植物谷胱甘肽应答非生物胁迫的分子机制

谷胱甘肽(GSH)是一种普遍存在于植物中的抗氧化剂,在维持组织抗氧化防御和调节氧化还原敏感信号转导中起着关键作用。深入研究GSH在非生物胁迫中的作用,对从分子水平揭示植物GSH积累的调控机制具有重要意义。本研究从植物GSH代谢途径及其相关酶、GSH在植物应激反应中的调节、GSH参与植物激素代谢等方面进行综述,并对谷胱甘肽在植物生长发育、与其它信号通路间交互作用的研究前景进行展望,以期为植物谷胱甘肽代谢以及其在非生物胁迫方面的研究提供一定的理论参考。     

植物脂氧合酶在逆境胁迫应答中功能研究进展

脂氧合酶(Lipoxygenase, LOX)催化多不饱和脂肪酸加氧反应,进一步通过酶促或非酶促途径生成氧脂素(oxylipins)从而参与调节生长发育、胁迫应答等过程。为了深入了解脂氧合酶在植物应答逆境胁迫中的功能和作用机制,本研究归纳了近期在拟南芥、玉米等模式植物和作物中LOX在生物胁迫和非生物胁迫应答中功能相关研究进展,揭示了LOX家族成员在应答机械伤害、干旱、盐害等非生物胁迫和黄萎病、黄曲霉菌感染、线虫入侵、蚜虫咬食等生物胁迫中的功能,分析了各成员在胁迫应答过程中的分工合作甚至拮抗作用,以及13-LOX途径与9-LOX途径的“对话”,指出LOX活性、转录表达的调节是氧脂素合成和胁迫应答调控的重要组成部分,是潜在的作物遗传改良靶位点。LOX表达调控、作用机制以及脂氧合酶途径下游一系列代谢产物的鉴定和详细研究是未来该领域研究的重点。     

植物非生物胁迫中的COP1蛋白

COP1蛋白是光形态建成的核心抑制因子,编码一个E3泛素连接酶,广泛存在于植物和动物中。参与植物生长发育、信号转导以及胁迫应答等多种生物学过程。本研究将从盐胁迫、温度胁迫、干旱胁迫和植物激素胁迫等方面,对植物COP1蛋白参与非生物胁迫调控机理的研究进展进行综述,为植物参与非生物胁迫的相关研究提供参考。     

nsLTPs基因参与植物逆境胁迫应答的研究进展

编码非特异性脂质转移蛋白的基因nsLTPs在植物应答生物和非生物胁迫以及植物的生长发育中起到重要作用。为了研究植物nsLTPs基因响应生物及非生物胁迫的分子机制,本文归纳了非特异性脂质转移蛋白nsLTPs的结构特点及分类,分析了nsLTPs的亚细胞定位情况,并重点总结了nsLTPs基因在植物逆境胁迫应答方面的相关研究进展,提出了植物不同物种中nsLTPs基因参与植物逆境胁迫的分子调控途径,为完善nsLTPs基因参与植物逆境胁迫应答调控机制提供理论基础。     

氮代谢参与植物低氮胁迫研究进展

环境的日益恶化迫使人们放弃高肥生产的观念,转向低肥绿色环保生产的理念。本文主要从低氮胁迫下氮代谢相关的酶、氮素同化途径、初级代谢、次级代谢以及氮代谢相关基因五方面综述了植物体内不同的代谢水平、形态、生理和分子响应,探讨了不同生长阶段植物的耐低氮策略,阐述了氮利用效率(NUE)相关的酶及其调控过程抵御氮胁迫过程中的作用机理。本文提出今后可针对不同植物或同一植物的不同生长期的低氮耐受差异,以及关键基因表达产物之间的关系,从多学科、多角度系统全面的研究植物在低氮胁迫下的分子响应机制,为氮代谢参与植物低氮胁迫研究提供理论参考。     

