氨基酸转运蛋白介导植物免疫研究进展

植物生长发育需要大量的氮素养分,氨基酸作为大多数植物体内主要的氮素运输形式,影响植物整个生命活动。氨基酸转运蛋白负责氨基酸在组织和细胞间的跨膜运输,其通过调节植物体内氨基酸稳态,影响着植物的生长发育和抗逆能力。近年来,氨基酸和氨基酸转运蛋白在植物免疫和抗病中的功能及其调控机制取得了一些突破性的研究进展。我们详细阐述了氨基酸运输、代谢在植物防御中的作用,总结了参与植物免疫的氨基酸透性酶家族(AAPs)、赖氨酸组氨酸转运蛋白家族(LHTs)、阳离子氨基酸转运蛋白家族(CATs)以及多种酸进出转运蛋白家族(UMAMITs)基因在病原菌侵染植物过程中的调节机制。转运蛋白LHT1不仅介导植物根系氨基酸的吸收和地上部氨基酸的转运,还参与了植物生长和免疫调节。本文以LHT1为例,对比了拟南芥和水稻lht1突变体植物在感染病原菌后自身的免疫过程,突出其在参与植物感染活体营养型和死体营养型病原菌过程中功能的差异性,构建了氨基酸转运蛋白调控植物免疫过程的基本分子模型。未来研究需要重点解析：1)哪些氨基酸是植物防御机制的关键营养或信号物质;2)病原菌侵染植物后,植物体内氨基酸信号的传导过程;3)植物氨基酸转...     

植物磷转运子 PHT1 家族研究进展

【目的】磷是植物生长发育所必需的大量营养元素。植物 PHT1 磷转运蛋白家族在植物磷吸收、运转及再利用等过程中发挥了重要作用。迄今已在多种高等植物中相继分离出大量 PHT1 家族基因。本文综述了国内外关于植物 PHT1 家族的主要研究进展,详细阐述了植物 PHT1 家族的表达模式、功能及可能的调控途径。 主要进展植物 PHT1 家族属于 MFS (major facilitator superfamily) 超家族,不同物种 PHT1 家族蛋白的结构非常保守,通常具有 12 个亲脂跨膜结构域,形成“6 螺旋–亲水大环–6 螺旋”式的结构镶嵌于质膜当中。同时,该家族具有 H₂PO₄–/nH+ 共运子、糖转运子和 MFS 通用转运子等特征结构域和一段保守的氨基酸特征序列 GGDYPLSATIMSE。一般情况,植物 PHT1 家族基因吸收转运 1 个无机磷需要 2～4 个质子协同进入质膜,并伴随膜电位的变化。植物 PHT1 家族的磷转运特性差异较大,其动力学参数 Km 值差别较大。高等植物 PHT1 家族成员众多。在拟南芥、水稻、大豆、茄科植物及其他物种中的研究发现,PHT1 家族各成员间的时空表达模式存在差异,多数成员受低磷信号调控且主要在根部表达,少部分成员在除根以外的其他器官中表达,并行使相应的磷转运功能。已有研究表明,植物 PHT1 家族基因的转录水平受到多因素的调控,例如外界环境中的无机磷浓度,转录因子如 MYB 家族、WRKY 家族以及 ZAT6 等基因能与 PHT1 家族基因启动子区的特殊调控元件如 MYCS 元件、P1BS 元件及 W-box 元件等结合,调控基因的转录。此外,部分 PHT1 家族基因的转录水平受丛枝菌根真菌 (arbuscular mycorrhizal fungi,AMF) 的调控。除了转录水平的调控,关于植物 PHT1 家族转录后水平的调控途径同样取得了较大进展。PHF1 基因、含 SPX 结构域的蛋白家族、MicroRNA、蛋白磷酸化与去磷酸化、染色质修饰及其他等一系列调控途径均参与到 PHT1 家族基因的转录后调控及信号转导。植物激素如生长素、乙烯和细胞分裂素等也参与这一调控过程。 建议与展望植物对磷吸收利用的分子调控机理及信号转导途径十分复杂,因此,培育磷高效利用基因型作物任重而道远。关于植物 PHT1 家族基因的研究已从模式植物向作物及其他高等植物中扩展,然而对该家族蛋白的生化及结构生物学等研究还待进一步深入。同时,对于一些基因组较复杂的多倍体物种如甘蓝型油菜、小麦、大麦及棉花等,仍有待开展进一步研究。     

