转录组分析揭示了棉花根系盐胁迫调控的生物进程和主要代谢途径

高盐是限制棉花生长和生产力的主要因子。研究报道,植物响应高盐主要是由参与离子和渗透压平衡信号、解毒和生长调节等途径来控制的,同时植物对渗透胁迫的应答还影响脱落酸(ABA)的代谢和信号传导途径、盐胁迫和干旱胁迫是紧密相关的。植物遭遇盐胁迫的时候,根部是最敏感的,在受到盐胁迫的棉花幼苗中,根的长度和鲜重减少的程度远远大于子叶下胚轴。     

NaCl胁迫对黄瓜自根苗和嫁接苗光合速率的影响

在我国耕地中约有1/10为次生盐渍化土壤,盐分胁迫是影响农作物产量的重要因素之一,而作物的产量与光合作用密切相关.光合作用是植物最重要的生命活动之一,研究盐胁迫对光合作用的响应,对于阐明盐胁迫对植物的伤害机理和提高作物的抗耐盐性十分必要.一般认为盐胁迫对光合作用的影响有三种可能途径:渗透胁迫[1]、离子伤害[2]和糖积累造成的反馈抑制[3].但光合作用下降的原因至今未形成统一的认识[4].尤其对导致光合减低的原因是气孔限制还是非气孔限制争议很大.为此,以黄瓜自根苗和嫁接苗为材料,研究NaCl胁迫对其光合作用的影响,探讨盐胁迫下对黄瓜光合作用影响的机理.     

利用转录组测序技术鉴定紫花苜蓿根系盐胁迫应答基因

盐害是影响紫花苜蓿生产力的主要非生物因素之一,鉴定控制这一复杂性状的基因将为苜蓿育种计划提供关键信息。为揭示紫花苜蓿在盐胁迫下基因表达谱的变化,以紫花苜蓿Millennium为材料,对正常培养(WT_CK1)和盐胁迫(WT_N1)条件下的2个样品根系进行转录组分析,同时利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术对部分关键基因的表达特点进行验证。结果表明,紫花苜蓿根系在250 m M Na Cl胁迫72 h时,共检测到31 907个基因表达量发生了改变,2 758个基因的表达量差异达到2倍以上,包括199个转录因子,其中1 338个表达量上调,1 420个表达量下调,这些差异表达基因功能主要涉及次生代谢、代谢途径、激素代谢及信号转导和植物病原菌互作等。qRT-PCR分析表明,6个随机选择的基因在胁迫前后的表达特点与表达谱测序结果一致。综上,紫花苜蓿根系对盐胁迫响应是一个多基因参与、多个生物代谢过程反应协同调控的过程,基因表达量的变化可能是调控的主要方式。此外,本研究候选了一系列胆汁酸:Na+共转运蛋白、晚期胚胎发生富集蛋白、谷胱甘肽-s-转移酶基因和转录因子等与紫花苜蓿盐胁迫相关的应答关键基因,为揭示紫花苜蓿耐盐分子机制奠定了基础。     

百香果低温胁迫转录组及茉莉酸代谢基因分析

为研究百香果低温胁迫响应机制,以紫果百香果(Passiflora edulia Sims)为试验材料在0℃下低温胁迫处理,以常温处理为对照组(CK),采用Illumina HiSeq测序平台进行转录组测序,并对茉莉酸代谢相关基因进行挖掘。结果显示,共获得百香果转录组数据45.30 Gb,组装得到39 521条Unigene和5 311 个差异基因;GO分类显示注释的Unigene分为细胞组件、分子功能及生物过程三大类,其中差异基因数量最多为生物过程大类的代谢过程,包括甾醇生物合成、类黄酮糖脂化、酪氨酸代谢、L-苯丙氨酸生物合成、软木脂生物合成、芥子油苷代谢及长链脂肪-酰基辅酶A代谢等。KEGG途径富集分析结果显示,核糖体途径、淀粉与蔗糖代谢途径、植物激素信号转导途径及植物与病原体互作途径为百香果响应低温胁迫的重要代谢途径。实时定量PCR(qRT-PCR)分析表明,百香果低温胁迫后其茉莉酸代谢途径相关基因AOC、AOS、JAR1、MYC2、PYL和JAZ均上调表达,该结果与测序获得FPKM值变化趋势较为相似,说明测序结果较为准确。但低温胁迫后,COI1的表达水平呈下调趋势。研究发现,在百香果中茉莉酸对低温胁迫的响应机制大体上与模式植物一致,关于COI1和MYC2等基因的调控方式还有待进一步功能验证。本研究结果为进一步明确百香果抗寒机制提供了科学参考。     

