基本信息
- 项目名称：
- 杨树单宁合成途径中关键酶基因LARs的克隆及功能解析
- 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：
- 本研究在分析杨树基因组序列的基础上，采用RT-PCR方法分离杨树中原花色素还原酶基因家族的3个LAR基因，比较序列同源性，分析其组织表达特性，并通过转基因方法在毛白杨中验证了LAR基因的功能，探讨了该基因与杨树抗病性之间的关系，筛选出抗病转基因材料，为将来培育抗真菌病杨树品种奠定基础。
- 详细介绍：
- 杨树是重要的造林绿化、工业用材树种。目前大规模种植的杨树林已带来了明显的生态、经济和社会效益。然而，由于杨树栽培品种单一，病虫害的发生日益严重。叶锈病、黑斑病等真菌病是杨树生长过程中的主要病害，严重影响我国人工种植杨树的品质和产量，目前仍未找到真正有效的手段来控制该类病害。如何控制杨树的真菌病已成为杨树育种中亟待解决的问题。 当植物处于逆境状态或受胁迫时，会通过自身调控，合成一系列抗胁迫的次生代谢产物以适应环境，其中类黄酮化合物—缩合单宁就是杨树中非常重要的一类抗胁迫物质。在杨树中，缩合单宁含量的多少直接影响其对病虫害抗性的强弱。 为了搞清杨树中缩合单宁生物合成途径，在生物信息学分析基础上，本项目采用RT-PCR方法克隆杨树中单宁合成途径中的关键酶基因—原花色素还原酶基因家族的3个基因LAR1、LAR2和LAR3，分析组织表达特征，并通过转基因技术，在毛白杨中鉴定LARs基因的功能，阐明LARs的表达水平与缩合单宁积累量的关系，最后通过抗病实验，明确杨树中原花色素还原酶LAR的活性与真菌病害抗性之间的关系，筛选出抗病转基因材料，为将来培育抗真菌病杨树品种打下基础。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 基本思路：LARs的序列比对和进化分析；RT-PCR方法获得杨树中原花色素还原酶基因家族的3个LAR基因；植物表达载体的构建；转基因毛白杨植株的获得；在转基因毛白杨植株中验证LARs基因的功能。 目的：通过转基因方法在毛白杨中验证LARs基因的功能，探讨该基因与杨树抗病性之间的关系，为培育抗真菌病杨树品种奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：通过分子克隆和转基因技术，在毛白杨中鉴定LARs基因的功能，有利于阐明缩合单宁的抗病机制和推动分子育种工作。 先进性：本项目综合运用了生物信息学、分子生物学、生物化学等学科的理论和方法，获得了超量表达的转基因毛白杨株系，抗病试验结果显示其对杨树主要病害—黑斑病具有一定抗性。 独特之处：原花色素还原酶基因LARs是单宁合成途径中的关键酶基因，在杨树中该基因的功能尚未被研究。
应用价值和现实意义
- 现实意义: 本研究阐明了LARs基因的功能，并通过转基因技术，提高了杨树的抗病性，筛选出抗病转基因材料，为将来培育抗真菌病杨树品种打下基础。 实际应用价值：杨树是重要的工业用材树种，也是林木研究中的模式植物。缩合单宁是植物中非常重要的一类抗胁迫物质。在毛白杨中超量表达LARs可明显提高缩合单宁的合成量，从而提高其对真菌病的抗性。对木本植物通过转基因方法提高其抗性的研究有重要参考价值。
学术论文摘要
- 本项目在克隆杨树单宁合成途径中关键酶—原花色素还原酶基因家族所有的3个基因LAR1、LAR2和LAR3的基础上，进行了基因同源性比对及进化分析，结果显示3个基因具有较高的相似性。荧光定量PCR分析LAR基因的组织特异性表达发现，它们均在根中大量表达。将LAR基因通过根癌农杆菌介导转化毛白杨后，测定转基因植株中原花色素还原酶的产物—缩合单宁的含量发现，超量表达LAR1，LAR2和LAR3均导致植株中单宁含量的显著增加，其中过表达LAR3的转基因植株提高效果最为明显，显示这些基因均参与了单宁的生物合成。抗病试验结果表明，超量表达LAR3基因显著提高了杨树的黑斑病抗性，该结果证明LAR基因与杨树抗病性之间存在一定关系。
获奖情况
- 暂无
鉴定结果
- 杨树单宁合成途径中的关键酶基因-无花色素还原酶基因LARs的功能无人研究，该项目在克隆该基因的基础上研究其功能，具有重要的意义。
参考文献
- De-Yu Xie, Shashi B. Sharma and Richard A. Dixon.Anthocyanidin reductases from Medicago truncatula and Arabidopsis thaliana [J].Archives of Biochemistry and Biophysics,2004,422(1):91-102. Tuskan G A, Difazio S, Jansson S, et al. The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa(Torr＆Gray)[J]. Science, 2006,313(5793) : 159621604. Chung-Jui Tsai , Walid El Kayal , Scott A. Harding. Populus, the New Model System for Investigating Phenylpropanoid Complexity[J]. International Journal of Applied Science and Engineering,2006,3:221-233.
同类课题研究水平概述
- 杨树已被广泛接受为林木基因组研究的模式树种,因为杨树基因组( 480Mb)较小, 相当于水稻基因组大小;杨属植物有丰富的遗传多样性；多种杨树已建立了高效、稳定的遗传转化系统；大多数杨树可以无性繁殖且生长迅速,是中纬度地区广泛栽培的工业用材树种,有重要的经济价值。杨树全基因组测序的完成（2004），实现了多年生林木树种基因组的首次破译，为研究林木的独特生长发育性状奠定了坚实的基础。 单宁作为植物中常见的类黄酮次生代谢产物，其生理功能已得到验证，并广泛运用于生产中，因而，对单宁代谢途径的研究已成为目前植物学研究领域的又一热点。单宁的生物合成是通过莽草酸途径产生的苯丙氨酸经一系列反应最终形成，由众多酶参与。Morris等（1997）将参与单宁生物合成的关键酶基因DFR（二氢黄酮醇-4-还原酶基因）转入苜蓿，改变了单宁的组织分布，并增加了苜蓿的单宁含量。LAR是单宁合成途径中的关键酶，它决定了花色素生成儿素或表儿茶素,儿茶素是缩合单宁的基本单位。马春雷等（2007）的分析表明，在茶树类黄酮代谢途径中LAR和DFR是主导儿茶素合成的两个关键酶。缩合单宁在杨树中含量丰富，约占其干重的18%。落叶中缩合单宁的含量及聚合程度直接影响土壤的肥沃和钙化程度，此外还与植物抵御毒害金属元素有关。次生代谢产物在植物抗胁迫方面有着重要作用。已有研究表明，植物中单宁以高浓度、高剂量方式防御病虫害，因而常把植物中单宁的含量作为树种的抗性指标。李春明等（2007）测定了不同环境温度下杨树中缩合单宁含量的变化，认为杨树能在气温骤降时提高缩合单宁的含量以增强对不利环境的适应性。孙萍等（2008）研究了杨树中单宁含量与青杨天牛危害的关系，认为单宁是抵抗害虫侵害的一种防御性物质。 基因工程加快了毛白杨抗逆性及生长发育性状的改良，对转基因毛白杨进行严格地监控、合理地利用将带来可观的经济价值。目前，毛白杨自身抗逆性相关基因的研究已成为研究新趋势，与毛白杨抗性相关功能基因的研究不仅加深了对杨树生长发育机理的认识，同时推进了林木生长发育机理的研究，加快了林木品种改良的进程。
