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桑樹PCS基因功能及桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2017-03-30 17:12

  本文關(guān)鍵詞:桑樹PCS基因功能及桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。


【摘要】:植物螯合肽是一類富含半胱氨酸的多肽化合物,存在于絕大多數(shù)高等植物及一些動(dòng)物和真菌中。由于富含Cys使得其能夠通過巰基與金屬結(jié)合形成絡(luò)合物,從而具有增強(qiáng)植物重金屬耐受性、解除或降低重金屬對(duì)植物的毒性以及維持細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境金屬離子濃度的相對(duì)穩(wěn)定的功能。植物螯合肽的結(jié)構(gòu)通常以y-Glu-Cys二肽為重復(fù)單位并且在其C-末端以Gly為結(jié)尾,基本結(jié)構(gòu)為(y-Glu-Cys) n-Gly,其中n通常在2到5之間變化,n最大可達(dá)11。植物螯合肽是以谷胱甘肽(GSH)為底物在植物螯合肽合成酶的催化下合成的。隨著全球重金屬污染的日益嚴(yán)重,通過植物修復(fù)緩解重金屬污染備受關(guān)注,到目前為止,已經(jīng)在多種植物、動(dòng)物及真菌中發(fā)現(xiàn)植物螯合肽合成酶基因(PCS),研究表明PCS在提高重金屬抗性及累積量方面具有重要作用。雖然PCS的研究逐漸增多,但主要集中在草本及禾本植物中,對(duì)重金屬具有較強(qiáng)耐受性的木本植物中研究卻尚未報(bào)道。桑樹(Morus L.)作為我國(guó)一種重要的林木樹種,對(duì)惡劣自然環(huán)境有超強(qiáng)適應(yīng)性,并且具有耐干旱、耐鹽堿、耐貧瘠、生命力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度等特點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)桑樹對(duì)于大氣中存在的鎘和鉛的吸收量均較多;受到重金屬影響的桑葉能夠繼續(xù)飼喂家蠶并且對(duì)家蠶個(gè)體及絲的各項(xiàng)指標(biāo)均無影響?梢娚湓诮鉀Q和緩解重金屬污染問題方面存在巨大的潛力。然而桑樹乃至木本植物中PCS的研究至今仍未見報(bào)道。桑樹中PCS的研究不僅能夠完善PCS基因在提高重金屬抗性及積累量方面的應(yīng)用,進(jìn)一步探究和完善植物螯合肽的解毒機(jī)理,而且還為桑樹種植資源篩選和生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)建立良好的基礎(chǔ),為桑樹作為一種有效解決和緩解重金屬污染的綠化樹種提供重要依據(jù)。植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)是基因功能研究及素材創(chuàng)新的重要技術(shù)之一。但是到目前為止,桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究受到植物組織培養(yǎng)嚴(yán)格繁瑣操作和桑樹再生系統(tǒng)難以建立的限制,目前還只能在個(gè)別桑樹品種(如再生能力強(qiáng)的印度桑和新一之瀨)中獲得成功,而且這些技術(shù)可重復(fù)性較差,目前只在極少幾個(gè)研究小組中取得了突破,還難以有效的應(yīng)用于桑樹功能基因組研究和素材創(chuàng)新研究中。因此急需一套高效實(shí)用的桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系用于相關(guān)研究;谝陨峡紤],本研究首先通過生物信息學(xué)的手段從川桑數(shù)據(jù)庫中檢索鑒定得到桑樹植物螯合肽合成酶基因,并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的生物信息學(xué)分析。同時(shí)利用qRT-PCR技術(shù)研究了桂優(yōu)62桑品種在受到重金屬脅迫下的表達(dá)模式。再利用模式植物煙草對(duì)桑樹PCS基因進(jìn)行相應(yīng)功能研究。其次,通過注射桑樹冬芽的方法對(duì)桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行了探索。本研究的主要結(jié)果如下:1、川桑PCS基因的鑒定及生物信息學(xué)分析通過生物信息學(xué)的方法,我們?cè)诖ㄉ;蚪M中鑒定得到2個(gè)桑樹植物螯合肽合成酶基因,與擬南芥中PCS基因個(gè)數(shù)相同。