基本信息
- 項目名稱：
- 楊樹單寧合成途徑中關(guān)鍵酶基因LARs的克隆及功能解析
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本研究在分析楊樹基因組序列的基礎(chǔ)上，采用RT-PCR方法分離楊樹中原花色素還原酶基因家族的3個LAR基因，比較序列同源性，分析其組織表達特性，并通過轉(zhuǎn)基因方法在毛白楊中驗證了LAR基因的功能，探討了該基因與楊樹抗病性之間的關(guān)系，篩選出抗病轉(zhuǎn)基因材料，為將來培育抗真菌病楊樹品種奠定基礎(chǔ)。
- 詳細介紹：
- 楊樹是重要的造林綠化、工業(yè)用材樹種。目前大規(guī)模種植的楊樹林已帶來了明顯的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。然而，由于楊樹栽培品種單一，病蟲害的發(fā)生日益嚴重。葉銹病、黑斑病等真菌病是楊樹生長過程中的主要病害，嚴重影響我國人工種植楊樹的品質(zhì)和產(chǎn)量，目前仍未找到真正有效的手段來控制該類病害。如何控制楊樹的真菌病已成為楊樹育種中亟待解決的問題。 當植物處于逆境狀態(tài)或受脅迫時，會通過自身調(diào)控，合成一系列抗脅迫的次生代謝產(chǎn)物以適應(yīng)環(huán)境，其中類黃酮化合物—縮合單寧就是楊樹中非常重要的一類抗脅迫物質(zhì)。在楊樹中，縮合單寧含量的多少直接影響其對病蟲害抗性的強弱。 為了搞清楊樹中縮合單寧生物合成途徑，在生物信息學分析基礎(chǔ)上，本項目采用RT-PCR方法克隆楊樹中單寧合成途徑中的關(guān)鍵酶基因—原花色素還原酶基因家族的3個基因LAR1、LAR2和LAR3，分析組織表達特征，并通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，在毛白楊中鑒定LARs基因的功能，闡明LARs的表達水平與縮合單寧積累量的關(guān)系，最后通過抗病實驗，明確楊樹中原花色素還原酶LAR的活性與真菌病害抗性之間的關(guān)系，篩選出抗病轉(zhuǎn)基因材料，為將來培育抗真菌病楊樹品種打下基礎(chǔ)。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 基本思路：LARs的序列比對和進化分析；RT-PCR方法獲得楊樹中原花色素還原酶基因家族的3個LAR基因；植物表達載體的構(gòu)建；轉(zhuǎn)基因毛白楊植株的獲得；在轉(zhuǎn)基因毛白楊植株中驗證LARs基因的功能。 目的：通過轉(zhuǎn)基因方法在毛白楊中驗證LARs基因的功能，探討該基因與楊樹抗病性之間的關(guān)系，為培育抗真菌病楊樹品種奠定基礎(chǔ)。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：通過分子克隆和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，在毛白楊中鑒定LARs基因的功能，有利于闡明縮合單寧的抗病機制和推動分子育種工作。 先進性：本項目綜合運用了生物信息學、分子生物學、生物化學等學科的理論和方法，獲得了超量表達的轉(zhuǎn)基因毛白楊株系，抗病試驗結(jié)果顯示其對楊樹主要病害—黑斑病具有一定抗性。 獨特之處：原花色素還原酶基因LARs是單寧合成途徑中的關(guān)鍵酶基因，在楊樹中該基因的功能尚未被研究。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 現(xiàn)實意義: 本研究闡明了LARs基因的功能，并通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，提高了楊樹的抗病性，篩選出抗病轉(zhuǎn)基因材料，為將來培育抗真菌病楊樹品種打下基礎(chǔ)。 實際應(yīng)用價值：楊樹是重要的工業(yè)用材樹種，也是林木研究中的模式植物?？s合單寧是植物中非常重要的一類抗脅迫物質(zhì)。在毛白楊中超量表達LARs可明顯提高縮合單寧的合成量，從而提高其對真菌病的抗性。對木本植物通過轉(zhuǎn)基因方法提高其抗性的研究有重要參考價值。
學術(shù)論文摘要
