普通菜豆PvP5CS2基因对逆境胁迫的应答

为了探索逆境条件下脯氨酸积累的分子遗传机理, 改善作物的抗逆能力, 应用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术和水杨酸法分别检测干旱、高盐(200 mmol L^-1 NaCl)和冷(4℃)胁迫条件下普通菜豆幼苗叶和根中脯氨酸合成酶基因PvP5CS2表达量和脯氨酸含量的变化。结果显示, 3种胁迫条件下普通菜豆幼苗叶和根中PvP5CS2的转录水平快速上升, 干旱处理4 d, 叶中PvP5CS2表达量达到最大值; 高盐处理下, 叶和根中PvP5CS2的表达高峰分别出现在2 h和6 h; 冷胁迫下, 叶和根中的表达高峰都出现在2 h; 随着胁迫时间的延长, PvP5CS2基因的转录水平逐渐下降。普通菜豆在逆境胁迫下, 幼苗叶和根中脯氨酸大量积累, 积累高峰出现在PvP5CS2基因表达高峰之后。这些结果说明, PvP5CS2基因的表达受干旱、高盐和冷胁迫诱导, 脯氨酸积累受PvP5CS2基因转录水平的调控。PvP5CS2基因在洋葱表皮细胞中的瞬时表达结果显示PvP5CS2蛋白定位在细胞核和膜上。     

转PvP5CS1基因拟南芥植株对干旱和盐胁迫的反应

为探索普通菜豆脯氨酸合成酶基因P5CS1在植物渗透胁迫中的作用,本研究应用农杆菌介导法,将PvP5CS1基因转入拟南芥,获得6株阳性转基因株系;通过检测转基因植株与野生型植株在干旱和盐胁迫下种子发芽率,幼苗脯氨酸含量、株系电导率、相对根长和成株死亡率,分析了PvP5CS1基因的表达对改善拟南芥抗渗透胁迫的效应。结果表明,在150 mmol L^-1 NaCl和150 mmol L^-1甘露醇渗透胁迫下,转基因植株平均相对发芽率分别是野生型的1.6倍和1.62倍;150、250 mmol L^-1甘露醇和150 mmol L^-1 NaCl处理下,转基因拟南芥植株平均脯氨酸含量分别是野生型的2.68、1.30和1.30倍;平均相对电导率分别是野生型植株的85%、77%和85%;平均相对根长分别是野生型植株的1.2、1.3和1.2倍;300 mmol L^-1 NaCl处理下,转基因植株的平均死亡率为42%,显著低于野生型(90%)(P<0.05);干旱胁迫下,转基因植株的平均死亡率为56%,显著低于野生型(70%)(P<0.05),说明PvP5CS1基因在拟南芥中的表达明显改善了转基因植株的抗旱性和耐盐性。     

番茄冷诱导基因SlCMYB1的克隆及其在水稻中异源表达研究

从番茄中克隆了一个编码MYB转录因子家族R2R3-MYB亚类基因SlCMYB1。不同逆境胁迫下的表达模式分析结果表明,该基因受低温、高盐、干旱和ABA胁迫诱导表达。洋葱表皮亚细胞定位研究表明,SlCMYB1为核定位蛋白。为深入了解SlCMYB1基因与非生物逆境应答的关系,我们构建了SlCMYB1基因过表达载体来转化水稻,获得了16个转基因水稻株系。SlCMYB1在水稻中异源表达能显著提高转基因水稻植株的苗期抗冷性,增加脯氨酸合成的关键酶基因OsP5CS1,膜转运蛋白基因OsWCOR413等低温胁迫应答基因的表达水平,这暗示着SlCMYB1与OsP5CS1、OsWCOR413基因处于同一低温调控信号转导路径。本研究结果为通过遗传工程操控低温信号通路的方法改良冷敏感植物抗冷性提供了理论基础。     

