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Cloning and Expression Profiles Analysis under Abiotic Stresses of Cold Stress Transcription Factor Gene DcICE1 from Daucus carota

胡萝卜低温胁迫转录因子DcICE1基因克隆与非生物逆境响应分析



全 文 :书西北植物学报!
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文章编号$
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收稿日期$
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&修改稿收到日期$
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基金项目$教育部新世纪优秀人才支持计划"
1234(##("*"
#&江苏省杰出青年基金"
56!"#%""!*
#&中国博士后基金"
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#&江
苏高校优势学科建设项目"
!"##9:9;
#&江苏省双创计划"
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作者简介$黄
!
莹"
#88"&
#!女!在读硕士研究生!主要从事蔬菜分子生物学研究
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通信作者$熊爱生!教授!博士生导师!主要从事蔬菜分子生物学和遗传育种研究
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E-F/
G
?-.HB/
G!
/
,
?A+BCA+D/
胡萝卜低温胁迫转录因子
1"234$
基因
克隆与非生物逆境响应分析

!
莹!徐志胜!王
!
枫!李梦瑶!马
!
静!熊爱生"
"南京农业大学 作物遗传与种质创新国家重点实验室!园艺学院!农业部华东地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室!南京
!#""8$
#

!
要$植物
!"##
基因是调控
"$%
基因表达的上游调控因子!在植物抵抗逆境胁迫中具有重要的作用该实验

!
个胡萝卜品种 (黑田五寸)和(君川红)为实验材料!分别克隆出
&!"##
转录因子基因!并通过荧光定量
92I
方法测定了
)
种不同逆境胁迫下"
)J
低温*
%0J
高温*
"+!>F@
+
K
&#
1?2@

!""
G
+
K
&#
93L
#
&!"##
基因的表
达情况!探讨
;DM23#
转录因子在植物抵抗非生物胁迫下的功能序列分析显示!该基因全长
#)$0N
O
!编码
)0$

氨基酸
!
个胡萝卜品种的
&!"##
基因在核苷酸水平上有
!
个位点的差异!分别为第
#%8
位的
L
%
:
和第
)*$


:
%
L
!导致编码的氨基酸在第
)*
位的
3
%
6
和第
#$8
位的
1
%
;
差异!该差异可能与
;DM23#
转录因子在
!
个不同
品种应对逆境胁迫下的响应不同有关胡萝卜
;DM23#
转录因子有一个保守的
M23#
功能结构域实时定量
92I
检测
&!"##
基因在不同逆境胁迫下的响应表明!低温"
)J
#处理能明显地诱导
&!"##
基因的表达!但盐"
+!
>F@
+
K
&#
1?2@
#和干旱"
!""
G
+
K
&#
93L
#处理下的诱导效果均不明显
关键词$胡萝卜&
;DM23#
转录因子&基因克隆&非生物胁迫&表达分析
中图分类号$
P*08
文献标志码$
:
%&"#
(
)!*+
,
-.//#"0-"1#&./2)&
3
/#/4!.-25#"6#786-.//./"1%"&!
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G
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,
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G
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X
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G
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G
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G
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X
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G
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"
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J
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+
K
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1?2@
!
""
G
+
K
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93L
#
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X^
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^
AB/DB?/?@
X
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G
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O
!
B/DFC-/
G
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.-ZB.?/CZ_F?>-/F?D-C[B.-CABC-\\B[B/DB.NBZ_BB/Z_FDA@Z-]?[.
"
L
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&
3
%
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!
1
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X
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O
F/.B
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O
Z-F/\?DZF[H?.?DF/.B[]BC
CF>?-/+PA?/Z-Z?Z-]B[B?@(Z->B92ICBZBDZBCZHBBE
O
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O
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G
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O
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X
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[F\-@B.F\&!"##
G
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X
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3
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$
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;DM23#Z[?/.D[-
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Z-F/\?DZF[
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G
B/BD@F/-/
G
&
?N-FZ-D.Z[B..
&
BE
O
[B..-F/?/?@
X
.-.
!!
低温是一类重要的环境因子!在很大程度上影
响着植物的生长*发育!并且会给植物造成不同程度
的伤害!严重影响着植物的产量与品质,#(!-低温胁
迫时!植物体内会发生许多生理生化和分子变化,%-!
包括细胞水平和基因水平,%()-因此!研究植物的抗
寒性*探究植物的抗寒性机制!对提高植物的抗寒能
力!提高农作物的产量和品质具有重要意义,$-
在遭遇低温胁迫时!植物体内与冷有关的基因
表达会被激活!从而提高植物的抗寒性!这种现象称
为冷驯化!其中由冷胁迫诱导而表达的基因称为冷
诱导基因"
DF@C[B
G
A@?ZBC
G
B/B
!
2YI
#
,

