植物干旱响应生理对策研究进展

干旱是影响植物生长的重要环境因素之一。植物在干旱胁迫下的响应策略一直是抗旱生理的研究热点。本研究综述了干旱胁迫下植物抗旱基因转录调控、渗透调节、活性氧清除、保护蛋白以及形态结构等方面的响应机制,并对未来植物抗旱研究提出了几点建议：结合转录组学、蛋白质组学等手段挖掘机理;加强干旱与其他环境因子复合胁迫效应对植物生长发育影响的研究。     

CBF1转录因子基因的克隆及两种启动子调控下的植物表达载体的构建

CBF1转录激活因子能调控一组抗干旱、抗低温基因的表达,更有效地提高植物抗干旱、抗低温的能力。现在国内外许多研究机构已经利用导入该转录因子来提高植物的抗寒性、抗旱性,并且获得一定的成功,但在园林植物上的应用还有待探讨。因此,本研究以拟南芥叶片为材料,通过PCR方法对其基因组DNA扩增,成功地克隆了逆境诱导型启动子和CBF1转录因子并分别构建了花椰菜花叶病毒CaMV35s启动子和rd29a启动子调控下的CBF1融合基因表达载体,为下一步转化园林植物,利用CBF1基因综合改良园林植物抗逆性及进一步探讨CBF1基因的抗逆分子机理奠定了物质基础。     

DNA甲基化参与调控马铃薯响应干旱胁迫的关键基因挖掘

植物受到干旱胁迫时,会通过DNA甲基化做出快速反应以帮助其应对胁迫。为探究在干旱胁迫下,DNA甲基化是如何影响基因转录表达,本研究对甘露醇模拟干旱和5-azadC(去甲基化)处理下,抗旱性不同的2个马铃薯品种(抗旱型,青薯9号;干旱敏感型,大西洋)进行转录组学分析,以Fold-change>2和校正后P<0.01进行差异表达基因(DEG)的筛选。GO富集分析发现,2种处理都共同显著富集到氧化应激和碳水化合物代谢过程相关的GO term。说明不同耐旱性马铃薯在响应干旱胁迫时,与这些GO term相关的基因也受DNA去甲基化调控。对既响应干旱又响应DNA去甲基化的1345个DEG进行KEGG功能富集发现,与植物抗旱相关的通路有植物MAPK信号途径、植物激素信号转导途径、植物谷胱甘肽代谢通路、糖酵解与糖异生和磷酸肌醇代谢通路。说明这些通路相关基因在大西洋和青薯9号2个抗旱性不同的马铃薯品种中,响应干旱的敏感性受DNA甲基化调控。接着对DEG上游1500 bp启动子区域进行顺式作用原件和甲基化CpG岛分析发现,干旱胁迫下参与植物谷胱甘肽代谢的GST基因通过DNA去甲基化来降低启动子区ABRE和CAAT-box作用元件的甲基化水平,进而激活该基因的表达以应对干旱胁迫。因此,利用比较转录组学分析干旱和DNA去甲基化处理下的差异基因,可挖掘到DNA甲基化参与调控马铃薯响应干旱胁迫的相关基因,为研究马铃薯干旱胁迫响应的表观遗传学机理提供新的研究思路。     

转录组在植物抗盐育种中的应用

盐胁迫是影响植物种子萌发、生长发育以及开花结实的主要非生物胁迫之一,能够导致农业生产力降低甚至造成植物死亡。植物在盐胁迫下的响应策略一直是抗盐分子机制的研究热点。转录组不仅可以更好地研究植物盐胁迫条件下的基因结构和基因功能,而且能发掘抗盐基因。目前,基于转录组技术的种质资源鉴定及精确育种已广泛地应用于植物抗盐育种研究工作中。本综述总结了转录组技术在植物抗盐育种上的应用,浅谈不同植物材料对盐胁迫的响应,为植物抗盐育种提供理论基础。     

