与蒙古冰草抗旱相关的NAC转录因子生物信息学及其表达分析

NAC转录因子具有调控植物生长发育及应对非生物逆境胁迫等多种功能。为筛选蒙古冰草（Agropyron mongolicum Keng）抗旱相关的NAC转录因子，本研究基于转录组测序数据，利用生物信息学方法对蒙古冰草NAC转录因子的结构、理化性质、进化关系和保守性等进行分析，同时运用实时荧光定量技术对抗旱相关的2个NAC基因进行差异表达分析。结果表明：筛选出26个蒙古冰草NAC家族成员，其中15个具有完整NAC转录因子结构域，其均属于亲水性蛋白，大部分定位于细胞核；15个蒙古冰草NAC转录因子的蛋白磷酸化位点均含有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。进化关系比对显示AmNAC100和AmNAC102-2转录因子与已知有抗旱功能的NAC蛋白同源性极高，其二、三级结构主要以无规则卷曲为主，motif1，2，3，8为其共有的保守基序，多序列比对将保守结构域划分为子域A—E。差异表达分析发现AmNAC100和AmNAC102-2基因相对表达量均高于对照（CK），在蒙古冰草干旱胁迫中起正调控作用。     

蒙古冰草ERF转录因子生物信息学及其表达分析

ERF(Ethylene responsive factor)家族是植物中一种重要的转录因子，参与植物生长发育和逆境胁迫响应。为筛选蒙古冰草(Agropyron mongolicum Keng)抗旱相关的ERF转录因子，本研究利用生物信息学方法对其理化性质、亚细胞定位、保守基序、进化关系及其二、三级结构进行分析，同时对不同干旱处理下的ERF基因进行表达分析。结果显示：筛选得到18个具有ERF结构特征的蒙古冰草ERF转录因子，蛋白大小在70～404aa之间，分子质量在7447.54～43654.9之间，理论等电点(PI)在4.53～11.10之间，其中有2个疏水性蛋白，其余均为亲水性蛋白，大部分定位于细胞核。ERF转录因子的二、三级结构以无规则卷曲为主，推测motif1，motif2，motif3为保守基序。进化关系比对发现AmERF053，AmERF1B，AmERF4-1，AmERF4-2与已知具有抗旱功能的蛋白具有较高同源性，且在干旱处理的蒙古冰草中显著差异表达。     

日本百脉根LjbHLH34基因克隆及耐旱功能鉴定

干旱是影响植物生长发育的重要环境因素。本研究分析了日本百脉根抗旱相关基因LjbHLH34的耐旱功能，初步解析其响应干旱胁迫的分子机制，以期为百脉根抗旱分子育种提供理论基础。本研究克隆得到的LjbHLH34基因大小为711 bp、编码236个氨基酸，属bHLH转录因子家族成员。系统进化树分析显示，LjbHLH34蛋白与拟南芥bHLHⅣ亚家族中AtbHLH34和AtbHLH104亲缘关系较近。实时荧光定量分析表明LjbHLH34在日本百脉根的根中表达量最高，叶中次之，茎中最少，暗示其在日本百脉根多个组织中发挥作用；同时LjbHLH34基因也受聚乙二醇(PEG)和脱落酸(ABA)诱导表达。在酵母中检测发现LjbHLH34具有转录激活活性；亚细胞定位试验表明LjbHLH34蛋白定位于细胞核中。将LjbHLH34基因转入拟南芥获得过表达株系。在200 mmol·L^-1甘露醇胁迫下，LjbHLH34转基因拟南芥的根长明显长于野生型。干旱处理后，野生型拟南芥比转基因拟南芥萎蔫程度更加明显，而转基因株系的相对含水量和超氧化物歧化酶(SOD)活性显著高于野生型，丙二醛(MDA)积累...     

苜蓿全基因组WRKY转录因子基因的分析

蒺藜苜蓿的基因组较小,遗传转化相对容易,是国际上广泛用于研究豆科植物的模式植物,其全基因组测序已经完成。WRKY转录因子是近年来在植物中发现的N-端含有WRKYGQK高度保守氨基酸序列的新型转录调控因子, 调节启动子中含W-box元件的调节基因和(/或)功能基因的表达, 从而参与植物的各种防卫反应。本研究以苜蓿基因组序列(Mt2.0)为材料,利用生物信息学方法分析苜蓿全基因组WRKY转录因子基因的数目、种类、系统发生学、保守基序,结果表明,苜蓿中共有28个WRKY基因,其中5个基因含有2个WRKY结构域,共含有33个WRKY结构域,根据其结构域特点可以分为3个大类,同时与水稻WRKY基因进行了比较研究,发现基因数目远少于拟南芥和水稻,同时研究证实苜蓿与水稻WRKY基因的起源和进化关系存在较大差异,显示出苜蓿WRKY进化有其独特的特点,此外分析苜蓿WRKY基因的保守motif共有46个,筛选得到WRKY结构域的5个保守motif。该研究对苜蓿WRKY基因功能的研究及进化具有重要的意义。     

