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谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS1a)是氮代谢循环中的关键酶,在促进植株的生长,提高氮素利用率,抗逆境胁迫等方面具有重要作用。为探究GS1a在小黑杨次生生长方面的作用,本项目从小黑杨中克隆了 GS1a,并对其在植株水平上的功能进行了初步研究。主要研究内容及结果如下:1.小黑杨GS1a基因克隆及生物信息学分析本文从小黑杨(Populus simonii×P.nigra)中克隆得到片段长为1071 bp的G51a,命名为PsnGS1a。生物信息学分析显示,PsnGS1a基因编码356个氨基酸,分子量为38.99 kDa,等电点PI为5.53。该蛋白N端是一段α螺旋,C端是一段β折叠,其间以卷曲为主。三级结构是由两个大亚基构成,每个大亚基又包含5个小亚基。该蛋白不属于跨膜蛋白,不存在信号肽切割位点。PsnGS1a有Gln-synt_N和Gln-synt_C两个结构域。亚细胞定位预测表明PsnGS1a属于胞质型。2.小黑杨GS1a组织特异性表达及亚细胞定位PsnGS1a在次生生长过程中表达显著,且具有组织表达特异性,其中根部表达量最高,木质部次之,叶部和韧皮部较低。本文构建了pBI121-GS1a-GFP植物表达载体,利用基因枪瞬时表达洋葱表皮细胞,分析PsnGS1a表达产物的亚细胞定位情况,结果显示PsnGS1a编码蛋白不存在重新分配,属于胞质型,该结果与亚细胞定位预测结果相一致。3.PsnGS1a过表达烟草的功能分析PsnGS1a过表达转基因烟草的研究发现,转基因烟草的株高,叶片长宽比,生物量及茎秆强度等生长性状明显高于野生型;对PsnGS1a过表达烟草叶片的超微结构进行观察,发现叶片表皮细胞及栅栏组织的体积有所增大。转基因烟草的叶绿素含量增多,光合速率极显著高于野生型。与氮代谢相关的GS酶活,可溶性蛋白和游离氨基酸含量较野生型有不同程度的增加。转基因烟草茎部纤维素和半纤维素含量显著高于野生型,木质素较野生型有所减少,而与次生细胞壁合成的相关功能基因的表达也均发生了不同程度的变化,同时利用环境扫描电子显微镜对PsnGS1a烟草茎段超微结构进行观察,发现转基因植株茎部次生细胞壁的厚度有所增加。这均表明PsnGS1a过表达能促进转基因植株的高生长,提高生物产量、光合速率及氮素利用率,并对植物次生生长具有一定的影响。