沙冬青抗冻组份的分离纯化和afp基因克隆的尝试

本文用三种方法分离纯化沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）叶片抗冻蛋白质。从70%硫酸铵沉淀后的上清液中得到了一种碱性的小分子物质，UiS，具有较高的溶解度( 260 mg/ml)和较强的降低溶液冰点的能力（200 mg/ml，冰点小于-20℃）：从10%硫酸铵和26%氯化铵共沉淀物中分离到一种抗冻蛋白-B3，B3分子量为39.8 kDa，热滞活性为0.45℃(10 mg/ml)：从沙冬青叶片热稳定蛋白质中用双向电泳一电泳回收法分离到afp,其分子量为40 kDa,pl为9.0。热滞活性为0.9℃(20 mg/ml)，和其他抗冻蛋白质进行比较，没有发现相同的类型。afp和uis在叶片含量都很高，可能是沙冬青抗冻生理过程中两种主要物质，它们对于沙冬青抵御-20℃左右的冷冻温度具有重要的意义。afp N端序列为SDDL SFTF NKFV PCQT DILF，据此合成了六段5’引物和一段3’引物，用RT - PCR方法从叶片中扩增出一段200 bp左右的片段。

植物克隆化基因功能分析及蛋白编码基因分离的研究

直到九十年代，以利用拟南芥菜和金鱼草突变体克隆到花器官发育基因为重要标志的植物发育研究取得了重大突破。但由于开花决定过程分子控制机理研究进展却较为缓慢。以mRNA人手利用差异筛选技术获得春化相关基因克隆(verc203，verc17)，Northem blot初步证明这些克隆对春化处理的特异性。根据反义RNA理论和技术对克隆化verc203基因功能进行研究。另外，从纯化蛋白人手，在金针菇中克隆到新的溶血性毒蛋白编码基因，并在细菌中得到表达，这一实验为利用此途径来克隆发育调控蛋白的编码基因进行了有益的技术路线探索。本研究的具体结果如下： 1． 春化相关基因(verc203)对冬小麦花发育调控 根据反义RNA的理论和技术进一步证明verc203在冬小麦开花启动和花发育过程中的可能控制作用。将verc203 DNA序列插入带有CaMV35S启动子和GUS基因的pBI221表达载体， 使之能在植物中高效表达反义RNA，并以转正义基因植株作为对照。通过花粉管途径转基因方法，得到326粒反义质粒冬小麦转化种子和1 98粒正义质粒冬小麦转化种子．所有转化处理种子和正常小麦种子萌发后，经春化处理，与未春化冬小麦植株一起培养直到对照植株达到成熟期。实验观察发现，转反义基因植株的抽穗受到明显的阻抑，开花过程大大推迟。其中表达较强的6株转基因植株甚至晚花五十多天。还发现一些表达较弱的植株尽管晚花20到30天，但花器官发育却受到影响，如，雄蕊缺失，穗发育异常等。Southemblot和PCR实验结果表明外源基因整合到转基因植株基因组。 Northrenblot以及报告基因(GUS)活性等实验证明反义基因在转反义基因植株RNA水平上得到高效表达。同时，GUS基因在蛋白质水平上得到表达。基于上述实验，有理由认为ver203基因可能是控制冬小麦春化诱导的成花启动和花发育过程中的主要基因之一。 2． 金针菇毒蛋白flammutoxin编码基因的克隆及其在细菌中的表达 利用色谱分离技术及SDS．PAGE电泳技术从金针菇(Flammuleina velutips)分离得到一种分子量为31 kDa、对人血红细胞具有溶血活性的蛋白质(flammutoxin)，通过蛋白质序列微量分析技术测得其N-端3 1个氨基酸顺序。利用氨基酸序列推测其编码基因序列信息，通过RT - PCR克隆到一个由973个核苷酸组成的编码基因，5’端93个核苷酸编码肽链序列与测得flammutoxin N-端氨基酸序列完全相同。基因序列同源性分析表明在GenBank (USA)，EMBL Database (Europe)和DDBJ (Japan)基因序列数据库中未找到与之同源的基因序列。这个基因与载体p-半乳糖苷酶部分基因编码的融合蛋白在E coli细胞中有效地得到表达。表达产物的SDS-PAGE，Western blot和溶血活性实验表明它是flammutoxin蛋白原编码基因。并对融合蛋白的溶血活性降低原因作了讨论。

