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硫是继氮磷钾之后第四大植物所必需的营养元素,植物体内的许多含硫有机化合物参与了重要的生理生化反应,对植物的生长发育以及抵御环境胁迫起重要作用。硫同化代谢分为硫的吸收,还原合成Cys以及合成含硫次生代谢产物三大步。在硫的同化代谢途径中,硫转运蛋白负责硫的吸收与体内的转运。大豆(Glycine max(L.)Merr.)是一种重要的经济作物,为人类提供丰富的植物性蛋白和脂肪,但氨基酸含量不均衡,其中含硫氨基酸的含量就很低,这限制了其营养价值。研究硫代谢及其调控的分子机制,希望通过基因工程方法调节硫代谢途径的SO42-流的分布,为提高含硫氨基酸含量提供依据。本研究利用生物信息学分析方法,借助大豆基因组数据库信息,在全基因组水平上鉴定了 28个大豆SULTR候选基因,并分别对其进行命名。大豆与拟南芥的同源基因蛋白序列同一性在53%～77%之间,相似性在69%～87%之间。对大豆SULTR蛋白序列与已知的拟南芥SULTR序列聚类分析,将这些基因划分为4个亚家族,SULTR1～SLUTR4,其中SULTR1有6个基因,SULTR2有7个基因,SULTR3有13个基因,SULTR4有2个基因。这些基因分别分布在大豆的15条染色体上。各个亚家族间的序列遗传距离,SULTR1与SULTR2最近,为0.691,而SULTR4与其它亚家族的遗传距离都大,甚至大于1。SULTR1～SLUTR4亚家族的基因组序列长度为4232～10003 bp,cDNA序列长度为1794～2603 bp,编码457～702个氨基酸,蛋白的分子量为42.99-76.98kDa,等电点为9.06-10.5。SULTR1～SLUTR4亚家族的所有成员都有12个跨膜结构,在N端有一个富含极性氨基酸的保守基序,在C端有一个保守的STAS结构域。克隆了 GmSULTR1;2a,GmSULTR1;3a,GmSULTR2;3,GmSULTR3;4d,GmSULTR4;2 5个基因,对其基因序列进行了分析。构建了 GmSULTR1;2 a,GmSULTR1;3a,GmSULTR2;3与GmSULTR3;4d 4个基因的植物表达载体,进行洋葱表皮细胞瞬时表达,4个基因编码的蛋白质定位在质膜上,说明这四个蛋白是膜蛋白。另外,构建了GmSUL TR2;3基因的酵母表达载体进行酵母突变体互补实验,转化了GmSULTR2;3的CP154-7A酵母突变体能在以SO42-为硫源的YNB培养基上正常生长,而突变体却不能正常生长。这说明了 GmSULTR2;3是具有S042-转运活性的转运蛋白。利用GEO和EMBL-EBI数据库中的基因芯片数据分析研究了部分SULTR基因在不同组织中,以及在根瘤菌、疫霉菌及锈菌侵染生物胁迫与在淹水、干旱和低温非生物胁迫时的表达模式。结果发现GmSULTR1;2b在根中特异表达。GmSULTR1;1b基因在根,叶和花中都有表达。SULTR2亚家族的GmSULTR2;1b在根,叶及种皮薄壁组织中有较高表达,GmSULTR2,;2b在叶与种皮糊粉层及薄壁组织中表达量较高。大豆SULTR3的7个基因在种子的不同部位表达,其中GmSULTR3;4a在根中特异表达,GmSULTR3;5a在种皮滴漏细胞,花粉及根中表达。侵染根瘤菌时GmSULTR2;3,GmSULTR3;4a及GmSULTR3;5a 3个基因的表达量明显上调,说明它们可能负责把SO42-转运到根瘤中。侵染疫霉菌6～12h时,大豆SULTR基因中至少有7个基因的表达量发生改变。侵染锈菌时,抗性品种PI4590258中至少有6个SULTR基因的表达量下调,而非抗性品种Williams中SULTR基因的表达量没有变化。受到淹水、干旱和低温非生物胁迫时,SULTR2和SULTR3亚家族中许多成员的表达量变化较大。缺硫处理5d时,GmSULTR·;1b和GmSULTR1;3a在叶中的表达量明显上升,缺硫1d时,GmSULTR1;2a和GmSULTR1;2b在根中表达量提高,但随着缺硫时间的延长表达量随着降低。在0.2 mM金属镉处理时,GmSULTR1;1b受镉诱导,表达量提高,GmSULTR1;3a在3d时表达有所提高,GmSULTR1;2b的表达变化不大,而GmSULTR1;2a的表达量下降。总而言之,大豆SULTR基因可以不同程度的响应环境胁迫。GmSULTR1;2b在根中特异表达,能响应环境胁迫。我们从大豆(cv.N2899)根中克隆了该基因,并进行了序列分析和功能研究。GmSULTR1;2b的CDS全长为1980 bp,编码659个氨基酸,有12个跨膜结构,在C端有一个STAS结构域。亚细胞定位在质膜上,能互补CP154-7A酵母突变体,在以S042-为唯一硫源的YNB培养基上正常生长。通过Gateway系统构建植物表达载体pMDC83-GmSULTR1;2b转化烟草,进行功能验证。结果表明,与对照烟草相比较,过表达GmSULTR1;2b转基因烟草根中的SO42-含量,植株干物质中的总硫含量,叶片中的含硫氨基酸含量,可溶性总蛋白含量更高。另外,过表达GmSULTR1;2b转基因烟草的叶绿素含量和净光合速率也有所提高。对转基因烟草的生物量和种子的千粒重进行测定,与对照相比,转基因烟草的生物量显著提高,种子的千粒重提高8%左右。这些结果说明GmSULTR1;2b是具有功能的硫转运蛋白,参与SO42-的吸收,促进硫同化代谢,过表达时可以提高植物含硫氨基酸含量及产量。