控下游基因的表达，如CPD。随着这些突变体研究的进一步深入，将有助于我们更好的理解BR信号转导途径。 B11是一个叶片（包括莲座叶和茎生叶）和茎表皮毛缺失，但根毛发育正常的突变体，T-DNA侧翼序列和基因表达分析显示B11突变体表型是由于ETL1的过量表达造成的。ETL1可能是一个表皮毛特异表达的基因，对根毛的发育影响不大。功能缺失突变体etl1-1和野生型拟南芥具有相似的表皮毛数量和分布，根毛的数量和分布也没有明显的变化，这就说明ETL1可能与其他同源基因功能冗余。ETL1在gl1中表达量增加，由此推测ETL1在表皮毛的发育中可能起负调控的作用。

青蒿素生物合成相关基因对烟草遗传转化的研究

　　青蒿素是存在于中药青蒿(Artemisia annua L.)中的一种含有过氧桥的倍半萜内酯化合物，是中国科学家研发出的当今最有潜力的抗疟药剂，较传统抗疟药很少或无毒副作用，因此青蒿素的生产备受人们关注。目前，青蒿素的生产主要以植物提取为主，但由于青蒿植株中青蒿素的含量很低（约占干重的0.01%～0.8%），从而导致青蒿素价格昂贵，使许多贫困地区的疟疾患者无法得到医治，故提高青蒿植株中青蒿素的含量或扩大青蒿素的来源，降低生产青蒿素的成本具有重要的意义。　　 　　本论文基于扩大青蒿素的来源和提高青蒿植株中青蒿素含量的目的，开展了以下两方面的工作： 一、紫穗槐二烯在烟草中组合生物合成的研究 　　紫穗槐二烯合酶（amorpha-4,11-diene synthase，ADS）是青蒿素生物合成的关键酶之一，为了能在烟草中合成青蒿素的前体，本研究将青蒿的紫穗槐二烯合酶基因置于CaMV 35S启动子控制下，通过根癌农杆菌介导转入烟草（Nicotiana tobacum L.），并获得了转ADS基因烟草植株。经PCR及Southern杂交分析表明，ADS基因已经整合到转基因烟草基因组中；RT-PCR及对转基因烟草中ADS酶活性和产物中紫穗槐二烯和植物甾醇的测定分析，进一步证明整合的ADS基因在转录、翻译水平上均已经表达。上述结果表明，利用基因工程将青蒿素生物合成途径的关键酶基因导入植物，转基因植物中能够合成青蒿素的前体，这一研究结果为利用转基因植物生产青蒿素或其前体奠定了基础。 二、青蒿鲨烯合酶双链干涉基因对烟草的遗传转化研究 　　鲨烯合酶（squalene synthase, SQS）是甾醇类生物合成分支途径的关键酶之一，利用RNA干扰技术(RNA interference，RNAi)抑制目标基因表达的技术已日趋成熟。本文根据植物中hpRNA(hairpin RNA)的原理，在与烟草SQS同源性高达80％的青蒿ASQS序列的5/端保守区选择622 bp作为构建RNAi的序列，借助中间克隆载体，经过三次亚克隆，最后形成含ASQS－RNAi表达盒的双元表达载体pART27－ASQS，并转入农杆菌EHA105。采用农杆菌介导的烟草叶盘转化法，共获得了12棵转基因植株。转基因植株经过PCR和PCR-Southern blotting 检测，证实外源ASQS基因已经导入烟草中，并已经成功整合到烟草基因组中；通过RT-PCR分析说明，转基因烟草中SQS基因的表达已被成功抑制，部分转基因植株中内源SQS的干扰效果高达90％以上。对SQS的直接产物鲨烯和最终产物植物甾醇的检测显示，转基因烟草的植物甾醇和鲨烯的含量明显低于对照。本实验的结果为下一步将此RNA干扰载体导入青蒿，抑制青蒿中ASQS基因的表达，从而提高青蒿素的含量提供了可能。