青蒿异源基因的遗传转化及青蒿生物合成相关基因的克隆

本论文由三部分内容组成，一、药用青蒿的遗传转化，即根癌农杆菌和发 根农杆菌介导的转化系统的建立及其影响参数的研究。二、青蒿素生物合成的 分子调控。三、倍半萜生物合成相关基因的克隆。 一、药用青蒿的遗传转化。建立了Ri质粒介导和Ti质粒介导的两种转基因系统， 其中Ri质粒介导青蒿转基因系统的建立是国际上首次报道;以GFP基因为报 告基因，首次获得高效表达的青蒿转绿色荧光蛋白基因的丛生芽，并对GFP基 因的表达进行了组织和细胞水平的定位。此外，对影响两种转基因系统的主要 参数进行了较为详细的研究。上述研究为青蒿素生物合成的分子调控奠定了坚 实的基础。 二、青蒿素生物合成的分子调控。为探索提高青蒿植株或组织和器官中的青蒿 素含量，首次以棉花中克隆的杜松烯合成酶和法呢基焦磷酸合成酶的 cDNA 为 目的基因导入青蒿，对青蒿中青蒿素的生物合成进行了分子调控研究的尝试。 通过已建立的两种转基因系统，将从棉花中克隆的杜松烯合成酶和法呢基焦磷 酸合成酶的 cDNA 导入青蒿，获得转基因发根和转基因植株。结果表明，外源 基因的表达能够影响青蒿素的生物合成，其中法呢基焦磷酸合成酶基因的过量 表达能够促进青蒿素的生物合成，提高转基因发根和植株中的青蒿素的含量。 转基因发根F-26系中青蒿素含量最高达3.01 mg/g.DW，与对照相比青蒿素含量 提高3～4倍;转基因植株的青蒿素含量最高达10.08 mg/g.DW，与对照相比， 转基因植株的青蒿素产物提高2～3倍。此外，研究还表明，在转基因的发根C -37株系中，外源杜松烯合成酶基因的导入和表达可能相应地促进青蒿转基因 发根自身的法昵基焦磷酸基因的表达。 三、倍半萜生物合成相关基因的克隆。采用 RT-PCR 技术，从马铃薯 (Solanum tuberosum L.) 幼叶中克隆了 HMGRII 亚基因家族的一个新的成员 HMGR-c2（GenBank accession No．AF 096838Southem）;杂交分析表明，该基因至少以 两个拷贝以上形式存在于马铃薯基因组中;RT-PCR分析表明，HMGR -c2的 表达在幼苗期无组织特异性，广泛地存在于根、茎、叶等组织中。以青蒿001 株系的苗期叶片为材料，构建了青蒿苗期的λgtll cDNA文库，以PCR筛库方 法从青蒿中克隆一个法呢基焦磷酸合成酶cDNA (Artfps2 GenBank accession No． AF136602)和一个HMGR cDNA(GenBank accession No．AF142473);以青蒿 025株系的苗期叶片为材料，构建了青蒿苗期部分质粒文库以 PCR 筛库方法从 青蒿中克隆一个法昵基焦磷酸合成酶 cDNA (Artfpsl GenBank accession No.AF112881);此外，还从青蒿中克隆了倍半萜合成酶的 cDNA 片段(GenBank accession No.AF156854)。其中青蒿倍半萜合成酶基因的克隆是目前国际上本研 究领域最受关注的焦点和难点之一。至此，本研究已将与青蒿素生物合成相关 的三个重要的关键酶基因基本克隆，这无疑将加速青蒿素生物合成的基础和应 用研究的进程。

转基因植物生产生物可降解塑料PHB的研究-phbA功能鉴定、多价表达载体的构建及转基因植物的获得

聚-β-羟基链烷酸（PHA）是许多微生物作为碳源、能源的一类贮藏性聚酯，具有广泛的应用价值。该聚酯可被微生物完全降解且有与塑料相似的性质，因而研究并提高PHA在植物中的合成为解决环境污染提供了新的解决途径。 聚-β-羟基于酸酯（PHB）是研究的最早、研究的最清楚的一种PHA。用聚合酶链式反应扩增并克隆了真养产碱杆菌（Alcaligenes eutrophus）中合成PHB的一个关键酶——3-酮硫裂解酶基因phbA。DNA序列分析表明所克隆的基因与国外报道序列同源性很高，只有一个碱基对的区别。为了检测该基因的功能及导肽的定位效率，构建了带有导肽基因的组成型表达载体，由根癌农杆菌介导转化烟草（Nicotiana tabacum cv. Wisconsin 38）得到转基因植株。蛋白质电泳结果表明导肽可以将外源蛋白定位于质体，phbA基因能翻译成相应大小的蛋白。酶活性分析证实了转基因烟草中phbA编码的3-酮硫裂解酶可以催化乙酰-CoA合成乙酰乙酰-CoA。 将携有导肽序列的phbC（编码PHB合酶）和phbB（编码乙酰乙酰-CoA还原酶）连入pBIB-HYG得到组成型表达载体pZCB，用冻融法转入根癌农杆菌，介导转化烟草。烟草为已获得的具有卡那霉素抗性整合并表达phbA的转基因烟草。通过二次转化将携有潮霉素抗性的phbB基因和phbC基因导入已整合phbA的烟草，各基因均由质体导肽控制，最后得到整合PHB合成的三个酶基因的转基因烟草。转基因烟草经PCR、PCR-Southern检测，初步确定整合phbB和phbC烟草植株。以气相色谱初步分析，转基因烟草中PHB的含量可达鲜重的0.233%。 结果表明phbB和phbC基因可以在真核表达系统中编码相应的蛋白。通过色素分析、荧光动力学等手段分析了PHB在叶绿体中的累积对其功能的影响。 为了提高底物乙酰-CoA的供应能力及减少惰性聚酯对植物体的伤害，分离了种子特异性启动子和质体导肽序列，利用忆经克隆的合成PHB的三个关键酶基因，通过一系列DNA重组，分别构建了含有种子特异性启动子的嵌合phbC、phbB的二价表达载体pSCB及嵌合phbC、phbA、phbB的三价表达载体pSCAB，并由导肽将基因表达产物定位于质体。经根癌农杆菌介导转化油菜（Brassica napus L.) H165，获得转基因油菜植株，并进行了PCR、Southern blot及RT-PCR-DNA杂交等分检测。结果表明，三基因已经分别整合到相应的转基因油菜中，并已在转录水平表达。同时转化了油菜不育系、恢复系和保持系，获得批量转化株，并移入温室栽培。

