植物油脂积累机理和品质改良—利用RNAi改良大豆油脂品质—四合木茎积累三脂酰甘油特征

利用RNAi改良大豆油脂品质 大豆[Glycine max (L.) Merr.]起源于中国，栽培历史悠久，是重要的粮食作物， 同时也是植物油和蛋白的重要来源。随着经济的发展和生活水平的提高，人们不但对大豆的需求量大大增加，同时对大豆的品质也提出了更高的要求。近年来，我国大豆进口量逐年攀升，已远远超过本国生产量。国外转抗除草剂转基因大豆大面积种植大大降低了生产成本，直接影响了我国大豆生产。因此，提高产量和改良品质是当前中国大豆生产所面临的重要课题。基因工程是大豆品种改良更为有效和快速的方法，但是由于历史原因我国的大豆转基因育种与发达国家尚存在一定差距，对我国的大豆生产贡献十分有限。因此，建立高效的大豆转化体系，加强大豆基因工程研究和育种是解决大豆面临困境的关键。 本研究的目的是以我国主要栽培大豆品种（黑农、合丰和东农等）为材料，利用GUS（β-glucuronidase）报告基因和RNAi技术，建立高效的大豆基因转化体系和基因功能研究体系。为大豆产量和品质基因工程改良提供技术手段和理论基础。结果如下： 以大豆下胚轴为外植体，对分生组织产生不定芽的频率进行了研究。培养基中添加高浓度BAP（6-benzylaminopurine）可以诱导外植体分生组织增殖产生不定芽的发生率;在培养基中添加银离子可以明显地促进大豆单个外植体多芽的产生，使得诱导不定芽总数目显著增加;不同基因型大豆再生不定芽能力有着较大区别，黑农44，黑农37，合丰35，合丰39等品种再生能力强;相对于大豆子叶节等再生系统，大豆下胚轴体系具有高效高频的再生特点（总的再生频率高于80%），且重复性好，容易操作。 以大豆下胚轴为外植体，用含有GUS报告基因的根癌农杆菌对其进行遗传转化，并重点对农杆菌菌液浓度、农杆菌侵染时间、乙酰丁香酮（AS）和抗氧化剂浓度等因素对农杆菌大豆转化效率的影响进行了研究。组织化学染色结果显示GUS基因在外植体顶端表达强烈，表达位置主要位于初生芽基部周围的分生组织。 农杆菌浸染时间以 4h 为最佳，此时的GUS瞬时表达频率可达73.0%;培养基中添加浓度为200μmol/L的乙酰丁香酮，可以显著增加GUS瞬时表达频率。抗氧化剂可以显著降低共培养阶段外植体的褐化和坏死率，进而显著提高农杆菌转化效率。用根癌农杆菌转化大豆下胚轴的方法得到了表达GUS基因转基因大豆株系。 利用大豆油酸去饱和酶基因(FAD2-1;Genbank, L43920)在第315-852碱基之间的基因片断构建了反向重复的RNAi表达载体，以农杆菌介导大豆下胚轴转化方法进行转化，并且获得转基因植株。经过PCR，Southern杂交和转基因后代的脂肪酸分析，表明沉默结构已经成功整合到大豆基因组中，并成功抑制了内源基因的表达。与栽培大豆品种相比较，转基因大豆种子的脂肪酸组成发生显著变化，油酸含量由栽培大豆的18.1％增加到71.5％¬-81.9％;亚油酸含量从栽培大豆的46.4％降到了约3.4％。 栽培大豆种子中油酸去饱和比率（ODP, oleic desaturation proportion）为0.76 到 0.84，转基因大豆种子的油酸去饱和比率降为0.06-0.26，表明Δ12-去饱和酶活性降低了74%-94%。上述结果表明，我们构建的RNAi反向重复序列沉默结构高效地抑制了大豆种子FAD2-1基因。 在本研究中，我们通过外源GUS基因的表达和内源FAD2基因的抑制，成功地建立了以大豆下胚轴为外植体的高效农杆菌介导大豆转化体系，并获得了相应的转基因株系。本研究对我国大豆品种基因工程改良以及进一步大豆功能基因组研究有重要参考价值。 四合木茎积累三脂酰甘油特征 四合木(Tetraena mongotica Maxim)是蒺藜科(Zygophyllaceac)四合木属唯一的种，是地球上最具代表性的古老残遗濒危珍稀植物。由于四合木极易燃烧，当地居民称其为“油柴”。 通过对四合木内可能存在的“油”成分进行了分析，我们发现其茎组织含有大量的三脂酰甘油（Triacylglycerols），含量达到46 mg/g DM。在韧皮部中更高，达到90 mg/g DM。我们通过半薄切片对四合木中三脂酰甘油在不同组织的分布和存在形式进行了研究，发现三脂酰甘油主要以油体形式存在于木质部和韧皮部的薄壁组织中。在韧皮部中，几乎所有的薄壁细胞都含有大量的油体。 三脂酰甘油在植物的生长发育中起着非常重要的作用。作为植物生长发育所需的碳源和能量，三脂酰甘油一般储存在植物的种子和果实中。虽然也有关于其在茎和叶中发现的报道，但是含量很少。四合木茎组织含有大量的三脂酰甘油，这种现象可能与四合木茎中存在茎特异油脂合成酶系统有关。因此，克隆相关基因并在作物中表达，将对能源植物的开发具有重要意义。

