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。

稻属的系统发育基因组学研究

稻属（OrvzaL．）是禾本科(Poaceae)中的重要植物类群，包含20多个野生种和两个栽培种，共有十个基因组类型，即A，B，C，E，F，G，BC，CD，HJ和HK，蕴藏了极为丰富的遗传资源，是水稻遗传改良的重要基因库。考虑到该属现存物种中的多倍体都是由二倍体杂交起源的，因此，弄清二倍体基因组之间的进化关系对于正确理解整个稻属的进化历史至关重要，同时也为稻属及其近缘类群的进化生物学、比较基因组学和功能基因学研究等提供了一个重要的工作基础。迄今，对稻属各基因组之间的系统发育关系还没有一致的结论，特别是对A、B和C基因组三者之间的关系，以及稻属基部类群的归属问题还存在争议。本研究选取来自不同二倍体基因组的6个稻属物种为研究对象，以近缘属Leersia中的L，tisserantti作外类群，通过对基因组水平的多基因序列数据的详尽分析，探讨了稻属二倍体基因组之间的亲缘关系问题，基因树与基因树之间冲突的机理，以及利用基因组水平的多基因序列做系统发育分析的方法，主要研究结果如下。 利用已完成的水稻两亚种（O．sativaL．ssp. indica和O．sativaL．ssp.japonica）的全基因组序列，筛选并扩增出遍布核基因组12条染色体的142个单拷贝核基因片段。通过对全部基因位点的合并分析，我们得到了一棵有完全分辨并得到显著统计支持的系统树。分别提取各基因的外显子区、内含子区和第三密码子进行合并建树时发现，除了合并外显子区的MP分析以外，所得系统树的树形均不变，说明这棵树基本上不会因为选取基因组不同区域或碱基位点而改变，尽管不同区域或碱基位点受到不同的选择约束力。以基因为单位进行放回式抽样也强烈支持合并建树的分析结果，表明多基因合并序列的系统发育估计并没有受到少数特殊基因的支配。为了考察基因组内物种取样对建树的影响，我们增加了2个A基因组物种以及C基因组的另外两个物种，随机选取其中的62个基因位点进行扩增和测序（增加的O．sativa的序列来自BGI-RIS数据库）。将全部II个物种62个基因位点的序列合并建树分析，得到基因组之间的进化关系均未改变。我们进一步评估了合并数据的系统误差，结果发现，合并数据的系统发育重建也未受到系统误差的影响。综上所述，本研究通过系统发育基因组学方法所得到的系统树反映了类群真实的进化关系。 为了深入探讨以往研究中出现相互矛盾的系统发育关系的原因，我们对142个基因位点分别做了单独的建树分析，并用系统发育网络方法分析了数据中基因之间系统发育信息矛盾的集中位置及其矛盾程度。基于单基因的建树分析及系统误差分析，我们排除了随机误差和系统误差直接造成基因之间信息冲突的可能性。基于溯祖理论( Coalescence theory)的进一步分析表明，稻属进化过程中发生了两次世代间隔较短的连续分化事件，由于祖先居群较大引起基因的谱系分选，进而使得在利用现有物种基因序列来重建这些分化事件时基因树不能正确反映物种树，且呈现出基因组水平的基因树冲突现象。这两次间隔较短的连续分化事件分别对应了稻属中两次物种快速分化过程，整个稻属基因组的多样性几乎都是在这两次物种快速分化过程中形成的。随机抽样分析表明，需要大量的分子序列数据才能正确分辨稻属二倍体基因组的系统发育关系（若取95%的概率，则至少需要120个基因或50kb的随机碱基位点）。本研究用基因组水平的多基因合并数据克服了谱系分选对构建系统树所带来的“噪音”，在存在广泛单基因系统发育信息矛盾的前提下获得了对物种树的正确估计，这充分证明系统发育基因组学方法在解决快速分化类群的进化关系问题中有着巨大潜力和广阔的应用前景。 基于本文所采用的142个核基因，我们初步探讨了利用多基因序列数据构建系统树时如何进行模型选择和插入缺失编码等问题，并评估了数据缺失对基因组水平系统发育重建的影响。结果表明，对合并数据而言，混合模型比单一模型能更好的拟合数据的进化模式;找到合并数据中异质性的根源并做出适当的数据分割是成功运用混合模型的关键;某些模型成分在提高模型对数据的适合度上发挥着重要作用，尤其要考虑位点之间以及谱系之间的突变速率异质性。我们认为，在设置模型时，最复杂的不一定是最好的，把握数据中最重要的进化特征远比简单的增加模型的复杂度重要。插入缺失的编码分析表明，编码后显著增加了对A基因组和B基因组聚为一枝的支持，但对稻属基部类群的分辨状况改善不明显。另外，我们通过去除数据缺失比例较大的类群来降低数据缺 失对系统发育推断的影响，结果所得的系统发育关系不变，支持率也仅有极微小的变化，说明基因组水平的多基因数据由于具有丰富的系统发育信息，因而对数据缺失具有很好的缓冲能力。

