基本信息
- 项目名称：
- 超表达MfCOR1提高转基因烟草抗寒性和生物量
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品从非常耐寒的黄花苜蓿中克隆了一个响应低温的未知功能基因cDNA全长，暂命名为MfCOR1。该蛋白高度亲水，N-端含有叶绿体信号肽，推测该蛋白存在于叶绿体基质中。对其过量表达的转基因烟草进行抗寒性鉴定和生长状况分析，结果表明，MfCOR1是一个新的耐寒基因，可能与光合系统的运输与调控有关，提高植物的光合速率，促进植物苗期的生物量积累。本研究为经济作物的基因工程育种提供了具有知识产权的新基因，具有应用于经济作物分子育种的价值和潜力，具有难以估计的潜在经济效益。
- 详细介绍：
- 黄花苜蓿是一种非常耐寒的豆科牧草，是苜蓿抗性育种的重要基因库。本研究从低温处理的黄花苜蓿中克隆了一个响应低温的未知功能基因cDNA全长。在GenBank中尚无与其同源性高的序列，将编码该蛋白的基因暂命名为MfCOR1。该蛋白高度亲水，N-端含有叶绿体信号肽，推测该蛋白存在于叶绿体基质中。通过半定量RT-PCR分析了该基因在低温胁迫下的表达规律，初步证明MfCOR1是低温诱导基因。构建了超表达载体pBI-MfCOR1，并通过农杆菌介导法转化烟草获得了转基因植株，经过PCR检测和Southern杂交分析表明转基因植株来自不同的转化事件。选择其中3个单位点的转基因株系T1代幼苗进行Southern杂交和RT-PCR检测，结果表明转基因能稳定遗传并表达。对这3个转基因株系T1代幼苗进行了抗寒性鉴定，表明转基因烟草抗寒性显著提高。转基因株系还表现为正常生长条件下苗期生物量显著增大，这与其具有更高的光合速率有关。研究结果表明，MfCOR1是一个新的耐寒基因，可能与光合系统的运输与调控有关，提高植物的光合速率，促进植物苗期的生物量积累。本研究为经济作物的基因工程育种提供了具有知识产权的新基因，具有应用于经济作物分子育种的价值和潜力，具有难以估计的潜在经济效益。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究以从非常耐寒的黄花苜蓿中克隆并且鉴定耐寒基因为目的，以进一步将耐寒基因应用到农作物的基因工程改良中为长远目标，克隆了一个响应低温的未知功能基因cDNA全长，暂命名为MfCOR1，对其过量表达的转基因烟草进行抗寒性鉴定和生长状况分析，以筛选出性状优良的转基因烟草。同时，本研究为利用该耐寒基因改造其他经济作物提供有益的探索。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：实验设计合理、严密；方法正确、先进；研究结果可靠。 先进性及独特之处： 1. 以实验手段从黄花苜蓿中克隆到目的基因，并利用GenBank进行比对，发现它是一个新的耐寒基因MfCOR1。 2. 通过基因表达分析和转基因植物手段证明其是耐寒基因，并观察到其在烟草表达后不仅能提高转基因烟草抗寒性，还引起了生长量增加及光合速率提高，很有应用前景，这在过去报道的其他耐寒基因中是很少见的。
应用价值和现实意义
- 低温是制约植物生长、降低其产量的非生物因素之一；光合作用是决定作物产量的重要因素之一，光合速率直接关系到作物产量。本研究从非常耐寒的黄花苜蓿中克隆了一个新的耐寒基因MfCOR1，发现其在烟草过量表达后提高了植株的抗寒性、生物量和光合速率。本研究为基因工程育种提供了具有知识产权的新基因，具有应用于经济作物分子育种的价值和潜力；同时，所获得的提高了抗寒性和生物量的转基因烟草可进一步应用到烟草育种中。
学术论文摘要
- 本研究从非常耐寒的黄花苜蓿中克隆了一个响应低温的未知功能基因cDNA全长，其编码一个由192个氨基酸组成的蛋白。在GenBank中尚无与该蛋白同源性高的序列，将该基因暂命名为MfCOR1。该蛋白高度亲水，N-端含有叶绿体信号肽，推测其存在于叶绿体基质中。通过半定量RT-PCR分析了该基因在低温胁迫下的表达规律，初步证明其是低温诱导基因。构建了超表达载体pBI-MfCOR1，通过农杆菌介导法转化烟草获得了转基因植株，经过PCR检测和Southern杂交分析表明转基因植株来自不同的转化事件。选择其中3个单位点的转基因株系T1代幼苗进行Southern杂交和RT-PCR检测，结果表明转基因能稳定遗传并表达。进一步比较了低温胁迫对转基因株系T1代幼苗及其野生型对照的影响，转基因株系相对电导率的升幅和净光合速率的降幅均低于野生型，表明提高了抗寒性。转基因株系还表现为正常生长条件下苗期生物量显著增大，这与其具有更高的光合速率有关。研究结果表明，MfCOR1是一个新的耐寒基因，可能参与叶绿体光合作用，提高光合速率，促进苗期的生物量积累，是很有应用潜力的新基因，可应用于改良农作物的抗寒性和提高产量。
