玉米苗期根部比较转录组分析揭示耐盐性差异机制

以耐盐自交系郑58和盐敏感自交系昌7-2为材料,分析供试材料在无胁迫(CK)和200 mmol/L NaCl溶液胁迫下5 h的转录组数据。与无胁迫(CK)相比较,在郑58和昌7-2分别鉴定出390和421个上调、390和421个下调差异基因。对耐感材料间共同上调和郑58特有上调DEGs进行GO富集、REVIGO分析和KEGG富集分析以及重点通路分析结果表明：郑58和昌7-2间共同上调DEGs显著富集的条目包括对活性氧代谢过程的调节、内质网应激反应等GO条目;郑58特有上调显著富集含氧化合物的反应、对化学物质的反应等GO条目。共同上调DEGs仅在共单萜生物合成的代谢通路上显著富集;郑58特有上调DEGs在植物激素信号转导、苯丙烷生物合成等6个通路上显著富集。在植物激素信号转导、苯丙烷生物合成两个通路上分别有9和7个相关基因,耐盐自交系郑58上调的转录因子在MYB和NAC家族分布数量较多。植物激素信号转导、苯丙烷生物合成通路相关的基因以及MYB和NAC家族基因可能与玉米耐盐性密切相关。     

燕麦PRR基因家族鉴定与表达分析

春、夏播燕麦是长日照作物，光周期不敏感燕麦的创制使其在短日照条件下能正常生长发育。PRR基因是光周期途径中重要的昼夜节律调节基因。前期转录组研究表明PRR基因可能与燕麦光周期不敏感性有关。本研究从转录组和全基因组水平对燕麦PRR基因家族进行鉴定、生物信息学分析和表达研究。结果表明，在燕麦转录组和基因组水平分别鉴定到6个和2个PRR基因，均包含REC和CCT结构域；进化分析表明燕麦PRR基因与小麦、大麦、黑麦草和山羊草的亲缘关系较近；燕麦PRR基因启动子区域包含与光响应、生长发育和胁迫相关的顺式作用元件；qRT-PCR分析表明燕麦PRR基因的表达具有节律特征，全生育期过程中AsPRR1和AsPRR2在穗和叶的表达量均呈现由低到高、下降后再升高的双峰趋势，且AsPRR2基因的表达量高于AsPRR1。以上结果说明，AsPRR基因在燕麦光周期途径中发挥负调控作用，其下调表达促进了光周期不敏感性燕麦gp012在短日照条件下开花。本研究为揭示AsPRR基因在燕麦光周期不敏感机制中的作用奠定 了基础。     

硅肥对干旱胁迫下冬小麦旗叶抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统及产量的影响

为从抗坏血酸-谷胱甘肽循环的抗氧化角度提示硅元素的抗旱机理,以冬小麦品种豫麦49-198为材料,研究了硅肥对不同干旱胁迫（对照、轻度胁迫、重度胁迫）下小麦旗叶抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统中关键基因表达、抗氧化物质含量及产量的影响。结果发现, 在轻度和重度胁迫持续10 d时,施用硅肥与不施用硅肥比较,小麦旗叶抗坏血酸分别提高了16.57%和8.39%,小麦旗叶中抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统关键酶基因TaAPX、TaGR、TaGS相对表达量分别提高了60.23%、73.61%、11.35%和87.97%、25.70%、114.64%;在轻度胁迫和重度胁迫持续20 d时,施用硅肥与不施用硅肥比较,小麦旗叶抗坏血酸含量分别提高了18.03%和6.81%,小麦旗叶中抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统关键酶基因TaAPX、TaGR、TaGS相对表达量分别提高了124.54%、44.42%、56.80%和118.19%、41.42%、269.21%;小麦籽粒产量分别提高了29.23%和33.31%。以上结果说明,施用硅肥可以增强小麦旗叶抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统功能,提高小麦植株的抗旱性,增加籽粒产量。     

