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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 螺旋藻耐鹽相關(guān)功能基因的研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 生命科學(xué)
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 我國(guó)近9913萬(wàn)公頃土地鹽堿化，可用耕地嚴(yán)重減少。本團(tuán)隊(duì)在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，在國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助下，在自主完成的螺旋藻全基因組序列圖的基礎(chǔ)上，利用比較基因組學(xué)和功能基因?qū)W方法，全面系統(tǒng)地分析螺旋藻耐鹽堿的分子機(jī)理，發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了若干抗鹽堿性狀相關(guān)的功能基因。本研究結(jié)果將為基因工程育種提供新的功能基因，也為培育抗逆性增強(qiáng)的螺旋藻新品種、挖掘其他藻類(lèi)抗逆功能相關(guān)基因奠定基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 我國(guó)近9913萬(wàn)公頃土地鹽堿化，可用耕地嚴(yán)重減少，隨之而來(lái)將是更為嚴(yán)重的糧食危機(jī)：在大量土地鹽堿化等嚴(yán)峻的形勢(shì)下，人類(lèi)不得不開(kāi)始深思一個(gè)涉及到生存的根本問(wèn)題：如何研究出在鹽堿地上也可以生長(zhǎng)的作物來(lái)應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的更為嚴(yán)重的糧食危機(jī)？但是，迄今還沒(méi)有得到高效的、具有很好應(yīng)用前景的耐鹽堿基因。本團(tuán)隊(duì)在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，在國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助下，在自主完成的螺旋藻全基因組序列圖的基礎(chǔ)上，利用比較基因組學(xué)和功能基因組學(xué)研究方法，全面系統(tǒng)地分析螺旋藻耐鹽堿的分子機(jī)理，發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了若干抗鹽堿性狀相關(guān)的功能基因。本研究結(jié)果將為植物基因工程育種提供新的功能基因，也為培育抗逆性增強(qiáng)的螺旋藻新品種、挖掘其他藻類(lèi)抗逆功能相關(guān)基因奠定基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義，將產(chǎn)生一定的社會(huì)效益。 與此同時(shí)，我國(guó)耐鹽堿生物種質(zhì)資源豐富，但從事此方面研究的單位和研究人員仍太少，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)科技的迫切需求，而且這方面的研究容易獲具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果，確立在國(guó)際本領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位，值得引起足夠的重視。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 目的：研究高抗逆性藍(lán)細(xì)菌螺旋藻耐高鹽的分子機(jī)理，克隆并驗(yàn)證螺旋藻耐鹽相關(guān)基因及其啟動(dòng)子功能，為耐鹽堿轉(zhuǎn)基因植物培育打下基礎(chǔ)。 基本思路：通過(guò)蛋白組學(xué)分析，篩選螺旋藻耐高鹽相關(guān)功能基因；預(yù)測(cè)并克隆耐鹽相關(guān)基因啟動(dòng)子，以gfp為報(bào)告基因，構(gòu)建集胞藻PCC6803同源重組雙交換平臺(tái)，驗(yàn)證啟動(dòng)子功能；克隆螺旋藻耐鹽相關(guān)基因，敲除集胞藻基因組中上述基因同源基因，通過(guò)遺傳互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證上述基因的功能。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 鹽脅迫是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素,而螺旋藻的耐鹽能力極強(qiáng)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、培養(yǎng)條件便利，是很好的研究材料。國(guó)內(nèi)外迄今還無(wú)學(xué)者從基因組、蛋白組水平較系統(tǒng)地研究螺旋藻抗鹽堿分子機(jī)理。本課題組在自主完成最重要的經(jīng)濟(jì)微藻螺旋藻全基因組序列圖的基礎(chǔ)上，首度在基因組學(xué)、蛋白組學(xué)水平比較系統(tǒng)地研究螺旋藻抗鹽堿的分子機(jī)理；另外，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的集胞藻6803同源重組雙交換平臺(tái)，為研究螺旋藻基因功能提供了嶄新的研究手段。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 我國(guó)近9913萬(wàn)公頃土地鹽堿化，可用耕地嚴(yán)重減少，隨之而來(lái)將是更為嚴(yán)重的糧食危機(jī)，必須盡快研究出能在鹽堿地上可生長(zhǎng)的作物。但迄今未發(fā)現(xiàn)高效且應(yīng)用前景好的耐鹽堿基因。本團(tuán)隊(duì)依托指導(dǎo)老師自主完成的螺旋藻全基因組序列圖，利用基因組學(xué)方法，系統(tǒng)分析螺旋藻耐鹽堿分子機(jī)理，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了若干抗鹽堿相關(guān)功能基因。本研究為基因工程育種提供新的功能基因，也為其他藻類(lèi)同類(lèi)研究奠定基礎(chǔ)，具重要科學(xué)意義，將產(chǎn)生一定社會(huì)效益。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 目的：研究高抗逆性螺旋藻耐鹽分子機(jī)理，克隆并驗(yàn)證螺旋藻耐鹽相關(guān)基因功能，為耐鹽堿轉(zhuǎn)基因植物培育打下基礎(chǔ)。方法：利用蛋白組學(xué)，分析三個(gè)鹽濃度（0.02M、0.5M 和1.0M NaCl）下螺旋藻差異表達(dá)蛋白，篩選螺旋藻耐高鹽相關(guān)功能基因；預(yù)測(cè)并克隆6個(gè)耐鹽相關(guān)基因啟動(dòng)子；以gfp為報(bào)告基因，集胞藻PCC6803為受體菌，測(cè)定螺旋藻耐鹽相關(guān)基因啟動(dòng)子的鹽誘導(dǎo)效應(yīng)；分析獲得集胞藻中與上述耐鹽相關(guān)基因同源基因，取其上下游1Kb片段為同源臂，Kanr為篩選基因，敲除上述同源基因；將獲得的突變株置于不同鹽濃度，對(duì)比生長(zhǎng)情況。結(jié)果：得到高鹽組與正常組間差異表達(dá)蛋白點(diǎn)141個(gè)，其中82個(gè)功能已知，39個(gè)功能未知；82個(gè)功能已知基因參與光合作用、糖酵解等31條代謝途徑；成功克隆的3個(gè)螺旋藻啟動(dòng)子能被鹽脅迫誘導(dǎo)；獲得敲除基因突變株1個(gè)（記為295-），培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，突變株在低鹽下生長(zhǎng)狀況與野生株無(wú)異，中鹽、高鹽下，繁殖速度較野生株明顯下降。結(jié)論：篩選得140多個(gè)螺旋藻耐鹽相關(guān)候選基因，初步驗(yàn)證了3個(gè)螺旋藻耐鹽相關(guān)基因啟動(dòng)子，成功地構(gòu)建集胞藻6803同源重組雙交換整合平臺(tái)，初步驗(yàn)證編號(hào)為295基因與耐鹽性相關(guān)。
