WRKY转录因子参与植物非生物胁迫应答的研究进展

WRKY转录因子在植物的非生物胁迫中发挥了重要的调节作用,能够参与多种不同的信号途径,功能具有多样性。WRKY蛋白除具有高度保守的WRKYGQK基序外,通常还具有Cys2His2或Cys2His-Cys型锌指结构,它通过与靶基因启动子中的W-box[(T)TGACC(A/T)]特异结合调控其表达,从而响应植物的逆境胁迫及其它信号途径。为了帮助我们更全面地了解WRKY转录因子在植物中的作用,本文主要对近年来WRKY在植物非生物胁迫方面的研究进展进行了综述。     

干旱、高盐及低温胁迫下植物生理及转录因子的应答调控

干旱、高盐及低温等非生物胁迫是限制植物生长发育的主要环境因子。这些环境胁迫因子通常导致植物体内生理代谢改变,并参与非生物胁迫调控转录因子的差异表达。植物抵御上述非生物逆境的能力与转录因子调控逆境相关功能基因的表达密不可分。近年来,发掘植物非生物胁迫相关转录因子的功能及揭示转录因子介导植物非生物胁迫响应的调控机制,已成为植物营养分子生物学关注的热点之一。因此,了解植物非生物胁迫下的生理应答及转录因子参与的调控机制,对建立植物适应性改良途径具有重要科学意义。本文从干旱、高盐和低温三方面阐述了非生物胁迫下植物生理生化的适应性变化,概述了MYB、bZIP、AP2/EREBP、WRKY和NAC五类与植物抗逆相关的转录因子的结构与功能特征,着重论述了转录因子介导植物抵御非生物胁迫的分子调控机制。植物遭遇非生物胁迫时,通常表现为生长速率、叶面积和叶片数量下降,蒸腾及光合速率降低。同时,植物体内活性氧逐渐累积,使细胞膜脂过氧化程度加剧,造成细胞损伤。为适应不利环境,在生理上植物表现为体内抗氧化酶活性增强,渗透调节物数量增多;在分子水平上,植物对非生物胁迫适应性的增强,通常与转录因子识别抗逆基因启动子特异性元件及调控逆境防御基因的转录有关。本文对于深入阐明干旱、高盐及低温胁迫下植物生理生化应答与转录因子的分子调控机制提供了全新的科学启示。     

小麦TaWRKY51基因的克隆、表达分析和转基因功能鉴定

WRKY是植物中特有的锌指型转录因子,其广泛参与植物对生物及非生物胁迫的响应过程.本研究从小麦(Triticum aestivum L.)中分离出一个新的WRKY转录因子基因TaWRKY51,其全长cDNA序列长度为1295 bp,其中开放阅读框(ORF)为942 bp,编码一个由313个氨基酸组成的多肽.用半定量RT-PCR进行表达谱分析,结果显示,TaWRKY51基因在分蘖节、叶和根系中的表达水平较高,并且受干旱胁迫诱导上调表达.在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过量表达TaWRKY51基因导致转基因株系侧根数目明显增多,并且对ABA、干旱和盐等胁迫处理的敏感性增加,表明该基因可能在植物响应非生物逆境胁迫信号传导过程中起负调控作用.本研究有助于揭示TaWRKY51基因调控植物侧根发育及响应非生物逆境胁迫的分子机制.     

玉米乙烯应答元件结合蛋白基因启动子克隆与功能验证

为了给玉米转基因研究提供更多的非生物逆境诱导启动子,寻找只在逆境胁迫条件下适当驱动外源抗逆基因的表达,在生物信息学分析的基础上,克隆与水稻DREB1B转录因子基因同源的玉米乙烯应答元件结合蛋白基因sb CBF6的启动子psb CBF6,在非生物逆境应答元件分析和实时定量PCR验证其非生物逆境胁迫响应特性后,用以构建驱动报告基因GUS的表达载体,并使用基因枪法转化玉米愈伤组织,通过愈伤组织的GUS荧光值与荧光素酶发光值的比值,评价psb CBF6启动子在非生物逆境胁迫及激素诱导条件下的驱动活性。结果表明,sb CBF6基因在各种非生物逆境胁迫下差异表达。psb CBF6启动子长1 479 bp,存在多种与非生物逆境胁迫应答相关的调控元件,可在非生物胁迫条件下驱动外源抗逆基因在转基因植物中诱导表达。试验结果为研究抗逆转基因玉米提了供参考。     