植物多胺代谢与胁迫响应研究进展

多胺是一类广泛存在于生物体内的低分子量脂肪族聚合物。植物体内多胺的平衡与植物体包括胁迫响应等诸多生理功能密切相关。综述了植物多胺的合成与分解代谢进程研究进展,并对其在植物抵御包括盐、干旱与低温等非生物胁迫以及抗病与抗虫等生物胁迫方面功能的研究进行概述。指出多胺代谢途径的调节是提高植物抗逆性的有效途径,利用基因工程技术影响多胺平衡在植物抗性育种中具有广阔的应用前景。     

植物体内肌醇磷脂代谢与渗透胁迫信号转导

磷酸肌醇代谢在生物感受胞外刺激及信号转导中起着重要的作用。在此,介绍了植物体内的肌醇磷脂代谢途径,PI－PLC/IP3途径和磷酸肌醇激酶与渗透胁迫信号转导之间的联系,以及肌醇磷脂代谢参与的渗透胁迫信号转导与ABA之间的关系。     

植物非生物胁迫中的bZIP转录因子

bZIP转录因子广泛地存在于真核生物界中。大量研究表明,种类丰富的bZIP转录因子存在于所有植物的细胞核中并参与植物体内的各种生理反应。多种恶劣环境造成的非生物胁迫,是影响植物生长发育的重要因素,bZIP转录因子在植物对非生物胁迫抵抗中起关键作用。本综述着重于植物bZIP转录因子参与非生物胁迫调控的研究进展,并对今后通过基因工程手段提高植物的抗逆性,培育多抗性植物新品种提供了理论支持。     

逆境胁迫下植物活性氧代谢及外源调控机理的研究进展

逆境胁迫可使植物活性氧代谢失衡,导致活性氧过度积累,从而对植物造成氧化伤害。而外源调控可以缓解这种逆境伤害。从逆境胁迫及外源调控对植物活性氧代谢机制的影响角度,总结了近年来国内外关于逆境胁迫及外源调控对植物活性氧自由基代谢、细胞膜脂过氧化程度、抗氧化酶活性影响的研究进展。在此基础上指出未来全球变化背景下植物活性氧代谢研究应在分子水平上进一步深入,同时应加强关于CO2、O3等温室气体浓度升高对植物活性氧代谢影响的研究。     

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。     

钙离子对内质网胁迫的影响

植物在遭受到恶劣环境后,不能通过移动来解除损伤,因而自身在长期的进化过程中形成了一套防御机制。现如今的粮食产量低下,绝大部分是由于环境胁迫所造成的,因此要想提高产量需改善植物生长环境,避免植物遭到环境胁迫。研究表明,适宜浓度的钙离子信号在胁迫途径中能够增强信号的转导及时参与植物的生理调控,避免植物受到毒害;当植物在逆境时内质网会受到胁迫,若是不能及时地启动防御机制会导致生理发生紊乱,严重时将导致死亡。很多研究表明了钙离子在多种非生物胁迫中都有参与调控的实例,但在内质网胁迫中的研究还未见报道。因此,研究钙离子与内质网胁迫之间的关系对于植物在逆境育种中具有重要的生理意义。     

茶树WRKY基因家族特征及生物胁迫相关成员的生信分析

WRKY作为重要的植物转录因子,参与植物发育、代谢以及对生物和非生物胁迫的响应。然而,目前对生物胁迫下茶树中大多数WRKY成员的作用仍知之甚少。本研究利用生物信息学方法分别在茶树中国种和阿萨姆种的基因组中确定77和61个WRKY成员。根据结构域序列,中国种CssWRKY和阿萨姆种CsaWRKY家族成员均分为三组,第一组各有14和12个成员,第二组各有49和45个成员,第三组分别是14和4个成员。对基因结构、基序和表达特征的分析表明,两个茶树种的WRKY成员在内含子分布和基序组成上有极大的相似性,且在不同生物胁迫下的表达特征均表现较大差别。进一步预测WRKY的互作蛋白和靶标基因,结果表明生物胁迫下WRKY的互作蛋白参与“植物型过敏反应”和“茉莉酸介导的信号途径调控”等生物过程,靶标基因是防御反应或特定代谢途径中的重要分子。这些结果将为研究茶树WRKY在生物胁迫适应中的功能提供线索。     

