基本信息
- 项目名称：
- 螺旋藻耐盐相关功能基因的研究
- 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：
- 我国近9913万公顷土地盐碱化，可用耕地严重减少。本团队在指导老师的指导下，在国家自然科学基金等的资助下，在自主完成的螺旋藻全基因组序列图的基础上，利用比较基因组学和功能基因学方法，全面系统地分析螺旋藻耐盐碱的分子机理，发现和验证了若干抗盐碱性状相关的功能基因。本研究结果将为基因工程育种提供新的功能基因，也为培育抗逆性增强的螺旋藻新品种、挖掘其他藻类抗逆功能相关基因奠定基础，具有重要的科学意义。
- 详细介绍：
- 我国近9913万公顷土地盐碱化，可用耕地严重减少，随之而来将是更为严重的粮食危机：在大量土地盐碱化等严峻的形势下，人类不得不开始深思一个涉及到生存的根本问题：如何研究出在盐碱地上也可以生长的作物来应对即将到来的更为严重的粮食危机？但是，迄今还没有得到高效的、具有很好应用前景的耐盐碱基因。本团队在指导老师的指导下，在国家自然科学基金等的资助下，在自主完成的螺旋藻全基因组序列图的基础上，利用比较基因组学和功能基因组学研究方法，全面系统地分析螺旋藻耐盐碱的分子机理，发现和验证了若干抗盐碱性状相关的功能基因。本研究结果将为植物基因工程育种提供新的功能基因，也为培育抗逆性增强的螺旋藻新品种、挖掘其他藻类抗逆功能相关基因奠定基础，具有重要的科学意义，将产生一定的社会效益。 与此同时，我国耐盐碱生物种质资源丰富，但从事此方面研究的单位和研究人员仍太少，远不能满足生产对科技的迫切需求，而且这方面的研究容易获具有自主知识产权的科研成果，确立在国际本领域的学术地位，值得引起足够的重视。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：研究高抗逆性蓝细菌螺旋藻耐高盐的分子机理，克隆并验证螺旋藻耐盐相关基因及其启动子功能，为耐盐碱转基因植物培育打下基础。 基本思路：通过蛋白组学分析，筛选螺旋藻耐高盐相关功能基因；预测并克隆耐盐相关基因启动子，以gfp为报告基因，构建集胞藻PCC6803同源重组双交换平台，验证启动子功能；克隆螺旋藻耐盐相关基因，敲除集胞藻基因组中上述基因同源基因，通过遗传互补实验，进一步验证上述基因的功能。
科学性、先进性及独特之处
- 盐胁迫是影响农作物产量的重要因素,而螺旋藻的耐盐能力极强、细胞结构简单、培养条件便利，是很好的研究材料。国内外迄今还无学者从基因组、蛋白组水平较系统地研究螺旋藻抗盐碱分子机理。本课题组在自主完成最重要的经济微藻螺旋藻全基因组序列图的基础上，首度在基因组学、蛋白组学水平比较系统地研究螺旋藻抗盐碱的分子机理；另外，本实验构建的集胞藻6803同源重组双交换平台，为研究螺旋藻基因功能提供了崭新的研究手段。
应用价值和现实意义
- 我国近9913万公顷土地盐碱化，可用耕地严重减少，随之而来将是更为严重的粮食危机，必须尽快研究出能在盐碱地上可生长的作物。但迄今未发现高效且应用前景好的耐盐碱基因。本团队依托指导老师自主完成的螺旋藻全基因组序列图，利用基因组学方法，系统分析螺旋藻耐盐碱分子机理，发现验证了若干抗盐碱相关功能基因。本研究为基因工程育种提供新的功能基因，也为其他藻类同类研究奠定基础，具重要科学意义，将产生一定社会效益。
学术论文摘要
- 目的：研究高抗逆性螺旋藻耐盐分子机理，克隆并验证螺旋藻耐盐相关基因功能，为耐盐碱转基因植物培育打下基础。方法：利用蛋白组学，分析三个盐浓度（0.02M、0.5M 和1.0M NaCl）下螺旋藻差异表达蛋白，筛选螺旋藻耐高盐相关功能基因；预测并克隆6个耐盐相关基因启动子；以gfp为报告基因，集胞藻PCC6803为受体菌，测定螺旋藻耐盐相关基因启动子的盐诱导效应；分析获得集胞藻中与上述耐盐相关基因同源基因，取其上下游1Kb片段为同源臂，Kanr为筛选基因，敲除上述同源基因；将获得的突变株置于不同盐浓度，对比生长情况。结果：得到高盐组与正常组间差异表达蛋白点141个，其中82个功能已知，39个功能未知；82个功能已知基因参与光合作用、糖酵解等31条代谢途径；成功克隆的3个螺旋藻启动子能被盐胁迫诱导；获得敲除基因突变株1个（记为295-），培养发现，突变株在低盐下生长状况与野生株无异，中盐、高盐下，繁殖速度较野生株明显下降。结论：筛选得140多个螺旋藻耐盐相关候选基因，初步验证了3个螺旋藻耐盐相关基因启动子，成功地构建集胞藻6803同源重组双交换整合平台，初步验证编号为295基因与耐盐性相关。
获奖情况
