CN107674873B - 小麦热激转录因子基因TaHsfA2i及其编码蛋白与应用 - Google Patents

小麦热激转录因子基因TaHsfA2i及其编码蛋白与应用 Download PDF

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    • C12N15/8261Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield
    • C12N15/8271Phenotypically and genetically modified plants via recombinant DNA technology with agronomic (input) traits, e.g. crop yield for stress resistance, e.g. heavy metal resistance

Abstract

本发明属于基因工程与分子育种领域,涉及一种小麦热激转录因子基因TaHsfA2i的序列及其应用。所述的小麦热激转录因子基因的核苷酸序列如SEQ ID No.1所示。基因TaHsfA2i从小麦耐热品种沧6005中克隆获得,其表达能够被热胁迫显著上调,同时激活下游抗逆功能基因的表达。将本发明的基因通过遗传转化酵母和拟南芥,能够显著提高酵母与拟南芥的耐热能力。本发明的小麦热激转录因子编码基因将在培育强耐热性作物品种中起到重要作用。

Description

小麦热激转录因子基因TaHsfA2i及其编码蛋白与应用
技术领域
本发明属于植物分子生物学与转基因相关技术领域。具体为小麦热激转录因子基因HsfA2i抗高温功能验证、以及该基因在植物抗高温新品种培育中的应用。
背景技术
随着全球温室效应的加剧,全球气候变暖已经成为现代农业生产体系所面临的严峻挑战。小麦作为一种世界范围内重要的作物,其产量越来越受到全球变暖的不利影响,我国温带小麦在生育期间经常遭受干热风气候,导致小麦提前成熟,同时高温会对小麦的碳同化和淀粉合成造成严重的影响,导致小麦产量和品质均不同程度降低,一般年份造成小麦减产 5-10%,偏重年份达 30%。因此,提高小麦耐热性,创制小麦耐热新种质、培育耐热性强的品种是降低高温胁迫危害的关键。现代分子生物学和基因工程相关技术的发展,使人们在分子水平上揭示植物对高温胁迫响应和诱导相关信号传导途径成为可能,同时为通过基因工程手段提高作物耐热胁迫能力成为现实。而解析小麦高温胁迫响应的分子机制,挖掘优质的抗逆基因是关键。
由于植物的不可移动性,导致其会持续的暴露在热胁迫环境当中。为了适应这种长期的胁迫环境,植物进化出一套应对胁迫的响应网络。热激转录因子是热胁迫传导链的末端调控元件,能够激活热胁迫和其它胁迫效应基因表达,缓解胁迫危害。热激转录因子最早发现于酵母,随后在果蝇和哺乳动物中均有发现;植物中最早发现于番茄。在真核生物中热激转录因子结构上十分保守,所有HSF都包含 N端 DNA 结合结构域 ( DNA-bindingdomain,DBD) 、寡聚化结构域 ( oligomerization domain,OD 或 HR-A/B) ,在C端包含核定位信号 ( nuclear localization signal,NLS) 、核输出信号 ( nuclear exportsignal,NES)和 C 端转录激活结构域 ( C-terminal domain,CTD)等结构域。根据HR-A/B插入的氨基酸数量可以将植物的热激转录因子分为3个家族(HsfA,HsfB和HsfC)。植物HsfA族基因的DNA 结合结构域 ( DBD)能够结合下游抗逆功能基因启动子上游的HSE元件,如热激蛋白(heat shock protein,HSP)。绝大部分的胁迫都能够直接或间接造成植物体内蛋白质的错误折叠,错误折叠的蛋白质会形成较大的聚集体,从而对正常细胞造成代谢阻碍,而由Hsf调控的HSP和分子伴侣的功能就是作为一种缓冲剂抑制蛋白质错误折叠并重新溶解错误折叠蛋白形成的聚合体,从而降低胁迫对蛋白质组的伤害、提高植物耐胁迫能力,因而热激转录因子具有重要的热胁迫响应功能。研究表明,提高热激转录因子的表达能够提高植物的多种非生物和生物胁迫抗性,是优异的作物品种改良基因资源。