之后分別以川桑6個(gè)組織cDNA為模板克隆得到了這2個(gè)基因,經(jīng)測(cè)序驗(yàn)證結(jié)果表明與川桑數(shù)據(jù)庫中的序列信息一致。MnPCS1預(yù)測(cè)蛋白分子量為55.8kDa,MnPCS2預(yù)測(cè)蛋白分子量為55.2kDa。這與PCS基因蛋白量40kDa-70kDa相吻合。在數(shù)據(jù)庫中檢索得到PCS基因在不同組的表達(dá)情況。其中,MnPCS1基因在皮中表達(dá)量最高,在葉中表達(dá)量最低;MnPCS2基因在花中表達(dá)量最高,在芽中表達(dá)量最低;蚪Y(jié)構(gòu)分析表明2個(gè)PCS基因都為多外顯子基因,且都含有8個(gè)外顯子。結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)結(jié)果表明它們與已發(fā)現(xiàn)的PCS基因一樣擁有高度保守的N-末端催化結(jié)構(gòu)域和可變的C-末端,并且在其C-末端含有較多的半胱氨酸殘基,它們大都以成對(duì)或近似成對(duì)的形式存在。其中MnPCS1 C-末端含有12個(gè)Cys殘基,MnPCS2 C-末端含有9個(gè)Cys殘基,Cys殘基數(shù)較擬南芥中的2個(gè)基因要多,值得注意的是MnPCS2 C-末端的Cys殘基排布情況與其他植物PCS的有較大差異。系統(tǒng)發(fā)生分析結(jié)果表明MnPCS1與薔薇目杜梨的PbPCS1聚為一支,這與桑樹應(yīng)分為薔薇目的結(jié)果相一致;MnPCS2與鹽地堿蓬聚為一支。2、桑樹PCS基因脅迫誘導(dǎo)表達(dá)分析以川桑PCS基因序列為依據(jù)設(shè)計(jì)克隆引物,以桂優(yōu)62桑品種cDNA為模板,克隆桂優(yōu)62桑品種中PCS基因,經(jīng)測(cè)序得到序列后與川桑PCS基因進(jìn)行多重序列比對(duì),結(jié)果表明,兩個(gè)桑樹品種中PCS蛋白序列具有高度保守性,相似性高達(dá)99.8%和96.4%。此后,以測(cè)序得到的桂優(yōu)62桑品種PCS基因序列為依據(jù)設(shè)計(jì)定量引物,以桂優(yōu)62桑品種為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行Zn2+脅迫處理,qRT-PCR結(jié)果表明桂優(yōu)62中的PCS基因在受到Zn2+金屬脅迫誘導(dǎo)后,其在24h內(nèi)的表達(dá)模式基本都是先降低后增高再降低。但MnPCS1在8h根和莖中相對(duì)表達(dá)量最高,而在葉中則是12h最高;MnPCS2在葉和莖中2h相對(duì)表達(dá)量最大,在根中則是8h達(dá)到最大。桑樹MaPCS1在根中的相對(duì)表達(dá)量較莖和葉都要高,這與已報(bào)道的PCS在不同組織的表達(dá)量相一致;而MaPCS2則是葉中的相對(duì)表達(dá)量最高。與川桑轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中兩個(gè)基因的相對(duì)表達(dá)量及趨勢(shì)相類似。分析表明桂優(yōu)62中PCS基因在桑樹受到Zn2+脅迫誘導(dǎo)后能迅速響應(yīng)共同發(fā)揮作用,但在不同組織其行使的功能可能不同。3、桑樹PCS基因的功能研究分別利用蘸花法和葉盤轉(zhuǎn)化法獲得了MnPCS1和MnPCS2轉(zhuǎn)基因擬南芥和轉(zhuǎn)基因煙草株系,通過基因組PCR和qRT-PCR鑒定后,選擇其中表達(dá)量最高和最低的進(jìn)行后續(xù)基因功能研究。研究結(jié)果表明,在重金屬脅迫下,轉(zhuǎn)基因擬南芥MnPCS1轉(zhuǎn)基因株系按目的基因表達(dá)量高低其平均根長(zhǎng)分別為1.47cm和1.65cm均較野生型平均根長(zhǎng)0.97cm長(zhǎng),每10株鮮重平均值也分別為209mg和220mg均較野生型174.4mg重;MnPCS2轉(zhuǎn)基因株系按目的基因表達(dá)量高低其平均根長(zhǎng)分別為1.58cm和1.57cm均較野生型平均根長(zhǎng)1cm長(zhǎng),每10株鮮重平均值也分別為244mg和288mg均較野生型174.4mg重。MnPCSl轉(zhuǎn)基因系對(duì)Zn離子的積累量按目的基因表達(dá)量高低分別為0.223mg/kg和0.122mg/kg,MnPCS2轉(zhuǎn)基因系分別為0.261mg/kg和0.248mg/kg,都較野生型0.027mg/kg高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。轉(zhuǎn)基因煙草MnPCSl轉(zhuǎn)基因株系按目的基因表達(dá)量高低其平均根長(zhǎng)分別為1.98cm和1.52cm均較野生型平均根長(zhǎng)0.98cm長(zhǎng),每3株鮮重平均值也分別為302mg和243mg均較野生型147mg重;MnPCS2轉(zhuǎn)基因株系按目的基因表達(dá)量高低其平均根長(zhǎng)分別為2.25cm和1.93cm均較野生型平均根長(zhǎng)0.98cm長(zhǎng),每3株鮮重平均值也分別為260mg和207mg均較野生型147mg重。