大豆中疫霉诱导性启动子的克隆与功能研究

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由大豆疫霉(Phytophthorasojae)引起的大豆根、茎、苗和种子的腐烂病,严重影响大豆的产量和质量,造成巨大经济损失。目前生产上主要采用种植抗病品种来控制该病害,但传统育种存在抗病材料的匮乏、育种周期长以及病原菌的快速变异导致的抗病基因时效变短等问题,因此抗病转基因育种将是一种有效的手段,而在转基因过程中,过量表达目的基因会引起植物的正常生长与发育,所以利用病原诱导性启动子是抗病转基因育种的一个关键环节。本研究利用四个不同大豆品种在大豆疫霉侵染过程中全基因表达谱的芯片数据,筛选了疫霉诱导早期快速上调表达的基因,并对其中的三个基因的启动子进行了功能分析,并鉴定了它们的关键调控元件。主要包括以下研究内容:  大豆中疲霉诱导性基因的筛选:植物在病原菌侵染时,会调控许多基因的表达来参与防卫反应。根据已报道的大豆受疫霉侵染的全基因表达谱数据结果,通过T测验和SAM测验方法,筛选大豆中疫霉诱导表达基因,初步获得198个基因EST,并分析对应到大豆基因组中180个差异表达基因。进一步寻找这180个基因中上调表达更显著的42个基因,通过qRT-PCR的方法验证这42个基因,鉴定到了8个在大豆疫霉侵染的初期快速上调表达的基因,为进一步研究疫霉诱导性启动子提供了实验材料。  疫霉诱导性基因GmaPPO12启动子的研究:根据疫霉诱导性基因筛选的结果,克隆了一个大豆多酚氧化酶(GmaPPO12)基因,发现该基因对激素诱导不敏感。对启动子区(转录起始位点上游1500bp)的生物信息学分析发现该启动子包含很多已报道的病原诱导性顺式元件。该启动子融合GUS报告基因,在烟草瞬时表达和大豆根毛稳定转化系统中,均能在大豆疫霉的诱导下快速驱动报告基因的上调表达,且其受诱导强度强于已知的PR1a基因。启动子的缺失分析最终鉴定到了一个113bp的疫霉诱导片段。全长启动子及该片段均能驱动INF1在侵染点引起特异性细胞死亡。  疫霉诱导性基因GmaKSTI20启动子的功能分析及人工启动子的构建:依据疫霉诱导性基因筛选的结果,我们克隆了大豆中一个胰蛋白酶抑制子基因(GmaKSTI20),该基因启动子区包含很多已报道的病原诱导性顺式元件。将该启动子融合GUS报告基因后,能在烟草瞬时表达和大豆根毛稳定转化系统中介导疫霉诱导的报告基因表达,且其受诱导强度强于已报道的PR1a基因。启动子的缺失分析最终鉴定到了一个受疫霉诱导的122bp的高活性片段。将该片段与前一章鉴定到的113bp活性片段进行人工组合,发现虽然活性依然很高但是相对与单体没有大幅的提高。进一步人工合成该片段的四个重复单元4XD,发现能高效的驱动报告基因的诱导表达,并且能驱动INF1在侵染位点特异性细胞死亡。  疫霉诱导性基因GmaDRRP启动子的功能初探:依照疫霉诱导性基因筛选的结果,我们克隆了大豆中一个受疫霉诱导表达的GmaDRRP基因启动子区(转录起始位点上游的1500bp),发现该区域也包含很多逆境反应相关顺式元件。进一步通过烟草瞬时转化和大豆根毛稳定转化体系研究该启动子的功能。结果表明,GmaDRRP基因启动子能在不同的转化体系中在疫霉的诱导下驱动报告基因的表达。根据预测启动子区顺式元件的位置,做缺失突变,没有找到活性相对较高的区域或片段。以上结果表明,大豆的抗病反应蛋白基因GmaDRRP启动子为疫霉诱导性启动子。  通过上述研究,我们在大豆中获得了7个疫霉早期诱导性基因;对其中3个基因启动子进行了功能分析,并验证其为疫霉诱导性启动子;进一步对3个启动子进行缺失突变分析,获得了2个疫霉诱导性小片段,分别人工组合或合成疫霉诱导性启动子,获得了一个高效的疫霉诱导性人工合成启动子4XD。并对其应用进行了初步分析,发现它们能驱动INF1在侵染点特异性细胞死亡,本研究有望为大豆抗疫霉基因工程和其它作物抗卵菌基因工程提供有应用潜力的启动子。
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