目前对热激转录因子的研究主要集中于模式植物拟南芥和番茄,拟南芥和番茄分别有21个和24个Hsfs。小麦是异源六倍体,基因组庞大,热激转录因子家族复杂多样。目前已知至少有56个小麦Hsfs被识别,其中很多Hsfs存在着冗余和序列不完整等问题。通过生物信息学和分子克隆技术相结合的方法克隆完整的Hsf基因并对其功能进行验证,能够为提高小麦耐热能力提供重要基础。在小麦Hsf家族当中,HsfA2亚族对热诱导表达响应最显著,在热胁迫响应后期具有重要调控作用,高表达Hsfa2i能够显著提高植株的基础和获得耐热性。本实验室利用RT-PCR技术获得的小麦HsfA2i基因能够为小麦抗逆分子育种提供重要的基因资源,具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是提供一个小麦热激转录因子基因TaHsfA2i,阐述该基因在响应热胁迫及其它非生物胁迫过程中的功能,及其在培育抗逆植株和菌株中的作用。
本发明采用如下技术方案:
一种小麦热激转录因子基因TaHsfA2i,所述核苷酸的序列如SEQ ID NO.1所示。TaHsfA2i能够响应热胁迫高表达,激活下游相关抗逆基因的表达,提高植物和微生物的抗热性。
一种由上述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i编码的蛋白质,所述氨基酸的序列如SEQ ID NO.2所示。
一种用于扩增所述小麦热激转录因子基因TaHsfA2i的引物对,所述引物对的前引物序列如SEQ ID NO.3所示,所述引物对的后引物序列如SEQ ID NO.4所示。所述引物对SEQID No.3和 SEQ ID No.4能够从小麦沧6005中扩增获得TaHsfA2i基因。扩增TaHsfA2i任意一片段的引物对也在本发明的保护范围内。
一种表达载体,其包含所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i。进一步的,所述表达载体为TaHsfA2i-pYES2 或TaHsfA2i-pCAMBIA1300。
一种酵母细胞,其包含所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i。进一步的,所述酵母细胞为包含重组载体质粒TaHsfA2i-pYES2的酵母细胞INVSc1。通过对酵母遗传转化TaHsfA2i获得的酵母菌株具有高耐热性。
一种农杆菌细胞,其包含所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i。进一步的,所述酵母细胞为包含重组载体质粒TaHsfA2i-pCAMBIA1300的农杆菌GV3101。
含有本发明基因的表达载体、细胞系和宿主菌均属于本发明的保护范围。
一种所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i在制备耐热植株或耐热微生物中的应用。
通过对拟南芥遗传转化TaHsfA2i可获得高耐热性拟南芥纯系植株。利用任何一种可以介导外源基因在植物中表达的载体,将本发明的TaHsfA2i基因转入微生物和植物后,植物和微生物均表现出更强的耐热能力。
本发明的TaHsfA2i在构建到植物表达载体时,在其转录起始核苷酸前可加上任意一种增强启动子或诱导启动子。被转化的植物宿主既可以是植物,也可以是微生物。携带本发明TaHsfA2i基因的载体可通过使用农杆菌介导、植物病毒载体、直接DNA转化、显微注射等常规生物学方法转化植物细胞或微生物,培育新种质。
本发明的有益效果在于:通过生物信息学和分子克隆技术相结合的方法克隆完整的热激转录因子基因并对其功能进行验证,能够为提高小麦耐热能力提供重要的基因资源。在小麦热激转录因子家族当中,A2亚族转录因子对热诱导表达响应最显著、在热胁迫响应后期具有重要调控作用,高表达TaHsfA2i能够显著提高植株的基础和获得耐热性,TaHsfA2i能够响应多种胁迫条件,激活相关抗逆基因表达,提高植物和微生物的抗热性。本发明利用RT-PCR技术获得的TaHsfA2i基因能够为小麦抗逆分子育种提供重要的基因资源,具有重要价值。
附图说明
图1为克隆得到的TaHsfA2i的琼脂糖凝胶电泳图。
图2为对转化TaHsfA2i基因后的酵母耐热性功能验证图。
图3为对转化TaHsfA2i基因后的拟南芥植株耐热性功能验证图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例1 RNA提取
分别取两叶一心的小麦沧6005幼苗的根、茎和叶,迅速冻存于液氮中。
将冷冻后的植物组织放入研钵中迅速研磨,直至植物组织成粉末状,期间不断补加液氮。