DRP蛋白的SUMO化修饰参与线粒体分裂调节的研究

　　SUMO (small ubiquition-like modifier) 是一类小的类泛素修饰物，能在一系列酶的作用下共价结合到目标蛋白上。 这种可逆的SUMO化修饰过程 (SUMOylation) 是调节细胞内蛋白质功能的重要方式之一，参与真核细胞内各种代谢途径。已有的研究发现，植物的SUMO化修饰参与植物花期调控，激素信号转导，抗病防御及逆境应答等生理过程。 　　线粒体是重要的细胞器，它的形态是多样和动态的。在活细胞中，线粒体不断地运动，并频繁地进行分裂与融合，维持着形态的平衡。而这种形态的动态平衡对线粒体功能的行使有着重要的意义。线粒体的分裂需要dynamin相关蛋白DRPs的参与，该类蛋白在进化中是保守的，从植物中已经鉴定出DRP3A和DRP3B两个蛋白。DRP蛋白由胞质招募到线粒体外膜上来参与膜的剪切，但有关DRP向线粒体招募和组装的机制尚不清楚。 　　本文通过对稳定表达GFP-SUMO1的BY-2悬浮细胞观察发现，SUMO1主要定位于细胞核中，在细胞质中也有少量分布；过表达SUMO1能使线粒体的片段化程度增强。而在SAE-RNAi植株及siz1突变体中，线粒体片段化程度减弱，由此提示SUMO化修饰的下调降低了线粒体的分裂水平。经序列分析发现，线粒体分裂蛋白DRP3A和DRP3B有SUMO化修饰的识别序列，而通过表达SUMO-DRP融合蛋白来加强DRP蛋白的SUMO化修饰，则能使线粒体分裂增加，从而表明SUMO化是通过对DRP的调节来影响线粒体的分裂。 我们推测SUMO化修饰的作用是能特异地保护DRP不被降解，最终导致DRP库更为稳定与活跃。总之，本文首次在植物中鉴定出SUMO1在线粒体上的作用，并暗示它可能通过调节DRP蛋白来参与线粒体分裂的新功能。

水稻OsGSR1调控赤霉素和油菜素内酯信号互作的分子机理研究

赤霉素（gibberellins，GAs）和油菜甾醇（brassinosteroids，BRs）在细胞伸长和植株形态建成等方面发挥重要的生理作用，但它们在分子水平上的相互作用仍然未知。在本实验室前期的芯片工作中筛选到受GA诱导表达的GAST家族基因OsGSR1(GA-stimulated gene in rice) (GenBank AY604180)。该基因全长cDNA为588 bp，编码110个氨基酸，OsGSR1具有GAST家族成员的共同特点。OsGSR1基因的表达受GA3诱导，同时受PAC抑制。基因表达模式分析表明OsGSR1在水稻的根、茎、幼穗和小花等多种组织和器官中表达。前期工作已获得转基因水稻。 本论文研究表明，OsGSR1 RNAi转基因水稻表现为初生根缩短、叶片直立、节间缩短和结实率降低等与GA和BR相关的表型。OsGSR1 RNAi转基因水稻对外源GA3敏感性降低，Real-time PCR分析表明在OsGSR1 RNAi转基因水稻中OsGA20ox2和SLR1的转录水平增高，GC-MS分析显示内源GA4含量增高，这些结果说明转基因材料中GA信号削弱。因此，OsGSR1是GA信号途径的正调控因子。另一方面，实验证据表明，外源BL处理可以抑制OsGSR1基因的表达，OsGSR1 RNAi转基因水稻不但可以响应外源BL处理，并且在叶夹角实验中显现出对外源BL更加敏感的特性。在OsGSR1 RNAi转基因水稻中，BR受体基因OsBRI1与合成基因OsDWARF表达量上调。外源添加BL可以恢复OsGSR1 RNAi转基因水稻矮化表型，上述结果说明OsGSR1可能作用于BR生物合成途径。酵母双杂交筛选、体外Pull-down结果和体内BiFC实验都证实OsGSR1可以与DIM/DWF1互作。在BR生物合成途径中，DIM/DWF1催化从24-亚甲基固醇（24-methylenecholesterol）到油菜甾醇（campesterol）的转化。GC-MS测定内源BRs含量结果进一步证实，转基因水稻中DIM/DWF1催化反应产物积累量减少，说明该反应受到明显抑制。所以，OsGSR1是通过直接作用于BR合成酶来调控BR生物合成。 综上所述，OsGSR1是GA信号途径的正调控因子，并且OsGSR1通过调节SLR1的表达参与到GA信号转导途径。OsGSR1和DIM/DWF1的互作说明OsGSR1直接参与了BR的生物合成过程。因此，我们的实验证明OsGSR1介导了GA和BR这两条激素信号转导途径的相互作用，从而调节了水稻植株的生长发育。

