藜麦Hsf家族的进化与多胁迫条件下的转录应答

Hsf转录因子参与调控植物在生物和非生物胁迫下的防御应答机制.基于系统的生物信息学分析方法,对藜麦Hsf家族成员进行序列特征、进化和多种生物和非生物逆境胁迫下的基因表达水平分析.在藜麦基因组中共鉴定得到31个Hsf转录因子,主要分布在7号染色体.系统进化树将藜麦31个Hsf成员划分到A1-A9、B1-B5和C组中;但藜...     

少根紫萍转录因子及其营养胁迫下的表达

少根紫萍(Landoltia punctata)是一种浮水生、多功能、高环境适应能力的能源植物,为了解其生理特性的分子机制,利用少根紫萍转录因子预测数据与拟南芥、水稻、玉米数据库数据进行宏观比较,并结合转录组测序技术对少根紫萍营养胁迫后转录因子表达分析.结果显示,少根紫萍有1 076个转录因子,分属于66个家族,其中在b ZIP、WRKY、AP2/ERFERF、MYB、NAC、MADS-box等家族基因数明显减少,一定程度上解释了浮萍高黄铜低木质素、难开花的生理特性;少根紫萍在营养胁迫下偏向上调AP2/ERF-ERF、MYB、bHLH家族特定基因和下调AP2/ERF-ERF、WRKY家族特定基因来响应营养胁迫,尤其是AP2/ERF-ERF、WRKY两个家族中特定基因表达下调在响应水体营养胁迫中有非常重要的作用.本研究在转录因子层面对浮萍的生理特性,特别针对营养胁迫下转录因子的表达进行了探究,可为建立浮萍水生模式植物系统、深入探讨少根紫萍响应营养胁迫机制以及改造成耐受胁迫的高效淀粉积累能源植物提供理论指导.     

植物NAC转录因子的种类、特征及功能

综述了NAC转录因子的发现及其家族成员、结构特点和生物学功能.NAC类蛋白是近年来发现的一类植物特有、数量众多的转录因子家族,其成员广泛分布于陆生植物中.NAC家族成员的N端具有一个保守的约150个氨基酸组成的NAC结构域,含有A、B、C、D、E 5个亚结构域,C端具有一个高度变异的转录激活区.分析表明,NAC蛋白结构与其功能密切相关.NAC转录因子具有诸多方面的功能,如参与植物次生生长,在细胞分裂和植株衰老中发挥作用,参与激素调控和信号转导,参与矿质元素营养和农作物品质改良等.同时,NACs还参与生物胁迫中植物的防御反应以及在非生物逆境中发挥作用.目前对NAC基因的研究主要集中于模式植物拟南芥和水稻,对于NAC蛋白涉及的调控途径及其组成因子知之甚少,因此NAC基因的功能还有待深入研究;同时,利用基因工程手段导入或改良关键的NAC转录因子,使作物综合品质的提高已成为可能.图2表2参87     

Evolution characteristics and transcriptional responses to multiple stresses of NAC genes in Chenopodium quinoa and its ancestral diploid species北大核心CSCD

NAC是一类广泛参与调控植物在生物和非生物胁迫下防御应答的转录因子.基于系统的比较基因组学研究方法,对藜麦Chenopodium quinoa的NAC基因进行进化与多个生物和非生物逆境下的应答研究.在藜麦C.quinoa、祖先二倍体Chenopodium pallidicaule和Chenopodium suecicum基因组中分别共鉴定得到106、54和54个NAC基因.染色体定位数据表明藜麦基因组中18个NAC基因涉及串联倍增事件.3个物种NAC基因的系统进化树证明藜麦基因组中存在NAC基因的倍增与丢失.藜麦分别和C.pallidicaule和C.suecicum之间同源基因组模块的对应数目关系进一步证明藜麦保留了相当数量的祖先二倍体NAC基因,是其NAC基因倍增的主要动力.此外,藜麦NAC基因在干旱、高温、盐、低磷胁迫和GCFSV侵染下的表达模式被阐明;大量NAC基因被显著地诱导表达,推测其参与了藜麦在生物和非生物胁迫下的防御应答反应.本研究结果为藜麦的遗传育种提供了优良的候选NAC基因.(图7参26)     

