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绒毛白蜡表达谱分析及MYB基因的克隆和功能研究

作 者: 李田
导 师: 毕玉平
学 校: 山东师范大学
专 业: 植物学
关键词: 绒毛白蜡 表达谱测序 MYB转录因子 盐胁迫 启动子
分类号: S792.41
类 型: 博士论文
年 份: 2014年
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内容摘要


林业在国民经济发展、维护生态平衡、提供高产优质林木方面具有重要作用,而高盐等非生物胁迫因素则严重制约着林木的生长发育及产量。植物耐盐性状通常受多个基因的调控,其应答基因涉及植物生理代谢、离子运输以及物质合成等各个方面。阐明植物的耐盐调控分子机制,对于通过基因工程手段来增强树种耐盐性具有重要的理论指导意义。绒毛白蜡是我国重要的林木种质资源之一,以较强的耐盐、耐旱等特性著称,是优良的盐碱地造林绿化和城市园林绿化树种。目前对于盐胁迫下模式植物的转录组变化等分子生物信息研究相对深入,而对木本植物这方面的研究相对较少。本研究以耐盐树种绒毛白蜡为材料,通过高通量测序对不同时间段盐胁迫下的绒毛白蜡幼苗进行表达谱分析,从中获得了大量与盐诱导相关的基因,通过qRT-PCR验证了8个基因在盐胁迫下的表达模式;并在此基础上,克隆了2个MYB转录因子基因及其启动子序列进行功能研究。结果将为深入了解绒毛白蜡耐盐分子机制以及绒毛白蜡树种遗传改良奠定理论基础。主要研究内容及结果如下:1.绒毛白蜡盐胁迫下的表达谱分析(1)以高盐胁迫下的绒毛白蜡幼苗为材料,采用数字基因表达谱技术对本实验中的6份样品进行序列测定,总共进行了55,525,943次读数。经测序分析,在三组比较中分别得到差异表达的基因数为72、1345、1379个。其中有4个差异表达基因为3个差异文库所共有,每个差异文库特异性表达的基因数目分别为50、317和353个。(2)GO显著性富集分析结果发现:NaCl胁迫0.5h后显著上调的GO terms主要集中于氧化胁迫响应、逆境胁迫响应、硝酸盐反应、端粒酶活性调节以及端粒酶正向调控方面。NaCl胁迫24h后,显著上调的GO terms数量明显增多,除包括上述功能外,还包括脱水干旱响应、应激反应、非生物胁迫刺激响应、ABA信号通路的调控等。Pathway显著性富集分析共筛选出20条可能与盐胁迫有关的代谢途径,如植物激素信号转导途径、淀粉和蔗糖代谢途径、植物病原体互作途径、苯丙素生物合成途径、细胞凋亡途径、类胡萝卜素生物合成途径以及戊糖和葡萄糖醛酸酯转换途径等。(3)通过分析和比较NaCl胁迫不同时间点绒毛白蜡的基因表达谱,筛选得到许多盐胁迫响应基因。这些基因的功能主要涉及渗透调节与离子平衡、激素信号转导、活性氧清除、转录调控等方面。推测这些基因很可能参与了绒毛白蜡的耐盐胁迫过程。(4)为验证测序结果的准确性,选择了8个差异表达基因,利用实时定量qRT-PCR方法验证了上述基因在NaCl胁迫下的基因表达模式,发现在NaCl胁迫0.5h和24h后这些基因表达趋势与表达谱测序结果一致。2.绒毛白蜡MYB转录因子基因的克隆及表达分析(1)通过RACE手段结合表达谱测序结果,首次克隆到2个绒毛白蜡MYB基因的cDNA全长,命名为FvMYB1和FvMYB2。其中,FvMYB1基因cDNA全长为1203bp,编码301个氨基酸,分子量约为33.38kDa,基因组扩增表明该基因无内含子;FvMYB2基因cDNA全长为1201bp,编码311个氨基酸,分子量约为35.00kDa,基因组序列全长为1476bp,含有3个外显子和2个内含子。