植物BAG家族蛋白研究进展

Bcl-2相关抗凋亡(Bcl-2 associated athanogene,BAG)家族蛋白具有不同生物学功能,该家族成员广泛参与了肿瘤调控、细胞凋亡以及胁迫响应等多种生物学过程。目前,对植物中BAG家族生物学功能的研究主要集中于拟南芥(Arabidopsis thaliana)。本文对植物中BAG家族的生物学功能进行总结:1)BAG家族成员的C末端都含有一个进化上高度保守的BAG结构域,该结构域具有与Hsp70相关蛋白结合的功能;2)N末端的特异结构域如类泛素化结构域、钙调蛋白结合结构域等使得蛋白成员参与不同的生物学过程;3)BAG家族蛋白参与植物对温度、盐以及病原菌侵染等逆境胁迫的响应、植物程序性细胞死亡等生物学过程。本综述重点阐述已经报道的BAG家族蛋白在植物响应逆境胁迫方面的功能研究,有助于农作物中该家族蛋白抗逆方面研究以及分子育种工作的开展。     

植物吸收铵态氮的分子生物学基础

植物对铵离子的吸收和铵离子在细胞间的转运是铵转运蛋白介导的需能主动运输过程。植物铵转运蛋白位于细胞膜上,含有101～1个跨膜域,分子量约为48.kD。研究表明,植物体内的铵转运蛋白由小基因家族成员编码,在表达特性上不同成员具有时空特异性。植物体内铵转运蛋白在功能、生化特性和转录调节水平上存在差异。在不同氮素水平下,铵转运蛋白基因通过转录和翻译调控,对于保持植株的适宜氮素供应以及氮胁迫条件下维持植物细胞中氮素的内稳态具有重要作用。     

蓝光受体ZTLs家族调控植物光周期途径研究进展

光周期途径是调控植物开花的重要途径之一,在长期的进化过程中,植物对光周期途径中的光诱导形成了极其精细和完善的光感受系统。植物接收光信号主要通过光感受系统中的光受体(photoreceptor)实现。ZTLs家族是一类蓝光受体蛋白,泛素化调节植物体内蛋白质的降解,在光信号向生物钟输入和调节下游开花基因表达中发挥重要作用。本文对不同植物中ZTLs家族蛋白的结构、功能等研究进行了综述与展望,为阐明ZTLs家族通过光周期途径调控开花的机制提供了一定的理论依据。     

植物中铵转运蛋白的研究进展

铵转运蛋白在众多生物中被克隆与鉴定，它是一种广泛存在于微生物、植物细胞及动物的细胞膜上主动转运铵离子的载体，分子量约为48kD，含有10-11个跨膜域。本文阐述了植物铵转运蛋白分离鉴定的过程，对于铵转运蛋白的结构、功能、基因表达调控等方面作了较详细叙述。不同氮素条件下，铵转运蛋白基因通过转录调控表现了对铵离子吸收转运的不同特点，使植物根系在较宽的浓度范围中吸收铵离子，为细胞内铵离子库的内稳态提供了理论依据。铵转运蛋白有助于作物更有效的吸收氮素，为农业生产粮食增收提供了有利保障。     

非生物胁迫下植物水通道蛋白的应答与调控

【目的】水分不仅是细胞中各类生命物质合成的必需底物,而且也参与植物体内的养分代谢和渗透平衡的调节。植物中水分的跨膜转运主要是由水通道蛋白(AQPs)所介导的,因此,无论是在植物整体水平还是细胞水平上,水分的吸收以及跨细胞膜系统的转运对于植物的生长发育都是至关重要的。近年来,水通道蛋白作为调节水分的吸收与转运的关键,已成为植物营养与分子生物学特别关注和研究的热点之一。本文从水通道蛋白的种类结构,底物特异性,基因表达特征和调控机制四个方面对水通道蛋白转运水分的机理和转运水分过程中对胁迫的响应机制进行了详细阐述;从水通道蛋白的水分运输和渗透调节功能及其养分运输功能两方面说明了水通道蛋白在植物生长过程中的生理作用;阐述了光照、干旱和低温与水通道蛋白功能之间的关系,明确了水通道蛋白通过表达量的增加或者降低来响应相应环境条件的变化。【主要机理】水通道蛋白通过保持一定结构及对底物运输的特异性来实现对水分的高效运输,通过调整基因的表达量和翻译后修饰等过程实现对水分的高效转运;同时,水通道蛋白可以通过水分的运输实现植物渗透平衡的调节,对部分小分子养分的吸收等功能更是实现了对植物生理和养分吸收的调节;另外,水通道蛋白不仅可以提高植物的抗旱、抗盐能力,对低温胁迫也有一定的响应,还可以与多类逆境胁迫蛋白发生相互作用,共同调节植物的水分和渗透平衡,提高植物应对逆境胁迫的能力,表明植物水通道蛋白对非生物胁迫下的应答机制有待于进一步探索,为植物水通道蛋白的应用研究提供科学的理论支持与材料支撑。     