梭梭NAC家族基因转录组鉴定及干旱和盐胁迫下的表达分析

NAC转录因子在超旱生C4植物梭梭中的成员数量、序列结构特征及调控形态建成和应答生物、非生物胁迫等过程的分子机理亟待明确。本研究以模式植物NAC基因为种子序列,在已有的梭梭转录组测序数据中比对并发掘可能编码NAC的转录本,利用生物信息学方法预测梭梭NAC家族成员基因结构、保守结构域、亚细胞定位等信息,分析梭梭和模式植物NAC基因家族的进化关系。采用实时荧光定量PCR技术检测Ha NACs在模拟干旱及盐胁迫下的表达规律。本研究共鉴定得到49个梭梭NAC家族成员;21个编码150个以上氨基酸的unigene中17个具有NAM结构域,预测等电点在4.51~9.47之间,15个Ha NACs蛋白预测定位在细胞核中,N端序列中包含与模式植物类似的5个亚结构域和核定位信号序列;NAM/CUC3、SENU5、TIP、NAP、ATAF和TERN组均包含与之进化关系较近的Ha NACs。干旱和盐胁迫处理下,21个Ha NACs的表达模式具有多样性,表达量间具有显著差异性,暗示着它们可能与盐和干旱胁迫应答过程相关。研究结果表明,梭梭NAC家族基因的序列结构具有较高的保守性,家族成员在应答、调节干旱和盐胁迫等方面表现出多样性。本研究为解析梭梭NAC基因的功能提供了基础数据。     

单细胞转录组测序技术及其在植物研究中的应用

为探究单细胞转录组测序技术(scRNA-seq)在植物研究中的应用,本综述对单细胞转录组测序技术的发展状况进行了总结,介绍了其在胚胎发育、免疫细胞、肿瘤领域以及植物研究的运用.其次,就单细胞转录组测序技术中的要点技术(单细胞分离技术、单细胞全转录组cDNA扩增技术、高通量测序技术)进行了总结分析.最后,本文根据植物细胞...     

植物抗旱耐盐机理的研究进展

干旱、盐碱均是影响植物生长发育及作物减产的非生物胁迫因素,研究植物的抗旱性和耐盐性对农业生产和生态建设具有重要的意义。植物在受到干旱胁迫或者盐碱胁迫时,可以通过渗透物质的变化以及保护酶活性变化来响应干旱胁迫或者盐碱胁迫,从而提高植物的抗旱耐盐能力。同时许多与植物抗旱耐盐相关的基因被克隆和分析,并通过转基因技术将这些基因转到植物中异源表达,同样提高了转基因植物的抗旱耐盐能力。笔者从植物形态、生理生化水平以及活性氧清除和转录因子等方面概述了植物的抗旱和耐盐机制。     

单细胞转录组测序技术的研究与应用

传统的转录组测序技术对于群体细胞,最终反映的是基因在群体细胞中的平均表达水平,掩盖了不同细胞之间的表达特异性,而单细胞转录组测序技术是通过对植物或动物组织的单个细胞进行转录组测序分析,了解每个细胞的代谢产物、表达基因,进而对相应的组织进行统计学分析,达到细胞分类、生长衍化、生理病理分析研究的目的。随着近几年多种针对单细胞RNA测序数据的分析工具被陆续开发出来,单细胞转录组测序技术在生物科学研究中的应用也日益广泛。本研究对当前较为普及的单细胞测序技术的方法、流程、数据分析及应用进行总结整理,介绍了近几年的单细胞测序技术在动、植物组织中的研究及应用,以期为更好的利用单细胞测序技术提供参考依据。     

干旱胁迫对三七生理指标的影响及转录组分析

为揭示干旱胁迫下三七的生理特性和基因转录组变化,通过干旱条件和正常浇水控制研究干旱对于三七的影响。实验设置自然干旱和正常浇水（对照）处理,分别测定三七叶片的叶绿素含量、可溶性蛋白含量、POD活性、SOD活性、CAT活性和MDA活性,并从三七叶片中提取RNA进行转录组测序分析。结果显示,干旱胁迫下三七MDA变化非常明显,与对照相比,植株受到干旱后的MDA活性升高了88.41%,相反CAT活性受干旱影响的效果不明显。转录组分析结果表明,与对照相比,干旱处理样品上调基因431个,下调基因151个,对差异基因进行GO注释和功能富集性分析,有160个上调基因和53个下调基因共213个差异基因注释到数据库中。KEGG分析结果表明,有122个DEGs在37个代谢通路上。ABA合成代谢的关键酶,9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶被显著富集,说明干旱条件下,三七可能通过ABA相关合成酶的增加调控干旱应答。     

干旱诱导AtGSTF14基因DNA去甲基化

DNA甲基化在调控植物基因表达方面起重要作用。干旱、低温和盐胁迫严重地影响了植物的生长发育。然而,DNA甲基化是否在干旱诱导的AtGSTF14基因表达过程中起作用还不清楚。本研究揭示了干旱诱导AtGSTF14基因启动子重复序列的DNA去甲基化,并激活了AtGSTF14基因的表达。本研究采用实时荧光定量PCR技术(quantitative real-time PCR, qRT-PCR)检测目的基因的表达,结果表明干旱处理的拟南芥植物中AtGSTF14基因表达水平显著增加,野生型拟南芥(Col-0)被作为对照。亚硫酸盐测序分析表明与野生型拟南芥中AtGSTF14基因DNA甲基化水平相比,干旱处理的拟南芥植物中AtGSTF14启动子区重复序列的DNA甲基化水平显著降低。本研究为进一步探索非生物胁迫诱导植物基因表达的分子机制奠定了基础。     

