调节水稻镉吸收转录因子筛选及相关家族的生物信息学分析

摘要

重金属污染问题已成为近年来最为关注的环境问题和食品安全问题之一。重金属镉(Cd)通过各种途径进入土壤，被农作物吸收而流入食物链，进而严重威胁人类健康。减少镉金属利用、更换土壤等措施解决镉污染问题，投资成本巨大，耗时长而见效缓慢。培育耐镉农作物品种是生物学家提出的缓解镉污染的方案:通过开发植物控制镉吸收、转运和储存的相关基因和蛋白质，降低农作物可食部分镉的积累，实现农产品的安全食用。转录因子是一类重要的基因表达调控因子，对植物响应环境影响具有非常重要的作用。为此，本文通过筛选能对水稻籽粒中镉积累有较大影响的转录因子，并对其进行生物信息学分析，以期找到有可能用于耐镉农作物培育的基因。具体从以下两个方面进行了深入研究:
　　1.将24个水稻转录因子的78个突变株与对照品系kitaaki种植于镉含量达6.8mg/kg的镉污染土壤中，收获后测定籽粒中的镉含量。发现对照品系镉含量达0.485mg/kg，是国标限量标准的2.5倍左右，属于严重超标。突变体中，镉含量增加的有4个株系，占5％;镉含量降低的有74个株系，占95％。其中降低率超过30％的有51个株系，占66％，分属于20个转录因子。而且，有8个转录因子的所有株系降低率超过30％，分别属于3个家族，其中以bHLH家族成员最多，含5个转录因子。镉含量低于国标限量标准，即降低率超过59％的有9个株系，占12％，分属于8个转录因子，分布于5个家族，其中以bHLH家族成员最多，含4个转录因子。结果说明转录因子，尤其是bHLH家族转录因子可能影响水稻籽粒对镉的吸收和储存。
　　2.分析了上述影响水稻镉代谢的bHLH转录因子，获得了9个基因。用生物信息学方法对这9个基因进行了蛋白质序列及结构域分析，可知它们均存在bHLH特征结构域，为典型bHLH类型转录因子。进一步以这9个转录因子为标准序列进行序列比对获得54个与其具有同源性的bHLH转录因子，并对其进行系统进化分析，发现54个转录因子分别隶属7个不同的亚家族，占水稻、拟南芥共有的bHLH亚家族数目的34％。同时对该54个家族成员进行DNA结合活性分析发现，只有6个成员不具有DNA结合活性，其他成员则可能通过下游基因的E-box或G-box来行使调控的功能。此外，在水稻OsbHLH的候选成员中，选取了C、I、B和X四个家族中的成员进行表达谱分析，得知C和B家族属于组成型表达模式，I和X家族分别主要表达于茎、叶和种子中。而降低镉含量效果明显的成员中有3个属于C家族，1个属于I家族，X家族中的一个成员降低镉含量相对明显，这表明它们很有可能通过在植物的不同组织部位行使功能，最终调节水稻中的镉代谢。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 镉污染的危害

1．1．1 镉等重金属在土壤中的污染和迁移

1．1．2 镉在水稻中的积累以及对人体的危害

1．2 耐镉胁迫水稻品种的研究进展

1．3 bHLH家族转录因子相关基础及研究进展

1．3．1 bHLH结构域特点及功能

1．3．2 bHLH转录因子研究进展

1．4 相关研究的生物信息学基础和方法

1．4．1 生物信息学数据库相关资源

1．4．2 相关生物信息学常用工具

1．5 论文研究目的、思路和内容

1．5．1 论文研究目的

1．5．2 论文研究思路和内容

第2章 耐镉转录因子转基因水稻材料的筛选

2．1 实验部分

2．1．1 实验材料与试剂

2．1．2 实验仪器

2．1．3 实验方法

2．2 结果与分析

2．2．1 实验水稻材料分析

2．2．2 土壤重金属含量分析

2．2．3 盆栽水稻生长分析

2．2．4 水稻镉含量测定和分析

2．2．5 水稻镉含量降低与转录因子关系

2．2．6 水稻镉含量降低与转录因子家族的关系

2．2．7 低镉转录因子突变体水稻品系筛选

2．3 小结

第3章 水稻bHLH家族成员生物信息学分析

3．1 数据来源及软件工具

3．2 研究方法

3．2．1 本研究的基本思路

3．2．2 相关水稻bHLH基因序列搜索

3．2．3 多重氨基酸序列联配

3．2．4 构建进化树

3．2．5 水稻bHLH基因表达谱的获得

3．3 结果与分析

3．3．1 获得水稻中bHLH家族54个相关基因成员

3．3．2 水稻bHLH进化树构建及结构域预测

3．3．3 水稻bHLH家族基因与DNA结合的活性预测

3．3．4 水稻OsbHLH表达谱分析

3．4 小结

结论与展望

参考文献

致谢