烟叶落黄过程中烟碱代谢规律及相关基因表达分析

为探究烟草叶片落黄衰老过程中生物碱组分变化及代谢相关基因表达情况,以红花大金元为材料,气相色谱-质谱联用法测定中部烟叶生物碱含量,利用已有的烟草叶片衰老转录组数据(RNA-seq),分析叶片衰老成熟期烟碱代谢相关基因的表达水平,同时实时荧光定量PCR验证基因表达。结果显示,烟草进入成熟衰老期,叶片中烟碱、去甲基烟碱、新烟草碱、麦斯明等生物碱含量逐渐升高,烟碱转运蛋白基因JAT1、NUP1,烟碱转化基因CYP82E2、CYP82E4,烟碱合成基因ADC1、ODC2、BBL2以及烟碱代谢调控基因COI1、JAZ1、MYC2、MYC3呈现上调表达,而调控基因MTHFR1下调表达。差异表达基因协同调控烟碱代谢过程,影响衰老叶片中的烟碱合成与积累。     

NtCycB2和NtJAZ1共敲除对烟草腺毛密度和烟碱含量的影响

为了提高烟草的腺毛密度、腺毛分泌物和烟碱含量,从而改善烟株抗性和烟叶品质,以NtCycB2突变的多腺毛K326突变株系（hairy K326）为材料,采用CRISPR/Cas9技术对NtJAZ1进行基因编辑,筛选出NtCycB2与NtJAZ1基因共敲除的纯合株系J-21,并以K326和hairy K326为对照,对J-21的农艺性状、腺毛发育、烟碱生物合成和烟叶化学成分进行了研究。结果表明,J-21植株生长发育正常,主要农艺性状与K326和hairy K326无显著差异,其叶片腺毛密度比hairy K326有所降低,但比K326显著提高,腺毛分泌物含量（质量分数）提高156.35%。J-21叶片烟碱含量在现蕾期比K326和hairy K326显著提高,在烟株打顶后提高幅度明显降低,成熟期叶片烟碱含量比K326和hairy K326分别提高37.14%和32.28%。J-21烤后烟叶化学成分协调,烟碱含量比K326和hairy K326分别提高39.81%和45.32%,西柏烷类降解产物茄酮含量比K326和hairy K326分别提高217.49%和48.45%。表明NtCycB2和Nt...     

AtPAP1基因在烟草中的表达

AtPAP1(Arabidopsis thaliana production of anthocyanin pigment 1)是拟南芥花青素生物合成途径中的关键调控基因。为实现花青素在烟草中的表达,利用烟草腺毛特异表达启动子pro CYP71D16,构建At PAP1特异表达载体p CAMBIA1391-CYP71D16-PAP1,并将其与载体p CAMBIA1391-35S-PAP1通过农杆菌介导法进行烟草遗传转化,对所得的转基因烟株进行分子检测和表型观察,同时测定转基因烟叶中花青素的含量。结果表明:35S::At PAP1烟株叶片表面呈红色,腺头呈绿色,腺柄细胞无色;CYP71D16::At PAP1烟株叶片表面呈绿色,叶片分泌型腺毛的腺头呈明显粉红色;对照烟草叶片及叶面腺毛均呈绿色。HPLC检测结果表明,在35S::At PAP1转基因烟株中发现有矢车菊色素和天竺葵色素的积累;在CYP71D16::AtPAP1转基因烟株中仅发现矢车菊色素有少量积累;对照烟株中没有检测到花青素。本研究中实现了At PAP1基因在烟草中的表达,为研究烟草物质代谢提供了理论依据。     

烟草NtSAP5基因克隆及干旱胁迫下的功能鉴定

为研究烟草对干旱胁迫的响应机制,克隆了烟草中锌指蛋白基因NtSAP5并对其在干旱胁迫下的表达量进行了检测。结果表明,该基因全长CDS序列为474 bp,编码的蛋白中含有保守的锌指蛋白结构域,该基因NtSAP5的表达受干旱胁迫调控,在干旱胁迫下表达量先升高,后缓慢降低。将NtSAP5的CDS序列克隆到植物过表达载体pG2BW7中,并通过叶盘法转入烟草K326中进行干旱胁迫下的功能验证。选取两个独立的转基因株系及非转基因植株进行干旱胁迫处理,过表达NtSAP5的转基因植株比非转基因植株具有较强的抵御干旱胁迫能力。结果表明,烟草NtSPA5响应干旱胁迫,并在干旱胁迫应答中起到作用。      