燕麦AsSnRK2.7编码蛋白的分子特征及基因表达特异性研究

蔗糖非发酵相关的蛋白激酶2（SnRK2）通过磷酸化在植物胁迫信号转导途径中起关键作用。为发掘并利用燕麦中的 SnRK2基因，本研究基于燕麦转录组数据的注释信息，利用RT-PCR技术从燕麦品种美达中克隆了 AsSnRK2.7基因，借助生物信息学、瞬时表达及实时荧光定量RT-PCR（qRT-PCR）技术分别对该基因或其编码蛋白进行分子特征分析、亚细胞定位和表达特异性研究。结果表明， AsSnRK2.7基因包含一个1 074 bp的开放阅读框，编码357个氨基酸，预测其编码蛋白含有一个STKc_SnRK2结构域和一个PKc_like superfamily结构域，属于SnRK2蛋白激酶家族成员。AsSnRK2.7蛋白一级序列中包含多个SnRK2家族特有的重要功能区。AsSnRK2.7蛋白与水稻的SnRK2蛋白激酶相似性最高，属于Group Ⅰ（SnRK2b）亚家族。亚细胞定位结果显示，AsSnRK2.7蛋白主要定位在细胞核中。qRT-PCR结果显示， AsSnRK2.7基因为组成型表达，在根、茎、叶和穗中的最大表达量分别出现在苗期、分蘖期、抽穗期和灌浆期；此外， AsSnRK2.7基因的表达不被ABA激活，但可以积极应答PEG、盐和低温胁迫。以上结果说明， AsSnRK2.7基因可能作为一个调节因子，通过非依赖ABA途径来调节干旱、盐和低温所引发的信号传导。     

转录组测序筛选野生大豆糖代谢途径干旱相关基因及其表达差异分析

野生大豆较栽培大豆有更广的遗传多样性，在组学水平整体分析其基因表达模式对筛选抗旱关键基因、 解析干旱胁迫响应调控网络和促进分子育种具有重要意义。本研究采用高通量测序技术对PEG6000模拟干旱胁 迫处理第0 h、6 h、12 h、24 h和48 h的30d苗龄野生大豆RNA进行转录组测序，获得了1796条糖代谢途径相关序 列。淀粉和蔗糖代谢途径通路注释的差异基因最多，半乳糖代谢途径次之；在获得的109个差异表达基因中，干旱 胁迫处理第12 h差异表达基因最多；对以上109个差异表达基因构建蛋白质相互作用网络，以节点度>10为标准筛 选中心节点，共获得8个关键基因。为进一步研究野生大豆干旱胁迫下的糖代谢相关基因奠定了基础。     

PEG模拟干旱胁迫下野生大豆转录组分析

为研究耐旱型野生大豆在干旱胁迫下基因表达谱的变化,从备选野生大豆材料中筛选抗旱性强的野生大豆品种,同时探讨最适PEG胁迫浓度,而后以野生大豆永46为试验材料,利用RNA-seq技术对20%PEG6000处理不同时间的叶片进行基因表达谱差异分析。结果显示:获得39 183个序列信息,其中各时期共有序列27 875个。随干旱胁迫时间延长,差异表达基因数量发生变化,胁迫12 h达到最多。根据GO功能分析可将序列大致分为分子功能、细胞成分和生物学过程三大类,其差异表达基因广泛涉及糖、脂类、蛋白质和核酸等生物大分子代谢、能量代谢以及次生代谢过程。在KEGG数据库中,依据代谢途径可将其定位在127个分支,包括植物-病原体互作、植物激素信号转导、RNA降解、ABC转运蛋白等,其中植物激素信号转导途径在不同时间处理下的变化都显著。转录因子分析发现在干旱胁迫下变化明显的转录因子家族包括MYB、bHLH、AP2\EREBP、WRKY和NAC等。对4个不同功能基因干旱胁迫后不同时间的表达量进行荧光定量分析,其变化趋势与转录组数据相同。     

偃麦草ErABF1基因克隆及功能分析

抗逆相关bZIP (Basic leucine zipper) 转录因子家族基因主要参与ABA、干旱、高盐等胁迫应答反应,其过表达能够显著增强植物的抗逆性。本研究从偃麦草（Elytrigria repens L.）中分离到一个抗逆相关 ErABF1（E. repens ABA Binding Factor 1）基因,氨基酸序列比对分析发现,该基因与小麦、玉米、拟南芥等bZIP转录因子基因同源性较高,亲缘关系较近;ErABF1基因的表达受到ABA、干旱、高盐、低温的强烈诱导;在2% PEG、200 mmol·L^-1 NaCl胁迫培养基上初步功能分析表明, ErABF1过表达提高了转基因烟草对干旱、高盐的胁迫耐性。     