低温胁迫对番茄幼苗叶片中脯氨酸降解酶的活性及其基因表达量的影响

为了探讨脯氨酸代谢与番茄抗寒性之间的关系,采用常规方法测定了低温胁迫不同时间下番茄幼苗叶片中游离脯氨酸含量和脯氨酸脱氢酶活性,采用实时荧光定量PCR法检测了不同处理时间下脯氨酸脱氢酶基因的表达量,并分析了各项指标的动态变化。结果表明,在低温逆境下,耐寒性品种O-33-1中脯氨酸积累量总体呈增加的趋势,而冷敏感品种‘耐运2000’游离脯氨酸积累量下降,说明脯氨酸积累量的变化在一定程度上可以体现番茄抗寒性的强弱;ProDH活性在O-33-1中呈上升趋势,在‘耐运2000’中呈下降趋势,说明脯氨酸的积累受P5CS与ProDH相反方向的共同调节,使植物体内脯氨酸含量保持在适当的水平;2个品种在低温胁迫下ProDH基因表达量都显著降低,说明低温逆境抑制了该基因的表达,使脯氨酸的降解在转录水平上受到调节。     

拟南芥AT2G14260基因功能及其表达特异性分析

拟南芥AT2G14260基因编码脯氨酸亚氨基肽酶，基因芯片表达谱数据显示该基因响应高盐、低温等非生物胁迫。为研究其功能和表达特性，本研究采用野生型和突变体植株pip-1进行低温、干旱和盐胁迫处理，结果显示在正常培养基中野生型与pip-1植株表型没有区别。而在逆境处理下pip-1植株的根比野生型明显短，且在干旱胁迫下，突变体的叶子比野生型植株明显变黄萎蔫。在正常环境、冷、干旱、盐胁迫下，野生型植株脯氨酸含量的平均值分别是突变体的1.11、1.23、1.10和1.34倍，这说明AT2G14260基因对提高非生物胁迫的耐性具有一定的作用。同时分离了该基因的启动子，构建了表达GUS基因的载体并转化拟南芥，结果表明该启动子在正常环境中不表达。胁迫处理时从两叶期开始在根、叶、茎中表达，到达花期后，干旱处理下的花瓣、花枝和冷处理下的花柱头中也有表达。GUS相对活性试验也证明对胁迫的响应能力。可见AT2G14260基因启动子是逆境胁迫诱导表达启动子，同时具有组织表达特异性，因此，AT2G14260基因及其启动子在转基因工程育种中具有潜在的应用价值。     

干旱胁迫下中国沙棘脯氨酸含量变化及其关键调控基因的表达模式

干旱胁迫严重影响植物的生长和产量,重度干旱胁迫会导致植物永久萎蔫.发掘中国沙棘的抗逆基因有助于提升植物抗旱性.脯氨酸是植物响应干旱胁迫的重要渗透调节物之一.为了探究中国沙棘中脯氨酸响应干旱胁迫的调节机制,本研究在干旱胁迫下,检测两年生中国沙棘扦插幼苗的叶片相对含水量和脯氨酸等5个抗旱相关生理指标;通过实时荧光定量PCR检测2个脯氨酸调控关键基因的表达量.结果 表明,干旱胁迫下的中国沙棘叶片相对含水量逐渐下降;叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的含量呈上升趋势,且所有生理指标在复水后较处理前均下降;脯氨酸关键合成基因吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)基因在根、茎、叶中的相对表达量呈现先上升后下降的趋势,而调控脯氨酸分解的脯氨酸脱氢酶(ProDH)基因相对表达量迅速降低.本研究为揭示中国沙棘抗旱机理提供理论依据,同时为植物抗旱育种提供候选基因.     

