核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是光合作用中决定碳同化速率的关键酶,其中小亚基(rbcS)是由核基因编码,并且主要在叶片中表达.利用RT-qPCR技术确定了小黑杨(Populus×xiaohei)叶片中高表达的Rubisco小亚基基因PxrbcS1和PxrbcS2基因,并克隆了其上游2 240、2 174 bp的启动子.对其进行启动子元件分析结果表明,PxrbcS1和PxrbcS2的启动子具有多个与光诱导表达相关的元件,例如G-box、MRE和Box 4等元件.构建pBI-121-pPxrbcS1::GUS和pBI-121-pPxrbcS2::GUS植物表达载体并遗传转化84K杨(P.alba× P.glandulosa).GUS组织化学染色以及qPCR表达分析表明PxrbcS1和PxrbcS2的启动子能够驱动GUS基因在84K杨叶片特异性高表达.总之,上述结果表明该研究成功地从小黑杨中克隆了具有叶片高表达活性的Pxr-bcS1和PxrbcS2的启动子,该启动子可应用到包括杨树在内的植物光合作用相关的基因功能研究以及提高植物光合作用的遗传操作中.

为了探究光信号引起AmRosea1过表达84K杨(Populus alba×P.glandulosa'84K')植株颜色变化的原因,以野生型和AmRosea1过表达84K杨为试验材料,开展LED光、自然光、LED红光、LED蓝光和LED红蓝光处理,测定不同光强和光质下野生型和转基因株系的生理指标变化情况.结果显示:在不同光强下,与LED光处理相比,自然光处理下转基因株系叶片变红,花青素和可溶性糖含量升高,叶绿素含量和POD活性降低.不同光质处理30 d后,与LED红光和蓝光相比,在LED红蓝光诱导下,转基因株系叶片变红,且花青素含量升高,可溶性糖含量和POD活性下降,叶绿素含量略有降低.根据试验结果推测,强光和红蓝光质能激活AmRosea1过表达84K杨的花青素生物合成通路,使转基因株系积累大量的花青素,从而使植株叶片变红.

木质素是木材的重要组成成分,主要起机械支持、水分运输及防御病虫害等作用.4CL酶是控制木质素合成途径中的关键酶之一.利用PCR技术从84K杨幼叶cDNA中克隆得到Pag4CL3/4CL5基因,GenBank登录号分别为MK183033(Pag4CL3)及MK183034(Pag4CL5).利用生物信息学软件,对这两个基因的功能和特征进行分析.结果 发现84K杨中4CL3/4CL5蛋白与毛果杨中4CL3/4CL5蛋白相似度高达97％;此外,均含有SSGTTGLP-KGV和GEICIRG两个保守基序;亚细胞定位预测显示Pag4CL3/4CL5蛋白主要定位在内质网中,推测可能是一种膜蛋白;蛋白的亲水性预测Pag4CL3/4CL5均为亲水性蛋白.通过qRT-PCR分析Pag4CL3/4CL5在不同组织部位中的表达差异,结果发现Pag4CL3在叶及茎中表达量较高,在根和顶芽中表达量较低;Pag4CL5在叶及根中表达量较高,在茎和顶芽中表达量较低,两个同源基因表达具有组织部位的差异性.Pag4CL3和Pag4CL5可能在叶中共同行使功能,Pag4CL5主要在根中行使功能,Pag4CL3主要在茎中行使功能.

木质素作为木材的主要组成成分,通常是由3种单体聚合而成,在其生物合成过程中,共有10个酶家族参与负责将苯丙胺酸转化为单体木质素,其中C3H是在对-香豆酰辅酶A(p-coumaroyl CoA)到咖啡酰辅酶A(cat-feoyl CoA)的羟基化过程和G/S单体形成中的关键控制酶类,探究PagC3H3基因表达模式,对于进一步了解该基因功能具有重要意义.该研究通过定量PCR对PagC3H3基因的组织特异性表达进行分析;克隆得到了长度为2 035 bp的PagC3 H3的启动子序列,预测含有多个顺式作用元件;同时,将获得的PagC3H3的启动子序列构建植物表达载体pBI121-PagC3 H3 pro::GUS,进行拟南芥瞬时转化,结果显示PagC3 H3基因在84K杨的根、中部茎节和基部茎节中的表达量较高;瞬时转化拟南芥,GUS染色表明:在下胚轴和根中GUS活性较强,由此推测PagC3H3基因在木质素合成过程中发挥作用.

以杨品种'84K'(Populus alba×P.glandulosa)为材料,对其干旱胁迫及复水后光合生理特性的变化进行了研究.结果显示,在干旱胁迫及复水过程中,杨品种'84K'光合作用相关的主要反应对此过程响应不同步.在干旱胁迫过程中,'84K'的羧化反应速度、 气孔导度(Gs)、 叶肉导度(Gm)均显著下降,但前者下降幅度小于后两者,此时的光合作用主要受Gs和Gm制约.复水之后,Gm很快得到恢复,而光化学淬灭过程、 羧化反应速度均没有恢复到对照水平,此时是光化学淬灭和(或)羧化反应制约了'84K'的碳固定及光合作用.

碳源对组培苗的生长和品质具有重要影响,本实验研究了不同蔗糖浓度(10、20、30和40g·L-1)对84K杨树组培继代苗的生长及生理特性的影响.研究结果表明,随着培养时间的增长,30 g·L-1的蔗糖浓度最有利于84K杨树组培继代苗的生长,其干重是10g·L-1蔗糖处理的1.5倍.其次,在较高的蔗糖浓度处理中,随着培养时间的增加,84K杨树组培继代苗具有较高的叶绿素含量、Rubisco酶活性及净光合速率,其中30 g·L-1蔗糖处理的84K杨组培苗净光合速率最大,为3.617μmol·m.2·s-1.同时,高浓度蔗糖处理下的84K杨树组培继代苗有较高含量的可溶性糖,但其体内淀粉含量却无明显变化.

