基本信息
- 项目名称：
- 陆地棉苯丙氨酸解氨酶基因的克隆及对盐胁迫的响应
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 苯丙氨酸解氨酶(PAL)是普遍存在于高等植物中的苯丙氨酸代谢途径的关键酶和限速酶系，对植物生长发育、抗病、抗逆及构成植物支撑系统等方面具有重要意义，在医药、保健和食品工业等领域的研究具有诱人的应用前景。本作品在生物信息学分析基础上，克隆得到两条陆地棉苯丙氨酸解氨酶基因的cDNA序列并对不同盐浓度胁迫下棉花叶中PAL活性检测，为研究该基因的功能和利用该类基因进行陆地棉抗逆性改良提供了重要参考。
- 详细介绍：
- 在生产中陆地棉的抗病性、抗旱耐盐能力等是影响其产量的主要因素，深入研究其抗逆机理并对抗逆能力进行遗传改良对推动棉花抗逆性的提高、产量的增加以及品质的改善具有重要意义。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是普遍存在于高等植物中的苯丙氨酸代谢途径的关键酶和限速酶系，对植物生长发育、抗病、抗逆及构成植物支撑系统等方面具有重要意义，在医药、保健和食品工业等领域的研究具有诱人的应用前景。目前国内外已对拟南芥、烟草等多种植物的PAL基因序列和蛋白质特性分析，然而还未见有关棉花PAL的基因克隆与表达等分子生物学研究报道。本作品在生物信息学分析基础上，克隆得到两条陆地棉苯丙氨酸解氨酶基因的cDNA序列，分别命名为GhPAL1和GhPAL2。推断两基因的编码产物均由721个氨基酸残基组成，同源性为91.3%，分子量约78 kD，pI值6.17。蛋白功能域分析显示该序列包含HAL和Tyr-2-3变位酶两个功能域，主要活性中心序列GTITASGDLVPLSYIA位于第203-218氨基酸范围内。氨基酸序列的聚类分析表明GhPAL1和GhPAL2与拟南芥、烟草等八种植物中的PAL蛋白同源性在80%以上，说明该类基因在植物中有高度保守性。对不同盐浓度胁迫下棉花叶中PAL活性检测，表明50 mmol/L NaCl处理可提高PAL的活性，而高浓度则抑制了PAL活性，暗示了PAL活性的提高，有助于植物适应逆境胁迫。本作品为研究该基因的功能和利用该类基因进行陆地棉抗逆性改良提供了重要参考。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品的目的是克隆得到棉花苯丙氨酸解氨酶基因并研究其活性在盐胁迫下的变化。 基本思路是首先在电子克隆的基础上获得棉花PAL基因信息；再通过实验方法克隆得到PAL基因的cDNA序列；完成序列的生物信息学分析；最后测定了盐胁迫条件下棉花叶片中PAL活性的变化，明确PAL对盐胁迫的响应趋势。
科学性、先进性及独特之处
- 分子生物学与生物信息学是当前生命科学领域中先进的研究技术，在生命科学研究中被广泛应用。本作品在电子克隆的基础上，通过实验对电子克隆的结果进行验证和进一步的分析，体现了实验科学的严谨性。此外，本作品利用生命科学中分子生物学、生物信息学、植物生理学等多学科的技术进行研究，内容丰富、手段先进，结果可靠，特别是棉花PAL基因尚未见公开的报道，具有重要的学术价值。
应用价值和现实意义
- 棉花是世界上最重要的纤维作物之一，在生产中棉花的抗病性、抗旱耐盐能力等是影响其产量的主要因素。分子生物学和生物信息学的发展，为大幅度提高棉花的耐盐性提供了新的方法和理论基础。本实验在利用生物信息学方法的基础上进行棉花苯丙氨酸解氨酶基因的克隆与序列分析，并测定在盐胁迫过程中其酶活性的变化，为研究该基因的功能和为利用该类基因在棉花中高效表达来提高棉花的抗逆性，改良棉花的品质提供理论基础。
学术论文摘要