通过体细胞杂交由大黍向水稻转移无融合生殖基因的研究

本论文以无融合生殖的大黍(Panicum maximum Jacp.)作为无融合生殖基因的供体，试图通过体细胞杂交方法向水稻(Oryza sativa L．)导入无融合生殖基因。结果如下：采用PEG融合法，诱导水稻原生质体与大黍原生质体融合，经过融合体筛选、培养，成功地获得了再生水稻植株。在融合前，水稻原生质体经过2.5 mM碘乙酰胺(IOA)在室温(22～25℃)条件下处理15分钟，大黍原生质体经过60Kr软x射线照射或不做任何处理。经双亲处理选择系统获得移栽成活的25株再生植株;经水稻单亲处理选择系统获得移栽成活再生植株3株。这两类融合再生植株（经双亲处理选择系统获得的25株和经单亲处理选择系统的3株）在花器官形态、结构及生殖特性上与对照亲本水稻植株有显著的差异，出现多花药（一朵颖花具7至11枚，甚至13枚花药）、多胚珠（一个子房内2～3个胚珠）及多胚囊（一个胚珠中2个以上胚囊）等现象;雌、雄性育性显著降低或完全消失，仅有5株能够少量结实，I-KI溶液着色的花粉从0至68%不等;胚胎学检查表明不能结实的植株雌性均不育，即不能分化出正常的胚囊结构。进一步的检查正在进行中。

光敏核不育水稻中光敏色素A mRNA的丰度分析及光敏色素A和B生物功能的分析

本文以光敏色素A (phyA)的特异性基因片段RPA3为探针，利用RNA斑点杂交的方法对光敏核不育水稻农垦58S及对照农垦58叶片中phyA mRNA的丰度进行了分析。结果显示：在育性转换敏感期，光周期处理O天时，农垦58S (NK 58S) phyA mR-NA的丰度比农垦58 (NK 58) phyA mRNA的高。光周期处理5天（雌雄蕊原基形成期）及10天（花粉母细胞形成期）时，短日照条件下(SD)，NK 58S phyA mRNA的丰度均比NK58高。进一步比较3天龄NK58S及NK58黄化苗中phyA基因表达的差异，发现NK58S phyA mRNA的丰度比NK58高，并且两品种均符合黄化苗中phyA对其mRNA丰度的负调控作用。这一结果进一步证实：甲基化水平低的NK58S phyA基因比NK58 phyA基因更活跃地表达，进而导致转录水平与翻译水平上的差异，最终参与调节NK 58S的育性转换。 另外，通过持续远红光和红光照射黄化水稻幼苗诱导叶绿素合成的实验，分析了NK58S与NK58之间光敏色素生物功能的差异。持续远红光高辐照度反应(FR-HIR)由phyA负责调节，持续红光高辐照度反应(R-HIR)由phyB负责调节。实验结果显示：持续FR使NK58S与NK58合成叶绿素的含量在12 h时达到最高，并且NK58中叶绿素合成的相对效应比NK585高。持续R使NK58S及NK58中叶绿素的含量在24小时连续处理下持续增加，而且在此时间进程中，NK58中叶绿素合成的相对效应也都比NK58S高。这些结果说明在NK58S和NK58中phyA和phyB均参与了叶绿素合成的调节，并且phyA，phyB在NK58S和NK58黄化苗转绿过程中的作用存在差异。