水稻2,3-氧化鲨烯环化酶基因的功能研究

植物通过异戊二烯代谢途径合成多种具有生物活性和功能的三萜及甾醇类化合物，它们在调节植物生长发育、维持膜的完整和功能、抵抗病原微生物侵染中发挥着重要的作用。2,3-氧化鲨烯为三萜和甾醇合成途径的分枝点，参与这一关键步骤的酶被通称为2,3-氧化鲨烯环化酶（OSCs）。本研究系统分了水稻基因组中全部11个OSC基因序列，发现其中四个可能为假基因。亚种间非同义替换率Ka和同义替换率Ks的比值（Ka/Ks）以及进化树的分析表明OsOSC8是单子叶植物特有的功能保守基因，而OsOSC9在水稻两个亚种间发生了功能快速进化，这种快速进化的基因往往参与植物和病原菌相互作用的代谢途径。 根据基因结构、表达谱以及与其它植物已知功能的OSC酶氨基酸序列的比对推测OsOSC3可能具有环阿屯醇合成酶的功能，参与植物甾醇的合成，而OsOSC7、OsOSC10和OsOSC11可能具有β-香树素合成酶的功能，其余OSCs可能参与合成其它三萜化合物。为了进一步分析和验证OSCs酶的功能，将水稻7个OSC基因的开放阅读框（ORF）构建到酵母表达载体并在pichia酵母中表达，发现仅有OsOSC9和OsOSC12能够将酵母内源的2,3-氧化鲨烯分别环化为四环三萜化合物Parkeol和植物中稀有的五环三萜化合物Isoarborinol，目前还未在其它植物中发现参与这两种三萜化合物的基因。另外，水稻所有的OSC基因均不能互补酵母羊毛甾醇缺陷型菌株，表明水稻OSCs不具有合成羊毛甾醇的功能。 RNAi沉默以及启动子融合GUS的表达实验发现OsOSC8可能参与花粉的发育，该基因的下调影响水稻的育性，暗示水稻中存在一个可能与雄性不育有关的三萜代谢途径。水稻其它OSC基因RNAi植株可能在逆境环境和病原菌侵染下才会显现出表型。

烟草NtFAD2基因的沉默及功能研究

油酰磷脂酰胆碱去饱和酶（FAD2）是一种重要的植物脂肪酸去饱和酶，位于内质网中，催化油酸生成亚油酸。亚油酸等多不饱和脂肪酸含量过高的植物油脂不稳定，易氧化，不易贮藏，而且氧化产物对人体有害。因此油脂改良的一个重要目的是提高种子油脂的油酸含量，降低多不饱和脂肪酸含量。另外，关于FAD2的结构、功能和表达调控等问题目前还不清楚，有待深入研究。近年发展起来的RNAi技术可有效地沉默目标基因，研究植物FAD2基因沉默后膜脂和油脂的变化及温度对基因沉默的影响，有助于深入理解FAD2酶的功能、表达调控方式和有效地利用基因沉默技术改变膜脂组成、提高植物油脂品质。本研究的主要目的是，首先采用RNAi技术抑制烟草FAD2基因（NtFAD2）的表达以降低NtFAD2酶活性，得到膜脂不饱和度改变的烟草转基因株系。然后研究NtFAD2基因沉默后脂肪酸去饱和过程的变化及其机理，以及温度对NtFAD2基因沉默的影响。研究中首先用PCR方法克隆烟草NtFAD2基因，用其编码区的一个片段构建表达发卡RNA的沉默结构，用农杆菌介导的方法转化烟草，从第一代转基因植株中筛选出油酸含量高的突变体。然后对其中一个转基因株系S61进行脂肪酸分析，发现叶片总脂和质体外单脂PC和PE中的油酸含量大幅度增加。此外，NtFAD2基因沉默对叶片甘油脂的影响有多效性，即质体内的单脂油酸含量也有显著增加，有些单脂中软脂酸含量有所下降。烟草NtFAD2基因沉默后，在叶片和种子中油酸含量变化最大，说明NtFAD2基因在不同器官中的沉默效果不同：沉默结构对NtFAD2酶活性较高的器官抑制程度更大，内源基因没有表现均一的沉默效果。沉默植株的多种组织中NtFAD2基因的mRNA降解程度相似，说明油酸含量与NtFAD2转录本的丰度没有直接关系。 植物脂肪酸的不饱和程度受温度调控，因此研究FAD2基因沉默株系的油酸含量受温度影响情况及其调控规律对RNAi技术在油脂改良方面的实际应用具有十分重要的意义。研究结果表明，随着生长温度的下降，野生烟草叶片膜脂油酸含量降低，多不饱和脂肪酸含量随之增加;转基因烟草中油酸和多不饱和脂肪酸有相似的变化趋势，但是变化幅度远远大于野生烟草。低温下转基因烟草叶片油酸含量之所以大幅度下降，其中一个重要原因是被抑制的NtFAD2酶受低温的调节而活性升高。然而研究发现，与常温条件下相比，低温下转基因烟草NtFAD2基因的mRNA丰度不变，说明低温没有影响沉默结构对NtFAD2基因的mRNA的降解。低温环境下NtFAD2基因沉默植株的多不饱和脂肪酸含量有所回升可能是植物对低温的一种适应性响应。转基因烟草种子油脂的油酸含量也受温度影响：常温下表现高油酸性状，低温下油酸含量下降。因此种植这种高油酸品系时，需要考虑温度的影响。如果在适宜的地域和季节种植，避免转基因植株开花结实时遭遇持续低温，就可以利用转基因植株的遗传优势，生产富含油酸的优质植物油。