RNAi沉默光合膜磷脂合成酶基因的研究

磷脂是动物和植物非光合组织细胞膜系统的主要组成成分，在细胞生命过程中扮演着重要角色。尽管绿色植物光合膜的的甘油脂主要是糖脂，但是它仍然含有大约10％的磷脂，说明磷脂在光合膜的结构和功能中起重要作用。构成生物膜的磷脂有多种，但是，光合膜只含有磷脂酰甘油（PG）一种磷脂。光合膜中的PG有其特殊性，即：在PG的sn-2位上总连着一个棕榈酸（16:0）或者反式十六碳烯酸（16:1trans），说明了这种具有特殊结构的甘油脂在维持类囊体膜的结构和功能方面具有重要的作用。 叶绿体中有两个重要酶参与了PG的生物合成，它们分别是胞嘧啶二脂酰甘油合成酶（CDS）和磷脂酰甘油合成酶（PGS）。本实验以烟草和马铃薯为材料，利用RNAi技术，对CDS和PGS基因的表达进行抑制，通过PG缺失突变体，研究其功能。 对转含有PGS片段的沉默结构的转基因烟草叶片膜脂进行了分析，结果表明，与野生型烟草相比较，其PG含量下降了约20%，同时，SQDG和PC的含量增加。PG含量的降低没有引起MGDG和DGDG含量的变化。另外，我们还对转基因植株目的基因片段的RNA表达水平进行了RT-PCR分析，发现其表达量大幅度降低。这些结果表明，在转基因株系中，PGS基因的表达受到了抑制，说明我们获得了PG部分缺失的烟草PGS突变体。 对烟草PG缺失体的PG脂肪酸组成进行分析，表明其特征性脂肪酸反式十六碳烯酸含量明显下降，比野生型降低了44%，C18:0、C18:1和C18:2的相对含量增加，整个变化与总脂脂肪酸变化基本一致。 为了研究PG缺失对光合作用的影响，我们分析了多种光合指标。对叶绿素含量的分析表明，PG含量的降低影响了光合色素的组成。PG部分缺失的转基因烟草中的叶绿素总的含量下降，其中叶绿素b含量下降更为明显，结果，叶绿素a与叶绿素b的比值较野生型高。转基因植株净光合速率下降，二氧化碳利用率降低;PSII的最大光化学效率（Fv/Fm）和实际光化学效率（фPSII）降低，光化学猝灭下降，非光化学猝灭增加，尤其老叶的变化更为明显。这些结果说明了PG的部分缺失影响了植株的光合能力，捕光色素蛋白复合体的结构受到了影响，PSII功能遭受损伤。 同时，我们根据已经报道的马铃薯CDS基因，克隆了一个片段，构建沉默结构，并对沉默结构进行了转化。通过抗性基因的筛选以及RT-PCR检测，证明了沉默结构转化成功，目的基因的表达受到抑制，获得了马铃薯CDS转基因植株。 对马铃薯野生型和CDS转基因植株进行膜脂和脂肪酸分析表明，转基因植株叶片的PE、PG和PC等磷脂含量降低，SQDG和DGDG含量增加;C16:1（3t）、C16:2、C16:3、C18:1和C18:2含量下降，C16:0和C18:3含量增加，而C16:1和C18:0变化不明显。马铃薯CDS转基因植株的叶绿素荧光分析表明，PSII最大光化学效率降低，从野生型的0.82下降到0.77。

