烟草腺毛发生和发育相关基因

烟草(Nicotiana tabacum L.)腺毛丰富、类型多样、分泌旺盛,对烟株抗性和烟叶香气品质具有重要影响。对近年来烟草腺毛发生和发育、腺毛分泌物合成相关基因的研究进展进行了综述,并展望了其在烟草叶面化学定向调控和品种改良中的应用潜力。     

NtCycB2基因表达对烟草腺毛发生的影响

烟草腺毛是烟草表皮细胞的特化结构,对烟株抗性及烟叶品质具有重要影响。为探索烟草腺毛密度的分子调控途径,本文对烟草B型细胞周期蛋白基因NtCycB2进行了同源克隆和生物信息学分析,并对其表达特性和生物学功能进行研究。结果表明该基因包含333bp的编码区,编码110个氨基酸,该序列在栽培烟草不同类型、不同品种间高度保守,但与SlCycB2和AtCycB2同源性分别为71.05%和52.38%。RT-PCR分析表明NtCycB2在叶面腺毛和花中的表达水平较高,并受到盐、温度、MeJA等逆境信号的诱导;分别利用基因过表达和基因编辑技术获得了NtCycB2过量表达和敲除株系;植株腺毛形态学观察发现NtCycB2过表达植株腺毛密度显著减少,基因敲除植株分泌型腺毛密度显著增加,而非分泌型腺毛变化不大,该研究表明NtCycB2对烟草分泌型腺毛发生具有明显的负调控作用,在烟草腺毛密度分子调控和叶面化学定向改良中具有较大潜力。      

多腺毛烟草K326品种基因编辑材料的创制与分析

烟草腺毛与烟株抗性和烟叶品质密切相关。为了定向改良烟草腺毛密度、创制多腺毛烟草材料,以烟草品种K326为材料,利用CRISPR-Cas9技术对腺毛发生负向调控基因NtCycB2进行敲除,创制了多腺毛K326定向改良材料HK326(Hairy K326),并分析了NtCycB2基因敲除对烤烟农艺性状和化学成分的影响。结果表明:NtCycB2基因敲除后烟株发育正常,生长旺盛,农艺性状与对照相比无明显变化;烟草叶面腺毛密度显著提高,分泌型腺毛发育完善,物质合成和分泌旺盛,西柏烷二萜化合物含量显著提高;烤后烟叶中性香气成分总量增加,其中,茄酮及新植二烯类成分增幅最为明显。因此,NtCycB2基因的敲除,不仅能够提高烟草的腺毛密度,而且对烟株生长发育和重要香气物质的积累也有促进作用,在烟草品种改良中具有较大的应用潜力。     

烟草NtHDZIV8基因在腺毛发育中的功能验证

为验证NtHDZIV8在腺毛发育过程中的功能，在红花大金元中克隆了NtHDZIV8基因并进行生物信息学分析，通过荧光定量PCR(qRT-PCR)探究了NtHDZIV8的表达模式，进一步利用亚细胞定位与病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术初步验证了NtHDZIV8基因对烟草腺毛发育的调控作用。结果表明，NtHDZIV8进化高度保守，具有典型的HD-LZ、START和SAD结构域，属于HDZIP IV家族。表达模式分析表明，NtHDZIV8在腺毛中高表达，并受植物激素NAA、GA3和MeJA的诱导。亚细胞定位结果显示NtHDZIV8定位于细胞核。病毒诱导本氏烟中NbHDZIV8基因沉默导致长柄腺毛的柄细胞基部膨大，而不影响短柄腺毛形态和腺毛密度。该研究表明NbHDZIV8对烟草腺毛形态具有调控作用，为解析烟草腺毛发生发育调控机制奠定了理论基础。     

NtCycB2基因表达对烟草抗旱性的影响

NtCycB2参与调控烟草腺毛的发生与发育过程,并对多种非生物胁迫具有应答反应.为阐明NtCycB2表达对烟株耐旱性的影响,以敲除NtCycB2后的多腺毛株系ko(NtCycB2-ko)、NtCycB2过表达的少腺毛株系oe和烟草栽培品种K326为材料,使用不同浓度聚乙二醇(PEG-6000)在试管中模拟干旱胁迫,同时...     

普通烟草品种生长发育过程中叶表腺毛密度及其形态的比较

以6个普通烟草品种为试验材料,比较了烤烟、白肋烟、晒烟和晾烟品种间及同一品种的不同发育时期烟草叶表不同部位腺毛形态、密度的差异.结果表明:几种供试烟草品种在生长发育过程中的腺毛类型主要有长柄腺毛、短柄腺毛和无头腺毛,但在烟草整个发育过程中始终以长柄腺毛为主.从烟草现蕾期开始,部分长柄腺毛的头部开始萎缩、脱落,形成无头腺毛.几种供试烟草品种从移栽期开始腺毛密度逐渐增加,到现蕾期腺毛密度达到最大值,成熟期又明显下降.烟草叶片上表面的腺毛密度均大于下表面,但叶尖、叶中部和叶基部的腺毛密度没有明显差异.     