(2)基因组织表达模式分析结果表明:两者在被检测组织中均有表达,其中FvMYB1基因在茎中表达量最高,在根中表达量最低;FvMYB2基因的表达量在各组织中差异不大。对不同非生物胁迫下的基因表达模式研究表明:在NaCl、PEG和ABA处理下,FvMYB1和FvMYB2基因表达模式存在异同。其中2个基因的表达量最高值分别在各处理12h和6h时出现,但FvMYB1基因只对NaCl和PEG响应,而FvMYB2基因可响应上述三种胁迫。暗示后者可能在植物应对非生物胁迫过程中发挥着更重要的作用。(3)亚细胞定位结果表明,FvMYB1和FvMYB2基因编码的蛋白均主要定位于细胞核中。酵母转录激活实验表明,两者均有转录激活活性,能够激活下游报告基因的表达,其中FvMYB2半乳糖苷酶活性高于FvMYB1。(4)构建了HIS-FvMYB1和HIS-FvMYB2融合蛋白表达载体并在大肠杆菌BL21中诱导表达,通过SDS-PAGE以及Western杂交分别验证了2个融合蛋白的表达。从而为后续进行转基因植物中目的蛋白的Western杂交提供相应的抗体制备蛋白基础。(5)构建了CaMV35S启动子驱动的FvMYB1、FvMYB2基因的植物过表达载体,利用农杆菌介导法转化烟草,对Kan筛选获得的转基因植株进行PCR和Southern杂交检测。并对正常生长条件下转基因植株中胁迫相关基因的表达进行了分析,结果表明NtP5CS、NtLEA5、NtMnSOD的表达量均高于对照。进一步对转基因植株进行盐胁迫处理后的表型及生理生化分析,结果表明,转基因烟草的盐害症状轻于野生型烟草;且盐胁迫条件下,转基因植株在SOD、POD、CAT保护酶活性、脯氨酸含量方面均不同程度的高于野生型,MDA含量低于对照;而叶绿素含量仅FvMYB2转基因烟草高于对照。实验结果表明FvMYB1和FvMYB2基因具有增强植物耐盐性的功能。3.绒毛白蜡FvMYB1和FvMYB2启动子克隆及分析(1)为进一步鉴定该基因的功能,对FvMYB1和FvMYB2基因的启动子进行克隆及其表达研究。利用染色体步移法(Walking)从绒毛白蜡基因组中克隆到这两个基因起始密码子上游各自l140bp和1600bp的启动子序列。通过Plant CARE分析FvMYB1和FvMYB2启动子中含有的顺式作用元件,表明两者除具有TATA-box、CAAT-box等典型的真核生物顺式调控元件外,还含有大量的光反应相关元件:G-box、GATA-motif、I-box、Box4、GAG-motif、C-box等;胁迫响应元件:盐诱导元件GT1GMSCAM4、ABA响应元件ABRE、MBS干旱诱导元件、水杨酸反应元件TCA、热诱导元件HSE、低温响应元件LTR等。(2)为进一步研究各顺式元件的作用,将FvMYB1和FvMYB2启动子序列的不同5’端缺失片段替换植物表达载体pCAMBIA3301的35S启动子,构建了以GUS为报告基因的缺失表达载体,并通过农杆菌转化获得包含不同目的片段的转基因烟草。GUS组织化学染色结果表明:FvMYB1基因3个缺失片段长度的启动子(242bp、523bp和792bp)具有启动功能;FvMYB2基因中858bp和1600bp长度的启动子可使转基因烟草GUS染色呈蓝色。且其中4个启动子缺失片段在盐胁迫后GUS染色加深,表明FvMYB1和FvMYB2启动子均在一定程度上受盐胁迫诱导。