CO2倍增对禾本科植物幼苗形态结构的影响

本论文为国家自然科学基金重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”的部分研究内容。 本文对C02正常浓度(350ppm)和C02倍增(700ppm)条件下，小麦（Triticum, aestivum）、半野生小麦(Triticum aestivum spp．tibeticumShao)、大麦（Hordeum vulgare）、野大麦（Hordeum brevisubulalum）、水稻（Oryza sativa,）、野生稻（Or7za sativa ssp．）、谷子（Setaria italica）、狗尾草（Setaria viridis）、高粱（Sorghum vulgare）、玉米（Zea mays）、旱雀麦（Bromus tectorum）、旱麦草（Eremopyrum triticeum）等12种禾本科植物幼苗的叶片厚度、叶肉细胞密度、维管束鞘细胞中的叶绿体数、叶肉细胞中的叶绿体数、表皮细胞密度、气孔密度、气孔指数、气孔长度、气孔阻抗及平均株高、鲜重、茎秆直径、根的直径、种子的萌发率及叶绿体超微结构等进行了比较研究。 结果表明，C02倍增使不同种类、不同测试项目反应不一。总体上看，CO2浓度倍增，使10种禾本科植物（野大麦、玉米外）的吐片厚度普遍增加。除个别种类外，C4种类的平均株高、鲜重、根直径倍增组比对照组减小;气孔平均密度增加，而C3种类则呈相反趋势o C4种类比C3种类的叶片气孔开度对C02倍增反应更为敏感。在高浓度C02条件下，C4种类的叶绿体超微结构变化较明显，淀粉粒显著增加。野生种类的表皮细胞密度，叶肉细胞密度，维管束鞘细胞中的叶绿体数及茎秆直径，C02倍增组比对照组减少，栽培种类则显著增加。气孔密度与气孔指数基本呈正相关;而气孔长度与气孔密度则大体上呈负相关。 文中对高浓度C02条件下，供试植物形态结构的变化和规律，及全球大气变化对未来农业可能产生的影响进行了讨论。