SPL调控因子在植物生长调控的研究进展

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是植物特有的转录因子,它参与了植物叶、花、果实的发育、发育阶段转变、花青素的合成以及胁迫应答等调控过程。SPL转录因子家族成员均含有高度保守的SBP结构域,可以特异性结合所调控基因启动子的顺式作用元件,还可与其它调控蛋白相互作用,共同调控相关基因的表达。另外,SPL在转录后水平还受miRNA156/miRNA157的负调控。本研究从SPL调控因子在植物形态建成、次生代谢、生理胁迫中的表达调控研究进展方面进行综述。     

棉花在盐碱胁迫下代谢产物及通路的分析

阐明植物盐碱胁迫下的代谢机制将有助于进一步优化育种和栽培,从而提高盐碱地作物产量。本研究采用液相色谱-质谱(LC-MS),对中性盐和碱性盐胁迫下棉花叶片代谢产物进行研究,分析棉花在盐碱胁迫下的代谢差异。结果显示,盐胁迫下棉花叶片中糖类在正负离子模式下分别有7种和2种上调,氨基酸类各有3种上调,有机酸类分别有12种和8种上调;碱胁迫下棉花叶片中的糖类分别有3种和5种上调,有机酸类分别有2种和9种上调,氨基酸类各有2种上调。盐胁迫下发现10条差异代谢通路,变化最明显的代谢通路是亚油酸代谢,其次是淀粉和蔗糖代谢与精氨酸生物合成;碱胁迫下发现5条差异代谢通路,变化最明显的代谢通路是色氨酸代谢,其次是精氨酸和脯氨酸代谢与柠檬酸循环(TCA循环)。棉花采取不同的代谢机制抵抗盐碱胁迫,盐胁迫更倾向于积累糖类,碱胁迫更倾向于积累有机酸;在能量代谢方面,盐胁迫下棉花淀粉和蔗糖代谢更加活跃,碱胁迫下TCA循环更加活跃;盐胁迫提高了棉花氮素同化能力,碱胁迫降低了氮的同化能力。     

烟草(Nicotiana tabacum)非生物胁迫抗性分子机制研究进展

非生物胁迫影响烟草的生长发育,是制约作物产量和品质的重要因素。本综述阐述了非生物胁迫对烟草的影响以及最新的信号调控机制,包括干旱、盐、低温胁迫。在此基础上,综合分析了某些信号基因可能介导两因素甚至多因素调控过程,以及一些转录因子参与植物对冻害、干旱、盐害等非生物胁迫的应答调控,证明其对植物非生物胁迫的调控往往是多效性的。从分子水平上解析烟草在各种胁迫条件下的适应机制,对烟草种质资源保存、抗逆育种以及提高产量具有重要意义,为进一步研究植物的非生物胁迫应答提供理论依据。     

柠条锦鸡儿CkCDPK基因的克隆、表达分析及载体构建

钙依赖蛋白激酶作为一个关键的信号传导器,通过调控和参与植物体内的代谢途径等方式在植物抵御逆境胁迫过程中发挥着重要作用。为了探索柠条锦鸡儿相关基因的功能,本研究利用同源克隆的方法,从柠条锦鸡儿中克隆了1个CDPK类基因的CDS,命名为CkCDPK。通过测序和生物信息学分析,结果显示,该基因包含1 710 bp的开放阅读框,编码570个氨基酸,分子质量为64.03 ku,蛋白质等电点(PI)为9.12。结构分析显示,CkCDPK含有N端可变区、蛋白激酶区、4个EF手型结构和类似钙调素等结构域。利用实时荧光定量PCR检测了CkCDPK基因在不同逆境胁迫下的表达量,结果显示,NaCl胁迫和干旱胁迫下该基因的表达量呈现出单峰趋势,其中,盐胁迫6 h、干旱胁迫4 h表达量最高,外源ABA诱导下该基因的表达量基本呈逐渐上升趋势。表明该基因可能参与了柠条锦鸡儿的抗逆性调控。构建植物超表达载体pCAMBIA3301-CkCDPK,可为进一步研究CkCDPK基因在柠条锦鸡儿抗逆性调控中的作用奠定基础。     