小鼠Bicc1基因RNAi序列的筛选与鉴定

通过网上提供的生物信息学分析软件进行搜索和比对,初步筛选到3个较好的针对小鼠双尾-C(Bicc1)基因的RNA干扰(RNAi)序列。合成这3个干涉序列片段后克隆到pRS-HushshRNA载体中。构建Bicc1基因的真核表达载体pEGFP-C3-Bicc1,将绿色荧光蛋白(GFP)标签标记在Bicc1蛋白上。利用细胞转染技术将pEGFP-C3-Bicc1与3个干涉序列载体共转染至体外培养的HEK-293细胞中,最后通过细胞荧光强度、半定量PCR和Westernblotting鉴定出其中两个序列(pRS-Hush-RNAi-Bicc1-N/-C)能明显降低Bicc1蛋白在HEK-293细胞中的表达水平,为下一步建立起低表达Bicc1的稳定细胞株和研究小鼠Bicc1的功能提供了良好的材料。

Grass carp reovirus activates RNAi pathway in rare minnow, Gobiocypris rarus

Dicer catalyzes the initiation step of RNA interference (RNAi) which is known to play a significant role in innate immune response to viral infection in many organisms. To study the RNAi-related pathway after virus infection in fish, we identified a partial cDNA sequence of dicer from rare minnow, Gobiocypris rants. Real-time quantitative RT-PCR (qRT-PCR) demonstrated the Dicer transcript level was the highest at zygote stage, decreased at prim-5 stage, and was stable from the protruding mouth to adult stage. Regular RT-PCR analysis showed that the Dicer gene expressed widely in the tested tissues, including brain, gill, heart, intestine, kidney, liver, muscle, ovary, spleen and testis. The expression of Dicer mRNA was significantly increased in the early period of Grass carp reovirus (GCRV) infection, and declined from 24 It post-injection (h p.i.) (P<0.05). The mRNA expression returned to control levels at 48 h p.i. (P>0.05). Under transmission electron microscope, virions were difficulty to find out in 12 h p.i., and virus inclusion bodies and few scattered viral particles were easily visualized from 24 h p.i. to moribund. These results implied GCRV triggered the RNAi pathway in the early stages of infection and perhaps virus inclusion bodies suppressed the antiviral functions of RNAi mechanism. (C) 2009 Published by Elsevier B.V.

RNAi suppression of zebrafish peptidoglycan recognition protein 6 (zfPGRP6) mediated differentially expressed genes involved in Toll-like receptor signaling pathway and caused increased susceptibility to Flavobacterium columnare

In Drosophila, Toll signaling cascade, which resembles the mammalian Toll-like receptor (TLR)/IL-1R signaling pathways and regulates the expression of anti-microbial peptide genes, mainly relies on peptidoglycan recognition proteins (PGRPs) for the detection of bacterial pathogens. To explore the effect of zebrafish peptidoglycan recognition protein 6 (zfPGRP6) on Toll-like receptor signaling pathway, RNA interference (siRNA) and real time quantitative PCR (RQ-PCR) methods were used to identify differentially expressed genes regulated by zfPGRP6. The target genes included TLR2, TLR3, TLR5, TLR7, TLR8, IL1R, Sterile-alpha and Armadillo motif containing protein (SARM), myeloid differentiation factor 88 (MyD88) and nuclear factor (NF)-kappa B2 (p100/p52). The results of RQ-PCR showed that RNAi-mediated Suppression of zfPGRP6 significantly down-regulated the expression of TLR2, TLR5, IL1R, SARM, MyD88 and p100/p52. The expression of beta-defensin-1 was also down-regulated in those embryos silenced by zfPGRP6. In challenge experiments to determine the anti-bacterial response to Gram-negative bacteria, RNAi knock-down of zfPGRP6 markedly increased susceptibility to Flavobacterium columnare. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