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。

青蒿开花与青蒿素生物合成相关性的研究-金丝桃和百金花二苯甲酮合酶基因的克隆，异源表达及功能分析

第一部分：青蒿开花与青蒿素生物合成相关性的研究 青蒿素是从中药青蒿中分离出的倍半萜内酯化合物，目前是世界上唯一有效的治疗脑型疟疾和抗氯喹恶性疟疾的药物。青蒿植株中青蒿素含量在开花期最高，但是目前尚不清楚开花与青蒿素生物合成的关系。为此，我们用光周期（短日照）诱导青蒿提前开花，不仅同时获得了开花与不开花的青蒿植株，而且还成功地在同一植株上诱导部分分枝开花，另一部分分枝保持营养生长状态。这一实验体系为研究青蒿开花与青蒿素生物合成的相关性奠定了基础。实验结果表明，开花与不开花青蒿植株青蒿素含量有明显差异。开花植株的青蒿素含量在前2周内逐渐提高，第三周（开花期）达到最高，并保持一周左右，在随后的2周内下降。青蒿植株开花后，叶片便开始老化变黄，逐渐死亡。未开花青蒿植株的青蒿素含量动态在前三周内与开花植株类似，但是这种高青蒿素含量状态能保持较长时间，至少在随后的2周内没有下降。未开花植株的叶片依然保持绿色。这一结果表明，开花不是导致青蒿素含量提高的直接原因。 扫描电镜观察结果表明，幼嫩叶片上的毛状腺体( trichrome)结构是完整的，而在老化的叶片上，则观察到了相当比例(40-50%)破损的腺体。这可能是导致青蒿素含量下降的直接原因。 不同生态型青蒿对光周期的反应是不同的。在北京地区，本地青蒿在8月初便开始开花，而来自四川武陵的青蒿则要到9月份才能开花。根据这一特性，采用“南蒿北栽”的方法，能够使青蒿保持较长时间的营养生长状态，延长适于采收的时间。 第二部分：金丝桃和百金花二苯甲酮合酶基因的克隆，异源表达及功能分析 植物次生代谢物山屯酮( Xanthones)仅存在于龙胆科和藤黄科植物中。它们具有抑制单胺氧化酶，细胞毒素及抗肿瘤活性。 含有1 3个碳原子的二苯甲酮是山屯酮生物合成的中间产物，是由二苯甲酮合酶催化合成的，这一反应是山屯酮生物合成的关键步骤。二苯甲酮合酶已经在金丝桃和百金花细胞悬浮培养系统中检测到，并进行了细致的生化水平上的研究。本研究是在上述研究的基础上，进一步克隆该酶的基因，并进行异源表达及功能分析工作，以便更好地了解和调控山屯酮的生物合成。 用PCR和RT-PCR技术，从金丝桃cDNA文库和逆转录产物中分别克隆到一个基因HBPS1和HBPS2，从百金花cDNA文库中克隆到一个基因CBPS1。HBPS1含有1402个碱基，其开放阅读框架编码390个氨基酸，分子量为42.7 kDa，等电点为6.55。HBPS2含有1398个碱基，其开放阅读框架编码395个氨基酸，分子量为42.8 kDa，等电点为5.78。CBPS1含有1383个碱基，其开放阅读框架编码389个氨基酸，分子量为42.7 kDa，等电点为7.88。与GenBank中序列同源性比较结果表明：在氨基酸水平上，HBPS1与茶（Camellia sinensis）查尔酮合酶的同源性高达92%，HBPS2与萝卜（Raphanus sativus）查尔酮合酶的同源性为64%，CBPS1与茶（Camellia sinensis）查尔酮合酶的同源性为71%。HBPS1与HBPS2的同源性仅为62%。 将三个新克隆的基因的ORF整合到载体pGEX-G上的谷胱甘肽还原酶S基因下游，构建成转化质粒，并在大肠杆菌中诱导表达。结果表明，这三个基因的ORF片段均能被表达成约68 kDa的产物，这与期望的结果一致。 活性检测结果表明，HBPS1是查尔酮合成酶，其底物为香豆酰辅酶A和丙二酸单酰辅酶A，对这两种底物的亲和性KM分别为：香豆酰辅酶A 2.8μM，丙二酸单酰辅酶A，11.2μM。最适反应条件是350C，pH7.0，DTT浓度10 μM。 HBPS2是二苯甲酮合酶，其底物是苯甲丙氨酰辅酶A，和丙二酸单酰辅酶A，对这两种底物的亲和性KM分别为：苯甲丙氨酰辅酶A 2.4 μM，丙二酸单酰辅酶A 9.6μM。最适反应条件是350C，pH 6.5，DTT浓度50 μM。而CBPS1则没有检测到任何活性。从同一种植物中同时获得了查尔酮合酶和二苯甲酮合酶，对研究这两种十分相近的酶的差异表达，酶促反应机制等问题将非常有利。