水稻胚囊发育畸变的细胞学和遗传学研究

1．水稻多卵卵器的起源：被子植物的卵器中通常只有一个卵细胞。我们在水稻多胚品系胚囊中观察到二卵卵器和三卵卵器，本研究对其大孢子发生和胚囊发育进行了细胞胚胎学观察，揭示了水稻多卵卵器的起源．观察结果表明，该品系能进行正常的大孢子发生。大孢子母细胞进行正常的减数分裂形成四个大孢子靠近合点端的大孢子发育，其它三个退化。功能大孢子第一次有丝分裂后两个子核被一中央大液泡分隔在胚囊珠孔端和合点端，与此同时胚囊出现不均衡生长，珠孔端迅速膨大，合点端几乎不增大，致使二核末期的胚囊呈倒梨形．紧接着发生第二次有丝分裂，合点端核分裂时纺锤丝与胚囊纵轴平行，而珠孔端核分裂时纺锤丝与胚囊纵轴成4 5度夹角．由此产生的四核胚囊中，合点端一核向胚囊中部或中上部（胚囊珠孔端）迁移，四核胚囊再经一次有丝分裂形成两种类型的核分布偏离蓼型的八核胚囊。一种类型是珠孔端四个核，中部与合点各二个核，在胚囊细胞化过程中，珠孔端四核 分化成四细胞卵器，其中卵细胞和助细胞各二个，中部的二核分化成二极核中央细胞，合点 端的二核形成反足细胞。另一种类型是珠孔端六个核，合点端二个核，在胚囊细胞化过程中， 两端各一核向中部迁移分化成二极核中央细胞，珠孔端剩余的五核分化成五细胞卵器，其 中卵细胞三个，助细胞二个，合点端的一核迅速分裂形成反足细胞． 2．水稻同源三倍体TAR的生殖特性：TAR的单穗结实率平均可达10%，核型分析表明此三倍体产生的后代个体仍为具有36条染色体的三倍体．细胞胚胎学初步观察显示TAR为一具兼性无融合生殖特性的水稻新种质，其胚珠几乎都能进行胚囊的分化，但其中仅有33%的胚囊有较正常的结构，9%的胚囊在散粉前进行胚胎发生，58%的胚囊发育显著异常，表现为极性紊乱、多极核或缺失雌性生殖单位等。 3．水稻亚种间杂种败育的细胞学基础：对普通栽培稻不同品种类型间杂种颖花败育的细胞学基础及雌性败育的过程进行的细胞学研究表明：1）引起杂种颖花败育的原因有胚囊败育，花粉败育、开花时花药不开裂和雌雄异熟．其中胚囊败育而丧失受精能力是引起低结实率的最重要的因素，开花时花药不开裂和雌雄异熟在一定程度上形成了雌雄性细胞时间和空间的隔离屏障。2）杂种植株的所有大孢子母细胞都能进行正常的减数分裂形成四个大孢子，败育主要发生在靠近合点端的功能大孢子分化形成胚囊的早期，有的胚囊母细胞在进行第一次有丝分裂前便萎缩解体，多数能完成一次或二次有丝分裂形成二核或四核败育胚囊．败育的共同特征是无液泡的分化，细胞质少或退化，在败育胚囊残迹部位，解体的珠心细胞和萎缩的胚囊残溃混杂垛叠．已受精的杂种子房没有观察到胚及胚乳发育的异常．籼粳杂种胚囊败育频率较高． 4．籼粳杂种生殖障碍的基因定位：应用具有1 37个标记位点的籼粳杂交窄叶青8号/京系17)F1花药培养获得的127个双单倍体OH）群体构建的R FLP图谱，对控制籼粳杂种颖花败育的基因座位进行了定位研究。结果在第1、3、4、5、6、7、8、1 2染色体上检测到1 0个基因座位，其中第3、12染色体上的2个不育基因位点str3和str12与同一杂交组合F2分离群体中发现的异常分离热点处于相同的染色体区段．stj-6的基因加性效应为负值，有增加籼粳亲和性的作用;其余的不育基因座位皆有增加籼梗杂种不育性的作用． 5．籼粳杂种胚囊败育的遗传分析和基因定位：利用DH系构建的分子图谱及DH系衍生的2个回交群体定位了引起籼梗杂种胚囊败育的2个互补的主效基因esa-l（E1或e1位点）和esa-2（E2或e2位点），它们分别位于第6和第1 2染色体．在不育基因位点，籼稻基因型为EIEle2e2，粳稻基因型为elelE 2E 2，杂交后代中基因型为EIE2，Ele2、elE 2的雌配子体正常发育，携带ele2基因型的雌配子体表现败育．胚囊育性受配子体基因型控制，孢予体遗传背景影响胚囊败育基因的表达.

联合固氮菌Klebsiella oxytoca SA2和水稻幼苗的相互作用

从内蒙流沙地先锋植物沙竹（Psammochloa mongokca）内分离到一株内生细菌，经鉴定定名为Klebsiella oxytoca SA-2 K.oxytoca SA-2兼性厌氧固氮，NH4+抑制其固氮酶合成。部分抑制固氮酶活性;N03 -抑制其固氮酶的合成和活性。 60℃灭活K.oxytoca SA-2整体菌免疫兔子得到抗血清。免疫印迹表明此抗血清具K.oxytoca SA-2种特异性。石蜡切片免疫金银染色结合显微观察发现K.oxytoca SA-2定殖于沙竹叶鞘薄壁细胞和叶片的薄壁细胞内。 K.oxytoca SA-2在半固体培养基中接种水稻幼苗，限菌培养21天，根内重新分离的数量达l06 cfu/g．FWroot，但K.oxytoca SA-2在富养的土壤中生长良好，表现为兼性内生菌。 限菌培养水稻（Oryza sativa）幼苗，石蜡切片免疫金银染色结合显微观察研究了的K.oxytoca SA-2的侵染特性．K.oxytoca SA-2可以通过侧根发生处和表皮细胞胞间层进入根内，在皮层薄壁细胞间隙大量定殖，在解体和看似完整的薄壁细胞内也有定殖，在根和茎中柱内K.oxytoca SA-2进入了木质部导管。在根基，K.oxytoca SA-2大量侵入了已解体的内皮层和中柱鞘细胞，植物细胞在K.oxytoca SA-2侵入后解体，可能表现为严格的局部超敏反应。 接种K.oxytoca SA-2 21天，水稻地上苗部分没有发现肉眼和显微可见的病症。与对照相比，接种K.oxytoca SA-2显著促进限氮培养水稻幼苗的生长。由于K.oxytoca SA-2在限碳限氮培养基和水稻幼苗共培养时能分泌NH4+和植物激素，它可能通过向水稻幼苗提供氮素和分泌植物激素促进植物生长。而且用固氮酶铁蛋白抗血清进行免疫金银染色发现定殖在根基皮层薄壁细胞胞间层和细胞间隙，木质部导管和茎基木质部导管的K.oxytoca SA-2可以表达固氮酶，固氮参与了K.oxytoca SA-2在水稻幼苗中的内生。 培养基内碳源（苹果酸）和培养温度对K.oxytoca SA-2和水稻幼苗相互作用的影响也进行了研究。 研究表明，K.oxytoca SA-2作为兼性内生固氮菌，能够和植物紧密联合，并在植物体内开拓一个有利的生态位固氮，而且K.oxytoca SA-2可以分泌NH4+和植物激素，在和植物相互作用中使植物受益。