白菜WRKY转录因子cDNA全长的克隆及分析

参照拟南芥WRKY转录因子基因保守序列设计引物，利用RT-PCR及RACE技术克隆了白菜WRKY转录因子基因cDNA全长，命名为BcWRKY1 (GenBank登录号为AY836002)。序列分析发现，白菜BcWRKY1基因核苷酸序列长980bp，推导的氨基酸序列编码285个氨基酸残基，与拟南芥AtWRKY18 氨基酸序列的同源性为74%，与拟南芥AtWRKY60同源性为59%；与其它植物WRKY基因的同源性则较低。Southern杂交显示该基因在白菜基因组中为单拷贝。半定量RT-PCR分析表明，用2mmol/L的水杨酸处理后2h~8h，以及用霜霉病菌接种后6h~12h，白菜BcWRKY1基因的表达量最高。     

巴西橡胶树HbNAC1基因启动子的克隆及序列分析

NAC转录因子是植物特有的一类转录调控因子,在植物的生长发育、激素调节和境胁迫应答中具有重要的功能。为研究NAC转录因子在巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）抗逆胁迫中的功能,本项目组根据巴西橡胶树NAC转录因子-HbNAC1基因序列,通过Genome Walking方法从巴西橡胶基因组DNA中获得了长度为1861bp的HbNAC1基因的5＇调控区片段,序列分析表明该段序列含有一个典型的真核生物核心启动子区域,转录起始位点T位于起始密码子上游52bp处。该启动子序列除了含有TATA-box、CAAT-box等基本顺式作用元件外,还具有茉莉酸响应元件以及大量光顺式作用元件和逆境胁迫诱导相关的顺式调控元件,这表明HbNAC1基因在橡胶树逆境胁迫应答过程具有重要功能,其启动子可能是一个光诱导型和组织特异性启动子。     

烟草WRKY12基因的分离、表达与多克隆抗体的制备

在高等植物中,WRKY转录因子家族成员广泛参与植物的生长发育、代谢、生物胁迫和非生物胁迫等生理过程的调控.本研究采用同源序列克隆的方法获得烟草WRKY12基因,序列分析表明,该蛋白属于WRKY家族第2类成员,只有一个WRKY结构域,锌指结构为C-X4-C-X23-H-X1-H.构建系统发育树结果表明,它与大豆中GmWR...     