植物氮素利用途径中硝酸盐转运基因的研究进展

氮素是植物生长发育必不可少的大量元素之一,土壤中的硝酸盐是植物获取氮素的主要来源。植物对硝酸盐的吸收与利用是通过一个精密的信号调控网络来实现的,其中硝酸盐转运蛋白在植物体内硝酸盐的运输和分配过程中发挥着重要的作用。通过对氮素利用途径中不同硝酸盐转运基因在硝酸盐的吸收、转运、同化和再利用进行功能鉴定,可以更好地解析硝酸盐在植物体内的吸收机制,从而找到提高植物氮素利用效率的关键环节。因此,综述了植物硝酸盐转运蛋白对土壤中硝酸盐的响应和信号的传递;硝酸盐转运蛋白在植株体内参与硝酸盐的转运、储存和再利用的功能以及硝酸盐在植物育种中的应用,并从对硝酸盐转运基因的单碱基编辑、关键结构域的改造和基因功能鉴定等方面进行展望。综述了有利于揭示硝酸盐转运基因的功能,拓宽植物吸收转运硝酸盐的分子机制认识,为提高植物氮素利用效率、培育氮高效利用农作物品种提供理论支撑。     

液泡膜苹果酸转运蛋白研究进展

液泡是植物细胞贮藏苹果酸重要的细胞器。苹果酸是三羧酸酸循环和乙醛酸循环的中介,是维持细胞渗透压与电荷平衡的关键代谢物,还参与调节植物气孔大小,故苹果酸在植物的生命活动中起着重要作用。液泡膜苹果酸转运蛋白直接或间接控制苹果酸进出液泡,介导液泡与细胞质间苹果酸的运输。液泡膜苹果酸转运蛋白属于钠连接的羧酸盐载体家族,本文重点介绍植物液泡膜苹果酸转运蛋白的性质和功能及其与植物细胞pH值动态平衡之间关系的研究进展。     

植物磷转运蛋白基因及其表达调控的研究进展

土壤有效磷的缺乏是限制植物生长发育的主要因素之一,植物对于磷素营养的吸收及转运主要是通过不同家族的磷转运蛋白来进行的。在外部介质严重缺磷的环境中,植物体自身会通过诱导或增强磷素转运蛋白基因的表达量提高其对根际和共生菌根菌丝磷素的吸收和利用,同时外界环境中的其他一些因素也会影响磷转运蛋白基因的表达调控。近年来,随着分子生物学技术和植物基因组学的快速发展,国内外有关磷素转运蛋白的分子研究也在不断深入,并取得了一系列令人振奋的成果。本文简述了近年来高等植物磷素转运蛋白基因的克隆、表达、调控及其可能存在的相互作用,并对进一步的研究作了展望。     

植物翻译控制肿瘤蛋白研究进展

翻译控制肿瘤蛋白(TCTP)广泛存在于各类真核生物中,是一类在进化上高度保守的同源蛋白家族。植物TCTP具有促进细胞增殖、分化和再生、对抗生物或非生物胁迫等功能,其表达受转录和翻译水平的调节,调控机理较复杂。本文从TCTP的发现与命名、研究领域与分布、植物TCTP基因的结构特点、表达特性及功能等方面进行了简要综述,旨在全面了解植物TCTP的生理生化功能,以期为进一步研究其调控机理,调控植物生长发育和培育抗逆新品种提供一定的理论参考。     

