一个编码含VQ 模序蛋白的基因AtARVQ1 参与拟南芥对砷酸盐的响应调控

砷酸盐(As^Ⅴ)是一种对包括人类和植物在内大部分生物具有剧毒的重金属. 结果显示, 编码含植物特有VQ 模序蛋白基因AtARVQ1 (arsenate-repressed VQ motif-containing protein 1)参与拟南芥对As^Ⅴ应答和抗性调控. 结果表明, 砷酸盐胁迫强烈抑制AtARVQ1 基因在拟南芥中的转录表达.进一步利用组成型启动子CaMV 35S 驱动AtARVQ1 基因在拟南芥中的表达, 获得在砷酸盐处理条件下增强AtARVQ1 基因转录的超表达植株, 发现超表达AtARVQ1 可以明显提高拟南芥对砷酸盐的抗性水平. 系统进化分析发现, 含VQ 模序结构的AtARVQ1 同源基因为植物特有, 并进化出两大分支4 个子分支, 这类同源基因在双子叶植物和苔藓中分布于两大分支上, 而在单子叶植物中仅分布在同一子分支上. 这些结果表明, AtARVQ1 基因在拟南芥对砷酸盐的抗性应答上有着重要作用, 而其同源基因也可能在其他植物对砷胁迫应答中发挥作用.     

人可溶性TRAIL蛋白在衣藻叶绿体中的表达

肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(TRAIL)能选择性诱导多种肿瘤细胞凋亡而对正常细胞无毒性. 以衣藻叶绿体基因组的clpP-trnL-petB-chlL-rpl23-rpl2为同源重组片段, 壮观霉素抗性基因为选择标记, 构建了编码TRAIL胞外区可溶性片段(sTRAIL)的cDNA衣藻叶绿体表达载体p64TRAIL, 通过基因枪将其导入衣藻叶绿体中, 经壮观霉素抗性筛选, 获得了3个抗性衣藻转化子. 转化子经过抗性继代筛选后, 经PCR, Southern blot检测分析及暗培养, 证实sTRAIL编码区DNA已整合到衣藻叶绿体基因组中, Western blot检测分析表明, sTRAIL编码区在衣藻叶绿体中获得了表达. Western blot影像摄录分析表明, 表达的sTRAIL蛋白占衣藻细胞可溶性总蛋白的0.43%~0.67%. 实验结果证明, 用衣藻叶绿体作为生物反应器生产医药蛋白是可行的.     

ftsZ基因与质体的分裂

质体是植物细胞中一类重要的细胞器, 其正常分裂过程与植物细胞的分化和发育密切相关. 人们对于质体分裂的早期研究主要集中于质体分裂过程的形态学观察和对某些突变体材料的遗传学分析, 而对于控制质体分裂的分子基础尚无明晰的认识. 近年来, 随着原核细胞分裂基因类似物在植物中的发现以及对质体进化祖先原核生物细胞分裂机制的解析, 极大地促进了人们对质体分裂机制的认识. 通过对分裂相关基因的功能研究, 人们认为作为内共生产物的质体可能与其原核祖先具有相似的分裂机制, 特别是对在分裂过程中发挥关键作用的ftsZ基因功能的深入研究为人们从分子水平上认识质体分裂的机制奠定了坚实的基础. 本文对质体分裂的研究历史进行了简单的回顾, 并对近来质体分裂分子机制的研究进展做一简要评述.     

ftsZ基因与质体的分裂

质体是植物细胞中一类重要的细胞器, 其正常分裂过程与植物细胞的分化和发育密切相关. 人们对于质体分裂的早期研究主要集中于质体分裂过程的形态学观察和对某些突变体材料的遗传学分析, 而对于控制质体分裂的分子基础尚无明晰的认识. 近年来, 随着原核细胞分裂基因类似物在植物中的发现以及对质体进化祖先原核生物细胞分裂机制的解析, 极大地促进了人们对质体分裂机制的认识. 通过对分裂相关基因的功能研究, 人们认为作为内共生产物的质体可能与其原核祖先具有相似的分裂机制, 特别是对在分裂过程中发挥关键作用的ftsZ基因功能的深入研究为人们从分子水平上认识质体分裂的机制奠定了坚实的基础. 本文对质体分裂的研究历史进行了简单的回顾, 并对近来质体分裂分子机制的研究进展做一简要评述.     