RNAi沉默烟草GA 20-氧化酶基因研究

赤霉素是一种高效能的广谱植物生长调节剂，为五大植物激素之一，具有重要的生物学功能。目前利用赤霉素突变体研究生物合成途径和信号转导已经成为热点。 GA 20-氧化酶是GA生物合成中的一类关键酶，它位于GA合成途径的中心位置。本研究根据烟草（Nicotiana tabacum）GA 20-氧化酶基因序列，设计2对分别含有特定酶切位点的特异引物，以烟草基因组DNA为模板，扩增目的基因(约250 bp)片段。将正、反向目的片段分别插入中间载体的内含子两侧，再经BamH I和Sac I双酶切回收约700 bp的目的片段，插入到双元载体质粒p2355中，成功构建了含GA 20-氧化酶基因片段反向重复序列的植物表达载体p23700。分别将p2355质粒和p23700质粒导入根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）EHA105中并转化烟草叶片细胞，经卡那霉素选择培养，PCR及GUS组织染色鉴定，获得转基因烟草植株。以EHA105-p2355转化的烟草，获得41株转基因植株，均没有矮化表型；而以EHA105-p23700转化的烟草，获得转基因植株14株，其中具有矮化表型的烟草10株，表明反向重复序列转录产物能形成发夹RNA(hpRNA)，产生小分子干扰RNA（small interferring RNA，简称siRNA），干扰目的基因的表达。 赤霉素含量测定表明矮化植株中赤霉素合成途径的最终产物GA3总含量明显低于野生型烟草植株。荧光定量PCR结果表明，矮化转基因烟草的GA 20-氧化酶基因表达量受到明显抑制，表达量明显低于野生型对照。同时对上游内根-贝壳杉合成酶（Ent-kaurene synthase，KS）基因，下游的GA-3β羟化酶基因进行了RT-PCR分析，结果显示上游基因的表达没有规律性变化，而下游基因表达量亦降低。上述结果表明，GA 20-氧化酶基因的表达被有效地干扰了，表达受到抑制，从而影响植株体内GA3的合成，影响植株的生长发育，导致植株矮化。并推测，GA 20-氧化酶基因受到抑制，可能影响下游基因的表达。并且通过干旱胁迫测试，发现矮化植株相对于野生型植株及不含干扰片段的转基因植株，对干旱的耐受力有了很大的提高，具有更强的耐受力。 研究结果为进一步进行相关研究奠定基础。 Gibberellin(GA) is an efficient plant growth regulator. As one of five major plant hormones, it plays an important biological function. Using GA mutant for investigating biosynthetic pathways and signal transduction has become high lights. GA 20-oxidase is a crucial enzyme involved in gibberellin biosynthesis. According to tobacco (Nicotiana tabacum) GA 20-oxidase enzyme gene sequence and based on binary vector p2355, we constructed a plant expression vector p23700, which habors an inverted repeat DNA fragment of GA 20-oxidase gene drivered by Cauliflower mosaic virus promtor (CaMV 35Sp). Binary plasmid p2355 had no inverted repeat DNA fragment of GA 20-oxidase gene. The vector p2355 and p23700 were introduced into Agrobacterium tumefaciens EHA105 and tobacco leaf transformation was conducted. After selected by kanamycin and characterized by PCR and GUS hischemical reaction, transsgenic plants were obtained. Fourtheen transgenic plants, which were transformed by EHA105-p23700, were obtained. Among them, 10 were dwarf mutants. However, 41 transgenic plants with the same normal phenotype as wild type,which were transformed by EHA105-p2355, were obtained. Analysis of Gibberellin contents showed that it was lower in dwarf mutants than in normal phenotype plants. Moreover, comparing to normal phenotype plants including wild type and transgenic plants with no interference fragment, the drought tolerance of dwarf plants have greatly increased. And their proline content increased obviously after drought test. Fluorescence quantitative real time PCR (RT-PCR) showed that GA 20-oxidase gene expression was significantly inhibited in dwarf transgenic tobacco. Meanwhile, the expression of the upstream gene ent-kaurene synthase (KS) gene and downstream gene GA-3β hydroxylase gene was also detected by RT-PCR. The results presented that KS gene expression had no regular change while GA-3β hydroxylase gene expression reduced. It implied that inhibiting GA 20-oxidase gene probably reduce the expression of downstream genes. The results showed that the transcriptional products of the foreign inverted repeat fragment can form hairpin RNA (hpRNA) to induce RNAi. It presented that GA 20-oxidase gene expression was effectively interfered, resulting in reducing GA3 synthesis and inhibiting plant growth and development, then dwarf plants were produced. However, the dwarf plants had higher tolerance of drought.