用共聚焦扫描显微镜检术和酶法分离技术观测观察水稻胚囊发育

本文中以水稻为实验材料，用共聚焦扫描显微镜检术(CLSM)和酶法分离技术观察其胚囊取得好的效果，主要实验结果如下： 1.水稻子房分别用FAA和4%戊二醛固定液固定，经乙醇脱水，然后用冬青油整体透明及丁香油封片。在共聚焦扫描显微镜下，发育中的水稻胚囊显示自发荧光，可分辨出胚囊内部结构。FAA和4%戊二醛两种固定液效果不同，后者效果更佳。用上述实验程序进一步观察拟南芥菜胚囊及水稻和拟南芥菜花粉表明，CLSM可用于快速观察分析水稻和拟南芥菜胚囊发育过程以及水稻胚囊败育情况，但不适用于观察分析其花粉发育过程。 2.水稻子房用FAA、FPA或卡诺氏固定液固定，经乙醇转至蒸镏水，然后置于由纤维素酶和果胶酶组成的酶液中，在37℃保温条件下进行连续振荡酶解，在振荡过程中辅以手工显微操作，由此即可分离出水稻固定胚珠的胚囊。用相差显微镜观察分离的胚囊表明，胚囊整体性及立体感强，观察效果好。在成功分离水稻固定材料胚囊的基础上，初步尝试了水稻新鲜材料胚囊的分离。