119份春小麦种质萌发期抗旱性鉴定及抗旱相关基因表达特性分析

为了解不同小麦种质萌发期抗旱性强弱,以20% PEG6000溶液模拟干旱胁迫,对119份春小麦萌发期种子发芽势、种子发芽率、根鲜重、根干重、苗鲜重、苗干重、叶鲜重、叶干重、根长和苗长进行测定分析,并综合评价其抗旱性。结果表明,种子发芽势、种子发芽率、苗鲜重、苗干重、叶鲜重和苗长可以作为评价春小麦萌发期抗旱能力的主要指标,并筛选出了1份抗旱型材料、36份较抗旱型材料、43份较敏感型材料和39份敏感型材料。为进一步研究抗旱相关基因在抗旱型与干旱敏感型材料萌发期响应干旱胁迫的表达特性,从而验证抗旱材料鉴定的准确性,以筛选出的2份抗旱性最好的种质（蒙茬1号、黑穗）和2份干旱敏感型种质（09594、K250）为材料,利用qRT-PCR对其在不同时长（0 h、1 h、6 h、12 h、24 h）的20% PEG6000胁迫下 TaNAC29、 TaC2DP1、 TaDLEA3、 TaCP 、 Taα-AMY 和 TaGPX 的表达特性进行分析表明,随着胁迫时间的增加,以上6种基因在小麦叶片和根系中均上调表达,表达量均在胁迫24 h时达到峰值,且 TaNAC29、 TaDLEA3、 TaCP 和 TaGPX 在根系中的表达量均明显高于叶片,而 TaC2DP1和 Taα-AMY 在叶片中的表达量更高;此外,抗旱材料蒙茬1号和黑穗中6种基因的表达量均高于敏感材料09594和K250。     

小麦 TaGF14m基因的克隆及其盐胁迫响应分析

14-3-3蛋白家族在真核生物中广泛存在且高度保守,可结合多种靶蛋白参与植物代谢、发育以及胁迫响应等多种生理过程和信号途径。 TaGF14m基因是14-3-3基因家族成员之一。本研究以中国春为材料,对其进行了克隆和分析,并通过在拟南芥中过表达,分析该基因在盐胁迫下的功能。结果表明, TaGF14m基因含有5个外显子和4个内含子,开放阅读框为789 bp,编码262个氨基酸;小麦幼苗叶片中 TaGF14m基因在盐胁迫下上调表达;与野生型拟南芥相比,过表达 TaGF14m的转基因拟南芥在盐胁迫下生长受到明显抑制,根长也显著变短;SOS途径相关基因表达分析显示, TaGF14m基因可能通过SOS途径负调控盐胁迫耐受性。     

玉米V-ATPase B亚基基因(ZmVHA-B)的克隆及其表达分析

根据玉米基因组数据MaizeGDB(http://www.maizegdb.org/)已经公布的玉米VHA-B(V-ATPase subunit B)基因的mRNA序列(AY104180),从干旱处理玉米材料CN165的花丝中利用RT-PCR技术获得VHA-B基因的编码序列,并进行了序列分析和Northern杂交分析。结果表明：VHA-B基因编码487个氨基酸,含有1个保守的ATP结合位点,其编码的蛋白分子量为54.09 kD,等电点为4.99。氨基酸同源性分析表明：V-ATPase B亚基是一个较为保守的蛋白亚基。Northern杂交结果表明：在干旱处理下,B亚基存在两个不同的转录本,它们对干旱的响应不同;在盐胁迫下,同样也存在两个转录本,它们都对盐胁迫做出了响应;在冷处理下,仅存在1个转录本,且它的表达较强,仅仅在6 h有一些微小地反复;在ABA处理下,也仅存在1个转录本,处理1 h后表达明显上调,此后一直保持较高的表达水平。玉米VHA-B基因对花期干旱有响应,但在花丝和雌穗中的表达响应方式不同,在花丝中干旱诱导表达明显,而在雌穗中存在表达没有明显差异的两个转录本。     

