草甘膦抗性候选基因的克隆与表达研究

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草甘膦是是由美国孟山都公司开发的在世界农业中具有跨时代意义的一种高效、低毒、广谱、内吸的非选择性灭生除草剂,其市场化应用不仅提高了农业生产率,为农民带来了极大便利,也改变了现代农业的发展方向。草甘膦通过茎叶吸收后传导到植物各部位能有效防除绝大多数一年生及多年生杂草,但由于其具有广谱和非选择性的特点,在杀死杂草的同时对农作物也具有毒害作用。抗草甘膦作物的种植,不仅能够使草甘膦有效防除杂草,提高劳动生产力,降低种植成本,同时能够保护作物免受草甘膦的伤害,具有重要的经济价值。因此,抗草甘膦基因的挖掘和筛选对抗草甘膦作物新品种的培育具有重要意义。从抗草甘膦微生物中分离抗性基因并转入作物中是培育抗草甘膦品种的一个十分重要的途径。本研究从受草甘膦极端污染的污泥中筛选到一株高抗草甘膦真菌串珠状赤霉(Gibberella moniliformis),对其进行了形态学鉴定、生物学分类和培养条件的优化,构建了菌株的基因组文库,首次分离到抗草甘膦基因EPSPS,并经原核表达验证其具有抗草甘膦功能。同时分离出aroM基因,并对其各组成基因进行草甘膦诱导后的荧光定量表达分析,旨在为培育转基因抗草甘膦作物提供抗性基因资源。主要研究结果如下:1.利用瓶培养富集技术,将一株抗草甘膦浓度高达600mM的真菌从生产草甘膦工厂排污口的污泥中筛选出,此菌株被命名为ND-H。结合形态学观察、18S rDNA序列多样性分析和5.8S rDNA-ITS序列多样性分析,将ND-H鉴定为串珠状赤霉(Gibberella moniliformis)。采取称干重法测定菌株随时间变化和不同培育条件下的生长量,表明其在液体培养基中的对数生长期为24h-84h,最适生长温度为28℃,最适环境pH值为7.0。2.用CTAB法提取并纯化了菌株ND-H的基因组DNA,构建基因组文库,原始文库滴度为2.25×106cfu/mL,库容为2.25×106cfu,插入片段范围为1kb-3kb,主要集中在1kb附近,经鉴定文库质量符合建库标准,可用于抗性基因筛选。成功筛选到EPSPS基因,系统发育树进化研究表明该基因属于EPSPS I型基因(草甘膦天然敏感型EPSP合酶)。3.将EPSPS转入大肠杆菌BL21(DE3)中,使大肠杆菌对草甘膦的抗性从原来的40mM提高到80mM,高于空质粒阴性对照,这说明重组质粒转化大肠杆菌后在其体内表达成功,提高了大肠杆菌对草甘膦的抗性。4.克隆得到了串珠状赤霉aroM基因,核苷酸序列长度为4665bp,共编码1554个氨基酸,等电点(pI)为6.05,理论分子量是169.025kDa,与尖孢镰刀菌的aroM基因序列亲缘性最近。利用实时荧光定量PCR对aroM组成基因aroB、aroA、aroK、aroD、aroE的表达分析结果表明,各基因的表达趋势一致,其中EPSPS(aroA)基因经草甘膦诱导后的上调表达明显。
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