异源表达胡杨PeCPD基因提高烟草对盐、高氮和干旱胁迫的抗性

油菜素类固醇(Brassinosteroids,BRs)在调节植物生长发育和提高植物对非生物胁迫的抗性中起着重要作用,CPD(Constitutive Photomorphogenesis and Dwarfism)基因编码一种甾醇类23a羟化酶,在BR的生物合成中发挥着重要作用.本研究克隆胡杨Pe CPD基因的c DNA序列,并利用农杆菌介导法,将Pe CPD基因植物过表达载体p BI121-35S::Pe CPD转化野生型烟草,筛选得到Pe CPD基因过表达的转基因烟草植株,并利用Na Cl、高氮和甘露醇分别对转基因和野生型烟草进行胁迫处理,检测转基因烟草的耐受性和相关的生理生化指标.结果表明:(1)在正常条件下,转基因烟草的鲜重是野生型烟草的1.47倍;(2)在Na Cl、高氮以及甘露醇的胁迫处理下,转基因烟草植株的根长、叶片叶绿素和类胡萝卜素的含量均显著高于野生型植株,抗氧化酶SOD和POD活性以及渗透调节物质脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖的含量也同样表现为转基因烟草显著高于野生型,而野生型植株的丙二醛(MDA)含量显著高于转基因植株.因此在烟草中异源过表达胡杨Pe CPD基因不但能够增加烟草的生物量,而且能够提高烟草对盐、高氮和干旱胁迫的抵抗能力.     

拟南芥新基因SI(stress insensitive)参与非生物胁迫应答（英文）

非生物胁迫是影响农作物产量的主要因素,植物对非生物胁迫的应答机制一直是植物学研究的热点之一.在拟南芥中克隆和鉴定了一个参与非生物胁应答的新基因SI(stress insensitive),该基因编码一个未知功能结构域的蛋白DUF1336,该家族蛋白结构域具有许多未知功能的假设植物蛋白C末端(约250个残基).在单子叶植物和双子叶植物中,SI蛋白质是保守的.通过瞬时转化实验证明,该蛋白定位于细胞质膜.实时定量PCR分析结果显示,SI基因在各种组织中组成型表达.在花、果荚和种子中表达量相对较高.非生物胁迫和脱落酸(ABA)可以增加SI基因的表达,SI基因在ABA、Na Cl和冷处理后分别上调3.5倍、2.1倍和4.7倍.SI基因的T-DNA插入突变体(SALK_021811C)植株表现出对冷胁迫和高盐胁迫的抗性.种子的萌发实验也表明,突变体种子可以在高盐胁迫条件下萌发,对ABA的抑制作用也不敏感.本研究表明SI基因是植物抗逆性的负调控因子,可为提高农作物的遗传改良提供新的候选基因.     

番茄SlNAC1基因启动子的盐应答功能分析

番茄NAC转录因子编码基因SlNAC1受假单胞菌、盐、干旱和低温等多种生物和非生物胁迫诱导表达,但其转录调控机制仍不清楚.为研究SlNAC1的盐应答转录调控机制,分离SlNAC1基因的启动子并分析其盐应答功能.构建4个5′-缺失的SlNAC1启动子(起始密码子上游2 039 bp、1 508 bp、1 373 bp和777 bp)驱动的GUS基因表达载体,并利用农杆菌介导法分别转化烟草(Nicotiana benthamiana),随后对转基因植株进行NaCl处理和GUS染色分析.结果显示,未经NaCl处理的转基因植株均不被明显染色,而NaCl处理后,除777 bp启动子转基因植株外,2 039 bp、1 508 bp和1373 bp启动子转基因植株都被明显染色.这说明SlNAC1启动子中盐应答元件位于-1 373 bp和-777 bp之间.结合该区间有4个盐应答元件——GT1GMSCAM4元件(核心序列为GAAAAA)的预测分析结果,推断这4个GT1GMSCAM4元件中的一个或者多个协同负责SlNAC1基因的盐应答转录调控.这4个GT1GMSCAM4元件将用于筛选SlNAC1盐应答的转录调控因子.(图4表1参28)     