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。     

非生物胁迫下W-box突变对小麦TaGAPC5基因启动子活性的影响

小麦(Triticum aestivum)胞质甘油醛3-磷酸脱氢酶(cytosolic glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPC)Ta GAPC5基因在干旱等非生物胁迫下显著表达。序列分析表明,Ta GAPC5基因启动子区包含3个W-box顺式作用元件。本实验利用PCR定点突变技术对Ta GAPC5基因启动子区-640处W-box单独突变、-640、-700两处W-box突变和-640、-700、-997处W-box均突变,将这3种突变的启动子分别与植物表达载体p C0390-GUS融合表达,利用农杆菌(Agrobaoterium tumefaciens)介导法转化烟草(Nicotiana tabacum),对转化后的烟草分别进行正常条件下培养和100 nmol/L脱落酸(abscisic acid,ABA)、20%PEG8000胁迫处理。组织化学染色结果显示,这3种突变后的启动子序列均具有一定的启动子活性。烟草叶片GUS酶活检测结果表明,在正常生长条件下,Ta GAPC5基因启动子-640处W-box单独突变对启动子活性影响不大,-640、-700、-997三处W-box均突变Ta GAPC5基因启动子活性显著降低(P0.01);在100 nmol/L ABA诱导下,-640处W-box单独突变、-640、-700两处W-box突变和-640、-700、-997处W-box均突变均可显著降低Ta GAPC5基因启动子活性(P0.01);在PEG胁迫条件下,Ta GAPC5基因启动子-640处W-box单独突变和-640、-700、-997三处W-box均突变可显著降低该基因启动子活性(P0.01)。因此表明-640、-700、-997处W-box对小麦Ta GAPC5基因启动子活性有一定影响,其中在100 nmol/L ABA、20%PEG8000胁迫条件下其影响较大,推测Ta GAPC5基因启动子序列中W-box元件可能参与非生物胁迫下小麦Ta GAPC5基因的表达调控。这一研究结果可为小麦Ta GAPC5基因在非生物胁迫下的表达调控研究提供重要线索。     

WRKY转录因子表达谱的研究进展

环境胁迫对植物的生长发育造成重大影响,因此,提高植物的抗逆性是农业面临的重要问题。自然界中存在多种抗逆基因,如抗盐基因、抗旱基因、抗寒基因等。利用植物基因工程和分子生物学技术提高植物对逆境的适应性及其抗逆分子机制的研究已成为当今热点。WRKY转录因子是一类参与多种胁迫反应的诱导型转录因子,本文综述了WRKY转录因子家族的结构特点、WRKY转录因子在非生物胁迫（高温、低温、干旱、盐）、外源物质（激素及O3）处理及生物胁迫下的表达模式。各种胁迫下的表达谱均呈现不同特点,这些差异表达可能与它们所行使的不同生物学功能有关。     

棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4启动子的克隆及序列分析

棉纤维是纺织行业的重要原材料。赤霉素能够促进棉纤维的生长发育,而DELLA蛋白又是赤霉素信号转导通路中的关键调控因子,因此研究棉花DELLA蛋白基因表达的调控模式,对阐明棉纤维生长发育的分子生物学机理具有重要意义。本研究根据两个棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4序列设计特异引物,以陆地棉新陆早13号的基因组DNA为模板,用基因组步移法克隆了棉花DELLA蛋白基因GhGAI3和GhGAI4的启动子。对两个启动子进行序列分析表明,这两个启动子均具有真核生物典型的核心启动子区,同时也都具有一个或多个光响应元件和赤霉素响应元件,说明这两个基因可能受到光信号和赤霉素信号的调控,这与其它植物中DELLA蛋白的表达模式是一致的。此外,这两个启动子还具有各种转录调控相关的顺式作用元件,比如其它激素类的响应元件和逆境胁迫响应元件,说明棉花中DELLA蛋白基因可能在响应其它激素信号以及逆境胁迫中也起到一定的作用。     

植物抗逆反应中的转录因子网络研究进展

植物生长发育过程中会经历各种生物及非生物胁迫,转录因子所介导的基因表达调控网络在植物抵御各种胁迫反应中起着重要的作用.目前已鉴定的与植物抗胁迫有关的转录因子及家族主要有碱性域亮氨酸拉链(basic-domain leucine-zipper,bZIP)、禽成髓细胞瘤病毒致癌基因同源物类(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog,MYB)、乙烯应答元件组合蛋白/因子(APELATA2/ethylene-responsive element binding proteins/factors,AP2/EREBP)、WRKY和NAC等.这些转录因子与特定的顺式作用元件结合组成调控网络,特异地调控植物胁迫反应中各种相关抗性功能基因的表达,提高植物对环境胁迫的适应能力.     