基于CRISPR/Cas9技术的烟草烟碱相关基因敲除及功能研究

CRISPR/Cas9是一种重要的基因组定向编辑技术,近年来在植物基因组的定向敲除和分子育种材料创制中得到了广泛应用。为了发掘可用于分子育种的低烟碱烟草,以烤烟品种K326为试验材料,利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术对控制烟草烟碱合成和转运的5个基因（PMT1、QPT1、A622、NtNUP1和JAT1）进行定向敲除,并对T2代纯合基因型烟草植株进行烟碱含量检测。结果表明,定向敲除5个基因后获得100株成功编辑的T0代烟草植株,突变检出率为29.9%,突变类型以单碱基插入或删除为主。对定向敲除烟碱合成基因QPT1和转运基因JAT1的T1代纯合基因型烟草植株进行序列分析,发现存在4种突变类型,分别是插入一个T、C、A碱基的插入突变和一个缺失44个碱基的缺失突变,从而引发移码使得翻译的氨基酸链大幅缩短,其T2代植株上部叶烟碱含量显著低于野生型植株。综上所述,CRISPR/Cas9技术能够高效定向敲除烟碱关键基因,为低烟碱烟草分子育种提供了理论和技术支撑。     

烟草NtGGPPS4基因的克隆和功能初步分析

为明确烟草牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因Nt GGPPS4的功能,从普通烟草中克隆到该基因,构建了超量表达载体p CAMBIA1300-Nt GGPPS4,并通过农杆菌介导法转化烟草。进一步测定了转基因烟株中西柏烷二萜醇和质体色素的含量。结果表明:共鉴定出4株Nt GGPPS4表达量明显升高的转基因植株,且转基因植株中α-西柏三烯二醇(α-cembrenediol,α-CBD)和β-西柏三烯二醇(β-cembrenediol,β-CBD),以及新黄质、紫黄质、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b和β-胡萝卜素等6种质体色素含量都有显著提高。表明Nt GGPPS4参与了烟草西柏烷二萜醇和类胡萝卜素的生物合成。     

fps基因过量表达对烟叶类胡萝卜素生物合成的影响

为探索法呢基焦磷酸合酶(FPS)基因过量表达对烤烟叶片类胡萝卜素生物合成的影响,利用RT-PCR技术,比较了4个fps转基因株系(K4、K-6、K-17、K-35)及其非转基因对照中参与类胡萝卜素生物合成的关键酶基因的表达强度,并利用LC/MS技术,分析了叶片发育过程中类胡萝卜素及其各组分含量的变化规律.结果表明:外源fps在烟草中的过量表达,对烟叶类胡萝卜素合成相关基因Psy、Lycb皆有正向调节作用,但对Zds的表达影响不大;化学分析表明fps转基因烤烟株系中,总类胡萝卜素及其各组分的含量在叶片不同发育期均高于未转基因K326对照株系.说明外源fps基因在烟草中的过表达,对类胡萝卜素生物合成具有促进作用.     

烟草牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因NtGGPPS1的克隆和功能分析

为进一步明确烟草牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因NtGGPPS1的功能,根据已公布的普通烟草(Nicotiana tabacum)GGPPS1基因编码区序列设计特异性引物,从普通烟草K326中克隆到NtGGPPS1基因。构建荧光表达载体PFF19-Nt GGPPS1-GFP,对NtGGPPS1基因进行亚细胞定位研究。通过荧光定量PCR分析了普通烟草K326在不同激素处理下NtGGPPS1基因的表达量变化。构建NtGGPPS1基因的RNAi载体pHellsgate2-Nt GGPPS1,通过农杆菌浸染烟草K326后获得NtGGPPS1基因显著下调的烟株,检测了烟株中质体色素含量的变化情况。结果表明:Nt GGPPS1融合蛋白基因的绿色荧光分布在烟草BY-2细胞的质体上,表明该基因定位于质体。用茉莉酸甲酯(MeJA)处理烟草后,NtGGPPS1基因的表达量显著升高,而用生长素(IAA)处理后,该基因的表达量下降。与对照相比,在NtGGPPS1基因下调的烟株中其质体色素含量均显著降低,预示NtGGPPS1参与了烟草β-胡萝卜素的生物合成。     