-
冷诱导基
因是一类编码调控性蛋白的基因!可调控相关抗寒
基因的表达及相关抗寒蛋白的活性!如
"$%
%
&.#$
*
!"#
基因,*-
M23
是在低温胁迫下诱导
"$%
家族转录因子基因表达的转录激活因子!在低
温胁迫时能特定地结合
"$%
的启动子序列!诱导
"$%
基因表达!而
"$%
基因同样会诱导下游相关
基因的表达!从而产生一系列适应低温的变化!增强
植物的抗寒性,0-
!"##
基因编码的蛋白具有
7S2
转录因子家族特有的
NQKQ
"碱性
(
螺旋
(

(
螺旋#
;1:
结合域!能够与
25W%
启动子上的
7S2
顺式作用元件结合!激活
"$%%
基因的表达!提高抗
寒性,0-目前已经从许多植物中发现了
!"#
基因!
包括拟南芥,8-*赤桉,#"-*小麦,##-*油菜,$-*萝卜,*-*茶
树,#!-*苹果,#%-*蝴蝶兰,#)-*菊花,#$-!并且获得了转
!"#
基因的拟南芥,8!#-*黄瓜,#*-*柠檬,#0-*水稻,#8-*
烟草,!"-和马铃薯,!#-!转基因植株抗寒性均有提高
胡萝卜"
&())*(+,-(K+
#属于伞形科二年生
草本植物!栽培面积非常广泛!主要以肉质根做食用
材料其肉质根含有丰富的营养物质!如葡萄糖*胡
萝卜素*维生素等!在人们健康生活中发挥着重要的
作用胡萝卜生长发育大致可以分为发芽期*幼苗
期*莲座叶生长期*肉质根膨大期以及抽薹开花
期,!!-!且其生长发育需要一定的温度条件!播苗期
温度太低!会影响出苗率以及幼苗生长&若在肉质根
膨大期遭遇低温!会使胡萝卜提前经历春化作用而
抽薹开花!严重影响胡萝卜的产量及品质,!%(!)-近
年来许多地区初春及秋冬季不乏极端天气的出现!
严重影响胡萝卜的生长发育!给胡萝卜生产带来极
大的损失胡萝卜品种有多种!根据肉质根形状!可
分为短圆锥形*长圆锥形和圆柱形三大类型!(黑田
五寸)和(君川红)
!
个品种所食用肉质根分别为圆
锥*圆柱类型!(黑田五寸)品种引自日本!属中早熟
品种!抗热抗病性强!产量高&(君川红)品种属早熟
品种!抗病性强!抗寒*抗热性好(黑田五寸)和(君
川红)均有很高的商品性!是生产中常用的胡萝卜
栽培种
近年来人们对
!"#
基因及其低温调控机制比
较关注!研究重点主要集中在拟南芥等模式植物中!
且对除低温胁迫外的其他非生物胁迫的研究也相对
较少本研究从胡萝卜品种(黑田五寸)及(君川红)
中分别克隆了
&!"##
基因!并对
&!"##
基因进
行了较为详细的生物信息学分析!利用荧光定量
92I
检测其在
%0J
高温*
)J
低温*
"+!>F@
+
K
&#
1?2@
*
!""
G
+
K
&#
93L
等胁迫处理不同时间段的
表达情况!以了解胡萝卜抗逆转录调控的作用机制!
为通过遗传方法提高作物抗逆性奠定基础
#
!
材料和方法
$+$
!
植物材料
植物材料胡萝卜品种 (黑田五寸)和(君川红)

!"#)

"%
月份种植于南京农业大学作物遗传与
种质创新国家重点实验室人工气候室待长至
!