二脂酰甘油酰基转移酶基因(DGAT1)的沉默对烟草油脂合成的影响

二脂酰甘油酰基转移酶 (DGAT; EC 2.3.1.20) 是催化三脂酰甘油（TAG）合成的最后也是最关键步骤的酶。TAG是真核细胞中最重要的能量存储形式。在植物中，TAG主要在种子、花粉和许多物种的果实中积累。然而，DGAT1基因的转录本也存在于植物的其它器官中，这些器官包括根、茎、叶、花瓣、花粉囊、未成熟的角果、幼苗以及正在发芽的种子等。迄今为止，许多针对DGAT1基因的研究都集中于DGAT1基因的表达在对种子油脂的积累以及对种子中TAG的脂肪酸组成所起的作用上。在本研究中，我们通过构建烟草DGAT1基因带有内含子的发卡RNA（hpRNA）结构，使之在转基因烟草植株中表达双链RNA（dsRNA），利用RNAi原理达到使烟草内源DGAT1基因沉默的目的。转基因沉默烟草植株的获得将会为更好地研究DGAT1基因的功能奠定基础。本实验不仅研究分析了DGAT1基因的抑制对烟草种子油脂积累的影响，还对表现出沉默性状的转基因植株Sil7的不同器官中TAG的含量以及DGAT1的转录水平等进行了研究分析。此外，通过对转基因烟草不同株系种子中的主要贮藏物质——油脂、蛋白质和糖的含量测定，初步揭示出在烟草种子中三者生物合成代谢之间存在的相关性。主要研究结果如下： 采用烟草DGAT1基因的第615～1293碱基之间679bp的片段构建了能表达发卡RNA（hpRNA）结构的表达载体，并转化烟草（Nicotiana tabacum）Wisconsin 38。Northern杂交分析发现,与野生型对照烟草（WT）相比，在沉默植株的花和发育状态种子中DGAT1基因的转录水平有很大降低，这表明该发卡结构能够高效率地引起烟草DGAT1基因的沉默。此外，在对Sil1至Sil12共12株转基因烟草进行油脂含量分析的结果表明，其中有8株表现出油脂降低的性状，转基因沉默效率达到67％。这表明：利用RNAi的方法可对目标基因进行特异降解来研究基因的功能，因此是一个在研究基因的表达功能上十分有效的方法，而且已成为植物基因工程的有力工具。 为了研究DGAT1基因的沉默对转基因植株不同器官的影响，本实验分析了转基因植株Sil7的不同器官中TAG的含量和脂肪酸组成，并采用RT-PCR方法对野生型对照和转基因植株中DGAT1基因的转录水平进行了比较分析。研究发现，转基因植株不同器官中DGAT1基因转录水平的降低与各器官中TAG含量的减少呈正相关。由此看来，植物中DGAT1的表达水平与植物的各个器官内TAG的含量之间存在着一定的对应关系。此外，在转基因植株Sil7不同器官中依然能够产生TAG，这说明或者DGAT1酶活性丧失而由其它的酶（如DGAT2和PDAT）参与TAG的合成，或者DGAT1酶活性只是部分地受到影响。本实验还对Sil7的根、茎、叶、花瓣和种子中TAG的脂肪酸组成进行了分析，结果发现，与烟草野生型对照相比，在Sil7的这些器官中，除种子中TAG的脂肪酸组成无明显变化外，其余器官中TAG的18:3/18:2脂肪酸比例均有明显升高。 对其中8株转基因烟草种子进行油脂含量分析发现，在转基因烟草中由于DGAT1基因的沉默引起种子中TAG含量的减少，从而引起了种子平均千粒重的下降。而在TAG含量和种子平均千粒重下降的同时，种子中其它贮藏物质－蛋白质和糖类的含量却增加了。该实验结果表明：在烟草种子中TAG的生物合成与蛋白质和糖类物质的合成之间存在着负的相关性。