谷子硫解酶基因家族鉴定及表达模式分析

硫解酶(thiolase)是脂肪酸代谢的关键酶,在植物次生代谢合成、生长发育以及抵抗非生物胁迫中均发挥重要作用.为探究谷子硫解酶基因家族的基本特征,本研究利用生物信息学方法,对谷子硫解酶基因家族成员进行了鉴定,对蛋白理化性质及系统进化、基因结构、染色体位置、启动子、基因进化进行了分析;采用转录组测序进行了根、茎、叶、穗...     

UV-B辐射对植物生长发育的影响及其应用价值

紫外线-B (UV-B)是影响植物生长发育的重要环境压力因子。UV-B辐射强度变化对植物生态系统造成的影响,已成为国内外研究热点。本文从UV-B辐射对植物形态发育、光合作用、次生代谢和抗氧化系统以及遗传物质的影响等方面,对国内外研究现状进行了简要述评。对UV-B辐照调节植物形态发育、改善植物品质、提高果实保鲜能力、增强植物抵抗生物胁迫能力和诱变育种的机制及其应用前景进行了深入探讨与展望。     

逆境胁迫下植物MAPK级联反应途径研究新进展

MAPK级联反应途径是广泛存在于真核生物体内的信号传导途径,参与植物生长发育及对逆境胁迫的应答反应。目前已从植物中鉴定了多条MAPK级联反应途径以及多个MAPK级联途径激酶基因,但是对MAPK级联反应途径在逆境胁迫下作用机制的了解仍有很多不足。本文基于近年来国内外在基因组范围内对MAPK级联途径激酶基因的分析,介绍了植物基因组中MAPK级联途径激酶基因的数量和结构特点、激酶的结构特点、MAPK信号传导途径基因家族在逆境胁迫下的表达特性以及MAPK级联反应途径的研究方法等,以期为该领域的相关研究提供参考。     

植物褪黑素功能及其作用机制的研究进展

褪黑素是一种重要的植物生长调节剂，在植物中具有多种功效。鉴于褪黑素在植物中的多种功能作用，为了给褪黑素在农业生产中的应用提供理论依据，通过查阅并梳理相关文献，阐述了植物中褪黑素的合成及代谢途径，褪黑素对植物生长发育的调控及对植物响应逆境胁迫的影响和褪黑素诱导作用的机制。褪黑素不仅参与植物种子萌发、根系发育、开花结果等生长发育过程，还能充当胁迫缓解剂，调节植物对多种生物胁迫/非生物胁迫的响应，且用外源褪黑素处理能够有效地缓解低温、干旱、盐碱以及病虫害等对植物的损伤程度，今后的研究应将盆栽试验与田间试验结合起来，以加速褪黑素在农业中的广泛应用。     

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。     

合成大豆异黄酮的植物基因工程研究

异黄酮是主要存在于豆科植物中的一种具有广谱抗菌活性的黄酮类物质。经过多年生理生化研究发现，异黄酮，特别是作为大豆异黄酮代表的染料木素和大豆黄素，具有良好的预防骨质疏松、更年期综合症、心脑血管疾病和多种癌症的保健效果，是大豆及豆制品中重要的营养成分之一，已有多年被用作保健品功能成分的历史。异黄酮是植物苯丙烷类次生代谢途径的一类产物，随着近年来对植物次生代谢途径研究的不断深入，特别是合成异黄酮的关键酶——异黄酮合酶（isoflavone synthase, IFS）基因的成功克隆，异黄酮合成途径已经得到完全解析。研究者随即展开了合成异黄酮的基因工程研究，在研究过程中逐渐了解到这条代谢途径受到了复杂的分子调控。本文将结合本课题组的工作，综述基因工程合成异黄酮的研究历史与成果，重点深入分析和讨论异黄酮生物合成所受到的分子调控。     