- 本項目在克隆楊樹單寧合成途徑中關(guān)鍵酶—原花色素還原酶基因家族所有的3個基因LAR1、LAR2和LAR3的基礎(chǔ)上，進行了基因同源性比對及進化分析，結(jié)果顯示3個基因具有較高的相似性。熒光定量PCR分析LAR基因的組織特異性表達發(fā)現(xiàn)，它們均在根中大量表達。將LAR基因通過根癌農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化毛白楊后，測定轉(zhuǎn)基因植株中原花色素還原酶的產(chǎn)物—縮合單寧的含量發(fā)現(xiàn)，超量表達LAR1，LAR2和LAR3均導致植株中單寧含量的顯著增加，其中過表達LAR3的轉(zhuǎn)基因植株提高效果最為明顯，顯示這些基因均參與了單寧的生物合成?？共≡囼灲Y(jié)果表明，超量表達LAR3基因顯著提高了楊樹的黑斑病抗性，該結(jié)果證明LAR基因與楊樹抗病性之間存在一定關(guān)系。
獲獎情況
- 暫無
鑒定結(jié)果
- 楊樹單寧合成途徑中的關(guān)鍵酶基因-無花色素還原酶基因LARs的功能無人研究，該項目在克隆該基因的基礎(chǔ)上研究其功能，具有重要的意義。
參考文獻
- De-Yu Xie, Shashi B. Sharma and Richard A. Dixon.Anthocyanidin reductases from Medicago truncatula and Arabidopsis thaliana [J].Archives of Biochemistry and Biophysics,2004,422(1):91-102. Tuskan G A, Difazio S, Jansson S, et al. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa(Torr＆Gray)[J]. Science, 2006,313(5793) : 159621604. Chung-Jui Tsai , Walid El Kayal , Scott A. Harding. Populus, the New Model System for Investigating Phenylpropanoid Complexity[J]. International Journal of Applied Science and Engineering,2006,3:221-233.
同類課題研究水平概述
- 楊樹已被廣泛接受為林木基因組研究的模式樹種,因為楊樹基因組( 480Mb)較小, 相當于水稻基因組大小;楊屬植物有豐富的遺傳多樣性；多種楊樹已建立了高效、穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)；大多數(shù)楊樹可以無性繁殖且生長迅速,是中緯度地區(qū)廣泛栽培的工業(yè)用材樹種,有重要的經(jīng)濟價值。楊樹全基因組測序的完成（2004），實現(xiàn)了多年生林木樹種基因組的首次破譯，為研究林木的獨特生長發(fā)育性狀奠定了堅實的基礎(chǔ)。 單寧作為植物中常見的類黃酮次生代謝產(chǎn)物，其生理功能已得到驗證，并廣泛運用于生產(chǎn)中，因而，對單寧代謝途徑的研究已成為目前植物學研究領(lǐng)域的又一熱點。單寧的生物合成是通過莽草酸途徑產(chǎn)生的苯丙氨酸經(jīng)一系列反應(yīng)最終形成，由眾多酶參與。Morris等（1997）將參與單寧生物合成的關(guān)鍵酶基因DFR（二氫黃酮醇-4-還原酶基因）轉(zhuǎn)入苜蓿，改變了單寧的組織分布，并增加了苜蓿的單寧含量。LAR是單寧合成途徑中的關(guān)鍵酶，它決定了花色素生成兒素或表兒茶素,兒茶素是縮合單寧的基本單位。馬春雷等（2007）的分析表明，在茶樹類黃酮代謝途徑中LAR和DFR是主導兒茶素合成的兩個關(guān)鍵酶?？s合單寧在楊樹中含量豐富，約占其干重的18%。落葉中縮合單寧的含量及聚合程度直接影響土壤的肥沃和鈣化程度，此外還與植物抵御毒害金屬元素有關(guān)。次生代謝產(chǎn)物在植物抗脅迫方面有著重要作用。已有研究表明，植物中單寧以高濃度、高劑量方式防御病蟲害，因而常把植物中單寧的含量作為樹種的抗性指標。李春明等（2007）測定了不同環(huán)境溫度下楊樹中縮合單寧含量的變化，認為楊樹能在氣溫驟降時提高縮合單寧的含量以增強對不利環(huán)境的適應(yīng)性。孫萍等（2008）研究了楊樹中單寧含量與青楊天牛危害的關(guān)系，認為單寧是抵抗害蟲侵害的一種防御性物質(zhì)。 基因工程加快了毛白楊抗逆性及生長發(fā)育性狀的改良，對轉(zhuǎn)基因毛白楊進行嚴格地監(jiān)控、合理地利用將帶來可觀的經(jīng)濟價值。目前，毛白楊自身抗逆性相關(guān)基因的研究已成為研究新趨勢，與毛白楊抗性相關(guān)功能基因的研究不僅加深了對楊樹生長發(fā)育機理的認識，同時推進了林木生長發(fā)育機理的研究，加快了林木品種改良的進程。