紫花苜蓿bZIP转录因子MsbZIP1的克隆、表达特性和遗传转化分析

bZIP（Basic leucine zipper）是植物中一类非常重要的转录因子,参与植物从生长发育到抗性调控的多个生物学过程。为了了解紫花苜蓿（Medicago sativa）中bZIP转录因子的特性,解析紫花苜蓿MsbZIP1基因的生物学功能,从而阐述MsbZIP1基因响应紫花苜蓿抗逆调控机制,本研究利用RACE技术从紫花苜蓿中获得1个MsbZIP1基因的全长cDNA,该序列全长1 176 bp,编码361个氨基酸,预测分子量为42.3 kD,等电点为6.5。分析发现,该蛋白含有bZIP家族典型的BRLZ碱性结构域和亮氨酸拉链,属于bZIP家族蛋白。进化树分析表明,该蛋白属于bZIP转录因子C亚族,与拟南芥（Arabidopsis thaliana）的AtbZIP63具有很高的同源性,推测可能具有与该类蛋白相似的功能。qRT-PCR分析表明,MsbZIP1基因对干旱、高盐、高温、低温,以及脱落酸（Abscisic acid,ABA）和生长素（Auxin,IAA）处理都有不同程度的响应,推测该基因可能参与调控紫花苜蓿多种非生物胁迫。本试验通过构建表达载体PCAMBIA3301-MsbZIP1,以农杆菌介导的花序浸染法转化拟南芥,经后代筛选、扩繁和分子检测,得到7株超表达的转基因拟南芥。本研究第一次分离了紫花苜蓿C亚族bZIP转录因子,初步确定紫花苜蓿MsbZIP1基因响应多种逆境胁迫的反应,并获得了阳性转基因材料,并为进一步探索该类转录因子在紫花苜蓿抗逆性调控中的作用奠定了基础。     

冷诱导转录因子AtCBF1转化紫花苜蓿的研究

为研究冷诱导转录因子CBF1(C-repeat-binding-factor)基因对我国优良豆科牧草紫花苜蓿的抗寒性改良作用,本实验以拟南芥基因组DNA为模板,利用PCR方法克隆得到了冷诱导转录因子AtCBF1基因,测序结果表明所克隆的DNA片段长度为642 bp, 将该序列与GenBank上的CBF1基因序列进行DANMAN序列比较分析,同源性可达99.84%。在此基础上成功构建了含有AtCBF1基因的植物表达载体pBI121-CBF1,并采用根癌农杆菌介导法对紫花苜蓿进行了遗传转化,获得了经卡那霉素筛选的抗性转化植株,进一步经PCR和RT-PCR检测,得到了650 bp左右的电泳条带,表明AtCBF1基因已在紫花苜蓿中得到表达。这为选育紫花苜蓿抗寒新品种奠定了良好的基础。     

全基因组水平紫花苜蓿TCP基因家族的鉴定及其在干旱胁迫下表达模式分析

紫花苜蓿是世界最重要的豆科牧草之一，干旱是影响其产量和地理分布的关键瓶颈。在紫花苜蓿响应干旱胁迫过程中，转录因子发挥着重要的调控作用。TCP（teosinte branchesd 1/cycloidea/pro-liferating cell factors）为植物特有的转录因子，在植物生长、发育、响应逆境胁迫中都具有重要的生物学功能。截至目前，该基因家族在紫花苜蓿中的分布以及响应干旱胁迫的生物学功能仍未见报道。因此，为进一步挖掘紫花苜蓿中响应干旱胁迫功能基因，本研究利用生物信息学方法在全基因组水平对TCP基因家族进行了鉴定，并对其系统进化、基因结构、染色体定位、共线性分析以及干旱胁迫下的表达模式进行了分析。结果表明，紫花苜蓿基因组中共鉴定出40个MsTCP基因，不均匀地分布于20条染色体上，其中包括17对旁系同源基因对，且都是基因片段复制事件。系统发育和保守结构域分析发现，MsTCP基因可以分为2个大分支和3个亚家族（PCF， CIN与CYC/TB1），同一分支中的成员具有相同氨基酸数目的TCP结构域，同亚家族中的成员具有相似的保守基序与基因结构。此外，通过分析紫花苜蓿响应干旱转录组数据共鉴定出4个可能与紫花苜蓿响应干旱胁迫有关的MsTCP基因（MsTCP23，MsTCP27，MsTCP29，MsTCP33）。qRT-PCR结果进一步表明PEG模拟干旱胁迫处理后，这4个基因的表达量在根和叶中均显著上调，进一步确定了这些基因的确响应紫花苜蓿干旱胁迫。该研究为后期深入解析紫花苜蓿响应干旱胁迫理论以及通过基因工程技术创制高抗旱紫花苜蓿新种质奠定基础。     