迅速将研磨后的植物组织样品分装到RNase-free的1.5ml离心管中,每管100mg,每个离心管加入1ml Redzol(北京赛百盛),涡旋后将匀浆液30℃静置5分钟使其充分裂解。
分相:每个离心管中加入200µL的氯仿,涡旋混匀后室温静置3分钟。
4℃ 12,000g离心15分钟。离心后混合物分成三相(下面的酚/氯仿相、中间的白色界面、上面的无色水相)。RNA全部在无色的水相中。
沉淀RNA:将上层水相转移到新的1.5ml RNase-free离心管中,加入500µL异丙醇,充分混匀后,室温静置10分钟,然后4℃ 12,000g离心10 分钟,RNA形成白色的小团沉淀在离心管的底部和侧面。
洗涤RNA :弃上清,RNA沉淀于管底。加入1ml 75%乙醇,漂洗3次RNA沉淀, 4℃ 7,500g离心5分钟,弃上清。
溶解RNA :在无菌工作台中干燥RNA沉淀10分钟。用DEPC处理的50µL H2O、溶解RNA样品,55-60℃温育10分钟使RNA完全溶解。
RNA浓度和质量检测:通过260 nm 和 280 nm 紫外吸收的比值来检测RNA的质量和浓度。
实施例2 cDNA第一链合成
RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit购买于Thermo scientific,将试剂盒中的试剂解冻后轻轻混匀放置于冰盒上。
分别向200µL nuclease-free PCR管中加入3µg total RNA,1µL Oligo (dT)18primer,并用nuclease-free Water补足至12µL,轻微混匀并离心。
混合体系在PCR仪中65℃ 5min后放置于冰上冷却。
向每个PCR管中加入4 µL 5X Reaction Buffer,1 µL RiboLock RNaseInhibitor (20 U/µL),2 µL 10 mM dNTP Mix,1 µL RevertAid M-MuLV RT (200 U/µL),轻微混匀并离心。
将反应体系在PCR仪中42℃ 60min反应,70℃ 5min变性后-20℃储存。
实施例3 基因克隆
前引物(SEQ ID No.3):ATGGATCCCTTTCACGGCA。
后引物(SEQ ID No.4):TCACTGGTAGCTGTGGGGC。
使用Takara公司高保真酶PrimerStar进行扩增,对PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳分离,图1为克隆得到的TaHsfA2i琼脂糖凝胶电泳图,在1000bp-2000bp之间有清晰的条带,对目标片段进行切胶,使用TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit进行凝胶回收。使用NanoDrop 2000对回收片段浓度进行测定。使用北京全式金生物技术有限公司p-EASY-Blunt cloning kit进行片段与载体的连接,将连接后的质粒转入大肠杆菌感受态细胞,进行抗性筛选,挑取单克隆进行PCR验证后,送上海生工生物工程股份有限公司进行测序。
实施例4 酵母表达载体(TaHsfA2i-pYES2)构建
利用ClonExpress II(诺唯赞生物科技有限公司)重组反应系统设计扩增TaHsfA2i特异引物,使用高保真酶PrimerStar(Takara)以小麦cDNA为模板进行PCR扩增,对PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳,将目的片段进行切胶后,使用凝胶试剂盒(GENEray)进行产物回收。
利用限制性内切酶Kpn I和EcoR I(NEB公司)对载体pYES2进行酶切,电泳后回收得到线性化载体。
将PCR产物与线性化载体按1:2的摩尔比混合,利用ClonExpress II快速克隆技术进行重组反应。于冰水浴中配制如下反应体系:4 µL 5×ClonExpress II Buffer,50-200ng线性化载体,20-200 ng插入片段扩增产物,2 µL Exnase II,加无菌水至总体积为2 µL。混匀各组分后,置于37℃反应30 min,反应完成后,立即置冰浴中冷却5 min。
利用热激法将反应产物直接转化大肠杆菌TOP10感受态细胞,37℃倒置培养过夜。用无菌的牙签将单个菌落挑至100 µL新鲜的LB培养基中,混匀,取2 µL作为模板进行PCR扩增,根据电泳条带大小选择正确的克隆进行序列测定。