外源MeJA诱导烟草叶面防御反应

以中烟100为材料,研究了茉莉酸甲酯(MeJA)喷施后,烟草叶面腺毛密度类型、腺毛分泌物合成积累及叶片对蚜虫抗性的变化规律,探讨了烟草叶面腺毛的防御反应模式和作用机制。结果表明,MeJA处理后,烟草叶片对蚜虫的驱避作用明显增强,新生叶片叶面腺毛密度增加,尤其是长柄多细胞腺头腺毛密度的变化达到显著水平。GC/MS分析表明,MeJA处理使叶面分泌物含量增加,并在处理后第7天达到最大值。其中,西柏烷类二萜化合物含量增幅最大。但RT-PCR分析发现,西柏三烯一醇合成酶基因(CBT)、西柏三烯一醇羟化酶基因(CYP71D16)在转录水平上并没有明显变化,表明烟草叶面腺毛物质的合成和分泌可能具有复杂的转录后调控机制。     

AtPAP1基因在烟草中的表达

AtPAP1(Arabidopsis thaliana production of anthocyanin pigment 1)是拟南芥花青素生物合成途径中的关键调控基因。为实现花青素在烟草中的表达,利用烟草腺毛特异表达启动子pro CYP71D16,构建At PAP1特异表达载体p CAMBIA1391-CYP71D16-PAP1,并将其与载体p CAMBIA1391-35S-PAP1通过农杆菌介导法进行烟草遗传转化,对所得的转基因烟株进行分子检测和表型观察,同时测定转基因烟叶中花青素的含量。结果表明:35S::At PAP1烟株叶片表面呈红色,腺头呈绿色,腺柄细胞无色;CYP71D16::At PAP1烟株叶片表面呈绿色,叶片分泌型腺毛的腺头呈明显粉红色;对照烟草叶片及叶面腺毛均呈绿色。HPLC检测结果表明,在35S::At PAP1转基因烟株中发现有矢车菊色素和天竺葵色素的积累;在CYP71D16::AtPAP1转基因烟株中仅发现矢车菊色素有少量积累;对照烟株中没有检测到花青素。本研究中实现了At PAP1基因在烟草中的表达,为研究烟草物质代谢提供了理论依据。     

低氮胁迫对烟草生物学性状、生长素及NtPINs基因家族的影响

为了探究低氮胁迫下烟株体内生长素的分布对烟草根系发育和腺毛发生的影响,以DR5::GUS转基因烟草为材料,通过沙培试验研究低氮胁迫对烟株生物量、全氮含量、叶片及根系发育、生长素浓度、叶片腺毛密度以及生长素极性运输蛋白NtPINs家族基因表达的影响。结果表明:与对照处理（NH₄NO₃:2.5 mmol/L）相比,低氮胁迫下（NH₄NO₃:0.25 mmol/L）烟草上部叶、茎及根部生物量显著下降,地上部全氮含量降低30%,根系全氮含量降低40.2%,上部叶腺毛密度增加13.9%,中部叶和下部叶腺毛密度分别降低40%和31.9%,上部叶生长素含量增加26%,中部叶和根系生长素分别下降7.1%和13.1%;qRT-PCR结果表明,低氮胁迫下烟草根系中NtPIN1、NtPIN4、NtPIN9的基因表达水平分别降低了40%,55%,65%,与对照相比差异均有统计学意义（P < 0.05）。结论:低氮胁迫下烟草叶片腺毛的发生及根系的构型发生改变与体内生长素从地上部（上部叶、中部叶、下部叶）到根系极性运输减少密切相关。      

茉莉酸甲酯对烟草分泌型和非分泌型腺毛形态发生的影响

为解析茉莉酸对烟草腺毛发生的影响,本文以高分泌型普通烟草T.I.1068和非分泌型普通烟草T.I.1112为材料,喷施不同浓度茉莉酸甲酯（MeJA）,并对处理前后的叶片和茎表面腺毛进行形态学比较观察。结果发现:（1）T.I.1068腺毛包括长柄分泌型和短柄分泌型两类,腺毛密度随着MeJA浓度的增加而增加,但腺毛类型保持不变。（2）T.I.1112腺毛包括非分泌型和短柄分泌型两类,长柄分泌型腺毛在MeJA处理后出现,其密度随MeJA浓度的增加而增加,而非分泌型腺毛和短柄分泌型腺毛的密度并无明显变化。该结果表明,MeJA对烟草长柄分泌型腺毛发生具有强烈的诱导作用,而对非分泌型腺毛的发生并无明显影响,反映出不同类型的烟草腺毛具有不同的发生调控机制。      