温敏转绿型水稻叶绿素缺失突变体1103s失绿复绿特性研究

叶绿素突变泛指能导致叶绿素代谢失调的核基因或叶绿体基因突变。发生叶绿素突变的植物个体普遍表现为叶色的变化，目前已报道的多数叶绿素突变体为人工诱变产物。叶绿素缺失突变导致的叶结素代谢缺陷实际上反映了叶绿体发育过程的缺陷，研究叶绿素突变更重要的意义是在于阐明叶绿体发育过程。 本研究所用材料1103s是一类特殊的叶绿素突变体，为籼性光敏核不育水稻（Oryza sativa L.）8902s群体中发现的自发突变体。该突本所具有的失绿特性为特定温度条件下才表现出来的瞬时性状，在环境温度恢复后，失绿组织可复发。遗传分析表明该突变由隐性核基因控制。本文不1103s所具有的温度敏感和失绿复绿特性，在亚细胞水平和生理化水平进行了详细的探讨。 叶绿素含量的检测表明，诱导后表现失绿的叶片组织内叶绿素含量明显降低，叶绿素a/b比值升高，原脱植基叶绿素含量低于绿色组织。失绿组织中的这种原脱植基叶绿素在失绿组织中含量的减少是由两方面因素造成的，其一是叶绿素合成过程中原脱植基叶绿素合成之前的某一步过程反应受阻;其二是原脱植基叶绿素向叶绿素转化的过程是正常进行的。 对1103s叶绿体内部的超微结构观察表明：1.控制叶绿素缺失性状的是一多效基因。该基因在特定温度条件下表达时，不仅影响到叶绿体的发育，也对细胞质中的其他细胞器产生重要的影响，其结果是细胞质中的高度有序的内膜系统被大量形状不规则的泡状结构所取代。放大后发现，这类泡状结构由（1）线粒体（2）功能未知的泡状结构I，其内部含颗粒状物质泡结构被膜内还有数层不连续的膜残片（3）功能未知的泡状结构II，其内部含大颗粒状物质。2.该突变体表达失绿和复绿过程中，叶绿体内部膜结构的变化伴随叶绿素含量的变化也有退脂和恢复的过程，但与已报道的其他突体有两个明显的不同：首先，在退化细胞的叶绿体内未观察到前片层体的存在。前片层体是叶绿体发育过程中黄化体阶段常见的非常明显的特殊结构，在电镜下为有规律的晶格状结构。已有研究表明，前片层体的形成与原脱植基叶绿素的积累有密切关系。与组培白化苗中检测到的结果不同，失绿组织中原脱植基叶绿素的含量不但没有积累，反而少于绿色组织中的含量，而造成该突变体在失绿过程中质体内无前片层体形成。其次，1103s在叶绿体退化过程中类囊体膜的变化不同于其化温敏的转绿型叶绿素突变体，尤其是在失绿过程中，其类囊体膜不是以直接解体的方式减少而是以单类囊体膜紧靠为主要特征。 对野生型 8902s与1103s类囊体膜结构的冰冻蚀刻分析表明，1103s失绿叶片上的失绿组织和绿色组织中，EFs面的大颗粒结构均异常。其异常之处表现在每个颗粒明显解离成两个亚单位（上面观），而在野生型8902s中则无上述现象出现。亚单位的解离程度在失绿组织中更明显。有间接证据研究表明，EFs面上的大颗粒代表PS II。如果该推论正确，那么失绿叶片的失绿组织和绿色组织中，PS II都可能是异常的。 另外，通过对失绿组织和绿色组织全叶蛋白双向电泳图谱的比较，得到了一个特异缺失的叶蛋白组分，该蛋白的分子量为51kd。此蛋白在失绿叶片上的失绿组织和绿色组织之间存在组织差异性。通过对该蛋白在不同温度处理和不同遗传背景下的变化规律分析，发现该蛋白是一存在于许多水稻品系叶片中的高含量组分，此蛋白表达本身不受变温诱导过程的影响，而是受另一感温过程的调控。初步分析表明该蛋白为一失绿相关蛋白。 综上所述，1103s所具有的失绿和复绿特性是核基因多效表达的结果，有一感温过程调控下游蛋白表达的复杂过程。此外，该突变特性很可能与PS II的结构异常有关。

水稻颖花开裂突变体的鉴定及颖花开裂基因srs-1的定位

　　水稻(Oryza sativa L.) 颖花开裂 (split rice spikelet，SRS) 突变体是从水稻品系 8902s 花药培养得到的双单倍体群体中筛选出的同源异型突变体。以窄叶青8号为母本，SRS突变体为父本配制杂交组合，其F2群体中正常植株和突变植株的分离比例符合3:1，说明颖花突变性状是由单隐性基因决定的。 利用扫描电镜观察 SRS突变体花器官形态发生过程。其性状表现为内外稃变软变长，不抱合，在外稃基部又着生一朵花，两浆片基部融合，质地呈稃片状，雄蕊和雌蕊形态正常，且可育。该突变体的突变性状与拟南芥APETALA1的突变表现相似，说明两者在形态建成方面具有相似之处。由于 SRS 突变体第一轮和第二轮花器官发生了变化，根据 ABC 模型，srs-l基因应属于同源异型 A 组基因。 采用BSA法在F2群体中建立DNA正常池和突变池，利用RAPD技术筛选与突变基因srs-l连锁的分子标记。从520条随机引物中筛选出了引物S465能在两池间扩增出分子量为900 bp的差异片段，并证明其在F2群体中表现共分离。将此DNA片段克隆后作为RFLP探针pS465A，该探针与srs-l基因紧密连锁，在DH群体的RFLP分子连锁图谱上成功地将它们定位于第三染色体上。 本研究是利用水稻同源异型突变体为材料，研究水稻花器官发育基因的首例报道。