实施例5 酵母细胞INVSc1感受态细胞制备及转化
挑取INVScI单菌落于5 mL YPAD培养基的试管中,30℃振荡(约250 rpm)培养过夜,OD600为1-2,取2 mL转入30 mL YPAD的50 mL的三角瓶中,30℃振荡(约250 rpm)孵育直至OD600为0.6。
4℃下1500×g离心10 min收集细胞。
用1×TE Buffer ( pH 7.4) 冲洗细胞一次。
用含200 mM LiAc 10-15 mL 的1×TE Buffer 9(无菌)重悬细胞,室温下放置10分钟。
2500g离心收集细胞弃上清。
用含200 mM LiAc 的0.5 mL 1×TE Buffer(无菌)重悬细胞,用于转化。
每次转化用上述制备好的感受态细胞溶液100μL。
在含有100μL感受态细胞的离心管中,加入1 μg待转化质粒(TaHsfA2i-pYES2)DNA和100 μg变性鲑鱼精DNA。
加入700μL的1X LiAc/40% PEG-3350/1X TE,彻底混匀。
30℃孵育溶液30 min。
加入88µL的二甲基DMSO,混匀,42℃热激7 min。
高速离心10s,收集细胞。
1mM 1× TE重新悬浮,再次离心,去除上清。
重新加入50-100μL 1×TE,混匀,均匀涂抹在SC-Glu-Ura-筛选平板上。
30℃培养2-3d。
用无菌的牙签将单个酵母菌落挑至100 µL新鲜的LB培养基中混匀,在液氮中反复冻融3次,取2 µL作为模板进行PCR鉴定。
实施例6 TaHsfA2i在酵母中的耐热性鉴定
分别将重组载体TaHsfA2i-pYES2和空载体pYES2转化酵母细胞INVSc1,筛选阳性酵母克隆。
分别挑选2个菌株的阳性克隆,在SC-Glu-Ura-液体培养基震荡(250rpm)培养过夜,检测OD600值,用SC-Gal-Ura-液体培养基将酵母菌液稀释到OD600至0.2,重新震荡(200rpm)培养2-3h,在OD600值达到0.4-0.8之间即酵母指数生长期,离心收集菌体,无菌水洗涤两遍,除去培养基。
梯度稀释到0.1、0.05和0.01共3个OD600值,分成2组,一组作为对照,另一组置于50℃水浴中热激处理45 min,吸取8µL,分别点在加入半乳糖的SC-Gal-Ura-固体培养基上。
30℃生长2-3天,观察并拍照。
图2所示,正常条件下,在半乳糖诱导固体培养基上,转化TaHsfA2i与转化空载体pYES2的酵母细胞的长势无明显差异;经50 ℃热激处理后,转TaHsfA2i酵母细胞和转化空载体对照细胞的生长速度均受到抑制,相对而言,转基因酵母细胞的生长受抑制程度明显小于转空载体细胞,细胞数目明显多于对照,低浓度时更明显,但是单个菌斑小于对照。说明,TaHsfA2i能在酵母细胞中被诱导表达,且能显著提高酵母细胞的耐热性。
实施例7 植物表达载体(TaHsfA2i-pCAMBIA1300)的构建
利用重组的方法将TaHsfA2i基因构建到双元表达载体pCAMBIA1300上。首先,以酶切连接的方法将35S启动子插入到pCAMBIA1300多克隆位点处的限制性酶切位点Hind III和Xba I之间;其次,以酶切连接的方法将NOS终止子插入到pCAMBIA1300多克隆位点处的限制性酶切位点Sac I和EcoR I之间;再次,利用ClonExpress II(诺唯赞生物科技有限公司)重组反应系统设计扩增TaHsfA2i特异引物,利用限制性内切酶Xba I和Sac I(NEB公司)对改造载体进行酶切,将PCR产物与线性化载体按1:2的摩尔比混合,利用ClonExpress II快速克隆技术进行重组反应,将TaHsfA2i基因插入到35S启动子和NOS终止子之间。
实施例8 农杆菌GV3101感受态细胞制备及转化
1) 从LB平板上挑取根癌农杆菌单菌落,接种于含25mg/L利福平的LB液体培养基中,200rpm,28℃培养过夜。
2) 取2ml过夜培养液接种于50ml含相同抗生素的LB液体培养基中在相同条件下培养至OD600=0.5。
3) 菌液冰浴30 min,4℃,5000rpm离心10min,收集菌体;
4) 将菌体重悬于冰浴的10ml 0.15M的NaCl中,离心收集菌体。
5) 再悬浮于l ml 20 mM预冷的CaCl2溶液中,以200 µL/管将菌液分装在1mlEppendorf管中,置液氮中速冻1min,-70℃保存备用;