为研究水通道蛋白PtPIP2;8基因功能,了解其不同表达水平的转基因84K杨(Populus alba ×P.glandulossa)应对干旱胁迫的响应,该文以转PtPIP2;8 84K杨抑制表达株系(抑制表达)、野生型(WT)和转PtPIP2;884K杨超表达株系(超表达)为试验材料,测定PtPIP2;8表达水平、根系导度、光响应曲线、气体交换参数、生长及根系形态指标.结果显示:(1)WT植株PtPIP2;8仅在根系表达;超表达植株PtPIP2;8除在根部显著表达外,在茎和叶片中也显著表达;抑制表达植株PtPIP2;8仅在根部有微量表达,表达量分别是WT和超表达植株的1/20和1/80.(2)根系结构分析发现,超表达植株总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数显著低于WT和抑制表达植株,根系导水率显著高于WT和抑制表达植株,表明PtPIP2;8参与了植物根系水分运输,提高了水分运输效率.(3)正常水分条件下,抑制表达植株苗高、叶面积显著低于WT和超表达植株,根冠比显著高于WT和超表达植株.干旱胁迫后,抑制表达植株净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)下降幅度小,仍能维持较高的Pn.气体交换参数显示抑制表达植株Pn、Gs日变化为"单峰"型,属气孔因素引起的净光合速率下降;WT和超表达植株Pn、Gs日变化为"双峰"型,干旱胁迫后,抑制表达植株Pn略微下降,WT和超表达植株Pn均下降,尤其是13:00、15:00下降显著,表明WT和超表达植株对干旱胁迫更加敏感,干旱对其影响更大.(4)干旱胁迫后,抑制表达植株相对生长速率、总生物量降低的最少,根冠比最高;总根表面积、总根体积、总根尖数显著高于WT植株.表明PtPIP2;8直接参与水分运输并提高水分运输效率,其转化影响了植株根系发育和生长.超表达植株根系发育的下降和叶面积的增大减弱了它的抗旱性,而抑制表达植株矮小,降低的叶面积,增加的根系生长和根冠比提高了它的抗旱能力.从研究结果来看,水通道蛋白提高了水分跨膜运输效率,而非水通道蛋白导水机制对干旱有较强的耐受性.

本研究以84K 杨(Populus albaxPopulus glandulosa)为研究材料,从中克隆到PagMYB10、PagMYB57、PagMYB134、PagMYB156及PagMYB182共5种MYB 基因,其编码区序列长度分别为810 bp、957 bp、888 bp、804 bp和738 bp,分别编码269个、318个、295个、267个和245个氨基酸.它们都具有R2和R3保守结构域,属于R2R3-MYB转录因子.氨基酸序列同源性分析和进化分析表明PagMYBl0和PagMYB134属于转录激活因子,而PagMYB57、PagMYB156及PagMYB182属于转录抑制因子.运用荧光定量PCR对叶片发育中这五种MYB的表达情况进行检测,结果表明PaglMYB10和PagMYB134在第二片叶中表达量最高,两者在叶片发育过程中的表达量呈现相似的变化趋势;而PagMYB57、PagMYB156及PagMYB182则在第3片叶中的表达量最高,三者在叶片发育过程中的表达趋势相似,提示这两类MYB对于转录存在协同调控.该研究结果为进一步开展杨树MYB基因的功能特性研究提供了基础.

ERF(ethylene response factor)转录因子是植物最大的特异性转录因子基因家族之一,在植物抗逆及生长发育方面起着重要作用.本研究从'84K杨'(Populus abla x P.glandulosa)中克隆出ERF转录因子基因RAP2L15的全长cDNA序列,对其编码的氨基酸序列进行了同源性比对分析,并利用生物信息学对RAP2L15蛋白进行理化性质分析及结构预测.结果表明,RAP2L15编码的蛋白质序列含有155个氨基酸,属于不稳定的亲水蛋白,与杨树耐盐胁迫基因ERF38具有相似结构.同源性序列比对分析表明RAP2L15与拟南芥ERF转录因子基因AtERF016具有较高同源性,推测该基因可能与植物耐盐胁迫功能有关.构建RAP2L15-RNAi抑制表达载体并利用农杆菌介导叶盘转化法进行杨树遗传转化,获得转基因杨树株系5个.本研究为进一步探索R4P2L15转录因子基因在杨树生长发育及抗盐胁迫方面发挥的功能提供理论及材料基础.

UV-B辐射作为一种典型的环境胁迫因子,可对植物体的生长发育和生理代谢产生显著的影响,因此研究材用树种杨树对于UV-B辐射的防御性响应具有重要的意义.以84K杨组培苗为实验对象,对其进行不同程度的UV-B辐射胁迫,分析胁迫处理前后84K杨组培苗中6种防御性酚酸类化合物的含量变化规律,并从光合色素和ROS系统角度探讨目标酚酸类化合物的积累机制.研究结果表明:适当的UV-B胁迫处理有助于5种目标酚酸类化合物(阿魏酸、咖啡酸、原儿茶酸、绿原酸和异阿魏酸)的合成和积累,尤其是绿原酸在辐射8h时含量增加了15倍左右;光合色素含量变化与酚酸类化合物趋势一致,在16h时总叶绿素含量提高了1.21倍;抗氧化酶(尤其是POD)与酚酸类化合物协同抵御了由UV-B辐射而引起的氧化应激.本研究对于阐明杨树在UV-B辐射胁迫下防御性酚酸类化合物的代谢调控机制提供了一定的理论依据.