高粱叶绿体psbD基因的克隆及其高效表达

近年来光合作用基因工程的研究进展十分迅速,许多重要的编码光合作用反应中心的蛋白质及酶的基因,已在多种植物叶绿体基因组及核基因组上定位并测定了其碱基序列,杉浦昌弘等先后完成了烟草、水稻等高等植物叶绿体基因组全序列分析,但是C_4植物除玉米外,叶绿体基因的研究较少,高粱是主要的C_4植物,其叶绿体光系统基因的研究国内外均     

从线粒体和叶绿体基因组的结构看生物基因组的进化

通过分析各类真核生物线粒体和叶绿体基因组的大小与结构,得出这两种细胞器基因组都有小基因组与大基因组两种形式以及与之对应的结构特点,从而都是通过两种进化途径从它们各自祖先的基因组发展成为现代的线粒体和叶绿体基因组的结论。比较细胞器基因组与核（类核）基因组的存在和性质,发现类似的两种途径同样可以说明核（类核）基因组的进化。结合这三种基因组的起源问题,提出了一个生物基因组起源和进化的统一模式。     

水稻中一种RNA结合蛋白cDNA的筛选和结构分析

植物叶绿体基因组全结构的阐明,已充分揭示该遗传体系兼有原核生物和真核生物基因组的特征。在叶绿体基因中,除存在一些内含子结构外,还具有像rpl12这样复杂的分割式基因。同时,不同基因的转录速度也存在着显著的差异。这些都意味着叶绿体基因在转录后必然有着复杂的剪接加工过程。RNA结合蛋白是一类在RNA加工中起重要作用的蛋白。Li等首次从烟草叶绿体中分离到与RNA转录直接相关的RNA结合蛋白,并且证明它们是由细胞核编码,在细胞质中合成后再输入到叶绿体中去的。至今,已从烟草、菠菜以及拟南芥菜等植物中发现了约10种核编码的叶绿体RNA结合蛋白,它们有类似的构造特征。我们从水稻cDNA文库中首次筛选到一个RNA结合蛋白(cp28)的基因,其相应的肽链由264个氨基酸组成。和其他叶绿体RNA结合蛋白相仿,它也包含有两个RNA结合结构域(称为consensus sequence-type RNA-binding domain,即CS-RBD),其中各含有一个由8个氨基酸组成的高度保守的一致顺序(ribonucleoprotein consensus sequence,即RNP-CS)。N端区域的传送肽(穿膜信号肽)由60个氨基酸组成,其后是一段负电荷十分集中的酸性肽段,但传送肽和酸性肽段的氨基酸顺序与其他植物的RNA结合蛋白的同源性很低。根据全长肽链的同源性比较,我们还分析了水稻cp28     

rps12基因在裸子植物中的分子进化式样

叶绿体rps12基因是所有叶绿体基因中最特殊的,由在基因组上相距甚远的两部分组成,含有3个外显子,经反式剪接作用编码核糖体小亚基S12蛋白.探究该基因的分子进化式样有助于理解该基因的进化过程及基因组特征.应用二代测序技术对南洋杉和柏木的叶绿体基因组进行测序;共选取78种裸子植物和2种蕨类植物,在系统发育背景下结合最大似然法,对rps12基因的进化速率、选择压力和适应性进化进行分析.结果显示,外显子3发生独立的碱基插入事件,发生插入的序列受到了更强的负选择作用;外显子2～3位于反向重复区,它们的替换率显著低于外显子1, rps12编码序列受到更强的负选择作用;适应性进化分析没有检测到正选择位点.结果表明,在裸子植物的进化过程中rps12基因结构稳定,并保持着相对较低的进化速率且表现出高度的保守特性;这为反向重复区具有降低的替换率提供了更多的证据,同时也揭示了裸子植物中存在的进化速率异质性现象.     