烟草品质性状相关基因挖掘与功能解析研究进展

高品质烟草品种培育是烟草育种的重要方面。随着烟草基因组学的发展，烟草科研工作者在品质等烟草复杂性状基因挖掘和功能解析方面取得了一系列重要的原创性研究成果，为烟草生物育种和分子设计育种的开展储备了大量基因资源。本文系统梳理了烟草多酚类物质合成、腺毛分泌物、烟碱生物合成等3个方面的功能基因挖掘和调控机理解析方面的研究进展，认为利用多组学技术、基因编辑技术、合成生物学技术等进行基因挖掘和功能鉴定分析是今后研究的重要发展方向。针对目前烟草品质育种存在的问题和不足，指出要深入开展种质资源鉴定，加强功能基因的挖掘和研究，实现新型前沿技术突破，进而为培育烟草香气品质突破性品种奠定基础。     

烟草腺毛发育的形态学研究

采用显微技术,对不同发育时期烟草叶面腺毛的形态变化和超微结构进行了观察,将腺毛发育过程划分为生长期、成熟期和分泌期3个阶段.生长期腺毛进行旺盛的细胞牛长和分裂活动,细胞质浓厚,线粒体叶绿体丰富,基粒片层清晰;成熟期腺毛形态发育完成,细胞数目稳定,叶绿体内基粒片层消失,嗜锇颗粒逐渐增多、增大,表明细胞开始进行活跃的物质合成和转化;分泌期腺毛细胞黏性增大,叶绿体降解,嗜锇颗粒进入细胞质并转运至液泡中积累,细胞开始降解,细胞质稀薄,大最嗜锇物质聚集在质膜附近.     

分泌型烟草腺毛形态和叶面化学成分的比较

西柏烷二萜和蔗糖酯是腺毛分泌物的主要成分.为了明确不同类型腺毛的分泌物差异,以不同腺毛类型的烟草品系TI1068和TI35为材料,分析了表皮毛的形态结构、叶面化学成分、西柏烷二萜合成基因的表达水平以及蚜虫的嗜好性.表皮毛形态学观察发现,TI1068和TI35同时具有长柄腺毛、短柄腺毛和保护毛3种表皮毛类型;TI1068...     

烟草“8306”NtCPS2基因敲除及叶面化学成分改良

8306是重要的高香气烤烟育种材料,因其腺毛分泌物中含有赖百当化合物而使其杂交后代具有晾晒烟香气特征。为此,本研究利用CRISPR/Cas9技术,对8306中赖百当生物合成途径的关键酶基因NtCPS2进行敲除,获得了gRNA区发生单碱基插入突变导致翻译提前终止的纯合突变体8306-1。与8306相比,该突变株系生长发育正常,腺毛类型和腺毛密度无显著变化;利用GC-MS技术对叶面化学成分进行检测,在8306-1中并未发现8306中所含有的顺冷杉醇和赖百当二醇等赖百当类化合物,而腺毛分泌物的其他主要成分,如西柏三烯一醇、西柏三烯二醇及蔗糖酯的含量与对照相比并无明显变化;RT-PCR检测分析显示,8306-1与8306中MEP途径及二萜生物合成途径的关键基因,如NtDXS、NtDXR、NtCMS、NtGPPS、NtGGPPS、NtCYC、NtCYP71D16等在转录水平上的表达均无明显差异。该研究结果表明,NtCPS2基因敲除能有效降低烟草赖百当类二萜化合物的含量,而对叶面其他化学成分及类萜途径基因表达无明显影响。因此,NtCPS2基因是进行烟草叶面化学成分定向改良的理想靶点,对烤烟高香气育种具有重要意义。      

不同烟草种质腺毛密度鉴定分析

为筛选高腺毛密度种质资源供烟草育种利用,加快香气性状遗传改良步伐,本研究共观察了110份材料的长短柄腺毛,并统计其密度。结果表明,各品种长短柄腺毛的长短、腺头大小、密度均不一致;短柄腺毛、长柄腺毛和总腺毛密度的变异系数分别为25.4%、29.3%和23.4%,试验材料存在广泛变异;短柄腺毛密度、长柄腺毛密度和总腺毛密度比对照MSK326多的材料数分别为34份、17份和19份,其中共有的材料数为11份;总体上,叶片上表面的短柄腺毛密度大于下表面,叶片下表面的长柄腺毛密度大于上表面,上下表面的总腺毛密度差异没有一致规律,叶片长柄腺毛密度要大于短柄腺毛,但存在个别特异材料与该规律相反,这些材料基本为地方种质;聚类分析结果显示,在阈值为4时,可以将110份材料分为5类,除特殊的B类外,其他几类的腺毛密度大小为A > C > E > D;云烟116、V2、红花大金元、席娄烟等可以作为高腺毛密度材料,为育种利用提供参考。     