水稻萌发期激素信号转导和谷胱甘肽代谢转录分析

【目的】利用转录组测序技术,探究水稻萌发过程中激素信号转导和细胞内部氧化还原平衡的调控机理,以期增加对萌发过程中复杂调控机制的理解,促进萌发期基因组转录调控网络的构建,并挖掘调控种子萌发的相关基因,为水稻直播稻新品种选育提供理论参考。【方法】利用萌发0、24和48 h的种子进行动态转录组测序分析,以差异倍数≥2、错误发现率≤0.05为阈值筛选差异基因,并利用Gene Ontology(GO)和KEGG Pathway数据库对萌发不同阶段的差异基因进行分析注释;同时利用实时荧光定量PCR对测序结果进行验证;最后运用String蛋白互作数据库以combined_score≥0.9为阈值分析差异基因的蛋白互作网络。【结果】在种子萌发前期鉴定到8719个差异基因,而在萌发后期仅鉴定到3480个。GO和KEGG富集结果均显示与激素信号转导相关的基因主要在萌发前期被诱导,特别是生长素信号转导途径中的GH3家族基因在萌发前期均受到显著诱导;而谷胱甘肽代谢途径中的基因在萌发后期转录更为活跃,其中谷胱甘肽-S-转移酶基因富集最多。此外,两个异柠檬酸脱氢酶基因在萌发过程中被显著诱导,经蛋白互作预测发现两个异柠檬酸脱氢酶基因与GH3家族基因可能存在相互作用。【结论】在种子萌发前期,生长素信号转导途径中的GH3家族基因可能在减弱生长素信号以及降低生长素活性方面发挥着重要作用,其高表达能降低生长素对种子的休眠作用,促进萌发启动;在种子萌发后期,谷胱甘肽代谢途径中的谷胱甘肽-S-转移酶基因可能在细胞抵抗氧化胁迫中发挥主要作用;此外,在整个萌发过程中,GH3和异柠檬酸脱氢酶家族基因的相互作用可能在实现激素转导途径和谷胱甘肽代谢途径的交互串联作用、共同调控种子萌发方面具有重要意义。     

Engineering for Drought Tolerance in Horticultural and Ornamental Plants

Abstract

Drought is one of the major factors limiting plant growth and productivity. Plant adaptation to drought is dependent on molecular networks for drought perception, signal transduction, expression of a subset of genes and production of metabolites that protect and maintain the structure of cellular components. In general, the drought response pathways can be classified into two categories: one is dependent on the stress hormone abscisic acid (ABA) and the other is ABA-independent. Many genes in these pathways have been identified, thereby providing guidance in choosing genes for engineering of drought tolerance. The review highlights the genes that mediate drought response and tolerance, and discusses lessons learned from engineering for drought tolerance in model plants, such as Arabidopsis, rice and tobacco. Because success of drought tolerance engineering is dependent on not only protein coding regions but also appropriate promoters, this article also reviews the promoters that are crucial for successful engineering of stress tolerance.     

植物响应干旱胁迫的分子机制

干旱是影响农业生产最严重的自然灾害。干旱胁迫下,植物的蛋白激酶(如MAPK)介导的信号途径活化,引起相应的干旱胁迫信号转导,并最终诱导响应干旱基因的表达,使植物产生抗旱性。植物体内响应干旱的基因主要编码早期表达为转录因子和受转录因子调控的抗旱功能蛋白。     

小麦品种西农979抗赤霉病基因的转录组测序鉴定

小麦品种西农979对赤霉病具有较好的抗性。为了发掘西农979的抗赤霉病基因,本研究采用禾谷镰刀菌菌株BN-8分别接种抗病品种西农979与感病品种周麦18,取接种前西农979颖壳及接种后12、24和96 h的西农979与周麦18颖壳进行转录组分析,筛选抗感赤霉病差异表达基因,并对其进行GO功能注释及KEGG富集分析。结果表明,接种后12、24和96 h各出现14、1 978和142个差异表达基因,共计2 122个基因。这些基因经GO功能注释分类分成3大类43个亚类,主要涉及代谢过程、细胞过程、应激反应、生物调控、细胞部件、细胞、催化活性、结合、转运活性等。KEGG通路分析结果显示,内质网中的蛋白质加工通路中差异基因最多,有48个;其次是光合作用—天线蛋白通路及淀粉和蔗糖代谢通路,各含41和30个差异基因;显著富集的通路有光合作用—天线蛋白、内质网中的蛋白质加工、萜骨架的生物合成等。植物激素信号转导通路中发现27个差异基因,参与脱落酸和茉莉酸等路径;植物-病原体互作通路中发现19个差异基因,编码钙结合蛋白、WRKY转录因子、抗病蛋白等。此外,还筛选到UDP-葡萄糖基转移酶基因等脱毒相关蛋白基因。     