稻属AA型物种叶绿体基因组的适应性进化

稻属AA型物种包含栽培稻和与其最近缘的野生稻物种,是稻属植物中一个重要的类群.为了探究稻属AA型物种叶绿体基因组的适应性进化,以AA型稻属物种中已经公布的6个叶绿体基因组为对象,利用PAML和Selecton对叶绿体基因进行适应性进化的分析.研究发现,4个基因(matK,ccsA,psbB和rpoC2)经历了正选择作用,并对基因的正选择位点进行了定位,初步分析了正选择位点的变异特点,探讨了正选择位点与蛋白质结构保守性的关系.本研究为深入了解稻属的叶绿体基因及其适应性进化提供了重要参考.     

两种植物病毒编码蛋白的基因沉默抑制子功能鉴定

采用农杆菌浸润方法以及重组的马铃薯X病毒(PVX)表达载体, 研究了甜菜坏死黄脉病毒(BNYVV)编码的P14蛋白和水稻黑条矮缩病毒(RBSDV)编码的S6蛋白对植物基因沉默的抑制作用. 绿色荧光蛋白(GFP)表型观察及核酸杂交结果表明, 这2种病毒基因均能够强烈抑制转基因本生烟(16C)中由同源序列引起的gfp基因沉默, gfp基因mRNA的含量明显高于未发生沉默抑制的对照植株, 并导致PVX感染后的寄主症状加重, 说明它们可能是由病毒编码的RNA沉默抑制因子. 其中, RBSDV S6基因对植株体内基因组DNA甲基化过程的抑制作用更为强烈.     

EXO70在拟南芥和水稻基因组中的倍增

作为胞泌复合体的一个重要组件,EXO70在人类、小鼠及酵母中均由单基因编码.为研究EXO70在拟南芥和水稻基因组中倍增的异同,从拟南芥和水稻基因组中钓取所有的EXO70家族基因,分析后发现,拟南芥中包含23个EXO70基因,其中15个基因位于染色体的负链;选择性剪接的存在共产生27种成熟的m RNA.水稻中共发现47个EXO70基因座,它们分别分散于12条染色体的正负链,其中的29个基因位于正链;分别包含Os EXO70H3和Os EXO70H4在内的11号染色体和12染色体的5′端存在一段约2×106 bp区段的序列高度同源;Os EXO70基因倍增的复杂性高于拟南芥EXO70.EXO70基因在拟南芥和水稻中均存在密码子使用偏好性,At EXO70和Os EXO70的密码子偏好性存在较大的差异.Pfam03081是EXO70蛋白质共有的结构域,且在三维结构上极为保守,这可能决定不同的EXO70蛋白存在相同或相近的功能.结果表明,EXO70在拟南芥和水稻2个物种进化中均存在多次加倍,Os EXO70倍增的次数、方式和复杂性都高于At EXO70;高度保守的Pfam03081可能是决定EXO70蛋白功能的关键因素;像其他基因一样,EXO70同义密码子的偏性模式存在明显的物种特异性.     

在拟南芥中OsRAA1异位表达促进开花及下胚轴伸长

OsRAA1 (Oryza sativa root architecture associated 1)是拟南芥AtFPF1在水稻中的同源基因, 参与水稻根发育的调控. 将OsRAA1在拟南芥中异源超表达, 发现转基因拟南芥的开花时间提前, 同时发现在光照条件下转基因拟南芥的下胚轴长度增加. 进一步分析表明, 在蓝光、远红光和黑暗条件下转OsRAA1拟南芥下胚轴长度和野生型没有明显区别, 但在红光条件下, 转基因拟南芥的下胚轴长度是野生型的两倍. 转AtFPF1拟南芥也表现出类似的表型, 说明OsRAA1/AtFPF1蛋白不但可以调控拟南芥开花时间, 而且参与红光对下胚轴的光抑制过程, 它们在进化过程中保留了这两方面的功能.     