6) 在室温下融化农杆菌感受态细胞,加入1µg表达载体质粒(TaHsfA2i-pCAMBIA1300)DNA,混匀后冰浴30min;
7) 置液氮速冻3min,迅速移至37℃保温3min;
8) 加入无抗生素的LB 800µL,28℃震荡培养4h;
9) 5000rpm离心30s收集菌体,涂于含有25mg/L利福平和25mg/L潮霉素B的LB平板上,28℃倒置暗培养2-3天。PCR检测阳性菌株进行拟南芥转化。
实施例9 转化拟南芥
制备渗透培养基,1L 渗透培养基中含有 1L 的 1/2MS,5%蔗糖,0.5g 的 MES,用KOH 调至 pH5.7,再加 10µl 1mg/ml 的 6-BA 母液(用乙醇溶解)。
选取鉴定为阳性的GV3101菌株,在LB液体培养基(50mg/L卡那霉素和25mg/L利福平)中过夜培养。
培养基中加入渗透培养基重悬农杆菌至OD600达到0.8-1.2之间。加入Silwet L-77至终浓度0.05%,振摇混匀;
浸入农杆菌悬液3-5 min后,保鲜膜将拟南芥植株放倒置于托盘中,覆盖塑料布保湿避光过夜;
一天之后将塑料布揭开透气,将拟南芥放置到培养架上正常培养。待种子成熟可以停止浇水并收获种子。
实施例10 转基因植株筛选
将转化后的种子(T0代)消毒后播种在含有25 µg/ml 潮霉素的MS培养基上,4℃春化3天,然后正常光照培养。一周后即可分辨出已转入外源基因的拟南芥幼苗(T1代)。由于双元载体上具有潮霉素抗性位点,所以抗性苗子叶为绿色,下胚轴较长,根伸长并长出两片正常的真叶;而非转化体没有抗性,子叶为虽然还是绿色但是没有正常真叶生长,胚根也停止生长。
移栽出抗性植株,继续培养,收取T1代种子。将T1代种子播种在含25 µg/ml潮霉素的培养基上继续筛选,根据其后代(T2代)的分离比,可以判定是否为单位点插入。
选取单位点插入的转基因植株移栽,单株收取种子(T3代),种在含25 µg/ml MS的培养基上进一步筛选纯合体,不发生分离的为纯合体。
实施例11 转基因植株耐热性鉴定
将转化后的拟南芥种子清洗、浸泡、消毒后,平铺于MS培养基上,4℃春化2天,22℃光照培养5天,进行耐热性鉴定。植物耐热性分为基础耐热性和获得耐热性。
基础耐热性:45℃热胁迫处理45min,22℃恢复8天,拍照。
获得耐热性:37℃热胁迫处理60min,22℃恢复2天,46℃热胁迫处理50min,22℃恢复8天,拍照。
图3所示,与野生型对照相比,过表达TaHsfA2i基因的拟南芥植株幼苗的基础耐热性和获得性耐热性均显著提高。转化后的植株在表现出优于野生型(WT)耐热能力。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,但并不限于此,本领域的技术人员很容易根据上述实施例领会本发明的精神,并做出不同的引申和变化,但只要不脱离本发明的精神,都在本发明的保护范围之内。
SEQUENCE LISTING
<110> 河北省农林科学院遗传生理研究所
<120> 小麦热激转录因子基因TaHsfA2i及其编码蛋白与应用
<130> 2017
<160> 4
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1122
<212> DNA
<213> 小麦沧6005
<400> 1
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<211> 373
<212> PRT
<213> 人工序列
<400> 2
Met Asp Pro Phe His Gly Ile Val Lys Glu Glu Glu Phe Asp Phe Ala
1 5 10 15
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20 25 30
Ser Ser Trp Gly Ser Ser Pro Ser Ser Trp Ala Gly Gly Gly Ala Leu
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130 135 140
Gln Lys Glu Leu Leu Lys Thr Ile Arg Arg Arg Arg Pro Gln Ser Ser
145 150 155 160
Pro Ser Gly Thr Pro Ala Leu Gln Gln Gln Gln Gln Gly Gln Gln Gln