毛白杨（Populus tomentosa）木质素生物合成相关基因分离与木质素合成调节

木质素是植物体中具重要生物功能的次生代谢产物。然而纸浆生产主要是将原料中的木质素与用于造纸的纤维素分离，该工艺过程产生了造纸工业的主要污染废液，并且增加造纸成本。本研究目的在于利用反义RNA技术，在分子水平调节木质素的生物合成，降低中国特有造纸树种毛白杨的木质素含量，培育更适于我国造纸工业的原料树种。以下为本研究已取得的相关研究进展： 1.通过RT-PCR技术，从毛白杨中克隆了木质素生物合成的三个相关酶的cDNAs，它们分别为咖啡酸甲基转移酶(caffeic acid O-methyltransferase，COMT)、咖啡酰CoA甲基转移酶(caffeoyl Co-enzyme A O-methyltransferase，CCoAOMT)及香豆酸：辅酶A连接酶(4-coumarate: CoA ligase，4CL)。序列分析显示了毛白杨这三个基因与杨属中其它种的相应基因cDNA核苷酸序列高度同源。Northern点杂交分析表明，COMT、CCoAOMT及4CL基因在毛白杨正在生长的次生木质部中高水平表达，其表达高峰与树木的木质化进程同步;而在叶与叶柄中，这三个基因均不表达。COMT、CCoAOMT及4CL是木质素生物合成的相关酶，该表达特征与其基因功能相一致。本研究克隆的COMT、CCoAOMT及4CL基因的cDNAs已在GenBank注册登记，接受号分别为AF237777、AF240466、AF314180 (publish on Jan l,2002)。 2.通过一系列的DNA重组，构建了携带反义COMT、CCoAOMT或4CLcDNA的反义表达载体以及同时整合反义COMT与CCoAOMT cDNA的双价反义表达载体，PCR扩增与酶切检测确证构建无误。 3.以田间取材的速生三倍体毛白杨B19、B331及B304的茎尖、叶片与嫩茎为外殖体，首次获得了三倍体毛白杨的组培再生试管苗，并建立了速生三倍体毛白杨的组培再生系统，为通过基因工程改良其造纸性能奠定了基础。 4.农杆菌介导转化烟草，PCR与PCR-Southern检测表明我们获得了整合反义COMT、CCoAOMT cDNA及反义COMT及CCoAOMT cDNA共整合的转基因烟草。以Digoxigenin标记的对应于反义链的单链RNA为探针与转基因烟草的总RNA进行NoIthern点杂交，结果表明整合到其中的反义cDNA均已表达。转基因烟草的木质素分析将有助于对COMT及CCoAOMT两个甲基化酶功能的认识。 5.通过农杆菌介导，将反义CCoAOMT cDNA转入欧洲山杨与银白杨的杂交杨（P tremulaXP.alba）。经PCR，PCR-Southern及Southern检测，确认获得了转基因植株。以Digoxigenin标记的对应于CCoAOMT cDNA反义链的单链RNA为探针与转基因杂交杨总RNA进行Northern点杂交，结果表明整合到其中的反义cDNA已在转录水平表达。测定生长5-6个月的转基因杨树下部茎杆的Klason木质素含量，结果显示其中一个株系的Klason木质素含量比野生型对照下降17.9%，表明抑制杨树内源CCoAOMT基因表达可有效降低转基因植株的木质素含量。

棉花抗黄萎病基因工程研究和防卫反应相关基因的克隆

系统获得性抗性(Systematic acquired resistance, SAR)是植物抵御病原菌侵染的最有效手段，利用基因工程技术导入SAR信号发生过程中的关键基因后，植物的SAR基因表达量提高并且对病原菌侵染的反应速度加快，因此植物的抗病性得以增强，与传统的抗病基因工程技术相比它对病原菌没有专一性，许多学者称之为广谱抗病基因工程，该领域已成为目前抗病基因工程研究的热点和前沿。 NDR1和NPR1基因在植物的SAR发生中起着重要的作用，前者功能定位在ROS(reactive oxygen species)的激活和随后的水杨酸(SA)诱导合成之间，突变株病原菌诱导后SA合成能力降低，SAR发生减弱，目前还没有对该基因进行过量表达分析的报道;后者功能定位在SAR信号转导级联反应之中的SA积累和随后的SAR基因表达之间。该突变株在病原菌侵染时不产生病程相关蛋白(PRs)，表现为感病，而对照抗病;过量表达该基因的转基因拟南芥对多种病原菌的侵染产生抗性，PR1等PRs蛋白的表达量也提高，异源表达该基因的水稻对白叶枯病的抗性也提高。本研究利用RT-PCR方法从拟南芥中克隆了这两种基因，序列分析表明拟南芥Wassilewskija生态型的NDR1基因与Columbia生态型相比，共有7处碱基不同，引起编码氨基酸变化4处，而NPR1基因与报道的Wassilewskija生态型来源的NPR1基因完全相同。 我们构建了35S启动子驱动的NDR1和NPR1基因的植物组成型高效表达载体，利用农杆菌介导法转化烟草，PCR和Southern鉴定外源基因已经整合到植物基因组中。抗病性分析显示过量表达NDR1和NPR1基因的烟草对晚疫病和赤星病的抗性都有明显提高，说明这两个基因的在其它植物中异源表达后，都能提高植物对多种病原菌的抗性。 本论文提出了利用这两个基因来培育抗黄萎病棉花的设想，一方面为解决这个“世纪性”难题积累新的资料，另一方面也为其它作物的抗病基因工程提供新的经验。利用35S启动子驱动的NDR1和NPR1基因的植物组成型表达载体分别对陆地棉品种石远321进行花粉管通道法转化。同时，还探讨了这两个基因在棉花中的共转化实验，希望它们的“协同增效”能进一步提高棉花的抗病性。对其中2001年夏天在南京注射所获得的5,000粒种子在三亚进行100 g/ml卡那霉素筛选，初步鉴定分别获得转NDR1和NPR1基因株系26和24棵，PCR进一步鉴定其中分别有12和7棵为转基因阳性，转基因频率分别为0.50％和0.27％，目前利用营养钵蘸根法对其二代进行抗枯、黄萎病鉴定，结果显示有转基因植株对枯、黄萎病的抗性都明显增强，进一步的鉴定正在进行中。2002年初海南注射分别获得转NDR1和NPR1基因以及共转化种子22,000、10,500和12,500粒种子，2002年夏在中国农科院植保所黄萎菌病圃筛选抗黄萎病单株，并利用100 g/ml卡那霉素初步筛选出了一批抗性植株，每种转基因株系随机挑选5株进行PCR鉴定，结果显示为阳性。进一步的抗黄萎病鉴定和筛选以及分子分析正在进行中。 同时，本文还探讨了病原菌诱导型启动子在广谱抗病基因工程应用的可能性。根据烟草的Pr1-a启动子已知序列设计引物，PCR扩增启动子序列后,构建病原菌诱导型NPR1基因植物表达载体，并对棉花进行转化，获得种子11,500粒，利用同上的筛选方法，获得了一致的结果，目前抗黄萎病鉴定、分子检测以及生物学分析正在进行中。 最后，鉴于抗生素标记在转基因植物的应用引起了许多“安全性”争论的事实，还构建了无筛选标记的表达载体对抗虫棉进行转化，这样在生产上可以直接获得抗虫棉抗黄萎病棉花新材料，也为其它作物抗病基因工程积累经验。 本研究还提出了一种较为有效的提取高质量棉花总RNA的方法，与原来一些棉花RNA纯化方法相比，该方法所用都为常规试剂，易于重复，质量高。并且利用获得的总RNA构建了黄萎菌激发子诱导的cDNA文库，滴度测定为1╳107pfμ/μg，插入片段大小在5 00~2 000 bp范围内。 鉴于NPR1基因研究的重要性，本研究还利用简并引物PCR技术从海岛棉和陆地棉的基因组中都分离到了NPR1基因的同源片段，大小都为208 bp，与拟南芥NPR1基因的相应部分的同源性分别为66％和65％，它们之间的同源性为87％，目前该基因的全长正在分离鉴定中。 多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(PGIPs)在植物的防御反应中起着重要的作用，通过分析已知20余种pgip基因序列的保守区，设计简并引物，PCR扩增海岛棉（Gossypium barbadense）7124 cDNA文库，得到一条长561 bp的片段，序列测定后分析确认为pgip基因的一部分。根据此序列和棉花病原菌诱导的cDNA文库载体中已知部分设计RACE引物，扩增后，5’和3’RACE分别得到666bp和906 bp的片段。序列分析表明它具有完整的编码框，产物为330 aa的蛋白质。序列分析该蛋白具有10个串联的LRR(leucine-rich repeat)区，与柑桔(Citrus)和枳(Poncirus)的pgip基因的同源性分别为69.2%和68.7%。进一步PCR扩增得到该基因的全长阅读框，并且获得了相应的基因组片段，序列分析发现该基因没有内含子。这是从棉属植物中克隆的第一个pgip基因。