植物体内谷胱甘肽还原酶的功能研究

谷胱甘肽还原酶（GR，EC1.6.4.2）是一重要的抗氧化酶，许多生理学和遗传工程研究都证明GR酶在抗氧化中的重要作用。但改变GR酶怎样影响植物的抗氧化系统却不清楚。GR是抗坏血酸－谷胱甘肽循环途径中的重要组成部分，其功能必然与其密切相关。本文用RNAi技术获得具有较低GR酶活性的转基因烟草，系统测定了非胁迫条件和胁迫条件下抗坏血酸－谷胱甘肽循环的变化，得出以下主要结果： 1．选择一烟草叶绿体GR酶编码基因（X76293, gi: 431954）进行RNAi载体构建，构建好的双元载体转化根癌农杆菌LBA4404，然后侵染转化烟草叶圆片。获得的转基因烟草具有30－70％的GR酶活性。分子检测结果表明GR在RNA和蛋白水平上与GR酶活性的变化一致。文中我们第一次用2-D电泳对烟草中GR同工酶进行分析，并确定发生抑制的GR同工酶在细胞中的定位。2-D电泳后的Western杂交检测到烟草的10种GR同工酶，pI值分布在4.5-6.3，其中3种GR同工酶定位在叶绿体内，其蛋白量占据所有GR酶含量的大部分。RNAi发生在叶绿体内和叶绿体外，表明发生抑制的GR同工酶的基因序列具有很高的同源性。igr转基因烟草在表型上与野生型对照烟草无明显差异。 2．所有igr转基因植株和对照植株中的活性氧（O2-和H2O2）、MDA含量和光合作用都无明显差异，表明正常生长条件下GR酶活性的降低不会引起氧化胁迫。测定正常生长条件下igr转基因烟草中谷胱甘肽库的变化。结果表明与对照烟草相比，GR酶活性降低70％会引起转基因植株中GSH/GSSG比率明显降低，而GSH和GSSG的含量稍有增加；测定抗坏血酸－谷胱甘肽循环的变化，结果显示igr转基因烟草中DHAR和MDHAR的酶活性升高，表明非胁迫条件下较低的GR酶活性可能会诱导抗坏血酸－谷胱甘肽循环不能正常的运转。这一作用可能与改变的谷胱甘肽库有关。GR酶活性降低30％的转基因烟草中未检测到这些变化，表明70％的GR酶活对于非胁迫条件下igr转基因烟草可能是足够的。 3. MV处理结果显示，igr转基因烟草的离体叶圆片和活体植株在MV处理后都发生比对照烟草严重的光漂白作用。igr转基因烟草的活性氧和MDA含量明显高于对照烟草，igr转基因烟草的光合作用明显低于对照烟草。以上这些指标表明igr转基因烟草对MV处理更为敏感。MV处理条件下igr转基因烟草谷胱甘肽的含量明显高于对照烟草，但是GSH/GSSG的比率明显低于对照烟草，GR酶活性仍明显低于对照烟草，表明在MV胁迫条件下igr转基因烟草中较低的GR酶活性不能有效的将GSSG还原生成GSH。igr转基因烟草中较高的谷胱甘肽净含量说明其谷胱甘肽的合成能力提高，但这仍不能补偿胁迫条件下较低GR酶引起的GSH/GSSG比率降低。MV处理条件下igr转基因烟草和对照烟草相比ASC的含量大大降低，导致DHA/ASC明显升高。测定MDHAR和DHAR的结果表明，MV处理后igr转基因烟草的MDHAR酶活性明显降低，这表明较低的GR酶活性引起ASC再生循环受到抑制。MV处理后较低的GR酶还引起igr转基因烟草中APX的活性大大降低。以上这些结果表明MV处理条件下降低GR酶活性会削弱抗坏血酸－谷胱甘肽循环，从而引起活性氧的大量积累，造成严重的氧化伤害。 4．低温处理的结果和MV处理的结果稍有不同。在GR酶活性较高的i2转基因烟草中所有检测指标与对照烟草无明显差异。而GR酶活性较低的i21、i28和i42植株与对照烟草相比表现出明显差异。低温下生长的对照烟草叶绿素含量明显高于i21、i28和i42植株。i21、i28和i42中活性氧（O2-和H2O2）和MDA的含量都明显高于对照烟草，表明低温处理下i21、i28和i42受到更严重的胁迫伤害。与MV处理后的变化相似，低温处理后i21、i28和i42中较低的 GR酶活性导致GSH/GSSG大大降低，ASC再生循环受抑制，APX活性明显降低，从而使抗坏血酸－谷胱甘肽循环不能高效的清除活性氧，导致ROS和MDA的大量积累，造成严重的低温伤害。