土壤水和空气湿度组合对大豆幼苗光合特性的影响及其复水响应

为了探索在干旱环境下提高空气湿度能否减弱干旱胁迫对植物光合作用的损伤,对受试材料进行初步研究。通过采用人工气候箱控制环境的温湿度,盆栽试验的方法,设置土干气湿(DH)、土干气干(DL)、土湿气湿(WH)、土湿气干(WL)4个处理组,进行一段时间的干旱,随后复水作业至W水平。通过对不同处理组叶片相对含水量、叶绿素含量和光合作用参数等的测定,研究不同空气湿度和土壤水分对大豆苗期光合作用的影响。结果表明,各指标数据的变化趋势大体上都是WH>WL>DH>DL。随着干旱程度加剧,植物生命活性变弱,数值逐渐下降。气孔关闭是光合效率低的重要原因。土壤湿度是植物生长的显著限制因子,提高空气湿度能对植物的干旱损伤起到缓解作用。复水后处理组能逐渐恢复至对照组水平,空气湿度高环境下复水后恢复较低湿的快,较之耐旱能力提高。     

洋桔梗(Eustoma grandiflorum)干旱胁迫转录组初步分析

洋桔梗(Eustoma grandiflorum)是一种原产于北美的重要观赏植物。到目前为止,关于洋桔梗的基础分子研究报道相对较少,特别是响应干旱胁迫的分子机制相关研究。本试验利用转录组二代测序技术对干旱胁迫下的洋桔梗幼苗进行了研究。结果表明,该转录组测序数据具有良好的质量控制结果。为了在此基础上获得基因信息,利用Trinity和Corset等软件将序列进行了拼接,共得到102014条非冗余基因,其中包含2929条编码基因,经分析发现分属于79个转录因子家族。对所有基因进行注释,发现比对相似度最高的物种是中果咖啡。最后,对基因序列进行简单序列重复(simple sequence repeat,SSR)分析,获得了所有非冗余基因以及转录因子编码基因所包含的SSR信息。本研究结果可为后续针对洋桔梗响应干旱胁迫的相关研究提供候选分子资源。     

小麦转录因子基因TaNF-YB2;1表达特征及遗传转化对植株抵御干旱和盐分逆境能力的影响

NF-YB型转录因子在介导植物抵御非生物逆境中发挥着重要作用。为揭示小麦该家族成员Ta NF-YB2;1在干旱和盐分逆境下的表达特征及超表达Ta NF-YB2;1对植株抵御上述逆境能力的影响。利用半定量RT-PCR技术,研究Ta NF-YB2;1的表达特征,采用农杆菌介导的遗传转化技术,建立了超表达Ta NF-YB2;1的转基因烟草植株。结果表明,Ta NF-YB2;1 c DNA全长序列为958 bp,编码163个氨基酸残基。在24 h PEG模拟干旱和盐分处理条件下,Ta NF-YB2;1的转录本数量明显上调。正常培养下,与野生型植株相比,转基因植株的生长和干物质积累量未发生改变;但在干旱和盐分处理下,转基因株系植株的生长较野生型植株明显改善,表现为植株个体体积增大,单株干物质积累量增多。因此,Ta NF-YB2;1的表达受到干旱和盐分逆境的明显诱导,通过对干旱和盐分逆境应答,该基因在介导植株抵御上述环境逆境中发挥着重要功能。     

植物应答逆境胁迫分子机制的研究进展

植物在生长过程中经常遭受各种胁迫因子的影响,随着分子生物学技术的发展,植物适应逆境的机制研究也从生理水平步入分子水平。对植物应答逆境胁迫的转录组、蛋白组和调控分子机制3个方面的研究进行了概述。     

热激转录因子在植物胁迫应答和生长发育中的作用

由于其固有的生长方式,植物常常会面临诸如干旱、盐碱、极端温度和病虫害等不利因素的影响,因此,植物在漫长的进化过程中发展出一套精巧的调控机制来应对自然界中的各种环境和生物胁迫,并维持其正常的生长发育。植物基因表达的分子调控网络十分复杂,包括转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平等多个层次。转录因子介导的转录水平上的调控对于基因表达调控发挥着至关重要的作用,转录因子与靶基因启动子区的顺式元件相互作用来调控下游基因的表达。热激转录因子(heat shock factor,HSF)是真核生物中广泛存在的一类转录因子,通过识别热激元件(heat shock element,HSE)调控基因表达,从而参与植物的各种生命活动。植物HSF数量众多、功能多样、调控机制复杂精巧,不仅能够影响植物对高温、干旱、重金属等胁迫的抗性以及植物的抗病性,还参与了对植物配子形成和根发育等过程的调控。本综述归纳了植物中HSF的基本结构和分类、HSF受到的调控,重点介绍了HSF在应答各种胁迫条件和调控植物生长发育中的研究进展,并对植物HSF研究中有待进一步阐明的问题进行了探讨和展望,以期为植物的抗逆性改良和分子育种中潜在候选基因的选择提供参考依据。     