两个固氮相关的植物基因对烟草和水稻的转化及其表达

豆科植物凝集素基因和血红蛋白基因在对根瘤菌的识别作用和类菌体在低氧分压下的共生固氮中起重要作用。本文的目的是试图将这两个基因转移到非豆料植物烟草和水稻，使其能识别根瘤菌，探讨非豆科植物的共生和联合固氮的可能性。 构建了含有豌豆凝集素（P－Lec）基因、Parasponia andersonii血红蛋白基因、gus基因及植物选择标记潮霉素磷酸转移酶基因（hpt）的两个植物表达载体pCBHL和pCBHUL;同时，还构建了含有P－Lec基因、gus基因及植物选择标记PPT乙酰转移酶基因（bar）的植物表达载体pBBUL。在pCBHL中，CaMV35S启动子调控P－Lec基因的表达，而在pCBHUL和pBBUL中，该基因由玉米Ubiquitin 1启动子调控。 用农杆菌法将pCBHL导入烟草，得到53株再生植株，PCR检测表明转化频率为88％。用基因枪法分别将pCBHUL和pBBUL导入水稻幼胚或幼胚诱导的愈伤组织。转pCBHUL的材料共得到40株再生植株，经分子检测有18株分转基因植株，转化频率为0.9%。转pBBUL的幼胚愈伤组织经PPT筛选，只得到能分化出小芽的抗性愈伤组织。 PCR检测、Southern杂交表明P-Lec基因和Paraspoina血红蛋白基因都已经整合到转基因烟草及水稻的基因组中，转基因水稻植株中两个外源目的基因的拷贝数较高。Western杂交分析转基因植物中P-Lec基因的表达情况，结果表明该基因在转基因的烟草和水稻叶片中得到正确地表达。同时，GUS组织化学染色表明转基因烟草的嫩茎和幼根，转基因水稻的嫩叶和幼根中都有gus基因的表达。转基因烟草中外源基因的表达频率高于转基因水稻。T1代转基因烟草幼根的蛋白原位免疫杂交显示P-Lec正确定位于正在生长的幼根根毛的顶端，与对照豌豆中的P-Lec基因表达部位相一致。关于Parasponia血红蛋白基因，以前本实验室对转基因烟草和水稻的研究表明有转录水平的表达，国外实验室证实转基因烟草中有转译表达。 上述结果有可能为进一步研究转基因非豆科植物与根瘤菌的相互作用奠定一定的基础。

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。

水稻OsRAA1基因的克隆与功能分析

FPF1（flowering promoting factor1）蛋白最早在白芥中研究发现是开花促进因子, 可能参与了赤霉素的信号传导途径。它可以和AP1和LFY蛋白协同作用，促进茎顶端分生组织向花分生组织转化。本论文将AtFPF1基因转化水稻，转基因水稻抽穗时间只有微弱的提前。然而异源表达AtFPF1却抑制了转基因水稻根的生长，促进了成苗根系的发达。这些表型类似于我们克隆的水稻OsRAA1 （Oryza sativa Root Architecture Associated 1）的功能。这是首次报道AtFPF1/OsRAA1在水稻中具有控制根系发育的功能 生物信息学分析表明水稻OsRAA1基因定位于水稻1号染色体，它编码的蛋白推测分子量为12kD和AtFPF1有58%的同源。通过RNA原位杂交和OsRAA1基因启动子调控GUS基因表达的模式，证实OsRAA1基因主要在根尖的顶端分生区和伸长区，根尖分支区和幼侧根的中柱，侧根的原基表达。同时在幼穗分支顶端，根茎结合区的边周维管束，稃片，花药与花丝的结合区也有表达。OsRAA1在玉米泛素启动子驱动下组成型表达，可以抑制水稻初生根的生长，促进不定根的形成，部分植物形成不同程度螺旋状的初生根。这些表型和野生型水稻用生长素处理的表型类似。OsRAA1组成型表达，在成苗阶段，特别是孕穗前，大大促进叶片伸长，并导致部分小花败育。光学镜检表明OsRAA1组成型表达的水稻的花丝伸长过快，部分小花花药萎缩败育。剑叶表面细胞电镜扫描表明，OsRAA1组成型表达的水稻剑叶的硅化细胞比对照植株要长。野生型水稻根系生长素处理的Northern杂交和OsRAA1基因启动子调控GUS基因表达的水稻生长素处理后GUS活性染色表明，OsRAA1基因的转录受生长素诱导。而且OsRAA1组成型表达的水稻根的向地性反应减缓。这些结果表明，OsRAA1可能参与了生长素的信号转导途径。 与此同时，从基因序列数据库中，在很多植物中寻找到很多表达片段和FPF1/OsRAA1基因同源。从已有报道和我们的结果表明，在植物中可能普遍存在一个受赤霉素和生长素调控FPF1/OsRAA1基因家族，调控着植物各个器官的发育。