小麦3-磷酸-甘油醛脱氢酶基因(GAPDH)上游序列的克隆及功能验证

3-磷酸-甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)广泛地存在于各种生物体内,是生物体内糖异生和糖酵解过程中的关键酶。为了获取长武134小麦(TriticumaestivumL.)GAPDH上游序列并分析其启动子活性,本研究根据小麦GAPDH基因(GenBank登录号:EF592180.1)5'端序列设计特异引物,利用基因组步移法获得了该基因上游1071bp的序列;对该序列进行结构分析表明,转录起始位点可能位于起始密码子上游约700bp处;PlantCARE预测瞬时作用元件表明,在翻译起始密码子ATG的上游含有启动子基本结构元件TATA-box、CAAT框,以及能够应答脱落酸(abscisic acid,ABA)、干旱、低温等非生物胁迫逆境因子的多种顺式作用元件(如MYB、MYC、WRKY、ABRE、HSE和GT-1等);然后用GAPDH基因启动子序列替换植物表达载体pBI121GUS基因前的CaMV35S启动子,并构建启动子融合表达载体,并通过农杆菌(Agrobacteriumtumefaciens)EHA105介导转化烟草(Nicotianatabacum)叶盘进行了瞬时表达分析,以GUS作为报告基因研究在ABA、干旱、低温3种非生物胁迫下启动子的活性。结果显示,ABA、低温和干旱对启动子有较明显的诱导效应,其中以干旱诱导最为显著。本研究通过基因组步移克隆得到GAPDH基因的启动子,分析表明此启动子为有着强启动活性的诱导型启动子。     

玉米HVA22基因启动子的克隆与功能验证

利用转基因技术转化利用外源抗性基因,可提高玉米对非生物逆境的抵抗能力,改良其在不良环境下的稳产性。但是,在过去的研究中,大多采用组成型启动子启动外源抗逆基因过量表达,虽然可以改良转基因株系的抗逆性,但其生长发育受到不同程度抑制,适应性代价较大。用非生物逆境诱导启动子,可培育出只在逆境胁迫下表达的转基因抗逆品种,避免正常条件下抗逆基因过量表达的不良影响。本研究以水稻HVA22蛋白质的氨基酸序列为探针,搜索玉米基因组同源mRNA序列HVA22,用PlantCARE软件分析并同源克隆其上游启动子序列,实时荧光定量PCR验证HVA22基因在非生物逆境胁迫下的差异表达,构建HVA22基因启动子HVA22s启动GUS基因的表达载体,基因枪法转化玉米愈伤组织,GUS染色检测启动活性。结果表明,玉米HVA22s启动子长度1478 bp,含有多种与非生物逆境应答相关的调控元件。HVA22基因在高温胁迫,以及脱落酸和乙烯诱导下上调表达。用HVA22s启动GUS基因转化的玉米愈伤组织,在脱落酸诱导、甘露醇模拟高渗处理、低温和高盐胁迫条件下,GUS染色均可显现靛蓝色斑点,说明HVA22s启动子确有非生物逆境启动功能,进一步验证其启动活性后可运用于玉米抗逆转基因研究。     

转录因子在植物进化和抗逆中的作用

植物基因的表达调控是一个复杂且精准的网络系统,一般包括转录水平和翻译水平二个层次。转录水平的调控发生在基因表达的初期,是许多基因表达调控的主要方式。在此调控过程中,被称为转录因子的蛋白质特异结合到靶基因的顺式作用元件上,控制着一系列相关基因的表达,在植物生长发育、物种起源和逆境胁迫应答过程中起着非常重要的作用,是生物遗传多样性的重要遗传基础。由于转录因子的重要作用,人们对其作用机理的理解也日渐深入。根据近期的研究进展,本文就转录因子在植物驯化、生物和非生物逆境胁迫方面的工作进行概括梳理,希望读者对此领域有一个比较深入和系统的认识,同时也能为挖掘具有关键功能的转录因子,提高重要农作物的遗传改良效率提供借鉴。     