野生二粒小麦PYL基因家族的鉴定及其在逆境胁迫下的表达特性分析

脱落酸(ABA)是一类重要的植物内源激素,在调控植物生长发育和胁迫响应等方面发挥着关键作用。基因作为ABA的受体,在ABA信号转导过程中发挥着重要作用。为深入发掘野生二粒小麦PYL基因,本研究利用生物信息学对野生二粒小麦的PYL家族进行全基因组鉴定与分析。结果在野生二粒小麦基因组中共鉴定到24个PYL基因(TdPYLs),分布在1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B、7A和7B染色体上,且所有成员均含有PYR-PYL-RCAR-like功能域;系统进化分析发现,24个TdPYL基因可分为3个亚家族,同一亚家族成员间具有相似的基因结构和保守结构域;对这些PYL基因的启动子顺式元件进行预测,发现它们含有大量与逆境胁迫、光调节和ABA响应相关的元件;基于RNA-seq数据的表达特性分析发现,它们在不同组织中以及逆境胁迫下表达差异明显,并鉴定到多个与组织特异性以及胁迫响应相关的PYL基因;进一步对PYL基因的单倍型组成进行分析,发现在野生二粒小麦、栽培二粒小麦和硬粒小麦中PYL基因的遗传变异和单倍型组成具有明显的差异,发生了显著的遗传分化。本研究为深入揭示野生二粒小麦PYL基因的调控功能及其进化机制研究提供了有益信息。     

Role of ABA in integrating plant responses to drought and salt stresses

Since their early migration from aquatic environments to the land, plants have had to cope with periodic and unpredictable environmental stresses during growth and development. Surviving such stresses over a long evolutionary scale led plants to acquire mechanisms by which they can sensitively perceive incoming stresses and regulate their physiology accordingly. The plant hormone abscisic acid (ABA) plays a major role in plant responses to stress. Although rapid production of ABA in response to drought and salt stresses is essential to define ABA as a stress hormone, an equally rapid catabolism of ABA when such stresses are relieved is also essential in that role. Since ABA mediates so many stress responses, the initial perception of dehydration and the subsequent changes in gene expression that lead to rapid ABA biosynthesis constitute the most important stress signal transduction pathway among all the plant responses to stresses. Identification of the genes involved and understanding their roles during stress perception and physiological regulation has become an important and exciting research field in recent years. This review covers mainly our understanding of this aspect. ABA-induced changes in gene expression and their roles in physiological regulation are dealt with in less detail.     

采后黄瓜响应低温胁迫的转录组学分析

采后黄瓜对低温敏感,在低温贮藏期间很容易发生冷害,会造成较大的采后损失。本研究采用转录组测序结合生物信息学分析的方法,分析了采后黄瓜在短时冷害温度处理后的转录组变化。结果显示,采后黄瓜在5℃贮藏期间,冷害指数和相对电导率逐渐增加,叶绿素荧光逐渐降低,表明采后黄瓜在5℃贮藏期间产生了明显的冷害。与处理前相比（0 h）,处理12 h导致1500个基因差异表达,其中706个基因表达上调,794个基因表达下调。与0 h相比,处理72 h导致7799个基因差异表达,其中3995个基因表达上调,3804个基因表达下调。KEGG富集结果显示,低温处理导致的差异表达基因显著富集在植物激素信号转导、苯丙氨酸代谢、植物与病原菌互作和苯丙烷素合成途径中。GO富集分析的结果显示,在生物过程分类下,差异表达基因主要参与以DNA为模板的转录调控、蛋白磷酸化和跨膜转运等过程;在细胞组份分类下,差异表达基因主要富集在细胞膜组份和细胞核;在分子功能分类下,差异表达基因主要与ATP结合、蛋白苏氨酸/丝氨酸激酶活性、DNA结合和转录因子活性等功能有关。在低温处理12 h时,与激素信号有关的基因显著表达。但在低温处理72 h...