苜蓿乙烯应答因子基因的表达特性和生物信息学分析

乙烯应答因子(ethylene response factor,ERF)是植物特有的一类转录因子,参与植物生长发育和胁迫应答等多个生理生化过程。本研究以拟南芥AP2结构域为探针搜索美国国立生物技术信息中心(NCBI)的苜蓿属蛋白质数据库,运用生物信息学软件分析苜蓿乙烯应答因子的系统进化、疏水轮廓、二级结构、信号肽以及亚细胞定位情况。运用半定量RT-PCR技术研究5个紫花苜蓿乙烯应答因子基因(MsERF1, MsERF2,MsERF6, MsERF7, MsERF9)表达的组织差异性以及多种处理条件下的表达特性。结果表明,5个乙烯应答因子基因在叶中的表达量都明显高于其他组织,不同基因有不同的组织表达特性;NaCl和PEG6000对MsERF2的表达没有影响,但Al₂(SO₄)₃能诱导其表达,其余基因的表达都受这3种处理的诱导;脱落酸对MsERF2的表达没有影响,能够诱导其他基因的表达;生长素只能诱导MsERF6的表达,对其他基因的表达没有影响;赤霉素、茉莉酸甲酯和乙烯利对5个基因的表达都起促进作用。本研究为进一步研究苜蓿乙烯应答因子的结构和功能奠定了基础,同时为研究不同信号传导途径之间的相互作用提供了依据。     

GA20-氧化酶基因转化豆科牧草百脉根的研究

以豆科植物百脉根子叶为转化受体，通过根癌农杆菌介导方法将外源目的基因GA20－氧化酶（GA20－oxidase)和NPTⅡ基因导入，经筛选分化，再生，得到具有卡那霉素抗性的转基因植物。在卡那霉素筛选浓度的选择中，25mg/L是百脉根较为适宜的筛选浓度。头孢霉素对农杆菌的抑制作用好于羧卞霉素。转基因植物移栽大田后生长良好。PCR检测证明外源目的基因已整合到百脉根基因组中。     

全基因组水平蒺藜苜蓿CPP基因家族的鉴定及表达模式分析

CPP （cysteine-rich polycomb-like protein）基因家族是一类小转录因子，广泛存在于除酵母与原核生物外的各种生物体中，在植物生长发育及响应胁迫过程中具有重要作用。截至目前，CPP基因家族已在多个物种中被鉴定和研究，但在豆科模式植物蒺藜苜蓿中还未见报道。本研究采用生物信息学的方法，在蒺藜苜蓿中共鉴定出9个CPP基因。通过与3个物种CPP基因的蛋白序列构建系统发育树，将CPP基因分为3类，MtCPP成员与大豆的亲缘关系更接近。保守结构域分析表明MtCPP转录因子都具有1~2个CXC保守结构域。染色体定位分析得出，9个CPP基因分布在6条染色体上，并鉴定出2对旁系同源基因，均来源于片段重复事件。通过基因芯片技术检测MtCPP基因的表达模式结果显示，MtCPP基因的表达具有一定的时空特异性。MtCPP基因启动子中含有大量与激素以及胁迫相关的顺式作用元件，并且MtCPP2、MtCPP5、MtCPP6和MtCPP7基因具有响应干旱的表达特征，MtCPP2和MtCPP8基因具有响应盐胁迫的功能。该研究可为后期深入解析MtCPP基因家族功能和筛选参与苜蓿抗逆的MtCPP基因奠定基础。     