过量表达水稻OsP5CS1和OsP5CS2基因提高烟草脯氨酸的生物合成及其非生物胁迫抗性(英文)

为了解水稻OsP5CS基因在非生物胁迫中的生物学功能及其生理生化作用,将P5CS基因的两个水稻同源基因OsP5CS1和OsP5CS2同时构建到植物表达载体pHB上,并通过农杆菌介导的遗传转化法转入烟草,经过鉴定转基因植株,成功获得9个独立的转基因阳性植株.选取野生型和其中的3个转基因植株后代,分别测定它们在不同的胁迫条件下幼苗的根长、鲜重以及脯氨酸、过氧化氢和丙二醛的含量.结果显示:在200 mmol/L NaCl、300 mmol/L甘露醇(Mannitol)、300μmol/L CuSO4胁迫条件下转基因植株的平均根长、平均鲜重、平均脯氨酸、平均过氧化氢含量和平均丙二醛的含量分别为野生型的1.3-2.3、1.9-3.9、1.8-3.2、51%-61%和62%-76%.因此在烟草中过表达OsP5CS基因,可以显著增加脯氨酸含量,降低烟草在非生物胁迫条件下的氧化损伤.图6参31     

胁迫生境深色有隔内生真菌生态分布与功能研究进展

深色有隔内生真菌(dark septate endophytes,DSE)是一类定殖于植物根内的小型真菌,广泛存在各种生境中,其在胁迫生境中的生态分布、生态功能与作用机理是近年来的研究热点.对DSE的生态分布、胁迫生境DSE的生态功能和DSE真菌增强植物抗逆性的作用机理等方面进行综述.研究进展表明,从平原低地到热带、温带、冻原及南北极地区,野生植物根部普遍定殖着DSE真菌,尤其在干旱、高温、寒冷、盐害、重金属污染和养分贫瘠等胁迫生境中,DSE真菌的分布更为普遍.环境胁迫条件下,植物根部共生DSE真菌能够改善植物矿质营养和光合生理、调节植物内源激素平衡、增强植物抗氧化生理,从而促进宿主植物生长、增强植物抗逆能力,以及改变植物对重金属的吸收累积,在植物耐受和适应胁迫环境中起着重要的调节作用.但这些研究主要从生态现象进行了研究,目前对DSE增强宿主植物抗逆性的作用机理仍很缺乏、不够系统深入.未来应建立DSE真菌种质资源库,加强DSE真菌的应用技术研究;结合现代生物技术和方法,系统深入研究DSE真菌提高植物抗逆性的生理和分子机制,为利用DSE真菌增强植物适应环境胁迫提供理论依据.(表1参92)     

甘薯LEA2基因的克隆与表达分析

胚胎发育晚期丰富蛋白(Late embryogenesis abundant,LEA)是植物在逆境胁迫下产生的一种应激蛋白质,具有较高的亲水性和热稳定性,与植物抗逆功能密切相关,研究LEA家族基因对于甘薯抗逆性分子育种具有重要意义.通过对甘薯(徐薯18)转录组数据库搜寻时发现编码LEA2的转录本,随后对该转录本进行了克隆和测序分析,利用数字表达谱(Digital Gene Expression Profi ling,DGE)和半定量RT-PCR分析了Ib-LEA2在不同组织和不同发育阶段的表达图谱.为进一步了解Ib-LEA2在生物体响应盐胁迫中的作用,将Ib-LEA2连接原核表达载体pET-32a,用大肠杆菌BL21(DE3)菌株进行盐胁迫的耐受分析.结果显示:Ib-LEA2完整的开放阅读框(ORF)长度为942 bp,编码313个氨基酸残基.进一步研究发现,在甘薯组织内同时存在3个高度同源的LEA 2基因型(核苷酸序列99%),分别命名为Ib-LEA2a、Ib-LEA2b和Ib-LEA2c.数字表达谱和半定量RT-PCR的结果显示Ib-LEA2在不同组织和发育阶段具有不同的表达图谱,在茎中的表达量远远高于叶和根.大肠杆菌BL21(DE3)菌株盐胁迫的结果显示,较之对照菌株,表达Ib-LEA2的菌株能够更好地耐受高浓度的NaCl.研究表明,Ib-LEA2对盐胁迫有一定的响应能力,能够保护细胞免受高盐的毒害.     