干扰RNA(RNAi)作用机理及其在植物细胞工程中的应用进展

随着RNAi调控目的基因表达机理研究的深入,RNAi技术也发展为一种强有力的实验工具,用来控制目的基因的表达以获取预期的生物表型。目前在植物中至少发现存在三种不同的RNAi途径,这些途径中基因沉默信号可以放大、传递和自我调控。为了建立高效、经济的RNAi技术体系,必须解决以下几个问题:即RNAi的有效传递,稳定性的提高,非目标效应出现的减小以及目标RNA敏感位点的确定等。综述了RNAi作用机制及其在植物细胞工程中的最新应用进展,并详细探讨了其技术体系。

青蒿反义鲨烯合酶基因对烟草的转化

利用反义技术研究生物代谢途径以及对其生物合成进行调控成为植物次生代谢研究领域内一个重要手段之一，并与新兴的RNAi技术一起成为本领域内重要的研究热点。在植物类异戊二烯代谢途径中存在着羟甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)、法呢基焦磷酸合酶（FPS）和鲨烯合酶（SQS）等几种关键的分支酶，他们被认为在异戊二烯类的生物合成中发挥着关键的调节作用。其中，鲨烯合酶处于HMGR和FPS的下游，并与倍半萜合酶等利用共同的前体－法呢基二磷酸（FPP），以FPP起始合成一系列的下游产物。因此，FPP成为类异戊二烯途径中的关键调节点之一。本论文基于此目的，利用反义技术研究了FPP合成鲨烯这一途径受到抑制对其他以FPP为生物合成前体的代谢支路的影响。 利用植物双元转化载体pBI121，将青蒿中鲨烯合酶基因的cDNA（约1.5kb）序列插入到pBI121中，取代原有的GUS序列，构建成植物转化载体pBIASS。以根癌农杆菌为介导，将青蒿鲨烯合酶反义基因序列导入到烟草，整合到其基因组中 ，成功获得转基因植株。对转基因烟草进行分子检测表明，外源鲨烯合酶基因的序列已经稳定整合到烟草基因组中，并对内源的烟草鲨烯合酶基因表达产生影响。转基因烟草中检测到内源鲨烯合酶基因的mRNA的水平降低。对鲨烯合酶下游产物之一的胆固醇的含量分析显示，活性减低的鲨烯合酶使胆固醇的生物合成下降约40％左右。同时，另一条以FPP为共同前体的二萜代谢途径产物之一GA3的含量得到了提高，比对照提高约30％。

水稻GA3应答基因表达谱微阵列分析与OsGAS1功能初步研究

利用反义技术研究生物代谢途径以及对其生物合成进行调控成为植物次生代谢研究领域内一个重要手段之一，并与新兴的RNAi技术一起成为本领域内重要的研究热点。在植物类异戊二烯代谢途径中存在着羟甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)、法呢基焦磷酸合酶（FPS）和鲨烯合酶（SQS）等几种关键的分支酶，他们被认为在异戊二烯类的生物合成中发挥着关键的调节作用。其中，鲨烯合酶处于HMGR和FPS的下游，并与倍半萜合酶等利用共同的前体－法呢基二磷酸（FPP），以FPP起始合成一系列的下游产物。因此，FPP成为类异戊二烯途径中的关键调节点之一。本论文基于此目的，利用反义技术研究了FPP合成鲨烯这一途径受到抑制对其他以FPP为生物合成前体的代谢支路的影响。 利用植物双元转化载体pBI121，将青蒿中鲨烯合酶基因的cDNA（约1.5kb）序列插入到pBI121中，取代原有的GUS序列，构建成植物转化载体pBIASS。以根癌农杆菌为介导，将青蒿鲨烯合酶反义基因序列导入到烟草，整合到其基因组中 ，成功获得转基因植株。对转基因烟草进行分子检测表明，外源鲨烯合酶基因的序列已经稳定整合到烟草基因组中，并对内源的烟草鲨烯合酶基因表达产生影响。转基因烟草中检测到内源鲨烯合酶基因的mRNA的水平降低。对鲨烯合酶下游产物之一的胆固醇的含量分析显示，活性减低的鲨烯合酶使胆固醇的生物合成下降约40％左右。同时，另一条以FPP为共同前体的二萜代谢途径产物之一GA3的含量得到了提高，比对照提高约30％。