淹涝胁迫和氮形态对苗期玉米糖、氮代谢底物量的影响

采用砂培培养方法,比较研究淹水和不同氮形态(铵态氮、硝态氮以及铵态氮︰硝态氮为1︰1)对苗期玉米根、茎鞘和叶的糖、氮代谢底物——可溶性糖、还原糖、硝态氮和游离氨基酸等物质含量的影响。结果表明,当淹涝胁迫持续7 d时,在非淹涝胁迫条件下,铵态氮处理的根、茎鞘和叶的可溶性糖和游离氨基酸含量均显著高于硝态氮处理(P<0.05);在淹涝胁迫条件下,硝态氮处理的根、茎鞘和叶的生物量干重显著低于铵态氮处理(P<0.05),其根和叶的生物量干重也显著低于铵态氮、硝态氮混合处理(P<0.05)。与非淹涝条件相比,在淹涝胁迫条件下,硝态氮处理的根系和叶的硝态氮含量显著降低(P<0.05),降低幅度分别高达62.6%和30.0%;此外,与非淹涝条件相比,在淹涝胁迫条件下,铵态氮处理的根的可溶性糖、还原糖以及游离氨基酸含量,茎鞘的可溶性糖和还原糖含量以及叶的可溶性糖和游离氨基酸含量均显著升高(P<0.05),而硝态氮处理仅根、茎鞘和叶的还原糖含量以及叶的游离氨基酸含量显著升高(P<0.05)。因此,在本试验条件下,由于糖、氮代谢底物含量充足,铵态氮处理的苗期玉米具有相对较强的耐淹涝胁迫能力。     

植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化途径研究进展

磷是构成许多关键性大分子的重要底物，在植物体内许多生理生化反应中都发挥着重要作用，磷供应不足会极大地限制作物的产量和品质。在漫长的进化过程中，植物形成了一系列适应低磷胁迫的机制，其中，蛋白质水平的泛素化修饰对植物响应低磷胁迫起重要作用。泛素化修饰可以改变靶蛋白的活性、稳定性及其在亚细胞的定位等。对关键蛋白的泛素化修饰在植物低磷胁迫响应中的调控功能和机制进行归类总结，综述植物蛋白质泛素化途径调控低磷胁迫的研究进展。蛋白质泛素化修饰研究主要从泛素、酶和靶蛋白3个组分方面进行。泛素由76个氨基酸组成，并以逐步共轭级联的方式与靶蛋白相连，形成泛素–蛋白质复合体，该复合体被运输至26S蛋白酶体内消化与降解，从而调控众多生理过程。蛋白质泛素化修饰通过改变根系形态构型，影响磷转运子和转录因子的活性和定位，从而促进或抑制植物对土壤磷的吸收以及向地上部的运输，进而调节磷稳态。最后，提出了对植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化需要进行的研究。     

细胞膜H+-ATP酶在植物矿质营养中的作用

细胞膜H+-ATP酶是植物体内一类重要的质子泵,也是一种极其关键的转运蛋白,在植物各种生命活动中具有重要的功能。本文综述了细胞膜H+-ATP酶的活性调控机制,及其在植物根系吸收与利用矿质营养中的生理作用。细胞膜H+-ATP酶通过消耗ATP将细胞质中的H+排出,为养分离子的跨膜转运,以及有机酸和生物硝化抑制剂等物质的分泌提供细胞膜电位和质子驱动力。在缺磷、缺铁和铝毒等营养逆境下,细胞膜H+-ATP酶在受诱导后通过分泌H+使根际酸化,从而提高磷和铁的有效性,还通过促进有机酸分泌来活化土壤中的矿物态磷,并且可以降低铝离子的毒害。此外,细胞膜H+-ATP酶还参与调节植物根系的生长以及植物与丛枝菌根真菌的共生。通过遗传途径调节细胞膜H+-ATP酶及其上游调节因子,如蛋白激酶和磷酸酶等基因的表达,以及对细胞膜H+-ATP酶的特定氨基酸位点进行突变,可以改良作物细胞膜H+-ATP酶的活性。这是一种提高作物养分利用效率、增强作物抵抗营养逆境的有效策略。     

生物镁离子转运体研究进展

镁(magnesium) 是生物生长发育必需的核心营养元素之一,也是细胞中含量最多的两价阳离子。镁具有最大的水合半径,最小的离子半径和最大的电荷密度,特殊的理化性质使其在生物体内的转运方式显得尤为重要。以前的研究大多集中在物化结构,生理功能,缺镁病理等方面,并在光合作用,酶的活化,基因组稳定,抑制衰老,减轻铝害和调节氮代谢等研究方面取得了一定的成就,但 Mg2+转运蛋白的晶体结构,Mg2+吸收、转运和体内平衡的分子机理,Mg2+胁迫信号的传导机制等信息仍知之甚少。人们已经从许多生物中克隆了 Mg2+转运相关基因,包括原核生物、低等真核生物、高等真核生物,并对其结构、功能、亚细胞定位进行了分析验证。根据已知镁离子运输体的不同结构或功能,把它们分为 6 个不同的家族:钴抗性蛋白家族(CorA),Mg2+/H+交换体(AtMHX),离子通道,P 型磷酸酶(P-type phosphatase),Mg2+转运体基因家族MgtE (MgtE )和其它镁离子运输家族。同一家族的不同成员之间存在结构或功能的相似性,其中,CorA 家族的镁离子运输体是最基本、研究最深入的运输体,它们广泛的存在于细菌,酵母菌,动物和植物中,能调节镁离子的吸收和外排。本文对已发现的各种 Mg2+转运体的结构功能特点进行了综述,以期为该领域的研究提供一些有益的参考。     