- 在生物信息学分析基础上，克隆得到两条陆地棉苯丙氨酸解氨酶基因的cDNA序列，分别命名为GhPAL1和GhPAL2。推断两基因的编码产物均由721个氨基酸残基组成，同源性为91.3%，分子量约78 kD，pI值6.17。蛋白功能域分析显示该序列包含HAL和Tyr-2-3变位酶两个功能域，主要活性中心序列GTITASGDLVPLSYIA位于第203-218氨基酸范围内。氨基酸序列的聚类分析表明GhPAL1和GhPAL2与拟南芥、烟草等八种植物中的PAL蛋白同源性在80%以上，说明该类基因在植物中有高度保守性。对不同盐浓度胁迫下的棉花叶中PAL活性检测，表明50 mmol/L NaCl处理可提高PAL的活性，而高浓度则抑制了PAL活性，暗示了PAL活性的提高，有助于植物适应逆境胁迫。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 生物信息技术：DNAMAN美国Lynnon Biosoft公司开发的高度集成化的分子生物学应用软件，包换多重序列对齐、PCR引物设计、限制性酶切分析、蛋白质分析、质粒绘图等。 多重序列分析：可以采用ClustalW的方法进行 多重序列比对，构件系统进化树。 电子克隆技术:不经实验室工作，将网络中的数据资料进行整理、分析和拼接，得到新基因全长序列，并对其推导蛋白的结构和功能作初步预测。 紫外-可见吸收光谱分析技术 文献 胡德华.张洁.方平. 生物信息数据库调查分析及其利用研究.[期刊论文]-生物信息学, 2005 韩琳娜，张永清.生物技术在忍冬属植物研究中的应用. 生物技术通报, 2010
同类课题研究水平概述
- 据联合国教科文组织(UNESCO)和粮农组织(FAO)不完全统计，全世界不同程度盐渍化土地面积约9．54亿公顷。我国盐渍地0．818亿公顷，其中15亿亩耕地中约有1亿亩是盐渍化耕地。干旱地的盐渍化是另一个严峻的问题，在某些地区尤为突出。随着人口增长以及水资源的匮乏，提高水资源的利用效率、充分开发和有效利用盐渍化土壤资源己成为关系国计民生的重要课题。 目前，主要通过两种方式来开发和利用盐渍土，一是通过工程措施来改良土壤，如通过合理灌溉、淡水洗盐、施用化学改良试剂等措施改良土壤。虽然这些措施取得了一些效果，但是耗资巨大，难以持久，副作用明显。如利用淡水洗盐时，在洗去Na+、Cl-等盐离子的同时，土壤中一些植物必需的矿物质元素如N、P、K、Fe、Mg、Zn等也同时被洗去，并引起次生盐渍化大面积发生。而且，这种措施需要大量的淡水，在淡水资源日益匮乏的今天，实施难度也越来越大。二是开展生物治理和开发利用，即利用生物技术培育耐盐性作物新品种来达到开发利用盐渍土的目的，被人们寄予厚望，是未来农业发展的重大课题之一。利用生物技术培育优质、高产、耐盐的作物品质，必须首先对植物的抗盐或耐盐机制有一定的了解，同时还要克隆到可供利用的相关基因。自二十世纪初以来，国内外学者已经从各个角度对植物抗盐胁迫的生理机制和分子机理进行了深入研究，从最初的生理现象的研究到生态、遗传的研究，再到生理生化、代谢的研究，己积累大量的资料，但盐胁迫的机制是相当复杂的，人们对植物抗盐胁迫的分子机理的认识比较模糊，在改良作物耐盐性方面的结果还不很理想。随着分子生物学与现代生物技术的发展，以及对拟南芥和水稻等模式植物的深入研究，关于植物抗胁迫的分子机理方面的信息越来越多，为揭示植物耐盐实质及通过克隆更多的耐盐相关基因，培育高度耐盐的作物新品种提供了新的思路、新的方法与材料。 到目前为止国内外已对拟南芥、烟草、甘蓝型油菜、胡萝卜、百脉根、毛果杨、桑树、长春花等多种植物进行了PAL基因序列和蛋白特性分析，研究表明，该基因普遍特点是由小的多基因家族组成，而且在植物体内的表达具有环境和组织特异性。但尚未见到有关棉花PAL基因在盐胁迫下的表达特异性及其基因序列分析的报道。