植物逆境microRNA的研究进展

MicroRNA（miRNA）在生物中广泛存在,在调控植物生长和发育方面起重要作用。多种非生物逆境会影响植物生长,不同逆境胁迫还会使植物相应的miRNA诱导或下调表达,有时一种miRNA会同时受几种逆境胁迫影响。本文综述了植物中参与温度、水分、盐、养分、氧化、ABA、重金属及其它非生物逆境胁迫的miRNA及其作用机制的研究进展。     

DREB转录因子研究进展

摘要:生物和非生物胁迫,严重影响植物的生长发育,是阻碍农、林业进一步发展的主要因素。逆境胁迫信号通过多个转录因子调控与逆境相关的基因的表达,其中DREB转录因子是最为重要的转录因子之一。本文综述了近年DREB转录因子研究进展。DREB转录因子的研究进展为理解植物抗逆的分子机制及利用DREB转录因子提高植物的抗逆性提供了理论基础和技术途径。     

植物SPX-PHR模块在营养信号途径中的作用研究进展

  【目的】  近几十年来,PHR和SPX蛋白作为磷信号途径中的核心调控蛋白已经得到了广泛的研究。并且随着研究的不断深入,人们发现它们在其它养分信号途径中也起着重要作用。为此,本文综述PHR与SPX蛋白在植物根系发育,养分吸收、转运与再分配中的研究进展,从而更加全面地理解SPX-PHR模块在其中的作用。  主要进展  植物PHR转录因子可以通过结合靶基因启动子的P1BS元件从而调控下游基因的转录,进而参与植物根系发育,养分吸收、转运、分配以及免疫应答。植物PHR转录因子自身在转录水平受到多种信号的调控,如生长素信号途径ARF7/19、乙烯信号途径EIN3、光信号途径FHY3、FAR1能够在转录水平上诱导PHR表达;而光信号途径中的HY5以及光敏色素因子PIF4/5则抑制PHR或其同源基因PHL的表达。进一步研究发现,SPX蛋白能够与PHR互作并抑制其转录激活能力。而SPX在转录水平和蛋白水平也受到氮、磷信号的调控。氮信号途径中NRT1.1(B)-NBIP1和磷信号途径中SDELs均能介导26S蛋白酶复合体途径降解SPX蛋白,进而释放NLP/PHR进入细胞核,激活硝酸盐和磷酸盐应答基因的表达。同时NLP/PHR进入细胞核后,还可转录激活NIGT1的表达,进一步调控硝酸盐和磷酸盐应答基因的表达。  研究展望  未来我们需要对PHR转录因子的上游调控信号进行更全面的鉴定以及展开对SPX互作蛋白的鉴定与功能研究,以期更全面的理解SPX-PHR模块在植物养分吸收中的作用机制。     

低磷条件下植物根系形态反应及其调控机制

磷是植物必需营养元素之一,土壤中磷有效性低,限制作物生长发育。磷肥施用量逐年增加,但是磷矿资源面临耗竭。植物根系形态变化对于植物适应低磷胁迫,提高植物对土壤磷的吸收利用具有重要意义。本文从植物根系构型、根冠比、初生根、根毛、侧根等方面综述了植物适应低磷胁迫的根系形态变化特征。低磷条件下,植物根系构型发生改变,普遍抑制主根生长,刺激侧根发育起始与伸长,诱导根毛形成。同时,分析了转录因子、植物激素、蔗糖以及关键基因等对低磷条件下植物根系生长发育的生理与分子调控机制,低磷胁迫下转录因子ZAT6和MYB62参与调控初生根生长,BHLH32和PHR调控根毛形成发育,WRKY75对侧根发育有抑制作用。研究表明,在低磷条件下,赤霉素、细胞分裂素、生长素和乙烯对初生根发育起着调控作用,而根毛的生长发育与赤霉素、生长素和乙烯有关,侧根发育过程中生长素作用明显。一些基因如LPR1、LPR2、LPR3以及PDR2参与调控低磷胁迫下植物初生根的发育。低磷胁迫下光合产物蔗糖对植物根毛和侧根发育有影响。