水稻转录因子bHLH家族基因响应环境胁迫表达谱分析

植物转录因子在植物的生长发育及其对外界环境的反应中起着重要的作用。bHLH转录因子是植物转录因子最大的家族之一。本研究以水稻日本晴为材料,在苗期进行PEG模拟干旱胁迫和ABA（abscisicacid）处理,采用荧光定量PCR方法,比较分析干旱胁迫差异表达的22个候选bHLH家族基因在PEG和ABA处理下的不同时间梯度的表达谱。结果表明大部分候选基因的PEG胁迫表达谱与干旱胁迫表达谱一致,验证了芯片结果的可靠性;而在ABA处理下的大部分bHLH基因表现为抑制表达,部分基因的表达谱与干旱或PEG胁迫表达谱明显不同,推测这些bHLH基因参与PEG和ABA胁迫应答的具有相同或不同的分子路径或模式。研究结果对进一步克隆这些基因及分析其在植物生长发育过程中的分子调控模式打下了基础。     

作物干旱研究进展

近年来由于环境变换加剧和水资源的日益匮乏,干旱对世界范围内的作物生长带来了巨大的影响。本研究系统介绍了干旱条件下植物在渗透调节、脱水保护、抗氧化防御系统、细胞结构及代谢途径等方面的调节机制,分别从信号因子、转录因子和功能基因3个方面综述了抗旱相关基因的研究进展。归纳出植物在干旱条件下通过细胞内多层次、多种途径的调节,激活多条干旱应答途径来应对干旱胁迫。最后讨论了干旱研究中存在的问题,并对未来的研究方向进行了展望。     

外源褪黑素对干旱胁迫下绥农26大豆鼓粒期叶片碳氮代谢调控的途径分析

鼓粒期是大豆碳氮代谢最复杂的阶段,干旱胁迫必然限制鼓粒期大豆碳氮同化、分配和转移,影响大豆产量的形成。在我们前期的研究中,明确了外源褪黑素对干旱胁迫下鼓粒期大豆抗旱和碳氮代谢的生理调控效应。本研究通过转录组和代谢组分析来确定褪黑素对大豆干旱条件反应的一些重要的碳氮代谢基因和途径。转录组分析表明,与干旱胁迫处理相比,正常供水和干旱胁迫下喷施外源褪黑素处理的大豆叶片共同上调和下调的基因分别有37个和493个。上调的基因中存在着直接和间接参与碳氮代谢的功能基因,包括正向调控的参与半胱氨酸合成、光合作用、碳水化合物代谢和葡萄糖代谢等途径关键基因。代谢组分析发现,与干旱胁迫处理相比,正常供水和干旱胁迫下喷施外源褪黑素处理的大豆叶片共同上调和下调的代谢物分别有17个和43个,上调的代谢物中绝大部分(14/17)属于氨基酸、脂质、有机酸和碳水化合物,进一步揭示了外源褪黑素能够提高大豆碳氮代谢与抗旱的能力。结合转录组和代谢组分析发现,褪黑素通过调节氨基酸代谢和淀粉蔗糖代谢途径,促进干旱胁迫下b-葡萄糖苷酶基因表达,提高了L-天冬酰胺和6-磷酸葡萄糖代谢物的含量,最终提高了大豆的抗旱性。     

甜菜MYB转录因子生信分析及种子萌发期差异表达

本研究旨在了解干旱环境下甜菜MYB基因家族的表达模式。主要研究方法为对利用15%PEG模拟的干旱胁迫处理试验组和蒸馏水对照组萌发期甜菜的转录组进行了高通量测序。结果表明，共获得79个MYB转录因子，其中42个在干旱胁迫下差异表达，氨基酸序列分析表明，甜菜萌发期 MYB 转录因子含有 8个保守元件，8个保守元件的结构域所含有的氨基酸位点数量不一致，推测与相应的DNA分子进行结合和行使功能有关。本研究通过对萌发期甜菜应答干旱胁迫的MYB 基因分析，为甜菜抗干旱胁迫育种提供基因资源和理论基础。