烟草异源过表达胡杨PeGRF6/8a对不同逆境的响应

14-3-3蛋白是一种广泛存在于动植物体内的高度保守的蛋白家族,通过与各种靶蛋白之间的互作,参与生物体内各种生理生化过程和代谢反应,且在生物与非生物胁迫响应中发挥着重要作用.为明确胡杨PeGRF6/8a在非生物胁迫中的功能,克隆了胡杨14-3-3蛋白家族中PeGRF6/8a的cDNA序列,构建该基因的植物过表达载体pBI121-35S::PeGRF6/8a,并采用农杆菌介导法将其转化野生型烟草.对获得的异源过表达烟草进行以下处理:(1)浓度为1μmol/L和2.5μmol/L脱落酸(Abscisic acid,ABA)处理条件下的种子萌发实验;(2)低氮(2.5 mmol/L KNO_3)和高氮(150 mmol/L KNO_3)胁迫下的根长对比实验;(3)1/2霍格兰(Hongland)营养液水培实验,分别设置对照(CK)、低氮(0.2 mmol/L KNO_3)、高氮(150 mmol/L KNO_3)和盐胁迫(150 mmol/L NaCl)4个处理.结果显示:(1)在ABA处理下,转基因烟草种子的萌发率较野生型低,且在2.5μmol/L处理下更加显著;(2)低氮处理下,转基因烟草的根长显著短于野生型烟草的根长,而高氮处理下的结果相反;(3)水培实验中,低氮和盐胁迫处理下,转基因烟草与野生型相比,其下部的叶片明显变黄或萎焉,所含叶绿素和类胡萝卜素含量明显降低,抗氧化酶SOD以及渗透调节物质脯氨酸和可溶性蛋白的含量也显著降低,而叶片中丙二醛(MDA)的积累量却显著升高;高氮胁迫下,野生型烟草的萎蔫速度要显著快于转基因烟草,其转基因植株的生理指标除MDA积累量外均显著高于野生型.上述结果表明在烟草中异源过表达胡杨PeGRF6/8a能够降低植物对低氮和盐的耐受性,但可以增强植物对高氮的耐受性.(图9参31)     

近5年增强UV-B辐射对植物影响的研究进展

综合分析了近5年增强UV-B辐射对植物影响的最新研究进展.结果发现近5年来增强UV-B辐射对植物影响的研究明显具有以下趋势:1)增强UV-B辐射对植物个体影响的研究总体上趋于减少;2)对植物信号转导的研究日益增多;3)植物对增强UV-B辐射胁迫的防卫机制和伤害修复研究仍是重点,但更偏重于防卫机制方面的研究;4)更加重视对植物群体及生态系统影响的研究;5)增强UV-B辐射与其它因子(环境背景因子和污染胁迫因子)的复合作用研究成为新的热点和重点.根据近5年的研究进展,推断在今后一段时间内,有关增强UV-B辐射对植物和生态系统影响的研究还会加强,信号转导、分子水平机理以及增强UV-B辐射与其它因子的复合作用研究可能是今后的研究热点.     