獲獎(jiǎng)情況
- 浙江省第二屆生命科學(xué)學(xué)科競(jìng)賽二等獎(jiǎng)（附件1）。 部分研究結(jié)果撰寫(xiě)的論文：《螺旋藻耐鹽相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)功能的研究》已被《遺傳》雜志（稿件編號(hào)11-117）錄用（附件2）。 溫州醫(yī)學(xué)院第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)（附件3）。 溫州醫(yī)學(xué)院第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽公開(kāi)答辯最佳表現(xiàn)獎(jiǎng)（附件4）。
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- 相關(guān)技術(shù)：雙向電泳、生物質(zhì)譜、序列標(biāo)簽鑒定、重組蛋白誘導(dǎo)表達(dá)、綠色熒光蛋白熒光檢測(cè)、基因的克隆與重組等技術(shù)。 [1]Aebersold R, Mann M. Mass spectrometry-based proteomics[J].Nature, 2003,422(6928):198. [2]Gorg A, et al. Very alkaline immobilized pH gradients for two dimensional electrophoresis of ribosomal and nuclear proteins[J]. Electro- phoresis. 1997, 18(3-4):328. [3]Cleveland DW, etal. Peptide mapping by lilmited proteolysis in sodium dodecyl sulfate and analysis by gel electrophoresis[J].J Biol Chem, 1977, 252:1102. [4]Ayachi S ,et al. Chlorophylls, proteins and fatty acids amounts of arthrospira platensis growing under saline conditions [J]. Pak J Biol Sci, 2007, 10: 2286. [5]Fisher M, Zamir A, Pick U. Iron uptake by the halo tolerant alga Dunaliella is mediated by a plasma membrane transferring [J]. J Biol Chem, 1998, 273 (28) : 17553. [6]Williams J G K. Construction of specific mutations in photo system II photosynthetic reaction center by genetic engineering method in Synechocystis 6803 [J]. Methods Enzymol, 1988, 167:766.
同類(lèi)課題研究水平概述
- 近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)耐鹽的生理生化基礎(chǔ)進(jìn)行了許多研究，主要涉及鹽脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成、光合與代謝、鈣調(diào)蛋白、通道蛋白等方面所發(fā)生的變化。1983年 Singh等在含有NaCl 的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的煙草細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)一種特異蛋白的表達(dá)，其中以26KD蛋白積累最多。LaRose把該蛋白稱(chēng)為調(diào)滲蛋白，隨后獲得該蛋白的cDNA克隆。只有滲透脅迫才能導(dǎo)致調(diào)滲蛋白的積累，在高鹽環(huán)境下, Na+ 的胞質(zhì)隔離進(jìn)入液泡主要依賴(lài)液泡膜Na+/H+ 反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及液泡型H+-ATPase和H+ -PPase基因表達(dá)的上調(diào)或活性提高。Su等（2002）用NaCl 脅迫使冰草發(fā)現(xiàn)其根和葉片中的K+轉(zhuǎn)運(yùn)體基因McHAK1和McHAK2的表達(dá)上調(diào)。 目前，耐鹽的分子生物學(xué)和植物耐鹽基因工程正在成為學(xué)術(shù)界研究熱點(diǎn)。分子生物學(xué)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)使基因的定位、分離、轉(zhuǎn)移成為現(xiàn)實(shí)。耐鹽性受到復(fù)雜的多基因控制，是一種典型的數(shù)量性狀，涉及生理生化多方面的因素?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者所做工作，可以發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)研究集中于耐NaCl鹽性，對(duì)耐碳酸鹽研究很少；利用生物措施改良鹽堿地是切實(shí)可行的辦法，但大量的基礎(chǔ)性工作有待深入；未來(lái)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域是通過(guò)系統(tǒng)的分析耐鹽模式生物耐受脅迫的生理機(jī)制及分子機(jī)制從而揭示耐鹽機(jī)制，以及再發(fā)展為對(duì)極端耐鹽生物和干旱區(qū)植物相同的基因家族各成員間的表達(dá)模式和功能方面進(jìn)行系統(tǒng)而深入的比較分析，有助于農(nóng)作物的分子育種。 綜上所述，開(kāi)展耐鹽機(jī)理的研究不僅在理論上具有重要的意義，更具有其現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)耐鹽堿生物種質(zhì)資源豐富，但從事此方面研究的單位和研究人員仍太少，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)科技的迫切需求，而且這方面的研究容易獲具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果，確立在國(guó)際本領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位，值得引起足夠的重視。