二穗短柄草BdDREB1 H基因的克隆和表达分析

植物DREB转录因子在应答干旱、低温和高盐等非生物胁迫过程中发挥着重要作用,为了探讨二穗短柄草BdDREB1H转录因子在应答逆境胁迫的作用,对其序列进行了克隆、生物信息学和转录激活分析。然后利用qRT-PCR法对其在根、茎、叶3种组织和冷、干旱、盐和过氧化氢4种非生物胁迫条件下的表达模式进行了研究。结果显示,BdDREB1H转录因子基因全长编码框为735 bp,编码244个氨基酸,相对分子量26.34 ku,理论等电点5.63,不稳定指数(Ⅱ)64.17,为不稳定蛋白质;总亲水平均值-0.261,为亲水蛋白。多序列比对与结构域分析结果表明,BdDREB1H转录因子含有一个典型的AP2结构域,属于AP2/EREBP (APETALA2/ethylene-responsive element binding protein)超家族的DREB亚家族成员。进化分析显示,它与普通小麦的CBF蛋白亲缘关系较近,序列相似性64.44%。酵母单杂分析显示,BdDREB1H转录因子具有转录活性。组织表达分析显示,BdDREB1H基因在根、茎、叶中均有表达,其中在茎中表达量最高。胁迫处理表达分析结果表明,冷处理条件下,BdDREB1H的表达先升高后下降;干旱和氧化胁迫处理条件下,BdDREB1H在2 h后表达水平均显著高于对照;而盐胁迫条件下,BdDREB1H在2 h后表达水平均显著低于对照。这些结果表明,BdDREB1H转录因子可能参与了植物逆境胁迫反应,为进一步探索其在二穗短柄草中的抗逆分子机制奠定了基础。     

海岛棉5个CBF/DREB基因的克隆与表达分析

低温、干旱和盐渍是影响作物生长、产量和全球地理分布的重要非生物胁迫。CBF/DREB转录因子是参与植物非生物胁迫应答反应的重要调控蛋白。为了更好地了解棉花CBF家族基因,通过生物信息学的方法,从海岛棉中克隆了5个具有完整开放阅读框的CBF基因,命名为Gb CBF1―Gb CBF5。这5个基因编码的蛋白与其他植物冷胁迫相关的CBF蛋白具有高度的保守性,含有1个AP2功能结构域和2个特征基序。系统进化树分析表明,这5个基因与拟南芥的3个参与冷胁迫的CBF基因一起聚类在DREB亚家族中的A-1亚组。通过RT-PCR的方法分析了海岛棉基因Gb CBF1―5在高盐(200 mmol·L-1 Na Cl)、干旱、4℃低温等非生物胁迫处理下的表达模式。结果表明其中2个基因在冷胁迫下上调表达,5个基因在干旱和盐处理下均下调表达。这些为进一步探索CBF基因在棉花逆境胁迫应激反应中的作用提供了有价值的信息。     

非生物逆境胁迫下普通小麦烟农19幼苗FeSOD基因表达分析

非生物逆境(高温、低温、干旱、盐胁迫等)严重影响作物生长,研究参与逆境胁迫应答基因具有重要的理论意义和应用价值。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)是一种广泛存在于真核生物中的金属酶类,在植物的抗逆性中起到重要作用。采用q RT-PCR技术,分析普通小麦烟农19幼苗叶中Fe SOD基因在盐、脱落酸(ABA)、干旱、高温、低温胁迫过程中的的表达模式。结果表明:在逆境胁迫下,普通小麦烟农19幼苗Fe SOD基因的表达量大体呈现先上升后下降的趋势。在37℃高温、-4℃低温、300mmol/L Na Cl、30%的PEG-6000和100μmol/L ABA胁迫下,Fe SOD基因的表达量分别在3、3、6、48和24h时最高,分别为对照的34.0、4.6、4.3、5.8、13.5和3.3倍,差异均达到显著水平,说明Fe SOD基因在普通小麦烟农19幼苗逆境胁迫中发挥着重要的调控功能,为进一步了解小麦抗逆分子机制和改良小麦品种提供理论依据。     