青蒿素生物合成相关基因的克隆、大肠杆菌表达与分子分析

利用现代分子生物学和基因工程技术手段，克隆青蒿素生成途径的关键酶基因，研究关键酶基因对青蒿素生物合成的调控规律，是打破青蒿素生物合成的限速步骤，大幅度提高青蒿素含量，最终达到利用植物生物技术工业化生产青蒿素的目的必须解决的关键问题。本论文基于此目的，开展了青蒿素生物合成相关基因的分子克隆工作。 用RACE方法从青蒿高产株系001中克隆了一个新的1886bp的全长倍半萜合酶cDNA。克隆的倍半萜合酶氨基酸序列与烟草马兜铃烯合酶、莨菪岩兰螺旋二烯合酶、棉花杜松烯合酶的一致性分别为39%，38%和41%;与青蒿柏木脑合酶、紫穗槐二烯合酶和一个推测的倍半萜合酶克隆cASC125的一致性为50%，48%和59%。cDNA编码区序列被克隆进原核表达载体pET-30a，并在大肠杆菌BL21（DE3）中诱导表达，但过量表达的蛋白主要是以不溶性蛋白形式存在。RT-PCR分析表明此基因在茎、叶和花中表达，在根中没有表达。 用RT/PCR方法从青蒿高产株系001中克隆了amorpha-4, 11-diene合酶cDNA。将该cDNA插入原核表达载体pET3d并在大肠杆菌BL21（DE3）中过量表达。Southern blot分析表明AMS基因在青蒿基因组中至少有3个拷贝。AMS基因组DNA有一个复杂的结构，包含有7个外显子和6个内含子。RT/PCR分析表明AMS基因在叶片、茎和花中表达，而在根中没有表达。 用RACE方法首次从青蒿中克隆了一个1539 bp全长鲨烯合酶cDNA。青蒿鲨烯合酶氨基酸序列与拟南芥、烟草、人类、酵母鲨烯合酶的一致性分别为70%、77%、44%、39%。青蒿鲨烯合酶基因组DNA有一个复杂的结构，包括14个外显子和13个内含子。全长的或C末端截短的鲨烯合酶cDNA被克隆进原核表达载体pET30a并在大肠杆菌BL21（DE3）中诱导表达。但在含有全长的鲨烯合酶cDNA的大肠杆菌中并没有观察到预期大小的鲨烯合酶表达，而C末端截短30个疏水氨基酸的鲨烯合酶可在大肠杆菌中过量表达。