羊草DREB转录因子的系统发育和功能研究

羊草是兼具经济价值和生态价值的重要牧草,具有耐寒、耐旱和耐盐碱的特点。在植物应对非生物胁迫的过程中,DREB转录因子起到关键作用。然而,目前在GenBank的核酸数据库和EST数据库中羊草仅有2条DREB序列,其中只有1个DREB基因的功能得到实验验证。本研究从羊草转录组测序数据中1次挖掘了26条DREB EST。用羊草EST和拟南芥基因组中DREB基因的蛋白序列构建了系统发育树, LcDREB21位于第4类群,是DREB2类转录因子基因。通过RACE,获得了LcDREB21编码区全长(Genbank登入号:JN860437)。荧光定量PCR结果表明,其表达受干旱和高盐诱导。另外,通过酵母单杂交实验证明了LcDREB21具有转录激活功能;通过表达GFP融合蛋白证明其专一性定位在细胞核中。总之,LcDREB21是一个具有转录激活功能和细胞核专一定位能力的转录因子,可能在植物应对干旱和高盐胁迫的过程中起作用。本实验结果丰富了羊草抗逆基因数据库,为植物改良提供了基因资源。     

铁杆蒿枯落物对四种豆科牧草的化感作用

研究了黄土区优势植物铁杆蒿（Artemisia gmelinii）枯落物对红豆草（Onobrychis viciaefolia）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、百脉根（Lotusc corniculatus）和紫花苜蓿（Medicago sativa）等四种常见豆科牧草种子萌发和幼苗生理特性的化感效应。结果表明：铁杆蒿对这几种豆科牧草的发芽率和发芽势总体上均呈现“低质量浓度促进,高质量浓度抑制”的效应;紫花苜蓿综合化感效应在不同处理中均受到抑制,随着铁杆蒿枯落物含量的增加,抑制作用增强;但红豆草、百脉根和沙打旺的综合化感效应表现出低促高抑的趋势;红豆草和沙打旺在30 g铁杆蒿枯落物浓度时促进效应最强,百脉根在60 g时促进效应最强。以上结果初步表明在有铁杆蒿分布的草地不适合种植以及补播紫花苜蓿,而适当密度的铁杆蒿分布有助于种植以及补播红豆草、百脉根和沙打旺。     

基于Biomod2组合模型预测青藏高原特有属扇穗茅属物种的潜在分布

为研究扇穗茅属（Littledalea）在青藏高的分布区及影响其分布范围的因子，本研究通过野外采样，利用Biomod2组合模型预测扇穗茅属3个物种（寡穗茅（Littledalea przevalskyi），藏扇穗茅（Littledalea tibetica），扇穗茅（Littledalea racemosa））地理分布格局及限制因子。研究结果表明：扇穗茅（L. racemosa）潜在适生区位于西藏自治区南部、四川西南部，分布面积最大（17.792万km²）；藏扇穗茅（L.tibetica）适生区面积最小（9.019万km²），位于青海省南部、西藏自治区北部；寡穗茅（L.przevalskyi）分布于甘肃省西南部、青海省北部（15.783万km²）。当前生境环境气候影响扇穗茅属物种分布相对重要性较高的生态因子有7个，海拔（Altitude）因子影响最高。相比该属当前物种潜在分布，在未来2种温室气体排放情景下（2050年和2100年、RCP4.5和RCP8.5），寡穗茅和扇穗茅适生区面积显著增加，特别是藏北高原那曲及玉树等地，而藏扇穗茅适生区整体缩小，未来气候变化可能对该属藏扇穗茅潜在分布的威胁最大。     

褪黑素对干旱胁迫下达乌里胡枝子幼苗生长及叶片水分生理的影响

为探究褪黑素对植物苗期干旱胁迫的影响,本试验在干旱胁迫下对'晋农1号’达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）叶面施加了不同浓度（25,50,100,200和400 μmol·L^-1）褪黑素,并测定了幼苗生长及叶片水分生理指标。结果显示,与干旱对照组相比,施加适宜浓度的外源褪黑素可显著提高干旱胁迫下达乌里胡枝子的地上部鲜重、叶片鲜干比、叶片相对含水量、可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量（P<0.05）,并显著降低水分饱和亏（P<0.05）,表明褪黑素可提高苗期达乌里胡枝子的抗旱性。通过模糊隶属函数分析进一步发现,提高达乌里胡枝子幼苗抗旱性的外源褪黑素最佳浓度为100 μmol·L^-1。     