利用反义RNA技术进行木质素生物合成调控的研究

木质素是一类酚类次生代谢产物，在植物体内行使重要的生理功能，但它却是形成造纸污染的主要来源。利用基因工程手段，在分子水平调节木质素的生物合成，降低木质素的含量或改变组分以培育适合造纸的植物原料树种具有较大的应用价值和环保效益。本研究利用反义RNA技术，主要围绕木质素合成三种相关酶咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(CCoAOMT)、4-香豆酸：辅酶A连接酶（4CL）的基因对植物木质素生物合成途径调节的研究，取得如下进展： 1.农杆菌介导法将COMT和CCoAOMT基因的单价和双价的反义表达载体导入烟草，比较了两个甲基化酶的功能。PCR-Southern和Northern点杂交结果表明反义基因已整合到烟草基因组DNA上，并在转录水平表达。两种反义基因对木质素生物合成调节的效果显示，CCoAOMT能更有效地调节木质素生物总量的合成，COMT仅特异调节S木质素的合成。表达反义CCoAOMT基因的转基因毛白杨，内源CCoAOMT基因的表达在转录和蛋白水平均受到抑制，最终引起转基因植株木质素含量普遍降低，最多降低达26.20%，筛选出木质素含量下降10%以上的转基因毛白杨株系8个，为源头治理造纸废水污染奠定了基础。 2． 对克隆的4CL基因进行了表达特性分析， RT-PCR分析表明，分离的毛白杨4CL基因主要在木质部丰富表达，叶中表达量较少，树皮中不表达。在毛白杨的一个生长季，该基因表达显示明显的双锋特征，该表达模式与木材早材和晚材的发育时期相吻合，表明分离的毛白杨4CL基因与木质素的生物合成密切相关。农杆菌介导法将反义4CL基因导入烟草和毛白杨，利用分子生物学检测手段对转化植株进行筛选，获得批量转基因植株。Klason木质素含量测定分析表明，抑制内源4CL基因表达，能有效降低转基因植物中的木质素含量，且不影响植株正常生长和发育以及碳水化合物的合成。转基因毛白杨的茎杆上一些区域呈红棕色，颜色的深度与转基因毛白杨木质素含量的下降幅度呈一定的正相关性，颜色变化可作为转基因植株筛选的一个辅助指标。现已获得木质素含量下降10%以上的转基因株系3个，最多下降达41.73%，可供中试与制浆实验，为培育低木质素环保型毛白杨提供理论与实践依据。 3.为了优化现有的表达框架，使目的基因更有效地调节木质素的生物合成，应用PCR技术从毛白杨基因组中分离得到C4H(肉桂酸4—羟基化酶)基因启动子片段（GenBank注册号：AY351673）。GUS荧光活性分析和组织化学染色显示，该启动子在一些木质化的组织和器官中特异表达，随着组织成熟度和木质化程度的增加，表达活性逐渐增强，并且该启动子受伤诱导。反义CCoAOMT基因在C4H启动子的调控下，会引起转基因烟草木质素均有不同程度的减少，但不影响碳向碳水化合物的转换合成，对植物的生长发育也无明显负效应。这些结果证明了从毛白杨中分离的C4H 启动子可以应用于造纸原料树种材性改良的遗传工程操作。 4．首次从水稻中华10号（Oryza sativa L. ssp. japonica）分离了CCoAOMT基因家族的三个成员，对其基因结构及表达特性的分析表明，该基因家族的三个成员与水稻的木质化进程关系密切，研究结果有助于了解单子叶植物中的甲基化途径发生机制，为高产水稻抗倒伏和茎杆饲料作物的遗传改良奠定了基础。