- 浙江省第二届生命科学学科竞赛二等奖（附件1）。 部分研究结果撰写的论文：《螺旋藻耐盐相关基因启动子区功能的研究》已被《遗传》杂志（稿件编号11-117）录用（附件2）。 温州医学院第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖（附件3）。 温州医学院第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛公开答辩最佳表现奖（附件4）。
鉴定结果
- 无
参考文献
- 相关技术：双向电泳、生物质谱、序列标签鉴定、重组蛋白诱导表达、绿色荧光蛋白荧光检测、基因的克隆与重组等技术。 [1]Aebersold R, Mann M. Mass spectrometry-based proteomics[J].Nature, 2003,422(6928):198. [2]Gorg A, et al. Very alkaline immobilized pH gradients for two dimensional electrophoresis of ribosomal and nuclear proteins[J]. Electro- phoresis. 1997, 18(3-4):328. [3]Cleveland DW, etal. Peptide mapping by lilmited proteolysis in sodium dodecyl sulfate and analysis by gel electrophoresis[J].J Biol Chem, 1977, 252:1102. [4]Ayachi S ,et al. Chlorophylls, proteins and fatty acids amounts of arthrospira platensis growing under saline conditions [J]. Pak J Biol Sci, 2007, 10: 2286. [5]Fisher M, Zamir A, Pick U. Iron uptake by the halo tolerant alga Dunaliella is mediated by a plasma membrane transferring [J]. J Biol Chem, 1998, 273 (28) : 17553. [6]Williams J G K. Construction of specific mutations in photo system II photosynthetic reaction center by genetic engineering method in Synechocystis 6803 [J]. Methods Enzymol, 1988, 167:766.
同类课题研究水平概述
- 近年来，各国学者对耐盐的生理生化基础进行了许多研究，主要涉及盐胁迫下渗透调节物质的合成、光合与代谢、钙调蛋白、通道蛋白等方面所发生的变化。1983年 Singh等在含有NaCl 的培养基上生长的烟草细胞中首次发现一种特异蛋白的表达，其中以26KD蛋白积累最多。LaRose把该蛋白称为调渗蛋白，随后获得该蛋白的cDNA克隆。只有渗透胁迫才能导致调渗蛋白的积累，在高盐环境下, Na+ 的胞质隔离进入液泡主要依赖液泡膜Na+/H+ 反向转运蛋白以及液泡型H+-ATPase和H+ -PPase基因表达的上调或活性提高。Su等（2002）用NaCl 胁迫使冰草发现其根和叶片中的K+转运体基因McHAK1和McHAK2的表达上调。 目前，耐盐的分子生物学和植物耐盐基因工程正在成为学术界研究热点。分子生物学的技术进步已经使基因的定位、分离、转移成为现实。耐盐性受到复杂的多基因控制，是一种典型的数量性状，涉及生理生化多方面的因素。总结国内外诸多学者所做工作，可以发现绝大多数研究集中于耐NaCl盐性，对耐碳酸盐研究很少；利用生物措施改良盐碱地是切实可行的办法，但大量的基础性工作有待深入；未来的一个重要研究领域是通过系统的分析耐盐模式生物耐受胁迫的生理机制及分子机制从而揭示耐盐机制，以及再发展为对极端耐盐生物和干旱区植物相同的基因家族各成员间的表达模式和功能方面进行系统而深入的比较分析，有助于农作物的分子育种。 综上所述，开展耐盐机理的研究不仅在理论上具有重要的意义，更具有其现实意义。我国耐盐碱生物种质资源丰富，但从事此方面研究的单位和研究人员仍太少，远不能满足生产对科技的迫切需求，而且这方面的研究容易获具有自主知识产权的科研成果，确立在国际本领域的学术地位，值得引起足够的重视。