綜上所述,桑樹PCS基因能夠顯著的提高植株對(duì)重金屬的抗性和地上部分對(duì)重金屬的累積量。4、桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)將農(nóng)桿菌直接微量注射到珍珠白和紅果1號(hào)桑品種冬芽中,對(duì)其后代進(jìn)行基因組PCR、 qRT-PCR和Southern blotting檢測(cè),以篩選出陽性枝條;并通過人工授粉的方法收取桑樹T1代種子,并對(duì)其進(jìn)行基因組PCR檢測(cè)以最終確定陽性轉(zhuǎn)基因株系。結(jié)果表明,該方法可以免去諸如組織培養(yǎng)的繁瑣步驟以及無菌的操作環(huán)境等要求,直接在植株上進(jìn)行,在自然環(huán)境下即可完成,成本低廉,操作簡(jiǎn)單,技術(shù)要領(lǐng)掌握容易,轉(zhuǎn)化效率較高,能夠快速獲得適宜當(dāng)?shù)匾巴庾匀粭l件的轉(zhuǎn)基因植株、苗木及種子,可適用于不同桑樹品種的基因轉(zhuǎn)化。本研究利用生物信息學(xué)方法鑒定得到了2個(gè)桑樹植物螯合肽合成酶基因,通過與其他植物中的PCS基因比對(duì)發(fā)現(xiàn),這些基因的結(jié)構(gòu)域具有較高的保守性,暗示了其功能的一致性。通過重金屬脅迫桂優(yōu)62桑品種結(jié)合qRT-PCR技術(shù)探明了桑樹中PCS基因的表達(dá)模式。并且推測(cè)2個(gè)基因在不同組織其行使的功能可能不同。轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)表明桑樹PCS基因能夠顯著的提高擬南芥和煙草的重金屬抗性和地上部分重金屬的累積量。本研究開發(fā)的基于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的冬芽注射的桑樹轉(zhuǎn)基因方法提供了一種簡(jiǎn)單易行,可克服組織培養(yǎng)和再生系統(tǒng)的限制,能夠在自然環(huán)境中大規(guī)模進(jìn)行的桑樹轉(zhuǎn)基因研究技術(shù)。本研究首次在木本植物中研究了植物螫合肽合成酶基因,進(jìn)一步證明和完善了PCS基因在提高重金屬抗性和累積量方面的重要作用,為桑樹種植資源篩選和解決重金屬污染奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)冬芽注射的桑樹轉(zhuǎn)基因方法也為桑樹高效實(shí)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系的建立和完善打下了良好基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】:桑樹 植物螯合肽合成酶基因 生物信息學(xué) 表達(dá)分析 功能研究 轉(zhuǎn)基因技術(shù)
【學(xué)位授予單位】:西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號(hào)】:S888;Q943.2
【目錄】:
  • 摘要8-11
  • ABSTRACT11-16
  • 第一章 文獻(xiàn)綜述16-26
  • 1.1 重金屬危害及污染現(xiàn)狀16-17
  • 1.1.1 重金屬及其危害性16
  • 1.1.2 污染來源及現(xiàn)狀16-17
  • 1.2 土壤重金屬污染治理修復(fù)17-18
  • 1.2.1 傳統(tǒng)修復(fù)17
  • 1.2.2 生物修復(fù)17-18
  • 1.3 植物螯合肽18-23
  • 1.3.1 PCs的作用19-20
  • 1.3.2 PCs生物合成與解毒機(jī)理20-21
  • 1.3.3 植物螯合肽合成酶(PCS)21-23
  • 1.4 桑樹重金屬耐受性及研究動(dòng)態(tài)23-24
  • 1.5 植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)24
  • 1.6 桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究現(xiàn)狀24-26
  • 第二章 引言26-30
  • 2.1 研究背景及意義26-27
  • 2.2 主要研究?jī)?nèi)容27-28
  • 2.3 技術(shù)路線28-30
  • 第三章 川桑PCS基因生物信息學(xué)分析30-42
  • 3.1 材料與試劑30-32
  • 3.1.1 材料30
  • 3.1.2 基因序列信息的獲得30