植物次生代谢物的自毒作用及其与连作障碍的关系

连作障碍问题的发现已有上千年的历史,但对其发生机理和克服措施还没有取得突破。本文分析了植物次生代谢物的种类及其产生机理、次生代谢物的自毒作用、植物对自产的次生代谢有毒物质的抗性机制及其形成时序等,认为次生代谢物对新生植物的自毒作用是连作障碍发生的关键因素之一,并在此基础上提出了克服连作障碍的几种途径。     

铝胁迫下植物根尖细胞壁组成物质变化抑制根伸长的生理机制研究

根伸长受抑制是植物受铝毒害的主要症状,铝诱导的细胞壁组成物质的变化是其主要原因。本文主要对铝胁迫下植物根尖细胞壁组成物质如木质素、 胼胝质、 纤维素、 半纤维素、 果胶、 细胞壁多糖蛋白及相关代谢酶类在铝胁迫下的变化对根伸长的影响及生理机理的研究进展进行了综述,明确了铝胁迫诱导的植物根尖细胞壁组成物质含量、 比例及结构的变化导致细胞壁刚性降低,从而抑制细胞伸长,最终抑制根伸长。本文还指出,鉴于缺乏对同一植物甚至同一个种类的植物根尖细胞壁各主要组成物质铝胁迫下变化的系统研究,不能对造成该植物根伸长受抑制的原因做出全面合理的解释,所以今后应侧重于铝胁迫下各细胞壁组分变化在抑制根伸长中的贡献率的研究,尤其要针对主要粮食作物进行系统研究,以有效解决铝胁迫造成的产质量降低。     

蛋白质组学分析揭示水稻地上部对缺铁和高铁胁迫的响应

铁在矿质土壤中含量丰富，但在中性和碱性土壤中大多以不易被植物吸收利用的氧化物或氢氧化物形式存在；稻田土壤在淹水条件时氧化还原电位较低，大量铁以易被植物吸收利用的亚铁形式存在。土壤中铁的生物有效性过低或过高均会导致植物的生长发育受阻。本研究对缺铁（0 μmol?L-1）、铁充足（40 μmol?L-1）和高铁（350和500 μmol?L-1）条件生长的水稻地上部进行了非标记蛋白质组学分析。结果显示，与铁充足条件相比，缺铁和两种浓度的高铁胁迫水稻中分别有130、157和118个蛋白质的丰度发生显著变化。基因本体富集分析显示，缺铁和高铁胁迫下的差异蛋白在初级代谢过程、有机氮化合物代谢过程、蛋白质代谢过程和细胞成分组织或生物发生等生物学过程均显著富集；差异蛋白还参与核糖体、光合作用和氧化磷酸化等代谢途径。缺铁胁迫显著影响参与苯丙烷类物质和辅助因子生物合成的蛋白质丰度，而高铁胁迫则引起氨基酸生物合成过程的蛋白质丰度发生显著变化。本研究发掘到一系列可用于水稻铁高效育种工作的候选蛋白，还发现了一些功能未知的差异蛋白可作为后续水稻铁胁迫响应的研究目标，同时为理解植物应对铁胁迫的完整响应网络提供了补充信息。     

种子贮藏物质与萌发的关系

种子萌发是植物生长的关键初始阶段,种子贮藏物质在种子萌发过程中起到重要作用,萌发过程中贮藏物质代谢也因物质类型和物种不同而异。本文评述了种子中三大贮藏物质,糖类、蛋白质和脂肪及其代谢产物在种子中的作用和对种子活力及萌发的影响,阐述了不同类型种子萌发过程中的贮藏物质代谢过程,以及逆境(如温度、干旱、盐碱胁迫)条件下,贮藏物质在萌发胁迫耐受方面所起的作用,同时对该领域未来的研究方向进行了展望。     

环境因子对C3植物光呼吸生态学效应研究进展

光呼吸是C3植物体内重要的代谢过程.本文阐述了人类经济发展的同时对自然环境所产生的种种影响后果,包括CO:浓度升高、紫外辐射增加、温度变化、强光等环境因子对植物光呼吸所产生的影响,如直接或间接导致植物光呼吸速率的变化,进而在植物生理和生态上产生相关的效应.C3植物在受到环境胁迫时,可以通过光呼吸协调代谢功能,在一定程度上发挥规避环境、尤其是极端环境胁迫的效应.因此,可通过调节C3植物的光呼吸规避环境胁迫,这为光呼吸研究在环境生态学领域的拓展指出新的方向.     