利用转基因植物生产生物可降解塑料(PHB)的研究

聚 3 一控基丁酸酯 (Poly – 3 - hydroxybutyrate,PHB) 及其它类型的聚 3-泾基链烷酸醋同属于聚酯类物质 , 是自然界中多种细菌的碳源及能源储备物。这种聚酯的物理化学特性与传统塑料相似 , 并具有生物可降解性 , 如能取代化学合成塑料将减少环境中的塑料废弃物 , 从源头治理 " 白色污染 " 问题。微生物发酵法生产的 PHB 价格过高 , 无法在市场上与化学合成塑料竞争。随着分子生物学的发展 , 人们逐渐将视线转向植物生物反应器。转基因植物能够利用二氧化碳为碳源、太阳能为能源合成目的产物 , 大大降低生产成本 , 为生产具有市场 竞争力的新型生物可降解塑料提供可行途径。在此领域虽然己取得一定进展 , 但远未达到商业化生产水平。大规模商业化生产要求转基因植物能够在确保环 境安全性的前提下高效、稳定地生产 PHB 。本文尝试改善植物中 PHB 的生产体系 ,为环保型塑料早日进入市场作出努力。 1. 由于表达框架中多次使用同一启动子会导致基因沉默 , 本文克隆了另一 种子特异性启动子 nap300, 以替换重复使用的7S启动子,减轻“共抑制”。将 nap300 与 GUS 基因相连进行功能鉴定。荧光检测和组织化学染色的结果都证明此仅 30Obp 的 DNA 序列足以调控基因进行种子特异性表达。尽管 B 盒作为 高度保守区在种子特异性表达中起重要作用 , 位于此处的两个碱基替代型突变 并未使 nap300 的活性明显降低 , 对启动子的时空表达模式也无明显影响。将 nap300 、 7S 分别与 phbA 基因 ( 编码 3-酮硫裂解酶) 相连 , 在相似表达环境中 对二者功能进行比较 , 发现两个启动子表达模式基本相同并在同一时期达到活 性高峰 , 因此 nap300 可用于改善 PHB 合成基因在植物体内的表达调控。通过 对种子特异性启动子的比较可加深对其表达模式的了解 , 为植物基因工程中的 精细调控提供依据。 2. 叶绿体基因工程是随着植物遗传转化技术发展刚刚兴起的生物技术 , 具 有超量表达外源基因 , 为原核基因提供适宜表达环境 , 消除 “位置效应”和基因沉默 , 环境安全性好等优点 , 较更适合用于植物生物反应器方面的研究。本研究在国内率先探讨将叶绿体转化技术引入植物生产生物可降解塑料这一领域 的可行性 ( 国外仅有日本一例 ), 构建了叶绿体转化及表达载体 pTRV-PHB, 通过基因枪法将 PHB 合成相关基因导入烟草叶绿体基因组。转基因烟草顺利达到同质化，其形态和生长发育均无异常。 Northern 点杂交检测表明与 PHB 合成相关的三个基因均能在转录水平表达 , 未出现核转化中经常发生的“基因沉默”现象。通过 RT-PCR 进一步检测表明叶绿体型转基因烟草中目的基因的表达水平明显比核转化植株中相应基因的表达水平高。气相色谱分析确证转基因植株具有合成 PHB 的能力。这些都表明叶绿体转化适合用于转基因植物生产 PHB的研究。虽然叶绿体型转基因烟草中产物含量偏低 , 并未达到预期结果 , 但经进一步改进与完善 , 终将会成功地用于生产高附加值产品的植物基因工程中。 3. 为初步探讨叶绿体转化中在同源重组反应介导下整合外源基因的机理 , 从油菜叶绿体基因组中分离两段序列作为同源片段 , 基因枪法转化烟草 , 结果显示即使供体所含同源片段与受体叶绿体基因组相应区域差异高达 10%, 转化效率也无降低。这一现象的发现有助于促进“通用载体”　的改进 , 扩展叶绿体转化受体范围乃至达到商业化应用水平。 4. 成功地通过二次转化获得整合并表达多基因的转基因烟草 , 缩短了研究周期 , 对相关转基因植物的研究有一定参考价值。本文还优化了油菜转化体系 , 使转基因油菜同时整合三个 PHB 合成相关基因的效率由 7.69% 增加至 16.0% 。 田间试验与产物分析正在进行中。

拟南芥bre突变体分析及小麦ver203F基因表达模式研究

第一部分 茎尖分生组织的中央部位是由干细胞组成，维持干细胞的动态平衡对于植物器官启动显得尤为重要。在拟南芥花序分生组织和花分生组织中分别有WUS/CLV和(WUS+LFY)/AG两个负反馈调节环控制着这一平衡，保证了花序分生组织的非决定性和花分生组织的决定性。 本文用T-DNA激活标签技术得到功能增强突变体bre，序列分析表明BRE就是干细胞特征基因WUSCHEL。定量RT-PCR表明在突变体的茎节间WUS大量表达，证实在WUS基因的调控区插入的4个35S增强子使WUS表达增强。突变体bre生长发育缓慢，茎弯曲，花器官数目改变，心皮发育加快。尤为突出的是在茎皮层直接分化出花分生组织。这些表型可能与WUS的表达增强有关。这说明WUS功能是多效的，除了在分生组织中决定干细胞命运、促进CLV和AG的表达外，还可能与生长素极性运输以及花分生组织特征基因的表达有关。 第二部分 春化作用是促进植物从营养生长向生殖生长转变的有效途径之一，作者所在实验室曾经分离到多个小麦春化相关基因。为研究春化期间它们在不同组织或不同细胞内的表达模式，首先建立并完善了RNA组织原位杂交系统。以春化相关基因ver203F为模板，采用地高辛为标记分子，借助体外转录制备RNA探针，分析了小麦胚芽和幼苗中ver203F的表达模式。结果表明：春化前和脱春化的胚芽中不表达ver203F，春化处理14天以上的胚芽幼叶表达ver203F,而且主要定位在叶的边缘分生组织细胞内，叶维管束和表皮组织未检测到转录物，胚芽鞘和茎尖分生组织中不表达。幼苗的侧芽中的幼叶有相同的表达模式。茉莉酸可以诱导ver203F的表达。．说明春化时的低温信号可能由幼叶接收，并有可能涉及到茉莉酸介导的信号转导途径。