植物络合素合酶基因的功能分析及其应用

植物络合素（phytochelatins，PCs）是含有γ-Glu-Cys重复结构的小分子多肽，其结构通式为：（γ-Glu-Cys）n-Gly（n=2-11）。植物络合素（PCs）由植物络合素合酶（PCS）催化谷胱甘肽（GSH）聚合而成，能够络合重金属离子而具有解毒功能，这是植物解毒重金属胁迫的重要机制之一。本文克隆了来源于重金属抗性植物绊根草（Cynodon dactylon cv Goldensun）的植物络合素合酶基因，通过基因工程手段使其在烟草中过量表达，得到了一些有望用于植物修复（phytoremediation）的工程植株。同时，在水稻（Oryza sativa）种子中利用RNAi技术抑制植物络合素合酶基因的表达，以降低重金属离子在人类最重要的粮食作物水稻的籽粒中的积累。 1. 通过RACE（Rapid Amplification of cDNA Ends）方法从抗性植物绊根草中克隆了植物络合素合酶基因CdPCS1，其1515 bp的读码框编码一个含505个氨基酸的蛋白质，蛋白质序列分析表明它具有植物络合素合酶的结构特征，同时还具有磷酸化位点和亮氨酸拉链结构。 2. CdPCS1基因可以互补对铜和镉离子敏感的酵母突变株ABDE-1（cup1Δ）中缺失的金属硫蛋白基因CUP1的功能，也可以互补对砷离子敏感的酵母突变体FD236-6A（acr-3Δ）中的离子外排载体基因ARC3的缺失。 3. 将CdPCS1转入烟草，共获得过表达CdPCS1的烟草44个株系，其中融合GFP的株系16个。对T0代的转基因植株的PCs含量以及重金属抗性和吸收能力进行了分析，其中抗性实验表明，在300μmol/L 的Cd2+离子胁迫11天之后，野生型植株的叶片出现斑点状坏死，而两个转基因烟草株系S6和K49的植株没有出现受伤害症状。在100μmol/L的CdSO4处理一周后，转基因植株中的PCs含量比对照有不同程度的提高，最多提高了2.88倍。当用300μmol/L Cd2+处理9天再用600μmol/L Cd2+处理2天后，Cd的积累量比野生型植株增加了2倍多;用50μmol/L As3+处理7天再用100μmol/L As3+处理2天后，转基因植株对As的积累量最多增加了3倍多。说明转入绊根草PC合酶基因的烟草增加了植物络合素的合成，并由此增加了对镉离子的抗性以及对镉离子和砷离子的积累。 4. 对转基因烟草中的CdPCS1进行了亚细胞定位研究。在激光共聚焦显微镜和荧光显微镜下分别用转基因烟草叶片组织和叶肉细胞原生质体观察融合GFP的CdPCS1，结果表明融合蛋白定位于细胞核中。 5. .利用RNAi技术抑制水稻种子中植物络合素合酶基因的表达，共获得39个转基因株系。其中35个株系为种子特异性ZMM1启动子驱动OsPCS1基因的RNAi，其余4个株系由组成型的Ubiquitin启动子驱动。RT-PCR的分析结果表明：一个由ZMM1启动子驱动的RNAi转基因水稻株系的种子中，OsPCS1的mRNA水平比对照中的下降了一半。

水稻OsGF14-c基因功能的初步分析

GF14是一类在高等植物的基本代谢﹑信号转导﹑抗逆以及转录调节等多种生理生化途径中发挥重要作用的基因。这类基因是14-3-3基因家族的成员，由于启动子结构中具有一个保守的G-Box元件而得名。我们根据该类基因的保守序列合成特异性探针，从水稻中花10号花的cDNA文库中筛选到一个基因，通过全长测序以及同源比较，发现它的核酸序列与NCBI数据库中注册的水稻GF14-c基因有高达99%的同源性，并在其上游启动子区也发现了一个保守的G-Box元件，从而确定该基因是水稻的GF14-c基因，我们把它命名为OsGF14-c。OsGF14-c的cDNA全长1154bp，编码256个氨基酸。序列分析表明该基因与酵母同源基因BMH2有71%的同源性，构建真核表达载体pdYES2，借助LiAC转化法将pdYES2导入BMH2缺陷型酵母菌株GG3000，筛选获得了补偿BMH2功能的重组酵母菌株PYGG。OsGF14-c基因的启动子区域具有一个典型的﹑高等植物特有的顺式作用元件G-Box元件，提示该基因可能与转录因子相互作用，洋葱表皮瞬时表达实验验证了OsGF14-c是核定位的。构建原核表达载体pGF-c2转化大肠杆菌XL1-Blue，筛选获得了表达GF14c-MBP融合蛋白的重组菌株，利用直链淀粉亲和层析纯化了OsGF14c-MBP融合蛋白。为了研究该基因在水稻的生长发育过程中所起的作用，我们以OsGF14-c基因的全长cDNA序列构建反义表达载体载体p35sCAMVF，并分别以OsGF14-c cDNA序列的特异区段以及保守区段构建了RNAi表达载体US和UT。将p35sCAMVF﹑US和UT借助农杆菌介导的转化分别导入水稻愈伤组织,培养成苗并进行遗传学分析。我们的工作对今后深入研究OsGF14-c基因的功能奠定了一定的基础。