获奖情况
- 2009年5月获第十届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
鉴定结果
参考文献
- 韩瑞宏, 卢欣石, 余建斌等. 苜蓿抗寒性研究进展. 中国草地, 2005, 27(2): 60-65 蔺忠龙, 李维薇, 白现广等. 植物抗冻基因最新研究进展. 北方园艺, 2009, (1): 119-123 Fowler S, Thomashow M. Arabidopsis transcriptome profiling indicates that multiple regulatory pathways are activated during cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway. Plant Cell, 2002, 14(8): 1675-1690 Guo Z, Bonos S, Meyer W, et al. Transgenic creeping bentgrass with delayed dollar spot symptoms. Mol Breeding, 2003, 11(2): 95-101 Pennycooke J, Cheng H, Stockinger E, et al.Comparative genomic sequence and expression analyses of Medicago truncatula and alfalfa subspecies falcata COLD-ACCLIMATION-SPECIFIC genes. Plant Physiol, 2008, 146: 1242–1254 Pang C, Wang C, Chen H, et al. Transcript profiling of cold responsive genes in Medicago falcata. In: T. Yamada, G. Spangenberg (eds.) Molecular Breeding of Forage and Turf: The Proceedings of the 5th International Symposium on the Molecular Breeding for Forage and Turf. Springer, 2008, 141-149
同类课题研究水平概述
- 在拟南芥和水稻等模式植物基因组及其功能基因组研究取得突破后，对植物响应逆境机制的研究也取得了进展。近年来对模式植物和重要经济作物响应低温胁迫的专题组研究证明，数百个基因的表达在低温胁迫后会发生变化，多条调节途径参与了植物抗寒性的调控。随着分子生物学研究技术的发展，揭示植物耐寒分子机制，分离和鉴定耐寒基因，有利于广泛开展抗寒基因工程的研究与应用，以求有效地提高植物的抗寒性，减少低温伤害造成的经济损失，具有重要科学意义与潜在应用价值。 苜蓿是最重要的温带豆科牧草，对苜蓿低温胁迫的研究过去主要着重于形态结构、生理特性以及不同抗性品种比较等方面，而耐寒分子机制方面研究不多。在紫花苜蓿和黄花苜蓿已鉴定过几个低温驯化特异基因（cold acclimation- specific）,包括cas15、cas18、msaCIC等，并证明低温通过Ca2+信使诱导cas15基因的表达，进一步研究揭示Ca2+通过使蛋白磷酸酯酶失活诱导cas15的表达。最近，通过对截型苜蓿和黄花苜蓿cas15和cas30的启动子比较分析，解释了这两个基因在两种耐寒性差异较大的材料间响应低温表达差异的原因，可能与CRT/DRE调控元件在启动子区的拷贝数有关。但总的来说，目前对已鉴定的少数几个cas基因的功能及其调控耐寒性的机制仍不清楚。 黄花苜蓿（Medicago falcalta L.）起源于西伯利亚，具有非常强的耐寒性，是苜蓿抗性育种的重要基因库。黄花苜蓿草质优良，适口性好，是我国北方寒冷地区的主要优良牧草之一，具有重要的饲用价值、遗传育种价值和生态价值。但目前国内外对黄花苜蓿耐寒分子机理研究很少，仅有个别研究报道。在本实验室已构建了黄花苜蓿响应低温的cDNA消减文库基础上，本研究从该cDNA文库中选择的一个未知功能基因，对其cDNA全长的分离、响应低温的诱导表达、提高转基因植物抗寒性等方面开展了研究。