不同浓度镉胁迫下6种草本植物的耐性及富集特征的比较

为了筛选并评价耐镉（Cadmium,Cd）性较高的优势植物物种,本研究以紫花苜蓿（Medicago sativa）、百脉根（Lotus corniculatus）、多变小冠花（Coronilla varia）、披碱草（Elymus dahuricum）、细茎冰草（Agropyron trachycaulum）和野牛草（Buchloe dactyloides）为试验材料,采用盆栽模拟试验进行不同浓度Cd胁迫处理,以0 mg·kg^-1Cd处理浓度为对照（CK）,探究多梯度Cd胁迫对植物的富集特征及根系形态变化的影响,并评估其Cd耐性阈值。结果表明：不同浓度Cd胁迫下6种草本植物的生物量及根系形态均表现出“低促高抑”现象;不同物种对Cd的耐受能力不同,紫花苜蓿和多变小冠花对Cd的耐性阈值在50 mg·kg^-1到100 mg·kg^-1之间,百脉根、披碱草、细茎冰草和野牛草对Cd的耐性阈值在100 mg·kg^-1以上;在100 mg·kg^-1Cd胁迫下百脉根、披碱草和野牛草,可通过植物萃取的方式应用于重金属污染土壤的治理修复;细茎冰草在100 mg·kg^-1Cd胁迫下,根系富集系数仍然大于1,且根系生物量、耐性系数具有随着Cd胁迫加重不断上升的趋势,是较理想的修复重金属污染土壤的高耐高抗型草本植物材料。     

紫花苜蓿R2R3-MYB亚家族鉴定与干旱胁迫下的表达分析

MYB(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)家族是最大的转录因子家族之一，R2R3-MYB亚家族在植物胁迫响应、次级代谢、生长和发育等过程发挥重要作用。本研究利用紫花苜蓿(Medicago sativa‘Zhongmu No.1’)基因组和转录组数据，通过生物信息学方法鉴定了R2R3-MYB转录因子，并对其序列特征、系统进化、染色体分布、基因结构、顺式作用元件及干旱胁迫下的表达模式进行分析。结果显示，紫花苜蓿中有121个R2R3-MYB亚家族成员，各成员均具有两个典型的MYB结构域，理化性质变化较大。系统进化分析将121个成员分为33个组，各成员无规律地定位在8条染色体上。基因结构和顺式作用元件分析发现，同一分组具有相同或相似的外显子数和顺式作用元件。响应干旱胁迫表达模式分析和实时荧光定量PCR(qRT-PCR)结果表明干旱胁迫下MsMYB12,MsMYB45,MsMYB52,MsMYB73,MsMYB88,MsMYB124,MsMYB149,MsMYB189,MsMYB268基因的表达量显著上调，可作为后期紫花苜蓿响应干...     

miR396-MsGRFs参与调控紫花苜蓿愈伤组织再生

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)愈伤组织再生率受基因型限制,是影响苜蓿遗传转化效率的主要因素之一。研究发现,GRF转录因子家族基因在提高多种植物愈伤再生中起着重要促进作用。本试验以拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtGRF序列为模板,在紫花苜蓿基因组序列中查找,获得了含有miR396靶点的9个MsGRFs基因。除MsGRF3a和MsGRF4a外,其余7个MsGRFs在紫花苜蓿胚性愈伤组织中的表达量均显著高于非胚性愈伤。为了进一步研究MsGRFs对紫花苜蓿愈伤再生效率的影响,我们在紫花苜蓿中转入MIM396基因,降低miR396的表达。结果显示：MIM396植株叶片愈伤组织再生时间显著缩短,再生率显著提高;与野生型愈伤组织相比,在MIM396植株叶片诱导的愈伤组织中,除MsGRF3a外,其余MsGRFs显著高表达。以上研究表明,miR396-MsGRF通路对苜蓿愈伤组织再生起着重要调控作用,这为提高苜蓿再生效率,并打破基因型对不同苜蓿品种再生的限制提供候选基因。     

22份百脉根种质资源表型数量性状的遗传多样性分析

本研究对22份百脉根(Lotus corniculatus)种质资源的11个表型性状指标进行多样性研究分析。结果表明：除种宽外，22份百脉根种质间的表型性状均存在显著变异，表型性状指标变异幅度为12.11%～69.48%,各表型性状之间存在显著或极显著相关性。主成分分析表明，茎长、株高、冠幅、种子周长、种子长、种子宽和种子长宽比的主成分载荷较高，是造成百脉根种质表型性状差异的主要因素。根据聚类分析将22份百脉根种质分为3个类群，其中，第Ⅰ类群种质的种子小，但植株高大，第Ⅱ类群种质的种子小且植株矮小，第Ⅲ类群种质的种子和种荚大但植株矮小。综合评价11和12号这2份种质资源整体表现优良，且归属于第Ⅲ类群，具有种荚和种子较大的特性，可作为选育种子高产品种的目标亲本利用。本研究结果可为百脉根的种质应用和品种选育提供理论参考。