miRNA参与逆境胁迫的研究进展及抗病育种展望

MicroRNA (miRNA)是一类19～24 nt的非编码小分子RNA,由一段具有发卡结构的单链RNA前体剪切后生成,在植物的生长发育和胁迫响应中发挥重要作用。本研究总结了植物miRNA的合成途径和作用机制,miRNA参与植物生物胁迫和非生物胁迫响应的机理和作用等,并对其在作物抗病育种中的前景进行分析,从而为miRNA调控靶基因而提高作物抗病性研究提供新突破。     

棉花精氨酸酶基因GhARG1 cDNA的克隆与表达分析

为了深入研究棉花精氨酸酶基因对非生物胁迫的响应以及生理功能,利用电子克隆和RT-PCR技术从棉花中获得了精氨酸酶ORF序列Gh ARG1,盐渍、PEG6000胁迫及ABA、SA和MeJA处理棉花幼苗,并原核表达棉花精氨酸酶基因。生物信息学分析表明,其ORF序列长度为1 023 bp,编码340个氨基酸,具有典型的精氨酸酶保守结构域。q RT-PCR技术分析表明,在叶片中该基因转录水平上受盐渍、PEG6000胁迫及ABA、SA处理的诱导,而对MeJA下调其表达。将Gh ARG1完整的编码序列融合到原核表达载体p Cold-TF中,经过IPTG诱导及SDS-PAGE检测表明,Gh ARG1编码产物的分子量约为37 ku,与预期相符。p Cold-Gh ARG1重组菌粗酶液中精氨酸酶活性是对照菌的6倍。研究表明,棉花内源性精氨酸酶基因Gh ARG1可能通过ABA、SA信号途径参与棉花对盐渍和干旱胁迫的响应,且其克隆表达产物具有精氨酸酶活性,为开展其生理功能研究奠定了基础。     

表油菜素内酯影响水稻幼苗响应低温胁迫的蛋白质组学分析

表油菜素内酯(2,4-Epibrassinolide, EBR)是一种被广泛研究和应用的油菜素内酯类(brassinosteroids, BRs)植物生长调节剂, 它能有效增强植物对低温的耐受性, 但EBR在蛋白质组水平上对水稻幼苗响应低温胁迫的影响尚不清楚。本研究用0.1 mg L ^-1 EBR和蒸馏水分别浸泡萌发的日本晴种子, 然后提取4°C胁迫培养和26°C正常培养幼苗的总蛋白, 进行质谱非标(label-free)定量分析和平行反应监测(parallel reaction monitoring, PRM)验证。最终共鉴定出5778个蛋白质, 其中, 在有定量信息的4834个蛋白中, 401个上调和220个下调蛋白与EBR影响水稻幼苗响应低温胁迫有关。功能分析和代谢通路富集分析发现, 上调蛋白主要与RNA结合或水解酶活性等分子功能相关, 并富集在碳代谢、叶酸合成和氨基酸生物合成等途径中; 下调蛋白主要与催化活性和氧化还原酶活性相关, 主要涉及卟啉和叶绿素代谢等代谢途径。PRM验证结果和文献证据显示, 分布在碳代谢和苯丙素代谢通路中的NADP-苹果酸酶、过氧化物酶、3-磷酸甘油酸脱氢酶、烯醇化酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶和丙酮酸激酶参与了EBR对低温胁迫水稻幼苗的调控, 提示BRs可通过多种途径影响水稻幼苗对低温胁迫的响应。