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水稻CDPKs基因的表达谱分析和黑藻Hvppc2转基因水稻的培育和功能分析

叶水烽  
【摘要】: 植物钙依赖的蛋白激酶(CDPKs)是细胞体内Ca~(2+)的受体蛋白,在植物生长发育、逆境胁迫反应、病原防御、离子通道运输等信号传导过程中起着重要的作用。本文通过对水稻基因组数据库搜索,共获得31个水稻CDPK基因。通过进化树分析和intron分析,探讨了水稻CDPK基因的进化。利用本室的水稻基因表达谱芯片数据库(CREP:http://crep.ncpgr.cn),对31个OsCPK基因进行表达谱分析,根据芯片分析结果,对部分特异表达的基因进行Real-time PCR验证。主要研究结果如下: 1.通过对CDPKs保守序列的搜索分析,在水稻基因组中鉴定出31个CDPKs基因,它们具有典型的CDPKs结构域,如Ser/Thr蛋白激酶区、自抑制区、调节区。对OsCPKs进行结构分析,除OsCPK30外,其它的OsCPKs都含有4个EF-手。N-末端可变区序列分析结果表明,21个OsCPKs含有豆蔻酰化位点,28个CDPKs预测含有棕榈酰化位点。 2.大部分OsCPK基因含有5-7个内含子,而OsCPK4、OsCPK18和OsCPK30含有10-11个内含子,它们同时位于进化分析中的第四亚组;此外,衣藻仅有的2个CDPKs基因也属于第四亚组,说明第四亚组的CDPKs成员可能是最古老的成员。 3.使用Affymetrix芯片检测水稻OsCPK基因在明恢63、珍汕97和汕优63三个水稻品种27个不同表达时期和组织中以及GA_3、KT、NAA三种激素处理的表达谱,所有31个OsCPK基因都能在芯片上找到对应的探针,它们都在至少一个检测组织中有表达。 4.OsCPK2、OsCPK11、OsCPK14等8个基因在花粉中特异表达,它们可能在花粉发育中起重要作用。OsCPK7、OsCPK12、OsCPK23等基因在胚乳中高表达,它们可能和种子发育有关。 5.在3种激素处理中,一些OsCPK基因也受它们上调表达,如OsCPK5在这3种激素处理后,表达量都有所上升。 人口不断增长以及可利用耕地的减少,使粮食安全受到前所未有的威胁。因此,改善作物的光合性能,突破产量限制是农业研究的重要研究方向。通过克隆C_4植物中C_4途径基因,导入水稻,创造C_4水稻,已经成为研究热点。单细胞C_4植物的存在,是将C_3植物改造成C_4植物的理论基础。本研究首次将克隆到的单细胞C_4植物黑藻的Hvppc2基因的cDNA导入水稻中,并在rbcS启动子驱动下,成功地在水稻中表达,并对转基因植株进行了一系列的光合测定和生理测定。 1.获得的转Hvppc2基因水稻的PEPC酶活是野生型植株酶活的1-4倍,而NADP-ME和PPDK酶活没有改变。 2.PEPC酶活高的转Hvppc2基因植株在高光强下有更高的净光合速率,但转基因植株的暗呼吸和原种没有差异。 3.在PEG-6000模拟干旱胁迫下,转Hvppc2基因植株的脯氨酸含量提高,但可溶性糖含量,MDA含量和SOD活性没有明显改变,说明转Hvppc2基因水稻存在潜在的抗旱能力。 4.在大田种植条件下,除株高相对变矮外,转基因植株的其它农艺性状没有明显改变,和原种相比,单株产量没有差异。


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