  • 3.1.3 主要信息學(xué)分析軟件30
  • 3.1.4 主要試劑及溶液的配制方法30-32
  • 3.1.5 主要儀器32
  • 3.2 方法32-36
  • 3.2.1 川桑PCS基因的鑒定32-33
  • 3.2.2 RNA的提取及質(zhì)量檢測(cè)33
  • 3.2.3 cDNA第一鏈合成33
  • 3.2.4 川桑PCS基因的克隆33-36
  • 3.2.5 PCS基因的對(duì)序列比對(duì)及系統(tǒng)發(fā)生分析36
  • 3.3 結(jié)果與分析36-40
  • 3.3.1 川桑PCS基因的鑒定預(yù)測(cè)36-37
  • 3.3.2 桑樹植物螯合肽合成酶基因在川桑不同組織的表達(dá)分析37-38
  • 3.3.3 桑樹植物螯合肽合成酶基因的克隆及信息學(xué)分析38-40
  • 3.4 小結(jié)與討論40-42
  • 第四章 桑樹PCS基因脅迫誘導(dǎo)表達(dá)分析42-50
  • 4.1 材料與主要試劑儀器42-43
  • 4.1.1 材料42
  • 4.1.2 實(shí)驗(yàn)方法42
  • 4.1.3 主要試劑42-43
  • 4.1.4 主要儀器43
  • 4.2 實(shí)驗(yàn)方法43-45
  • 4.2.1 RNA的提取及質(zhì)量檢測(cè)43
  • 4.2.2 cDNA第一鏈的合成43-44
  • 4.2.3 熒光定量PCR(qRT-PCR)44
  • 4.2.4 qRT-PCR44
  • 4.2.5 結(jié)果計(jì)算44-45
  • 4.3 結(jié)果與分析45-48
  • 4.3.1 MaPCS145-46
  • 4.3.2 MaPCS246-48
  • 4.4 小結(jié)與討論48-50
  • 第五章 桑樹植物螯合肽合成酶基因的遺傳轉(zhuǎn)化及功能研究50-82
  • 5.1 實(shí)驗(yàn)材料與主要試劑50-57
  • 5.1.1 實(shí)驗(yàn)材料50
  • 5.1.2 主要試劑及溶液配制方法50-56
  • 5.1.2.1 主要試劑50-56
  • 5.1.3 主要儀器56-57
  • 5.2 實(shí)驗(yàn)方法57-65
  • 5.2.1 轉(zhuǎn)基因過表達(dá)載體的構(gòu)建57-59
  • 5.2.2 農(nóng)桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備與轉(zhuǎn)化59-60
  • 5.2.3 農(nóng)桿菌的檢測(cè)及甘油菌農(nóng)桿菌的制備60
  • 5.2.4 擬南芥的種植及轉(zhuǎn)化60-61
  • 5.2.5 煙草葉盤轉(zhuǎn)化法61-62
  • 5.2.6 轉(zhuǎn)基因陽性植株的分子鑒定62-64
  • 5.2.7 桑樹植物螯合肽合成酶基因的功能研究64-65
  • 5.3 結(jié)果與分析65-80
  • 5.3.1 桑樹植物螯合肽合成酶基因的轉(zhuǎn)基因載體構(gòu)建65-66
  • 5.3.2 桑樹植物螯合肽合成酶基因在擬南芥中的過表達(dá)66-70
  • 5.3.3 桑樹植物螯合肽合成酶基因在煙草中的過表達(dá)70-73
  • 5.3.4 轉(zhuǎn)基因植株中基因的功能研究73-80
  • 5.4 小結(jié)與討論80-82
  • 第六章 桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)82-96
  • 6.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑82-85
  • 6.1.1 實(shí)驗(yàn)材料82
  • 6.1.2 主要試劑及溶液配制方法82-84
  • 6.1.3 主要儀器84-85
  • 6.2 實(shí)驗(yàn)方法85-90
  • 6.2.1 桑樹注射轉(zhuǎn)化85
  • 6.2.2 桑樹套袋、人工授粉及種子的收集85-86
  • 6.2.3 桑樹種子的種植與篩選86
  • 6.2.4 基因組PCR檢測(cè)86-87
  • 6.2.5 轉(zhuǎn)基因桑樹的qRT-PCR檢測(cè)87
  • 6.2.6 Southern blotting檢測(cè)87-90
  • 6.3 結(jié)果與分析90-94
  • 6.3.1 桑樹冬芽注射統(tǒng)計(jì)90-91
  • 6.3.2 陽性個(gè)體篩選及分子鑒定91-92
  • 6.3.3 T2代桑樹幼苗陽性鑒定92-94
  • 6.3.4 陽性植株分子鑒定94
  • 6.4 小結(jié)與討論94-96
  • 第七章 綜合與討論96-100
  • 參考文獻(xiàn)100-108
  • 附錄108-110
  • 在讀期間發(fā)表論文及參加課題110-112
  • 致謝112-113