165 170 175
Glu Ala Cys Leu Glu Val Gly His Phe Gly Pro Glu Gly Glu Val Gln
180 185 190
Arg Leu His Arg Asp Lys Gly Thr Leu Ile Ala Glu Val Val Lys Leu
195 200 205
Arg Gln Glu Gln Gln Val Thr Arg Ala Gln Met Gln Glu Met Glu Ala
210 215 220
Arg Leu Ala Ala Thr Glu Gln Lys Gln Gln Gln Met Thr Val Phe Leu
225 230 235 240
Ala Arg Ala Met Lys Ser Pro Ser Phe Leu Gln Met Leu Val Glu Arg
245 250 255
Gln Asp Gln Ser Arg Arg Lys Glu Leu Ala Asp Ala Leu Leu Ser Lys
260 265 270
Lys Arg Gly Arg Pro Ile Glu Tyr Leu Leu Arg Arg Asn Gly Glu Thr
275 280 285
Ser Tyr Ser Ala Pro Ala Gln Gly Tyr Gly Pro Gly Leu Ala Asp Gly
290 295 300
Gly Glu Gly Arg Arg Ala Asp Gly Glu Asp Thr Glu Ser Phe Trp Lys
305 310 315 320
Glu Leu Leu Ser Leu Gly Leu Glu Glu Arg His Arg Glu Ala Gly Gly
325 330 335
Ala Gly Gly Asp Ala Ser Gly Ala Glu Val Asp Asn Asp Val Glu Asp
340 345 350
Glu Val Asp Glu Leu Val Gln Ser Leu Tyr His Leu Ser Pro Asn Arg
355 360 365
Pro His Ser Tyr Gln
370
<210> 3
<211> 19
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 3
ATGGATCCCT TTCACGGCA 19
<210> 4
<211> 19
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 4
TCACTGGTAG CTGTGGGGC 19

Claims (9)

1.一种小麦热激转录因子基因TaHsfA2i,其特征在于,所述基因的核苷酸序列如SEQID NO.1所示。
2.一种由权利要求1所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i编码的蛋白质,其特征在于,所述蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示。
3.一种表达载体,其特征在于,其包含权利要求1所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i
4.根据权利要求3所述的表达载体,其特征在于,所述表达载体为TaHsfA2i-pYES2或TaHsfA2i-pCAMBIA1300。
5.一种酵母细胞,其特征在于,其包含权利要求1所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i
6.根据权利要求5所述的酵母细胞,其特征在于,所述酵母细胞为包含重组载体质粒TaHsfA2i-pYES2的INVSc1。
7.一种农杆菌细胞,其特征在于,其包含权利要求1所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i
8.根据权利要求7所述的农杆菌细胞,其特征在于,所述农杆菌细胞为包含重组载体质粒TaHsfA2i-pCAMBIA1300的农杆菌GV3101。
9.一种如权利要求1所述的小麦热激转录因子基因TaHsfA2i在制备耐热植株或耐热微生物中的应用。
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