MADS-box基因在单子叶植物花发育中的功能研究

第一部分 水稻E类MADS-box 基因在花发育中的功能分析 MADS-box 基因是一个大的转录因子家族，在花发育过程中起重要作用。根据对双子叶模式植物拟南芥、金鱼草和矮牵牛遗传突变体的研究，提出了花发育的ABCDE模型。该模型认为：A、B、C、D、E代表了5类功能不同的花器官特征基因，单独或联合控制花器官的发育。A类基因控制萼片的发育;A、B和E类基因控制花瓣的发育;B、C和E类基因控制雄蕊的发育;C和E类基因控制心皮的发育;D类基因控制胚珠的发育;A和C类基因相互抑制。在这5类基因中，E类基因的功能较为复杂，它不仅是花器官特征基因，而且具有花分生组织决定性（Floral meristem determinency）。在单子叶植物中，E类基因的功能发生了很大的分化。水稻是单子叶植物的模式植物，水稻中至少有5个E类基因，分别是OsMADS1、OsMADS5、OsMADS7、OsMADS8和OsMADS34，在这5个E类基因中，除了对OsMADS1基因有较深入的研究外，对其它几个E类基因的功能了解甚少。我们在现有的研究基础上，根据对双子叶植物中E类基因的研究结果，以OsMADS8基因为出发点，利用组织原位杂交，RNAi技术对水稻中的E类基因进行了深入的研究。结果表明：OsMADS8/7基因早在花序枝梗分生组织原基就有转录，随着小穗的生长发育，逐渐集中在小穗分生组织原基，小花分生组织原基，浆片、雄蕊和心皮中表达;在胚珠形成时，内外珠被有很强的杂交信号，而且在幼胚和胚乳中也有表达。OsMADS5在幼花时期，四轮花器官均有表达，在小穗发育后期及受精后的表达方式与OsMADS8/7基因相同。OsMADS8基因被抑制后，转基因植株没有任何表型变化，说明很可能有其它E类基因弥补了OsMADS8基因的功能缺失;当同时抑制其它E类基因的表达时，转基因植株抽穗期明显延长，四轮花器官的发育均受到影响：稃片类似叶片状;浆片转变为稃片类的结构;雄蕊没有花粉;心皮具有了稃片的特点;没有胚珠结构的形成，同时失去了花分生组织决定性，在心皮的部位产生了新的花器官或花分生组织逆转为花序分生组织。说明水稻四轮花器官及胚珠的正常发育需要E类基因的参与，但其功能与双子叶植物如拟南芥，西红柿、矮牵牛等直系同源基因相比已经发生变化;水稻中的E类基因在维持花分生组织特征性方面起重要作用;另外对抽穗期有影响。 第二部分 玉米MADS-box基因ZAG2转录调控区的研究 基因的时空表达受基因中的顺式作用元件及其反式作用因子调控。顺式作用元件由位于基因编码区上游的启动子区域和位置不确定的增强子区域组成。顺式作用元件对基因表达的开启至关重要。MADS-box 基因编码一类控制花器官发育的转录因子，在花的发育过程中顺序表达。MADS-box 基因突变，花器官发生同源异型转换。研究MADS-box 基因的调控序列可以进一步揭示影响基因时空表达的内外因素。ZAG2是玉米MADS-box 基因中的D类基因，控制胚珠的发育，在胚珠和心皮的内表面特异表达。ZAG2基因有7个外显子和6个内含子。我们从玉米基因组分离到了ZAG2基因翻译起始点上游3040bp的序列，并利用5’-RACE方法鉴定出了转录起始点的位置。序列比较发现，在 5’-UTR内有一个1299bp的内含子，这个内含子可能对基因的表达有调控作用，因此构建了两个与GUS基因融合的表达载体：一个是pZAG2-1::GUS，包括翻译起始点以上所有的调控序列;另一个是pZAG2-2::GUS，去掉了5’-UTR中的内含子序列，转化水稻。结果这两个构建都没有使GUS基因在正确的位置表达。pZAG2-1::GUS构建在心皮基部类似花托的部位及稃片顶端着色，pZAG2-2::GUS构建在内外稃片沿稃脉的部位有很强的着色，说明翻译起始点上游的调控序列不足以使基因正常表达。两个构建着色方式不同，可能pZAG2-1::GUS构建在5’-UTR部分含有抑制ZAG2基因在稃片表达的顺式元件，或者启用了在5’-UTR中的转录起始点，因为在5’-UTR的内含子中也有一个很典型的TATA-box。我们推测，在ZAG2基因编码区的第一内含子可能存在另外一些使基因正常表达的增强元件，需要进一步的序列缺失实验加以验证。