非生物胁迫条件下10个玉米ZmDOF基因表达模式分析

为了研究玉米转录因子Dof(DNA-binding with one zinc finger)锌指蛋白在玉米生长发育及非生物逆境胁迫响应途径中的作用与生物学功能。利用qRT-PCR技术系统研究了10个ZmDOF基因在玉米不同组织中以及应答不同非生物逆境胁迫下响应表达模式。进化树以及基因结构分析结果表明,这10个ZmDOF基因分布在3个不同的亚家族。qRT-PCR分析结果显示,这10个基因具有组织表达特异性。7个基因主要在雄花中表达,2个基因主要在授粉15 d后的小穗中表达,1个基因主要在根中表达,表明这10个基因可能参与这些组织的生长发育进程。在盐或干旱胁迫处理下,大部分基因的表达模式都发生了明显的改变,预示着这些基因参与玉米幼苗应答盐或干旱胁迫响应信号途径。在铵态氮缺乏胁迫下,ZmDOF3的表达上调了5倍以上。在硝态氮缺乏胁迫下,ZmDOF23和ZmDOF46的表达量下降了90%以上,表明这些基因可能参与调控玉米幼苗氮代谢平衡或者信号转导途径。     

amiRNA技术沉默C-3氧化酶编码基因StCPD对马铃薯抗旱性的影响

CPD (constitutive photomorphogenesis and dwarf)基因编码C-3氧化酶, 为油菜素内酯(brassinosteroid, BR)生物合成途径中的限速酶, 在植物响应逆境胁迫过程中具重要调控作用。本研究利用人工microRNA (artificial microRNA, amiRNA)技术, 构建马铃薯CPD基因(StCPD)的干扰表达载体pCPB121-amiRcpd, 通过根癌农杆菌介导法将其转入马铃薯栽培品种“紫花白”, 获得转基因植株(Ci1~Ci5), 其中Ci1和Ci3的StCPD基因干扰程度分别为78%和90%。基因组织表达特异性分析表明, StCPD在马铃薯试管苗叶片中表达量最高, 是茎和根中表达量的3.05倍和1.65倍。转基因植株株高、茎粗、根长、鲜重及薯的大小和鲜重等指标均较非转基因(NT)植株显著下降, 表明StCPD基因干扰表达后, 植株的长势明显受到抑制。模拟干旱胁迫处理下, 转基因植株叶片中丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量显著高于NT植株, 而脯氨酸含量显著低于NT植株。转基因和NT马铃薯中, StCPD基因的表达量、MDA和脯氨酸含量均显著高于对照; 且随着胁迫处理时间延长, 基因表达量呈持续增强趋势, MDA和脯氨酸含量随之增加。结果表明, StCPD基因干扰表达能明显降低马铃薯对干旱胁迫的抵抗能力, 为进一步研究BR对马铃薯生长发育和对干旱胁迫的响应奠定了基础。     

大豆GmHDL57基因的克隆及抗盐功能鉴定

HD-Zip I类转录因子在植物抵御非生物胁迫过程中发挥重要功能, 本研究克隆得到1个大豆HD-Zip I类基因GmHDL57 (Glycine max homeodomain-leucine zipper protein 57)。序列分析表明, GmHDL57基因包含1个1038 bp的开放读码框, 编码345个氨基酸, 具有HD-Zip类家族蛋白典型的保守结构域。基因时空表达分析表明, 大豆GmHDL57基因在大豆植株的各个不同时期及不同器官中均有表达, 在花中表达量最高。采用实时荧光定量PCR技术分析了4种非生物胁迫(脱落酸、NaCl、PEG、冷)对幼苗期大豆根中GmHDL57基因表达的影响。结果表明, 该基因表达量受高盐胁迫诱导显著升高, 在脱落酸及干旱胁迫下上升幅度较小, 但在冷胁迫下呈下降趋势。盐胁迫前后GmHDL57基因在根中的表达量明显高于茎和叶, 在盐胁迫48 h时达到峰值, 72 h和96 h时表达量缓慢下降。此外, 构建GmHDL57基因的植物超表达载体, 利用根癌农杆菌转化法获得转基因百脉根, 200 mmol L ^-1 NaCl处理条件下, 转基因百脉根的株高、根长、叶绿素含量、根系活力以及阳离子K ⁺、Ca ²⁺含量显著高于野生型, 而丙二醛含量、相对质膜透性以及Na ⁺的含量明显低于野生型。以上研究结果表明, GmHDL57基因参与了大豆对非生物胁迫的应答过程, 过量表达GmHDL57基因能够显著提高百脉根的抗盐能力。     