植物质膜H+-ATP酶对环境胁迫因子的响应研究进展

植物质膜质子泵(H+-ATP酶)是一种重要的功能蛋白,为次级主动运输提供质子动力,既参与调控植物正常生长,也参与植物响应环境因子等非生物胁迫时抗性机制的构建.探讨植物质膜H+-ATP酶活性调控机理已成为植物生理学领域的研究热点.在简要概括植物质膜H+-ATP酶结构与生理功能的基础上,结合近年来质膜H+-ATP酶对环境因...     

种子特异启动子At2S3驱动热激转录因子AtHsfA6a提高烟草热抗性

特异启动子指导外源基因在某一特定时空表达,避免个体多余营养的浪费,在作物品质及逆境适应性改良中具有重要应用潜力.采用种子特异启动子联合抗性基因的方法,对拟南芥种子特异启动子At2S3和热激转录因子At Hsf A6a进行克隆,构建p BI121双元表达载体(p At2S3::At Hsf A6a),利用农杆菌菌株转化烟草,获得转基因烟草稳定株系,并进行种子抗高温胁迫萌发实验.结果显示:At Hsf A6a表达量随高温胁迫持续而不断积累,45℃高温处理后,热激转录因子At Hsf A6a的表达量最高上调28倍.转基因烟草株系(L2,L3)与野生型烟草(WT)相比,在45℃高温处理12 h、18 h和24 h后,最终萌发率分别为100%、98%和80%,98%、94%和76%以及97%、92%和70%.根长实验表明转基因株系L2和L3的根长为未处理时的74%和60%,而WT根长为未处理时的52%.上述结果说明超表达烟草株系的萌发和根系生长较之WT对热激处理更不敏感,呈现出更高的抗性;可为种子特异启动子加抗性基因的组合提高转基因植株抗胁迫能力提供直接实验证据,为基因工程育种提供种子特异启动子和抗胁迫新策略.     

GCC盒和JERE盒介导的信号途径在水稻应答逆境中的作用

植物应答逆境的防御反应在很大程度是在基因转录水平调节的,其中转录因子与目标基因启动子上顺式作用元件的识别和结合起着关键的调节作用.本研究将从双子叶植物中发现的GCC盒(应答乙烯)和JERE盒(应答JA和激发子)与CaMV35S核心启动子融合构建成诱导型启动子,利用GUS报告基因构建其表达载体并进行农杆菌介导的水稻遗传转化.利用T1代株系分析了GCC盒和JERE盒水稻植株对不同逆境胁迫和激素处理的应答.结果表明在转基因植株中它们都具有很低的本底表达.稻瘟病侵染、稻纵卷叶螟取食和机械损伤处理可不同程度提高GUS基因的表达.另外,脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)也能提高GUS的表达.实验结果暗示JERE和GCC盒介导的信号途径在单子叶和双子叶之间有一定的保守性.图5参15     

水稻锌指蛋白基因OsWIP6的克隆、表达及RNAi载体转化

为了解水稻C2H2型锌指蛋白转录因子基因的表达调控机理及生物学功能,克隆了水稻的一个C2H2型锌指蛋白转录因子基因(OsWIP6),并构建其RNA干涉植物表达载体,通过农杆菌介导转化获得转基因植株.生物信息学分析显示,OsWIP6氨基酸序列与拟南芥两个WIP家族转录因子高度同源.组织差异性表达分析表明,该基因在水稻花发育上具有表达偏向性.与野生型相比,转基因水稻表现为抽穗延迟,结实率及千粒重降低,半定量分析显示转基因植株OsWIP6表达量明显下降.因此,推断OsWIP6基因与水稻育性密切相关.     