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。

水稻中一个编码富含脯氨酸蛋白基因家族的表达和功能研究

OsPRP1是水稻中特有的，编码一类富含脯氨酸蛋白（proline-rich protein, PRP）的基因家族，该家族有4个成员。在GenBank中，仅找到了一个结构相对接近的玉米PRP蛋白，但是对它的研究仅限于序列上的某些描述，而且在序列上，仍然与这4个OsPRP1蛋白有明显的差别。OsPRP1蛋白明显有别于前人（1999）所描述的4类PRP蛋白。它们是植物中一类新的小分子量的PRP蛋白，仅有一个保守结构域而属于DUF1210蛋白超家族的成员。 四个OsPRP1基因在基因组中紧密串联排列，而且编码区高度保守，基因结构也高度一致，证明它们来源于同一个祖先基因，是通过基因复制的方式产生的。PAML分析也证明它们在进化时间上的相互距离并不远。而在进化过程中由于执行生理功能上的某种重要性，在编码区表现出很的保守性，因而很难在RNA水平和蛋白水平上研究四个OsPRP1基因的表达差异。但是它们在表达调节区（如启动子区）显示出明显的差异。在克隆启动子的基础上，用GUS报告基因的策略，没有检测到它们在拟南芥中的表达活性，说明它们具有一定的种属特异性。而在水稻中，这四个基因的表达显示出了明显的时序和空间差异，既表现出在组织器官及其发育阶段上的特异性和变化，又在一定程度上表现出交叉，出现了功能上的分化和重叠。根据启动子区上的顺式元件，检测了这些基因对6种植物生长调节物质和3种非生物胁迫因子的应答反应，证明它们的表达调节也表现出显著的差异和分化。因此，四个基因的进化出现了功能退化、亚功能化和产生新功能等多种命运，比理论模型预期的要复杂得多，可能在执行生理功能和对环境反应上具有各自的生物学意义。 植物细胞壁是多种碳水化合物和蛋白质相互交织在一起的亲水性网络。在保护和支撑原生质、细胞通信、细胞分化、细胞对生物的和非生物胁迫的抗性等方面发挥着重要作用。目前已知的大多数植物PRP蛋白被描述成细胞壁结构性蛋白。OsPRP1基因家族编码的蛋白质都有一个N-端信号肽，暗示它们可能是一类分泌蛋白。我们用OsPRP1.1::GFP融合蛋白进行了亚细胞定位，证明了OsPRP1蛋白的确也是细胞壁相关蛋白。用原核表达体系表达了GST-融合蛋白，制备抗体，通过免疫印迹证明这些蛋白不溶于温和的提取缓冲溶液中，但可以被高盐和强碱溶液溶解，且分子量增加了三倍。证明在体内可能出现修饰、与细胞壁其它组分相交联的现象。 在这四个基因中，只有OsPRP1.2能够在水稻根中特异表达。根的原位杂交实验证明，OsPRP1在分化成熟程度低的细胞中大量表达，而在分化成熟程度高的细胞中几乎不表达。GUS染色的结果同样发现，基因在维管柱特别是中柱鞘附近的薄壁细胞的表达比别的细胞要强得多，而且在根的生长方向上表现出与发育相关的表达特征。说明OsPRP1基因可能参与了这些细胞的分化、发育过程。而基因表达的组织器官特异性的差异和对不同刺激因素的不同反应意味着它们可能参与了多种生理过程。为此构建了一个RNAi的表达载体，转化水稻，Southern杂交实验得到9个单位点插入的T2代独立株系，其中有6个株系与野生型对照相比，主根的早期伸长受到显著抑制，主根的一级侧根地数量减少，根尖分生区的细胞在轴向上的伸长受到了抑制。结合表达定位和原位杂交的结果，我们对它们在植物生长发育中的功能进行了深入探讨。