水稻花药绒毡层特异基因及减数分裂相关基因的分离与功能分析

　利用RNA减法杂交、差异筛选和5’-RACE等方法从水稻分离到了一花药绒毡层特异表达的基因RA39。Southern 杂交表明，RA39在水稻基因组中是以单拷贝的形式存在的。RT-PCR 结果初步表明，RA39是一水稻花药特异表达的基因。RNA原位杂交进一步表明，RA39主要在水稻花药的绒毡层中表达，而且在小孢子母细胞减数分裂期和四分体时期表达量最高。RA39 cDNA全长1013bp，编码298个氨基酸残基。 RA39 cDNA与数据库中的已知序列没有明显的相似性，由其推测的多肽与核糖体失活蛋白（ribosome-inactivating protein, RIP）的序列相似在19-34%之间。多重序列排列分析结果表明构成RIPs活性位点的5个关键氨基酸残基在RA39中是保守的，在蓖麻毒蛋白中分别为Tyr80、 Tyr123、 Glu177、 Arg180 and Trp211 。利用原核表达系统，通过蛋白质分离和纯化获得了在SDS电泳图谱上为单一条带的纯的RA39蛋白，用兔rRNA作底物进行的酶活性分析证明该蛋白有N-糖基化作用，是一种类型I的核糖体失活蛋白。反义转基因植株的花粉用TTC进行活性染色结果显示其活性明显减弱，成熟的T0代反义转基因植株的结实率明显降低，只有对照的20-60%。这说明，RA39蛋白可能和小孢子母细胞的发育相关。 　　酵母DMC1是减数分裂过程中同源染色体配对和重组修复所必需的减数分裂特异基因。根据酵母Dmc1和拟南芥AtDmc1的保守区设计简并性引物，通过RT-PCR和RACE等方法，从水稻中分离出了酵母DMC1的同源基因OsDMC1。RT-PCR分析表明，OsDMC1在花中表达量最高，在根中表达量较低，在叶片和幼芽几乎不表达。水稻基因组中有两个拷贝的OsDMC1。OsDmc1蛋白与酵母Dmc1和拟南芥AtDmc1氨基酸一致性分别为53%和81%。 　　酵母Spo11在减数分裂过程中具有催化DNA双链断裂从而起始同源重组的功能。以酵母Spo11氨基酸序列为探针和现有的数据库通过数据分析，结合RACE技术，克隆了水稻SPO11同源基因OsSPO11-1， OsSPO11-1是一个单拷贝基因，有3个外显子和2个内含子，在转录过程中通过内含子的可变剪切产生4个不同的转录本（OsSPO11-1A、OsSPO11-1B、OsSPO11-1C和OsSPO11-1），其中，OsSPO11-1A是一个未剪切的转录本，OsSPO11-1B包含内含子2，OsSPO11-1C包含内含子1，OsSPO11-1D是一个完全剪切的转录本。这些转录本编码的蛋白有一致的246氨基酸残基的C-端，包含了Spo11/TopVIA家族蛋白共有的5个功能基元，是该家族的新成员。OsSPO11-1A和 OsSPO11-1C在花中优势积累，OsSPO11-1B是花特异的，而OsSPO11-1D在营养器官中优势积累。在花中该基因主要在减数分裂的花粉母细胞和胚曩中表达，在减数分裂期的绒毡层细胞和不同花器官的微管束细胞中也表达。这些结果说明内含子涉及到了OsSPO11-1表达的器官特异性调节，该基因除了参与减数分裂的调节外，在体细胞的发育中可能起重要作用。

水稻I型酪蛋白激酶的分离及生理功能研究

（第二部分的摘要） 酪蛋白激酶在许多物种的细胞分裂及分化过程中都有重要作用。在水稻中，以经过油菜素内酯处理的水稻幼苗为材料，通过cDNA微矩阵的方法得到了一个全长1939bp的基因OsCKI1（Accession number AJ487966）。该基因编码的蛋白产物属I型酪蛋白激酶（CKIs），含463个氨基酸。RT-PCR及Northern blot结果显示，基因OsCKI1在水稻各组织中表现为组成型表达，并且其表达受油菜素内酯（BR）及脱落酸（ABA）的诱导。在大肠杆菌中对该基因进行原核表达，并用表达后的蛋白粗提物进行酶活测定，显示该蛋白产物可磷酸化CKIs的特异性底物酪蛋白。通过构建OsCKI1的反义载体并转化水稻，对该基因的生理功能进行了研究。对转基因植株的纯系表型进行了观察，显示其根部发育异常，表现为具有较短的初生根、侧根及不定根数目少于对照。进一步研究显示初生根的变短是由于细胞延伸受抑制引起的。以CKI的特异性抑制剂，CKI-7处理野生型植株，也对OsCKI1缺失引起的表型进行了确认。值得注意的是，以外源生长素（IAA）处理转基因及经CKI-7处理过的野生型植株，都能恢复根部表型，使其生长正常。对反义植株初生根及次生根的游离生长素含量测定结果显示，OsCKI1可能在IAA的代谢途径中发挥作用。转基因植株的种子在萌发时对ABA及BR的处理都表现为不敏感，暗示该基因可能在各种激素信号转导途径中都有作用。OsCKI1-GFP双元表达载体的亚细胞定位的研究显示该基因主要定位于核中，可能参与了基因表达的调节。同时，以该反义转基因植株为材料，通过cDNA芯片的技术研究了受OsCKI1调节的基因的表达谱，结果显示该基因的缺失的确影响了参与信号转导及激素代谢途径的许多基因的表达。 （第四部分的摘要） 以OsCKI1反义转基因植株对照植株为材料，研究它们处于4℃低温胁迫下的反应情况。植株种子在室温下萌发并生长一段时间后，移入4℃低温下进一步生长。取对照及低温处理后的材料，对其表型进行观察，显示低温下转基因植株初生根生长受抑制程度小于对照，其生长的延缓程度低;相对电导率测定结果显示，经低温处理后，转基因植株相对电导率变化较小，质膜受害程度小;微管观察结果也显示在短期低温处理下对照根部延伸区细胞的皮层微管解聚，而转基因植株其根部延伸区细胞的皮层微管仍能保持正常状态。基因OsCKI1在低温下的表达模式表现为先升高之后又降低，推测其在低温信号的转导途径中发挥作用。通过总结以上结果，我们认为基因OsCKI1的反义转基因植株虽然在短期冷害下具有一定的抗冷能力，但其不具备形成长期稳定的冷适应的能力。