硃砂烟CYP82E4基因表达模式及烟碱转化率分析

为解析硃砂烟基本特征特性, 以“硃砂2号”为研究材料, 调查其田间农艺性状及硃砂烟叶产出规律, 通过qPCR分析CYP82E4基因表达模式, 并检测硃砂烟叶生物碱含量。结果表明, 硃砂2号农艺性状与云烟87无显著差异, 烤后硃砂烟叶比率随着叶位增高逐步上升。硃砂2号烟叶中CYP82E4基因高水平表达, 导致大量烟碱被转化生成去甲基烟碱, 浅红、中等红色、深红三种类型硃砂烟叶的烟碱转化率分别为86.95%、90.86%、93.85%, 远高于云烟87的5.12%。硃砂烟子代植株中CYP82E4基因高表达、高烟碱转化率性状能够稳定遗传, 烤后烟叶均呈现明显的硃砂烟外观特征。本研究揭示了硃砂烟基本特征特性, 为进一步研究硃砂烟的成因及化学特性提供理论支撑。      

过表达TaGS1/TaGS2对烟草抗盐能力的影响及其机制

为了阐明提高谷氨酰胺合成酶（GS）活性是否可以提高烟草的耐盐能力，本试验以烟草栽培品种K326为对照，研究TaGS1/TaGS2转基因烟草抗盐能力及其机制。结果表明，盐胁迫条件下，过表达TaGS1/TaGS2烟草与对照相比，根系较发达，烟株生物量较高，TaGS2转基因烟草尤为显著；转基因烟草的叶绿素含量、气孔导度、净光合速率、GS活性、可溶蛋白含量等碳氮代谢功能均显著优于野生型K326；且转基因株系脯氨酸含量及含水量较高，MDA含量较低，叶片渗透调节能力和质膜保护能力比K326强。研究表明TaGS1/TaGS2的过表达提高了烟草的耐盐能力，其高GS活性是维持碳氮代谢抵抗盐胁迫的生理基础。      

烤烟CYP82E10基因EMS突变体筛选及其尼古丁转化率分析

烟草尼古丁去甲基酶CYP82E10能够催化尼古丁去甲基化反应,产生致癌物NNN的前体物质。为降低烟叶NNN含量,利用Tilling技术在烤烟云烟87的EMS突变体库中筛选获得烟草尼古丁去甲基酶编码基因CYP82E10的11个突变株,其中M594发生L115F错义突变,M271单株发生P129L错义突变。M4代M594和M271材料的尼古丁转化率分别为对照的45%和38%,M5代分别为对照的34%和45%,说明上述突变能够降低CYP82E10的酶活性及植株转化率。因白肋烟CYP82E10无义突变不影响尼古丁转化率,故烤烟和白肋烟的尼古丁转化机制存在差异。研究获得的低尼古丁转化率突变体可作为育种材料培育低NNN烤烟新品种。      

拟南芥花期基因转化烟草及其早花反应特性研究

为探讨花期基因对烟草开花早晚的影响及其在加快育种进程中的利用价值,采用RT-PCR方法从拟南芥克隆获得花期基因(FT),经过测序分析、酶切鉴定后连接到植物表达载体P22上,构建植物重组载体P22-FT。通过农杆菌介导,将FT基因转入烤烟品种Coker 371 gold后获得了26株阳性植株。研究结果表明,FT基因对烤烟品种Coker 371 gold的外观形态和花期具有较大的影响;与未转基因对照比较,FT阳性植株平均叶片数少15~16片,平均株高矮80 cm,现蕾时间提前了75 d左右。通过阳性植株自交分离群体及阳性植株与对照植株的杂交分离群体的鉴定选择,获得了单拷贝FT基因的2个阳性植株。早花基因转化烟草可以有效诱导烟草早花,缩短烟草生育期一半时间,单拷贝可分离早花植株在加快烟草育种进程中具有重要利用价值。     