龄时!分别进行低温"
)J
#*高温"
%0J
#*盐"
"+!
>F@
+
K
&#
1?2@
#*干旱"
!""
G
+
K
&#
93L
#处理!在
处理的
"
*
#
*
!
*
)
*
0

#!H
分别取叶片样品!按照
I1:.->
O
@B4FZ?@I1: 6-Z
试剂盒"北京天根公
司#说明书分别提取总
I1:
!并用
9[->B=D[-
O
ZI4
[B?
G
B/Z6-Z
"大连
4?6?I?
公司#将提取的总
I1:
反转录成
D;1:
!用于荧光定量
92I

$?@
!
胡萝卜
1"234$
基因克隆
基于本实验室胡萝卜转录组数据!拼接得到胡萝

&!"##
基因的序列!并设计
#
对引物!
;D:#%W
"
$a(2::::4L242222:24422::2LL2L(%a
#和
;D:#%I
"
$a(:L24:::44L2422:4L::::22:L(
2(%a
#分别以(黑田五寸)和(君川红)未经处理的
叶片的
D;1:
为模板进行扩增!
92I
反应条件为$
8)J
预变性
$>-/
&
8)J
变性
%".
!
$)J
退火
%".
!
#%
#

!!!!!!!!

!
莹!等$胡萝卜低温胁迫转录因子
&!"##
基因克隆与非生物逆境响应分析
*!J
延伸
#>-/)$.
!共
%$
个循环&
*!J
延伸
#"
>-/
反应产物经质量浓度
#!
G
%
K
琼脂糖凝胶电泳
分离!利用
:E
X
9[B
O
;1:
凝胶回收试剂盒"美国
:E
XG
B/
公司#回收后!连接
O
7;#8(4
载体"大连
4?6?I?
公司#并转化到大肠杆菌
;Q$
"
"由本实验
室保存#!提取质粒经
92I
鉴定后委托南京金斯瑞
生物科技有限公司测序
$?A
!
胡萝卜
1"234$
基因序列分析
各植物相关基因和氨基酸序列均来自
125M

据库!多序列比对采用
2@A.Z?@T
软件!用
73L:$
构建分子进化树!生成报告图形,!$-!蛋白质基本性
质分析使用
HZZ
O
$%%
___+BE
O
?.
X
+F[
G
网站相关软
件完成,!-!利用
;1:7:1
软件进行蛋白质疏水
性%亲水性分析
$?B
!
胡萝卜
1"234$
转录因子基因实时定量
0%C
表达分析
荧光定量
92I
"
PA?/Z-Z?Z-]B[B?@Z->BI4(92I
#
采用
=S5I9[B>-E#/0(
1
试剂盒"大连
4?6?I?

司#!在
-P
47
$IB?@(Z->B92I=
X
.ZB>
完成!采用
-P
47
$.F\Z_?[B
进行分析!按照操作说明进行相对定量
使用参照基因的
##
2
4
法!表达差异等于
!
&
##
2
4
!
#
2
4
b2
4
目标基因&2
4(-23
相对定量是基于处理和对照之
间!目标基因相对内参基因的表达量的比较,!*-以
胡萝卜
0)4)523
基因为参照基因!引物为
;D:#$W
"
$a(L:L4LL:L44:224L24L22442(%a
#和
;D:#$I
"
$a(:4L4:L:2L:LLL::2LL::4(
2::L(%a
#用于
&!"##
基因表达分析的引物为
;D:#)W
"
$a(L24422:4:244LL2L:4L24:4(
4L(%a
#和
;D:#)I
"
$a(24244L22244:2242(
L:22244L2(%a
#
!
!
结果与分析
@?$
!
胡萝卜
1"234$
基因克隆
以胡萝卜(黑田五寸)和(君川红)未经处理叶片

D;1:
为模板!以
;D:#%W

;D:#%I
为引物进
行扩增!分别得到长约
#$""N
O
的扩增产物"图
#
#
将回收产物分别进行连接*转化*序列测定!获得
!
个扩增产物序列对胡萝卜(黑田五寸)和(君川红)
扩增产物核苷酸序列推导的氨基酸序列进行
5K:=4
检索与比对!发现其均有
M23#
转录因子所
具有的保守功能域!且具有
M23#
蛋白具有的
NQKQ
"碱性
(
螺旋
(

(
螺旋#
;1:
结合域!属于
M23#
家族序列测定与分析表明!(黑田五寸)和
(君川红)中的
&!"##
基因"
LB/5?/c
登录号分别

67)0*$8%

67)0*$8)
#均含有一个
#)$0N
O
的开放阅读框!编码
)0$
个氨基酸!两者在核苷酸水
平上有
!
个碱基的差异!分别为第
#%8
位的
L
%
:
!