不同基因型烟草腺毛主要分泌物差异分析

为明确不同基因型烟草腺毛分泌物的成分差异,筛选高腺毛分泌物基因型的烟草种质,本研究基于气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）,对不同基因型的12个烟草品种的鲜烟叶腺毛主要分泌物进行鉴定分析,结果表明:在12份检测品种烟叶中,西柏三烯二醇（CBT-diols）是西柏烷二萜的主要物质形式,且其在烤烟品种中含量相对较高;所有检测品种中均含有α-西柏三烯二醇（α-CBT-diols）和β-西柏三烯二醇（β-CBT-diols）,两者比值变化范围为1.58~2.32;所有检测品种中共检测出5个蔗糖酯类型,可依据蔗糖酯类型的有无和含量的多少将检测种质分为Ⅰ-Ⅱ型蔗糖酯较多和Ⅲ-V型蔗糖酯较多2个大类。总体上看,Basma、Beinhart1000-1、红花大金元、BX1、BX2这5个品种腺毛主要分泌物含量较高,可供烟草香气品质改良育种或表面活性物质提取利用。      

低浓度茉莉酸甲酯对烟草长柄腺毛发生发育的影响

茉莉酸甲酯（MeJA）对烟草长柄腺毛的发生具有强烈的诱导作用,但浓度过高时会抑制烟苗发育。本文以云烟87幼苗为材料,研究低浓度MeJA对腺毛发育和腺毛分泌物的影响,并利用qRT-PCR技术研究腺毛发生发育调控基因对MeJA的应答模式。结果表明,随着MeJA喷施浓度的升高,长柄腺毛的密度和腺头直径逐渐增加;喷施300μmol/L MeJA对长柄腺毛发生和发育有显著的诱导作用,且对叶片发育无明显影响;当MeJA喷施浓度达到600μmol/L时,叶片发育受到抑制。叶面化学成分分析发现,与未喷施MeJA的对照相比,喷施300μmol/L MeJA后西柏烷二萜、烷烃和蔗糖酯含量增加约一倍。基因应答模式研究发现,西柏烷二萜合成基因CBTS和CYP71D16,以及酯转运蛋白基因Nt LTP1受MeJA诱导表达;烟草腺毛发生调控基因ARF3、GIS、CD2、Wo和Cyc B2对MeJA处理均具有应答反应,其中ARF3和GIS的表达受到MeJA诱导,而CD2、Wo和Cyc B2的表达受到MeJA抑制。综上,300μmol/L MeJA可以调控腺毛发育相关基因的表达,安全、有效地促进长柄腺毛发生发育以及腺...     

烟草叶片腺毛发育及其分泌活动对烟叶品质的影响

对烤烟NC89和庆胜2号及香料烟沙姆逊叶片的解剖学观察表明:不同烟草类型(品种)间,叶片腺毛密度和类型有明显差异。腺毛密度随叶片的发育而减少,随叶位的升高而增加。品种间叶片腺毛密度:沙姆逊>NC89>庆胜2号。叶片成熟时腺毛密度最高。多细胞腺头比单细胞腺头分泌物多。     

烟草腺毛优势表达基因NtMYB108b的克隆及分析

为揭示NtMYB108转录因子在烟草中的功能,从栽培烟草K326的叶片腺毛中克隆到1条MYB基因的全长cDNA序列,命名为NtMYB108b。NtMYB108b的开放阅读框为828 bp,编码275个氨基酸。生物信息学预测显示,NtMYB108b蛋白定位于细胞核,属于R2R3-MYB型转录因子S20亚组成员,与绒毛状烟草亲缘关系最近,序列相似性为100.00%。实时荧光定量PCR分析显示,NtMYB108b在烟草腺毛中优势表达;NtMYB108b在团棵期叶片中相对表达量最高,在现蕾期5个叶位中的表达无显著差异。经乙烯利（ET）和水杨酸（SA）处理后,NtMYB108b的表达量显著上调,而经茉莉酸甲酯（MeJA）、赤霉素（GA）和脱落酸（ABA）处理后其表达量无显著变化;使用聚乙二醇（PEG）处理模拟干旱胁迫,处理2 d后NtMYB108b表达量上调,这说明NtMYB108b的功能可能涉及ET、SA信号转导和干旱胁迫。     

高分泌型K326近等基因系的创制和鉴定

烟草腺毛分泌物含量与烟叶品质和烟株抗性密切相关.本研究以K326为轮回亲本,以高分泌型烟草种质T.I.1068为供体亲本,通过对腺毛形态及腺毛分泌物含量的定向筛选,获得了高分泌型的K326近等基因系(High Secretory K326,HSK326).形态观察发现,HSK326植物学性状与K326基本一致,但叶面腺...