nifH基因能够在高等植物叶绿体原核环境中表达

以高等模式植物烟草为材料，对固氮酶铁蛋白基因nifH在叶绿体中的表达进行了研究。构建了nifH基因叶绿体转化载体，并利用基因轰击法对烟草叶片进行了转化。基因枪轰击后，共获得6株壮观霉素抗性再生植株。PCR检测及Southern杂交鉴定结果表明，aadA和nifH等外源基因已整合进入受体植物叶绿体基因组中；Western免疫学淀法的测定结果则证明，nifH基因能够在叶绿体原核环境中表达。     

生物信息学应用于植物科学的三个实例

本文以3个实例初步展示了生物信息学在植物科学中的应用.第一例先在EMBL数据库中搜索到了15条棉属不同种的ITS序列,然后对它们作了亲缘树分析.第二例对PIR数据库中一条棉花脂转移蛋白的一级、二级结构作了分析之后,使用RasMol软件对典型的脂转移蛋白进行了三维结构观察.第三例对一条拟南芥EST序列作了Blast比对、ORF查找分析之后,将其翻译为氨基酸序列,然后进行了功能预测和同源蛋白的三维结构显示,最后对该EST序列进行了基因组定位.     

黄瓜线粒体线形类质粒pC4的核酸序列和性质

津研四号黄瓜线粒体中除了主环DNA外，还有4种类质粒（pC1,pC2,pC3,pC4)。电子显微镜观察结果表明pC4为线形类质粒。将pC4克隆至E.coli JM109中，对pC4进行序列测定和分析。pC4全长370bp，是已知的植物线粒体类质粒中最短的，pC4富含AT，有多个正向和反向重复序列，其两端为35bp的正向重复序列。pC4中的ORF都较短，不足以编码有功能的蛋白。对pC4进行同源性检测，发现pC4与线粒体主DNA和叶绿体DNA缺乏同源性，而与核DNA有同源性。在其他没有线粒体类质粒的黄瓜品种核基因组中也存在pC4的同源序列，pC4与黄瓜不同品种核基因组的杂交带型有一定差别。     

低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础

哺乳动物配子发生过程中双亲特异性甲基化印迹导致父母双方的基因组在发育中的不等性和互补性, 使父母双方的基因组对正常发育都是必需的. 因此, 基因组印迹是胚胎发育过程中基因组整体水平上基因表达调控至关重要的第一步, 也是哺乳动物两性生殖的表观遗传基础. 但基因组印迹在脊椎动物中的进化起源、形成并维持稳定的表观遗传修饰分子机制都还完全不清楚. 在动物界, 由于至今未在非哺乳动物中发现内源印迹基因, 基因组印迹被认为可能是胎生哺乳动物单独进化出来的. 为探索基因组印迹的进化起源, 本文研究了哺乳动物印迹基因在低等脊椎动物的同源基因中是否存在双亲特异性差异甲基化区域. 通过用重亚硫酸氢盐测序的方法, 对金鱼Igf2基因的CpG岛在精子、卵子、不同发育阶段胚胎以及成体不同组织中的甲基化情况进行分析, 结果表明, 与哺乳动物Igf2基因一样, 金鱼Igf2基因内部也存在差异甲基化区域, 该区域在卵子中没有甲基化, 在精子中被高度甲基化; 但与哺乳动物印迹基因不同, 金鱼的双亲特异性甲基化差异不能在胚胎发育过程中保持稳定, 可能是脊椎动物进化早期的一种初级的基因组印迹. 这些结果说明, 低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础, 基因组印迹不是哺乳动物单独进化产生的     

通过叶绿体基因工程在烟草中合成中长链羟基脂肪酸聚酯

中长链羟基脂肪酸聚酯(medium-chain-length-PHAs, mcl-PHAs)属于微生物聚酯. PHA合酶(PHA synthase, 由phaC基因编码)和3-羟酰基-酰基转移蛋白-辅酶A转移酶(3-hydroxyacyl-acyl carrier protein-coenzyme A transferase, 由phaG基因编码)是mcl-PHAs生物合成途径中的关键酶. 以aadA(氨基糖苷-3′-磷酸转移酶)基因做筛选标记, 分别构建了含phaC2基因的单价叶绿体转化表达载体pTC2以及同时嵌合phaC和phaG基因的双价叶绿体转化表达载体pTGC. 通过PDS1000/He基因枪转化法转化烟草, 获得具有壮观霉素抗性的叶绿体型转基因烟草植株, PCR和Southern Blot结果表明, 外源基因确已整合进烟草叶绿体基因组中且基本达到同质化. 气相色谱法检测转基因株系中的mcl-PHAs含量最高达4.8 mg/g干重, 合成的PHAs单体主要成分为3-羟基辛酸(3-hydroxyoctanoate, 3-HO)和3-羟基癸酸(3-dydroxydecanoate, 3-HD). 透射电子显微镜观察到转基因烟草叶片叶绿体中确有PHAs颗粒累积.     