烟草SOC1基因的克隆和表达分析

SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANTS 1（SOC1）基因属MADS-box转录因子家族,在植物成花诱导过程中起关键作用,但在营养生长过程中的调控功能还未获得充分研究。为明确SOC1基因在叶片中的生理作用,克隆到烟草中SOC1基因的完整开放阅读框,全长806bp。农杆菌介导转化烟草后,获得26棵转基因植株,其中23棵鉴定为阳性植株,转化率为88.46%。与野生型烟草K326相比,获得的SOC1过表达烟株开花提前,株高增加,叶片宽大。半定量RT-PCR结果显示,SOC1过表达不影响叶片中Rubisco大亚基、蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶基因的表达水平,但提高了抗坏血酸氧化酶的表达水平;提高了碳酸酐酶活性、蔗糖含量和还原性抗坏血酸含量,并降低了抗坏血酸过氧化物酶活性。表明SOC1可能通过影响叶片抗坏血酸库的氧化还原状态而提高碳酸酐酶活性和光合速率。      

HAL1基因转化烟草提高烟叶含钾量研究

提取酿酒酵母总RNA进行RT-PCR反转录,根据HAL1基因(GeneID:856113)序列设计阅读框引物,对反转录产物进行PCR扩增,并进行全序列测定,构建筛选标记为带内含子的Km抗性基因的植物双元表达载体,经根癌农杆菌介导法将HAL1基因导入烟草品种龙江911和K326中,进行卡那霉素抗性筛选、GUS染色、目的基因扩增和HAL1基因mRNA荧光定量PCR检测,并对T1代各转化烟草材料烟叶含钾量进行化验分析。测序结果证实PCR扩增得到的DNA与酿酒酵母HAL1基因序列相同,获得抗卡那霉素、GUS阳性的转化植株12株。经PCR扩增检测证实HAL1基因已整合入转基因烟草的基因组,荧光定量PCR分析结果表明HAL1基因已在烟苗根系表达,烟叶含钾量化验结果证明HAL1基因可使烟叶含钾量提高30%。      

烟草侧芽生长相关基因克隆及RNAi载体的构建转化

为了培育打顶后不长侧芽的烟草植株,通过同源克隆,在烟草(品种K326)中得到了与侧芽生长相关基因的1个片断,将该片段序列通过BLAST检索Genbank同源比对,发现该基因同番茄的LS基因有非常高的同源序列,另外与水稻的MOC基因、拟南芥的LAS基因也有一定的同源性,命名为TLR基因.将TLR基因阅读框内640 bp的正向和反向片断构建到RNAi载体pHANNIBAL内含子两侧,再经NotI酶切回收约4300 bp目的片段,并插入到双元载体质粒pART27中,成功构建了含TLR基因片段正反向重复序列的植物表达载体pHANNIB AL-TLR-P ART27.将pHANNIB AL-TLR-P ART27质粒导入根癌农杆菌LBA4404中并转化烟草叶片细胞,没有得到转基因再生植株,推测这与TLR基因表达被抑制有关.     

NtMYB68基因对烟草苗期紫黄质和脱落酸生物合成及烟株耐旱性的影响研究

  目的  为探究烟草NtMYB68基因在类胡萝卜素和脱落酸合成生物合成中的作用及其对烟株抗旱性的影响。  方法  从烤烟品种K326中同源克隆NtMYB68基因,采用生物信息学分析NtMYB68基因序列特征,利用RT-PCR分析其在烟草不同组织的表达模式。利用基因编辑手段创制NtMYB68敲除材料,并分析NtMYB68基因敲除后对烟株类胡萝卜素合成及抗旱性的影响。  结果  NtMYB68基因有2个拷贝,NtMYB68-1和NtMYB68-2。NtMYB68在烟草根、茎、叶、花中均有表达,NtMYB68-2的表达水平显著高于NtMYB68-1。NtMYB68敲除材料与对照相比,紫黄质合成基因NtZEP显著上调,紫黄质含量显著增加,脱落酸（ABA）合成基因NtNCED5表达量达到对照植株的4倍。干旱胁迫下,敲除材料幼苗与对照相比,叶片萎蔫程度更轻,长势更优,复水处理后生长状态恢复的更好。干旱处理前后,敲除植株中ABA的含量均显著提高。  结论  NtMYB68转录因子能抑制NtZEP和NtNCED5基因表达,敲除该基因可以提高烟叶中紫黄质的积累,促进脱落酸的合成,从而提高烟株抗旱性。      