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王樹軍;荔枝轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系的研究[D];海南大學(xué);2015年

2 郭慶;桑樹PCS基因功能及桑樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究[D];西南大學(xué);2015年

3 費(fèi)紀(jì)濤;家蠶W染色體特異轉(zhuǎn)基因品系的建立及ZFN打靶初探[D];西南大學(xué);2012年

4 趙娜;利用轉(zhuǎn)基因線蟲對(duì)胞紅蛋白的抗缺氧損傷功能初探[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2009年

5 張旋;小麥轉(zhuǎn)基因體系建立及耐旱新品系培育[D];河南大學(xué);2011年

6 李巍;轉(zhuǎn)基因金針菇和番茄中堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子的表達(dá)[D];吉林農(nóng)業(yè)大學(xué);2011年

7 盧龍濤;煙草核基質(zhì)結(jié)合序列在轉(zhuǎn)基因遺傳穩(wěn)定性中的功能及機(jī)理分析[D];山東農(nóng)業(yè)大學(xué);2009年

8 劉聃璐;利用轉(zhuǎn)基因策略培育抗真菌病害水稻的研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

9 李巖;異源表達(dá)兩種抗逆相關(guān)基因改良光葉楮抗逆性的研究[D];新疆大學(xué);2007年

10 汪巧;轉(zhuǎn)cry1Ac基因抗蟲棉鄂雜棉1號(hào)外源插入序列分析及特異性PCR檢測(cè)方法[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院;2011年


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本文編號(hào):277633

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