大蒜中植物络合素合酶基因的克隆及功能分析

随着现代工业的发展，重金属污染已经成为一个非常严重的问题。 传统的重金属治理方法花费较高并且过程非常繁琐。植物修复技术是一种经济并且有效的利用植物进行环境污染治理的新方法。植物络合素是一类植物体内络合重金属离子的多肽，它已经发现于多种植物与微生物中。植物络合素合酶是催化GSH合成 植物络合素的关键酶。因此揭示植物络合素合酶的分子机理对于了解植物对重金属抗性的机制又很重要的意义。迄今为止，关于植物络合素合酶基因的研究主要集中在两种非重金属的植物中：拟南芥与小麦。许多关于该基因结构与功能的问题依然很不清楚。大蒜是一种能够抗很高浓度重金属的植物。在本研究中，我们利用大蒜这种重金属抗性植物对以下问题做了较为系统的研究： 1. 测量了大蒜在重金属胁迫下的生理表现，并得出大蒜是一种具有重金属抗性的植物; 2. 我们从大蒜中克隆出一个新的植物络合素合酶基因。该基因全长1868bp，包含一个 506个氨基酸的开放读码框并编码一个55.8KD的蛋白。该基因转译的氨基酸序列与其他十二种物种的植物络合素合酶氨基酸序列具有很高的同源性; 3. 酵母功能互补试验证明表达AsPCS的酵母可以比对照耐受更高浓度的镉与砷。这表明AsPCS的转译产物在酵母与植物的重金属的耐受过程中起很重要的作用; 4. RT-PCR的结果表明，经过重金属Cd2＋的胁迫，AsPCS在根中与茎中的表达量都有提高，这说明AsPCS的调控是发生在转录水平上的。另外通过比较该基因在相同处理条件下根中与茎中的表达量，我们发现AsPCS在根中的表达量远高于茎中; 5. 原位杂交显示AsPCS主要表达于根的表皮、顶端分生组织、韧皮部，并且当重金属压力提高后，表皮的表达量明显提高。

植物对重金属砷和镉胁迫适应的分子机理初探

随着现代工业的发展，重金属污染日趋严重。重金属污染引发的环境和健康问题在许多国家都有报道，我国的重金属污染状况也不容乐观。土壤和水体中的重金属污染可以通过食物链进入人体，对人类健康造成很大的危害，如诱发癌症 和畸胎等。 植物修复是一种利用植物对重金属或有机污染物的超富集能力清除或减低污染的环境生物技术。植物修复的生物学机制的研究为这项技术走向实用化奠定了基础。植物修复近期的进展可能来自于可更有效地富集重金属的植物品种的选择、土壤条件的改善等;但长远看来，植物修复技术的巨大进步将取决于新的可更好地抵抗重金属或降解有机毒物的基因的鉴定和克隆，并通过转基因技术创造一批新的植物品种，如可迅速大量富集重金属的高生物量的用作环境净化的植物，以及可排拒重金属吸收的粮食、蔬菜和水果等作物。 本研究针对砷污染的植物修复机制，以超富集砷的凤尾蕨属植物——蜈蚣草为试材取得了如下进展： 1． 以从砷污染地区采集的蜈蚣草（Pteris vittataL．）为植物材料，利用抑制消减杂交(SSH)分离了经砷诱导处理与其对照间表达有差异的cDNA片段，以期得到与砷富集密切相关的基因。其中筛选到的一个cDNA片段与ABC transporter (ATP-binding cassette transporter)有较高的同源性。通过RACE方法对该基因进行了克隆，并进行了初步的结构和功能分析。结果表明所获得的PvABCTl (Accession No. AY496966)为一全长cDNA，长度为2165 bp，其中开读框架为1791 bp，编码597个氨基酸。该基因所编码的蛋白中含有2个ABC transporter特性结构域，1个ATP-binding cassette和2个ATP/GTP结合位点(P-loop)，没有明显的跨膜区。 2． 对蜈蚣草在砷胁迫下PvABCT1基因的表达模式进行了研究。转录水平分析表明PvABCT1的表达受砷的诱导。进一步通过PvABCTl-GFP融合基因在洋葱细胞中的表达进行亚细胞定位，结果显示该基因可能定位于细胞质中。 3． 为了研究所克隆的PvABCT1基因的功能，本研究构建了PvABCT1的酵母表达载体，把该基因转入因ACR3基因缺失而对砷敏感的酵母突变株。酵母功能互补实验表明PvABCT1不仅不能与ACR3基因功能互补，反而使酵母对砷的敏感性增加，同时酵母细胞中的砷含量较未转化的酵母细胞增加。即在转入PvABCT1后，酵母细胞吸收了更多的砷。这暗示该基因与蜈蚣草中砷的高吸收有关。 针对食品重金属污染问题，本研究探讨了减低蔬菜对重金属吸收的方法及其 作用机理，取得了如下进展： 1．研究了钙离子和镧离子对镉离子胁迫下生菜种子萌发和植株生长的影响，结果表明在种子萌发时外施4 mM CaCI2或0.04 mg/L La(N03)3均可提高生菜对重金属镉的抗性。 2．通过检测0.5 mM CdCl2胁迫下生菜植株中的镉含量以及外施钙离子或镧离子后相应的镉含量，发现4 mM CaCl2可以增加镉胁迫下生菜植株中镉的积累;而0.04 mg/L La(N03)3可以降低镉胁迫下生菜植株中镉的积累。 3．对生菜中植物络合素合酶基因进行了克隆，通过RT-PCR分析以及植物络合素( phytochelatins，PCs)的检测，探讨了外施钙离子或镧离子对镉胁迫下生菜植株中植物络合素合酶基因在转录水平的表达量、植物络合素含量以及镉的积累三者之间的关系。结果表明：4 mM CaCl2可以提高镉胁迫下生菜植株中植物络合素合酶基因在转录水平的表达以及植物络合素的含量，增加镉的积累;而0.04 mg/L La(N03)3虽然同样可以提高植物络合素合酶基因在转录水平的表达以及植物络合素的含量，却能降低镉胁迫下生菜植株中镉的积累。这暗示外施钙离子可以促进用于重金属污染环境修复的植物对重金属的吸收，而外施镧离子可以用于降低叶菜类蔬菜中重金属镉的积累。