)*$
位的
:
%
L
&氨基酸水平上有
!
个位点的差
异!分别为第
)*
位的
3
%
6
!第
#$8
位的
1
%
;

!
个品种的
;DM23#
转录因子进行氨基酸亲水性%疏
水性分析!结果表明!胡萝卜
;DM23#
转录因子中大
部分氨基酸属于亲水性氨基酸"图
!
#
@?@
!
胡萝卜
D7E%*$
转录因子氨基酸序列分析及
理化性质分析
通过氨基酸序列检索和比对得知!胡萝卜
M23#
转录因子与大白菜"
$+(**2(
6
782373*2*
#*大豆
"
95
:
237;(/
#*拟南芥"
<+(42=,
6
*2*->(52(3(
#等
的相似性均较高!且均具有
NQKQ
保守区域及
M23#
转录因子具有的功能域"图
%
#对上述植物
的 氨基酸组成成分及理化性质进行分析"表
#
#!各

#
!
胡萝卜
&!"##
基因克隆图谱
7+7?[cB[
&
#+
黑田五寸&
!+
君川红
W-
G
+#
!
92I?>
O
@-\-D?Z-F/F\&!"##
G
B/B\[F>D?[[FZ
7+7?[cB[
&
#+QB-Z-?/_ADA/
&
!+
G

!
!
胡萝卜
;DM23#
氨基酸序列疏水性"
:
#
和亲水性"
5
#比较
W-
G
+!
!
9[BC-DZBCH
X
C[F
O
H-@-D
"
:
#
?/CH
X
C[F
O
HFN-D
"
5
#
O
[F
O
B[Z-B.F\;DM23#Z[?/.D[-
O
Z-F/\?DZF[.\[F>D?[[FZ
!%
西
!

!

!

!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$

植物的氨基酸残基数在
)!"
$
$$"
之间不等!其理论
相对分子质量在
)$
$
#c;
之间!碱性氨基酸比例
高于酸性氨基酸比例!个别植物差异较明显!脂肪族
氨基酸*芳香族氨基酸的比例均有一定的差异!可能
与其在非保守区域的氨基酸差异较大有关
@?A
!
胡萝卜
D7E%*$
转录因子的进化分析
为了进一步分析胡萝卜(黑田五寸)和(君川红)

;DM23#
转录因子与其他物种中相关蛋白的进化
关系!选取了相似性较高的几种植物进行进化分析
如图
)
所示!胡萝卜与大豆中的
M23
转录因子属于
同一个分支!亲缘关系较近&十字花科的油菜*大白
菜*萝卜*拟南芥同属于一个分支!而葡萄科的葡萄*
蔷薇科的苹果*茄科的番茄属于不同的分支!说明同
科的植物进化关系最近

%
!
胡萝卜
;DM23#
转录因子与其他物种氨基酸序列的多重比对
%
代表
M23#
类蛋白保守域&
&
代表
NQKQ
保守区域
W-
G
+%
!
4HB?@-
G
/>B/ZF\?>-/F?D-C.B
^
AB/DB.F\M23Z[?/.D[-
O
Z-F/\?DZF[.\[F>D?[[FZ?/CFZHB[C-\\B[B/Z
O
@?/Z.
5FE
%
-..
O
BD-\-D?@
X
\FA/C-/M23#(@-cB
O
[FZB-/.
&
NQKQCF>?-/-.-/C-D?ZBC-/5FE
&
%%
#

!!!!!!!!

!
莹!等$胡萝卜低温胁迫转录因子
&!"##
基因克隆与非生物逆境响应分析
@?B
!
胡萝卜
1"234$
基因在不同逆境处理下表达
情况
为了分析
&!"##
基因在胡萝卜非生物胁迫中
的响应情况!对胡萝卜(黑田五寸)和(君川红)
!

品种进行了
%0J
高温*
)J
低温*
"+!>F@
+
K
&#
1?2@
*
!""
G
+
K
&#
93L
不同时间段的处理结果
"图
$
#表明!胡萝卜
&!"##
转录因子基因在
)J
低温处理时表达!(黑田五寸)品种在
!H
时表达量
达到最高水平!是对照的
!+%
倍!而(君川红)品种在
处理
#H
后表达量稍增加!随着处理时间的延长!表

)
!
部分物种
M23
转录因子氨基酸序列的系统进化树
W-
G
+)
!
9H
X
@F
G
B/BZ-DZ[BBF\?>-/F?D-C.B
^
AB/DB.
F\M23Z[?/.D[-
O
Z-F/\?DZF[.\[F>.B]B[?@
O
@?/Z.
O
BD-B.