转TaW基因提高烟草的耐盐性

TaW基因是从小麦的cDNA文库中克隆获得的ERF类转录因子,含有一个AP2/ERF保守域。将TaW基因构建在由组成型CaMV35S强启动子控制的双子叶转化载体pBI121上,通过农杆菌介导法将其转入烟草W38。以转TaW基因烟草为材料,研究TaW基因对烟草耐盐性的影响,测定盐胁迫下转基因烟草离体叶片的叶绿素含量,并观察转基因烟草T2代植株在盐胁迫培养基上的生长情况。结果显示,转基因烟草叶片的叶绿素含量明显高于对照,转基因烟草在盐胁迫培养基上的生长情况明显好于野生型植株,从而说明TaW基因的过表达提高了烟草的耐盐性,为烟草抗逆性育种的分子改良提供了依据。     

叶片衰老诱导FLP重组酶删除转基因烟草外源基因的研究

  目的   “Gene-deletor”系统可实现转基因植物中外源基因的清除。为了研究该系统在转基因烟草中对清除外源基因的作用并最终创制不含外源基因的烟草新种质。  方法   以含有“Gene-deletor”系统的转基因烟株为材料,分析外源筛合报告选融基因Bar::GUS、重组酶基因FLP在不同叶龄叶片中的表达水平,同时通过观察转基因烟草花粉中GUS蛋白的表达活性,分析外源基因GUS在花粉中的删除情况。  结果   （1）相同叶龄不同转基因烟株叶片均表现出GUS活性和对除草剂草铵膦抗性,且3个转基因烟草株系中GUS活性和对除草剂抗性都表现出随着叶龄增大而降低的特点。（2）Real-time PCR和RT-PCR结果进一步证明外源Bar::GUS基因表达水平随叶片发育成熟持续下降,而外源FLP基因的表达水平则出现先增后降的变化趋势,在测定后期两者的表达量均达到最低,（3）花粉GUS组织染色结果表明,“明,色结果降的变化趋势,特系统诱导各转基因植株中花粉外源基因清除效率不同,平均清除率分别78.3%,54.7%和75.2%。  结论   在转基因烟草中,叶片衰老特异表达基因SAG12基因启动子驱动“动启动子驱动达基因,平均清系统（LoxP/FRT）的表达不仅可引起转基因植株叶片中外源基因的特异性清除,还能诱导花粉中外源基因的删除,该技术可为进一步创制培育不含外源基因的烟草新种质提供参考。      

种植海拔对烤烟生物碱组成的影响

采用毛细管气相色谱法测定了湘西北200~1200m范围内不同海拔高度种植的新K326和云烟87的初烤烟叶C3F的总生物碱含量及烟碱、降烟碱、假木贼碱与新烟草碱含量。结果表明:①新K326与云烟87的总生物碱含量与种植海拔显著负相关(P<0.05);②新K326与云烟87的烟碱占总生物碱的百分率随种植海拔的上升而增加(P>0.05);③新K326与云烟87的降烟碱、新烟草碱及微量生物碱总量占总生物碱的百分率均与种植海拔负相关;④新K326与云烟87的假木贼碱占总生物碱的百分率受种植海拔高度的影响较小。结论:适当提高烤烟种植的海拔高度可提高烟叶烟碱占总生物碱的百分率,降低降烟碱、新烟草碱及微量生物碱总量所占百分率,从而降低烟气的刺激性,提高烤烟的品质。     

转复制酶基因抗病毒烟草的研究

将携带烟草花叶病毒(TMV)54KD蛋白基因和黄瓜花叶病毒(CMV)3'端缺失0.9kb的复制酶基因片段的植物表达载体pBICT,通过很痛农杆菌311SE系,利用叶圆盘法转化烟草,在含有卡那霉素的选择培养基上诱导生芽、生根,得再生植株53株。移入大田后,选取5株,提取植物总DNA,Southern杂交检测,结果5株中均有复制酶基因的整合,且转基因植株在大田中表现了良好的抗TMV和CMV能力。