转codA基因杨树耐旱性增强的生理机制

研究转胆碱氧化酶(codA)基因杨树对干旱胁迫的响应机制可为杨树耐旱育种及应用提供理论依据.在盆栽条件下研究土壤干旱胁迫及复水对转基因杨树(T)和野生型(NT)生长的影响及叶片中MDA、H_2O_2、甜菜碱含量和抗氧化酶活性等生理指标的影响.结果显示:(1)干旱胁迫后,转基因杨树和野生型的株高、总生物量增长都减慢,但转基因杨树生长状况优于野生型且复水后恢复较快;胁迫5周后,转基因杨树地上地下部的干重分别降低了21.01%和22.97%,而野生型地上地下部的干重则较对照分别降低了47.21%和52.11%,与正常供水相比,转基因植株地上地下部的干重显著高于野生型.(2)杨树叶片中过氧化氢(H_2O_2)、丙二醛(MDA)含量在干旱胁迫后先增加后降低,复水后继续下降,但转基因杨树积累量低于野生型;干旱胁迫下,转基因杨树叶片中游离脯氨酸和甜菜碱的含量显著高于野生型,干旱胁迫3周后,转基因杨树叶片中甜菜碱含量是野生型的2.38倍.(3)随干旱时间延长,杨树叶片中SOD、POD、CAT和APX酶活性逐渐增加,复水后下降,除POD外,转基因杨树抗氧化酶活性普遍高于野生型.本研究结果说明渗透调节物质含量的增加及抗氧化能力的增强是转基因杨树耐旱性和复水后恢复能力增强的内在生理机制.     

植物对干旱胁迫的响应研究进展

植物在经受干旱胁迫时,通过细胞对干旱信号的感知和传导,调节基因表达,产生新蛋白质,从而引起大量形态、生理和生化上的变化.干旱胁迫对植物在细胞、器官、个体、群体等水平上的形态指标有显著影响,也会影响其光合作用、渗透调节、抗氧化系统等生理生化指标.植物对干旱胁迫的分子响应较复杂,包括合成一些新的基因如NCED、dehydrin基因和CBF、DREB等转录因子.另外,干旱胁迫还能造成蛋白质组学的变化.参52     

过表达IbOr基因甘薯增强抗盐性的生理机制

明确转基因甘薯对盐胁迫响应的生理机制,开发种植耐盐性强甘薯对有效利用盐渍化土地和缓解能源危机具有重要的理论与实践意义.以过表达IbOr基因甘薯及其非转基因甘薯为实验材料,通过室内水培试验,研究150mmol/L NaCl胁迫不同时期甘薯叶片光合参数和抗氧化酶活性等变化规律.结果显示,随着盐胁迫时间延长,甘薯叶片中叶绿素、类胡萝卜素含量及叶片净光合速率(P_n)、气孔导度、胞间CO_2浓度、蒸腾速率都显著降低,但转基因甘薯降低幅度更小.盐胁迫3 d后,转基因甘薯叶片中O_2—·和MDA含量分别为61.23μg/g FW和22.51μmol/g FW,而非转基因植株叶片中O_2—·和MDA含量分别达到80.56μg/g FW和31.92μmol,分别是转基因甘薯的1.31和1.42倍,相比于非转基因植株,盐胁迫后转基因甘薯叶片中具有较低水平的O_2—·和MDA含量.甘薯叶片中SOD、POD和CAT的活性在胁迫后都表现出先升高后降低趋势,且转基因甘薯的酶活性显著高于非转基因甘薯.Na~+含量在盐胁迫后也显著升高,胁迫9d后,转基因和非转基因植株叶片中Na~+含量分别达到25.44 mg/g DW和35.08 mg/g DW,分别是处理前的11.47倍和14.83倍,并且转基因甘薯Na~+含量显著低于非转基因甘薯.以上结果说明盐胁迫下转基因甘薯具有较低的活性氧含量并且膜脂的损伤较小,保持了相对较高的叶绿素含量且含较高类胡萝卜素含量进而维持相对较强的光合作用;转基因甘薯抗盐性的增强很可能通过提高甘薯抗氧化胁迫的能力来实现.     

菌根在污染土壤生物修复中的作用

菌根是土壤真菌－植物根系形成的共生体,广泛存在于自然界中,它能增强植物的吸收能力,改善植物的生长,提高植株的抗逆能力和耐受能力等。所以,菌根化植物可作为很好的生物修复载体。本文主要从无机、有机以及放射性污染3方面对国内外善于菌极在污染土壤生物修复中的作用进行了综述。