$
!
不同植物来源
E%*
转录因子氨基酸组成成分及理化性质分析
4?N@B#
!
2F>
O
?[-.F/F\DF>
O
F.-Z-F/?/C
O
H
X
.-D?@?/CDHB>-D?@DH?[?DZB[-`?Z-F/F\?>-/F?D-C
.B
^
AB/DB.F\M23Z[?/.D[-
O
Z-F/\?DZF[.?>F/
G
ZHBC-\\B[B/Z
O
@?/Z.
植物
9@?/Z
登录号
LB/5?/c
/A>NB[
氨基酸
残基数
1F+F?>-/F
?D-C
相对分子质量
4HBF[BZ-D?@
[B@?Z-]B
>F@BDA@?[
>?..
%
;?
理论等电点
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基因在不同逆境处理下不同时间的表达情况
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处理下! 个品种各个时间段的表达量同
样与对照相比!均有所下降!其中(黑田五寸)在处理
的各时间段表达量呈连续下降趋势!而(君川红)各
处理时间变化更加平缓
&!"##
转录因子基因在
!
个胡萝卜品种中响应逆境的时间和强度不同!可
能与
!
个品种本身抗逆性差异有关
%
!

!

在植物生长发育过程中!会不断受到各种非生
物胁迫而严重影响作物的产量和品质,!0(!8-!低温就
是一类重要的非生物影响因子进一步深入了解植
物抗寒机制对于农业生产有着重要的意义胡萝卜
生产中!低温会影响胡萝卜的生长发育!也是制约胡
萝卜栽培区域的重要因素之一
本实验分别从(黑田五寸)和(君川红)
!
个品种
中克隆并分析了胡萝卜
&!"##
基因!发现有
!

核苷酸位点差异!编码氨基酸有
!
个位点差异氨
基酸序列及同源进化树分析显示! 个胡萝卜品种
中的
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转录因子在氨基酸性质如氨基酸数
目*酸碱氨基酸比例*等电点*疏水性%亲水性等方面
高度一致!但不同植物氨基酸理化性质有一定的差
异!这可能与不同物种进化过程中的亲缘关系有
关,%"-伞形科胡萝卜的
;DM23#
转录因子与蝶形花
科大豆的
M23
转录因子同属一个分支!亲缘关系较
为密切十字花科的大白菜*油菜*拟南芥及萝卜的
M23
转录因子属于另外一个分支!而葡萄科的葡萄*
蔷薇科的苹果*茄科的番茄分属于不同的分支!这说
明不同物种
M23
转录因子的进化关系呈现明显的
种属特性
有研究表明!
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基因是
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转录因子基因
的正调控因子!在植物抵抗寒冷环境中发挥着重要
的作用,0!#$-
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基因是一种诱发基因!即在正常
条件下不启动基因表达!当低温胁迫时诱导
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因表达!进而启动一系列相关基因表达!增强植物的
抗寒性!在植物的生长发育中起着重要的作用,%#-
本研究通过荧光定量
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检测胡萝卜
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因在不同逆境不同时间段处理的表达情况!结果表
明高温及盐胁迫不会引起
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基因过量表达!

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低温处理下
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后胡萝卜(黑田五寸)
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转录因子基因的表达量明显增加!(君川红)
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后表达量增加!这可能与不同胡萝卜品种特性有关
另外!高等植物的抵御非生物胁迫机制复杂!涉
及到很多的生理生化过程!参与逆境调控的基因非
常多,%!-本研究使用生产上常用的
!
个胡萝卜品
种!抗热*抗病性能较强的(黑田五寸)和抗寒*抗热
及抗病性强的(君川红)!
!
品种
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转录因子
基因在不同逆境处理下响应的时间和强度表现出较
大的差异!这可能与
!
品种中
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转录因子个
别氨基酸位点差异有关!也可能与品种本身特性有
关另外!有研究表明!葡萄的
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基因能被盐
诱导!为正调控!与本实验结果有些差异!这可能与
物种不同有关!也可能与植物生长的环境差异有
关,%%(%)-
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