Physiological and metabolomic analysis of a knockout mutant suggests a critical role of MtP5CS3 gene in osmotic stress tolerance of Medicago truncatula

In the model legume Medicago truncatula, Δ¹-pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS), the rate-limiting enzyme of proline biosynthesis, is encoded by three closely related genes, MtP5CS1, MtP5CS2, and MtP5CS3. While MtP5CS1 is constitutively expressed, MtP5CS2 and MtP5CS3 are induced by adverse environmental conditions, of which MtP5CS3 is prevalently expressed during drought and salinity stresses. Mtp5cs3, a transposon (Tnt1) insertion mutant of MtP5CS3 that cannot synthesize a mature protein, showed decreased proline accumulation and increased sensitivity to salinity, drought, and low water potential stresses, as evidenced by decreased seedling growth and chlorophyll content and increased hydrogen peroxide content. These defective phenotypes were complemented by externally supplied proline or ectopically expressed cDNA to the wild-type gene (MtP5CS3). Gas chromatography–mass spectrometry-based analysis of soluble metabolites revealed that some major metabolites contributing to osmotolerance, including certain amino acids, sugars, and polyols, accumulated more abundantly in the Mtp5cs3 roots than in the wild type, whereas a few other amino acids accumulated less during drought and salinity stresses. While such metabolic reconfiguration apparently fell short of compensating for proline deficiency in Mtp5cs3, overexpression of MtP5CS3 significantly increased tolerance of M. truncatula to salinity and low water potential stress. Thus, MtP5CS3 plays a crucial role in proline accumulation and osmotic stress tolerance of M. truncatula. Manipulation of this predominant proline biosynthetic gene will facilitate the development of environmentally stable legume crops.     

小麦脱落酸受体基因TaPYR1介导植株抵御干旱逆境功能研究

脱落酸(ABA)受体PYR/PYL/RCAR通过与渗透胁迫诱导的ABA结合,参与植株体内ABA介导的信号转导过程,在调控植株干旱逆境抵御过程中具有重要的生物学功能。本文研究了鉴定的1个干旱响应的PYR家族成员TaPYR1的分子特征、应答干旱表达模式及其介导植株抵御干旱逆境的功能。结果表明,TaPYR1与植物种属中部分PYR基因在氨基酸序列水平上高度同源,编码蛋白含有PYR家族成员保守结构域,翻译蛋白经内质网分选后定位于细胞质膜。TaPYR1基因在小麦根、叶中均呈明显的干旱诱导表达模式,在干旱胁迫48 h表达量达到峰值。与野生型对照(WT)相比,超表达TaPYR1烟草转化株系,干旱处理下植株长势增强,干鲜重增加。干旱处理下,转化株系较对照的光合能力增强,细胞保护酶活性提高,渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖含量增加。研究表明, TaPYR1通过在转录水平上应答干旱逆境,改善干旱胁迫下的植株相关生理过程,在增强植株抵御干旱逆境能力中发挥重要作用。     