叶绿体基因组结构研究新进展

众所周知,叶绿体是重要的光能转换、光合作用细胞器,它能将光能转换成化学能、生物能,用于固定空气中的二氧化碳,合成各种有机物。以前我们对叶绿体的遗传控制、进化历史及其与核基因的关系都了解不多,关键的问题就是不了解叶绿体的基因组。最近,两组日本科学家分别测定了两种叶绿体基因组的完整DNA序列,这一工作无疑是叶绿体生物学的重大进展。所测出的DNA完整序列,对于全     

植物F-box蛋白质及其研究进展

在真核生物中，由泛素介导的蛋白降解途径与细胞的分裂、发育、代谢、免疫等许多复杂的生理过程密切相关。F-box蛋白质通过参与SCF复合体的形成介导了泛素化蛋白底物的特异性识别，在其降解过程中发挥关键作用。目前，从拟南芥和金鱼草中发现了多个已知功能的F－box蛋白质，它们分别参与了生长素信号转导、花器官发育、开花和叶片衰老等多种生物学过程。拟南芥全基因组序列分析表明，它可能编码1000多个F－box蛋白质，约占全部预测蛋白质的5％。这些结果说明，F－box蛋白质介导的泛素化蛋白质降解途径可能是植物基因表达调控的一个非常重要的机制。本文主要介绍了SCF复合体和已知植物F－box蛋白质及其生物学功能。     

大豆根瘤中增强表达的WIP小多肽基因家族的分子鉴定

小肽分子是植物细胞分化、器官形成和生物防御的重要信号分子.通过分析大豆全基因组DNA序列,发现大量的基因编码小肽前体即小多肽分子.到目前为止,对这些小多肽分子的特征以及功能知之甚少.本文系统地分析了公共数据库中的大豆转录组数据,鉴定了212个在根瘤中增强表达的小多肽基因.其中79个基因属于38个多基因家族,而另外133个基因不属于任何基因家族.在38个基因家族中,有10个基因家族只出现在豆科植物中,另外28个也出现在模式植物拟南芥中.在大豆中,最大的一个基因家族是伤流诱导的小多肽(wound-induced small protein,WIP)基因家族,由38个成员组成,其中一半左右的基因在大豆固氮根瘤中增强表达.我们进一步分析了蒺藜苜蓿、百脉根、拟南芥和水稻中的WIP同源基因,发现部分基因也在根瘤中增强表达或者受病原菌诱导表达.二级结构分析显示,WIP小多肽前体均含有一个DUF3774结构域,其中包含2个跨膜疏水区域,多数分子具有N-端信号肽序列.我们选取了2个大豆WIP基因进行亚细胞定位分析,发现WIP小多肽定位于细胞膜上.有趣的是,34个大豆WIP基因成簇分布在3条染色体上,与目前发现的其他小多肽基因家族的分散分布(如CLE)完全不同.在6,12和13号染色体上分别分布有11,12和11个WIP基因.而在12号染色体上的WIP同源基因则位于13号染色体上,二者呈对应关系.而6号染色体上的WIP基因相互之间同源性最高,且只与12号染色体上的基因具有较高的同源性.因此,可以推测,在大豆基因组中WIP基因可能起源13号染色体,通过染色体复制扩散至12号染色体,再扩散到6号染色体.而在拟南芥和水稻基因组中,半数以上的WIP基因也分布在一条染色体上,且与大豆12和13号染色体上的WIP基因具有较高的同源性.因此,植物中WIP基因可能来源一个共同的祖先.