全文目录


目录  4-8
摘要  8-11
Abstract  11-15
第一部分 文献综述  15-36
  1 新一代测序技术  15-17
    1.1 新一代测序技术概况  15
    1.2 新一代测序技术在植物研究中的应用  15-17
      1.2.1 转录组测序  15-16
      1.2.2 数字基因表达谱测序  16-17
  2 植物中 MYB 转录因子研究进展  17-25
    2.1 植物 MYB 蛋白结构与分类  18-19
    2.2 MYB 基因的起源与进化  19-20
    2.3 MYB 基因的功能多样性  20-25
      2.3.1 调控植物的初级与次级代谢  20-21
      2.3.2 控制细胞形态和决定细胞命运  21-23
      2.3.3 控制植物发育  23
      2.3.4 影响生物和非生物胁迫  23-25
    2.4 MYB 转录因子在调控网络中的作用  25
  3 植物启动子研究概况  25-32
    3.1 植物启动子的结构特征  26-27
    3.2 植物启动子的研究进展  27-32
      3.2.1 组成型启动子的研究  27-28
      3.2.2 组织特异性启动子的研究  28-29
      3.2.3 诱导型启动子的研究  29-32
    3.3 植物启动子展望  32
  4 研究目的、意义及实验设计  32-36
    4.1 研究目的和意义  32-33
    4.2 研究目标和研究内容  33-35
      4.2.1 研究目标  33
      4.2.2 研究内容  33-35
    4.3 研究技术路线  35-36
第二部分 实验论文  36-145
  第一章 绒毛白蜡基因表达谱测序与分析  36-65
    1.1 试验材料  36-37
      1.1.1 植物材料  36
      1.1.2 试剂与仪器  36-37
    1.2 实验方法  37-40
      1.2.1 绒毛白蜡 RNA 样品的提取及检测  37-38
      1.2.2 基因表达谱测序  38
      1.2.3 测序结果分析  38-39
      1.2.4 基因表达谱测序结果验证  39-40
    1.3 实验结果与分析  40-54
      1.3.1 绒毛白蜡 RNA 提取  40-41
      1.3.2 原始测序数据统计  41-42
      1.3.3 饱和度分析  42-43
      1.3.4 随机性分析  43
      1.3.5 差异表达基因的聚类分析  43-44
      1.3.6 差异表达基因的分布特征  44-45
      1.3.7 差异表达基因的 GO 分类  45-47
      1.3.8 差异表达基因的功能分析  47-50
      1.3.9 KEEG 代谢通路分析  50
      1.3.10 盐调节基因的筛选  50-53
      1.3.11 差异表达基因的荧光定量 PCR 检测  53-54
    1.4 讨论  54-65
  第二章 绒毛白蜡 MYB 基因的克隆及功能分析  65-124
    2.1 实验材料  65-68
      2.1.1 植物材料、载体及菌种  65-66
      2.1.2 酶和试剂  66-67
      2.1.3 主要仪器  67
      2.1.4 溶液及培养基  67-68
    2.2 实验方法  68-84
      2.2.1 绒毛白蜡基因组 DNA 提取  68-69
      2.2.2 CTAB 法提取绒毛白蜡总 RNA  69
      2.2.3 反转录 cDNA 第一链的合成  69-70
      2.2.4 RACE 方法克隆基因及序列分析  70-73
      2.2.5 半定量 RT-PCR 分析基因表达模式  73-75
      2.2.6 基因枪法进行亚细胞定位  75-76
      2.2.7 酵母转录激活验证  76-77
      2.2.8 原核表达  77-80
      2.2.9 植物表达载体构建、烟草转化及检测  80-82
      2.2.10 转基因烟草胁迫相关基因的表达分析  82
      2.2.11 转基因烟草的耐盐性实验  82-84
    2.3 实验结果与分析  84-118
      2.3.1 绒毛白蜡 RNA 的提取  84
      2.3.2 FvMYB1、FvMYB2 基因的克隆及序列分析  84-94
      2.3.3 FvMYB1、FvMYB2 基因的表达分析  94-96
      2.3.4 FvMYB1、FvMYB2 基因的亚细胞定位分析  96-99
      2.3.5 FvMYB1、FvMYB2 基因酵母转录活性分析  99-102
      2.3.6 FvMYB1、FvMYB2 基因的原核诱导表达  102-106
      2.3.7 FvMYB1、FvMYB2 基因植物表达载体的构建  106-108
      2.3.8 烟草的遗传转化及检测  108-113
      2.3.9 转基因植株中胁迫应答基因的表达分析  113-114
      2.3.10 转基因植株的耐盐性分析  114-118
    2.4 讨论  118-124
      2.4.1 绒毛白蜡 2 个 MYB 基因的结构特点  118-119
      2.4.2 绒毛白蜡 MYB 基因的表达模式分析  119-121
      2.4.3 绒毛白蜡 MYB 基因转录激活活性的分析  121-122
      2.4.4 绒毛白蜡 MYB 基因的亚细胞定位  122
      2.4.5 FvMYB1、FvMYB2 调节植物耐盐性的可能机制  122-124
  第三章 FvMYB1 和 FvMYB2 启动子克隆及表达研究  124-145
    3.1 实验材料  124-126
      3.1.1 植物材料  124
      3.1.2 菌株及质粒  124
      3.1.3 试剂  124-125
      3.1.4 引物序列  125-126
    3.2 实验方法  126-130
      3.2.1 基因组 DNA 的提取  126
      3.2.2 染色体步移文库的构建  126-129
      3.2.3 启动子序列验证  129
      3.2.4 启动子序列的生物信息学分析  129
      3.2.5 启动子不同缺失区段的表达载体构建  129-130
      3.2.6 重组质粒的农杆菌转化  130
      3.2.7 烟草遗传转化  130
      3.2.8 转基因烟草的检测  130
      3.2.9 GUS 组织化学染色  130
    3.3 结果与分析  130-142
      3.3.1 绒毛白蜡基因组 DNA 的提取及酶切  130-131
      3.3.2 绒毛白蜡 FvMYB1 和 FvMYB2 基因启动子的克隆  131-132
      3.3.3 FvMYB1 和 FvMYB2 基因启动子序列的验证  132-133
      3.3.4 FvMYB1 和 FvMYB2 基因启动子序列分析  133-136
      3.3.5 启动子不同缺失区段的载体构建  136-138
      3.3.6 不同缺失区段启动子载体的酶切验证  138-139
      3.3.7 转基因烟草的鉴定  139-140
      3.3.8 转基因植株的 GUS 染色  140-142
    3.4 讨论  142-145
      3.4.1 启动子序列的克隆与序列分析  142-143
      3.4.2 盐胁迫下启动子功能分析  143-145
总结  145-147
参考文献  147-173
攻读博士期间发表论文与申请专利  173-174
参与的科研课题  174-175
致谢  175

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