糖醇螯合肥在农业上的应用研究进展

糖醇是许多植物的光合作用初产物,在植物体内具有多种生物学效应,作为配体合成的糖醇螯合肥能促进钙、硼等营养元素在植株韧皮部迁移,该特性使其在农业生产中备受关注,但是糖醇螯合肥在我国的发展仍处于初始阶段,其科学研究远滞后于实际应用,根源在于当前的研究侧重糖醇螯合肥的作物效应,较少关注施用糖醇螯合肥对土壤环境及根际、叶际微生物造成的生态影响。同时,既往的研究通常忽略糖醇配体在生物体内的作用,且应用的糖醇螯合肥多为混合物,难以明确是糖醇、糖醇螯合物或按一定比例合成的混合物对作物生长起到关键作用。此外,由于糖醇螯合物的螯合机理不明,难以利用有效手段对其进行定性与定量分析,也阻碍了糖醇螯合肥的肥效机理研究。基于此,本文简要阐述了糖醇螯合技术及糖醇螯合肥的优势,并概述了糖醇配体在植物体内的生物学效应,通过当前糖醇螯合肥的应用现状指出糖醇螯合肥应用研究和开发中的不足,旨在为糖醇螯合肥的发展提供技术依据与发展方向。     

F-box蛋白家族在植物抗逆响应中的作用机制

SCF复合体泛素连接酶E3介导的泛素化蛋白降解是翻译后水平上对生命进程进行调控的一个重要方式。它的关键组分F-box蛋白负责识别被降解的靶底物蛋白。植物F-box基因家族成员众多,极具多样性。F-box蛋白N端常含F-box基序,C端常为蛋白互作保守结构域,该结构具多样性,可识别不同底物,是F-box蛋白分类的依据。研究表明,F-box蛋白参与调控植物的许多生命进程,包括抗逆反应。本文就近年来F-box蛋白在植物抗逆反应中的作用机制进行总结。F-box蛋白大多以SCF复合体泛素连接酶E3介导的泛素化蛋白降解目标蛋白的方式调控抗逆反应,也有不依赖形成SCF复合体的方式行使功能,不少F-box蛋白参与了植物激素信号传导,通过调控转录因子活性而改变下游基因的表达,由此影响了植物的抗逆反应。基因表达谱的生物信息学预测表明,大多数F-box基因参与了植物抗逆反应,目前只有其中一小部分已报道了其抗逆调节功能。在此综述了这些F-box蛋白在植物抗逆胁迫中的研究进展。在干旱和盐碱胁迫反应中,F-box基因常通过影响植物激素脱落酸、乙烯等植物激素信号传导而调控抗逆。由于干旱和盐碱胁迫具协同性,不少F-box基因同时参与抗旱和抗盐碱胁迫,但调节方式有所不同,一些F-box基因对抗干旱和盐碱的反应具协同性,从总体上调控植物的渗透胁迫和离子毒害反应;而另一些F-box基因对干旱和盐胁迫反应的调节作用相反,它们可能在植物抗逆的精细调节中起作用。在低温胁迫反应中,F-box蛋白可调节植物抗低温的CBF信号途径。在生物胁迫反应中,F-box基因常通过影响植物激素茉莉酸和水杨酸途径来调控抗病,病原菌也以攻击植物SCF复合体使植物致病。此外,植物激素信号途径之间相互作用,共同影响抗逆反应。     

不同类型脱水素在植物低温胁迫应答中的作用

低温是影响植物生长发育和作物产量的非生物胁迫因子之一。植物在长期的进化过程中,通过调节自身的生理及分子变化,形成了对低温胁迫的适应能力。脱水素是一类晚期胚胎丰富蛋白,可保护植物细胞内蛋白质和膜结构等不被低温破坏。不同植物中脱水素的过量表达能够提高植物的低温抗性,植物脱水素的表达和蛋白质的积累与植物耐低温能力密切相关。本文对SKn、Kn、YnSKn、KnS和Yn Kn型脱水素在植物抵御低温胁迫过程中的作用进行综述,旨在为进一步利用脱水素进行植物抗低温分子育种研究提供参考。