大赖草6-SFT基因的克隆及其转基因烟草抗旱和抗寒性分析

果聚糖合成酶(6-SFT)在植物抵御逆境胁迫中起重要作用。利用RACE结合RT-PCR技术从大赖草(Leymus racemosus中克隆到6-SFT基因,其完整开放阅读框为1863 bp,被命名为Lr-6-SFT (GenBank登录号KT387273),编码620个氨基酸,其推导氨基酸序列含有保守的果糖基转移酶结构域。氨基酸序列比对及进化树分析表明,大赖草6-SFT与华山新麦草、普通小麦、西尔斯山羊草和大麦6-SFT具有高度相似性。采用基因重组技术构建p1300-35SN-Lr-6-SFT表达载体,利用农杆菌介导法将该载体转入烟草品种W38中。对经过抗性筛选、PCR和RT-PCR验证的转基因植株进行抗旱和抗寒性鉴定,发现转基因植株与对照相比,抗旱和抗寒性明显增强;在逆境胁迫条件下,转基因植株的果聚糖、可溶性糖、脯氨酸含量都显著高于对照,而丙二醛的含量显著低于对照。本研究表明,Lr-6-SFT基因是典型的GH32家族成员,, 2n= 4x = 28, NsNsXmXm)其表达能够提高烟草对干旱和寒冷胁迫的抗性。     

陆地棉干旱胁迫基因GhRBCO的克隆与表达分析

Rubisco蛋白(ritmlose-1,5-bisphosphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)的上调表达是植物应对非生物胁迫的特征之一。本研究在前期蛋白质组学分析的结果上,利用同源克隆获得陆地棉‘KK1543’在干旱胁迫下差异表达的基因GhRBCO。GhRBCO基因编码区长747 bp,编码249个氨基酸;比对氨基酸序列及同源性分析发现,GhRBCO与其它植物中的RBCO蛋白的一致性较高,表明该基因在进化过程中是相当保守的。系统进化树结果显示,GhRBCO与雷蒙德氏棉、亚洲棉和黄花嵩的同源性最高。利用荧光定量PCR技术在15%PEG胁迫下研究该基因表达变化,表达量在棉花的根、茎和叶中都表现为先缓慢升高后降低的变化趋势,在根中表达量在24 h达到第一次最高;在茎中于12 h表达量最低。该基因的表达量在棉花的根、茎、叶中都呈上调表达水平。结果表明,GhRBCO基因可能参与棉花调节非生物胁迫机制。本研究结果为进一步研究GhRBCO基因的功能奠定了一定的基础。     

重金属胁迫下小豆种子萌发特性及幼苗期富集效应

为探究重金属（Cu ²⁺、Zn ²⁺、Cr ⁶⁺）胁迫下小豆种子萌发特性和幼苗对重金属离子的富集效应,以“晋小豆6号”为材料,设置不同浓度（5、10、50、100、200、300、400mg/L）重金属（Cu ²⁺、Zn ²⁺、Cr ⁶⁺）梯度,测定小豆种子的发芽指标变化及幼苗根、茎、叶中各种重金属的积累量。结果表明：当Cu ²⁺浓度为5、300、400mg/L时,小豆种子发芽势高于对照,而在相同浓度的Cr ⁶⁺、Zn ²⁺胁迫下小豆种子发芽势低于对照。3种重金属不同浓度对小豆发芽率整体影响趋势相近,在重金属浓度为50mg/L时小豆幼苗根长最长;当Cu ²⁺浓度为200~400mg/L时小豆下胚轴长明显短于对照,Zn ²⁺和Cr ⁶⁺浓度为5~400mg/L时,随Zn ²⁺、Cr ⁶⁺浓度升高小豆下胚轴生长呈先升后降的趋势,且都在浓度为100mg/L时下胚轴最长。小豆幼苗对重金属Cu ²⁺的累积量较高,对Zn ²⁺的累积量次之,对Cr ⁶⁺的累积量最低,且主要集中在根部,只有少量富集在茎和叶片中。适宜重金属浓度对小豆种子萌发具有促进作用,其根部对重金属有良好吸收,种植小豆对改善土壤环境有极大帮助。