基于iTRAQ技术的不同耐旱性甘薯苗期根系差异蛋白分析

为从蛋白水平揭示不同甘薯品种的苗期耐旱性差异,明确甘薯耐旱性生理机制,以耐旱性强的济薯21(JS)和耐旱性弱的济紫薯1(JH)为材料,采用PEG-6000模拟田间梯度干旱胁迫过程,采用i TRAQ技术开展甘薯苗期根系全蛋白组差异蛋白分析。结果表明,在4个比较组中,共筛选到567个差异表达蛋白,其中上调表达蛋白302个,覆盖率达20%以上的蛋白占鉴定总蛋白数的58.6%。GO分析发现,JS苗期根系差异蛋白主要集中在胁迫响应、非生物刺激响应等生物过程,而JH苗期根系差异蛋白主要集中在糖基复合物代谢和辅酶代谢等生物过程,干旱均主要影响2个品种的细胞质、细胞溶质等细胞组分,2个品种的差异蛋白分子功能均涉及催化活性、氧化还原酶活性等方面。KEGG分析发现,正常条件下,耐旱性强的较耐旱性弱的甘薯品种苗期根系中的过氧化物酶(POD)和肉桂醇脱氢酶(CAD)表达上调;在干旱条件下,次生代谢合成过程中的苯丙烷合成通路中上调表达的差异蛋白最多,耐旱性强的JS苗期根系中主要是胁迫响应相关蛋白,而耐旱性弱的JH苗期根系中主要是能量代谢相关蛋白。总之,干旱对甘薯苗期根系细胞质中次生物质合成和能量代谢影响较大,耐旱性强的甘薯苗期根系氧化还原酶类蛋白表达上调,不同耐旱性甘薯苗期根系在蛋白组学水平上响应干旱的生理调控途径存在明显差异。本研究为甘薯耐旱性品种生理鉴定和耐旱基因发掘提供了线索。     

丛枝菌根真菌与植物共生影响植物水分状态的研究进展

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)能与宿主植物形成共生体,广泛存在于陆地生态系统中。大量研究表明,不同水分条件下,植物通过接种AMF比未接种AMF的植物具有更强的水分吸收能力和更高的水分利用效率。在干旱、盐胁迫下,接种AMF能有效提高宿主植物的耐旱性与耐盐性。本文综述了不同水分条件下,与植物共生的AMF通过扩大植物根系吸收面积、改善根系结构,增强植物根系吸收水分能力的相关研究进展。土壤中根外菌丝网络的形成,不但为植物增加了水分吸收途径(菌根途径),还通过改善植物体内的矿质营养来调节植物对水分的吸收,进而影响植物的水分吸收状况；不同水分条件下,根系被AMF侵染后植物的光合作用、蒸腾作用以及气孔导度都得到增强,植物蒸腾作用的增强能够直接有效的提升植物的蒸腾拉力,因此植物对水分的吸收能力得以提升。同时,被AMF侵染的植物的水分利用率、蒸腾速率以及净光合速率得以提升从而提高了植物的水分利用能力。进一步总结了缺水胁迫(干旱胁迫、盐胁迫)严重影响植物体内的水分状况,通过接种AMF可以有效调节植物在缺水胁迫下植物体内渗透调节物质的含量、抗氧化酶的活性,平衡植物体内离子平衡,提升植物光合、蒸腾作用水平,从而提高植物的耐胁迫能力。本文通过综述不同水分条件下,接种AMF对植物的影响及机制,期望为未来新型菌剂的研发与菌根互作对植物水分状况的改善提供支撑。     

不同基因型植物低磷胁迫适应机理的研究进展

提高磷(P)效率的途径之一是选择在P胁迫下能实现高产的新的基因型植物。阐述了低P胁迫下植物根的粗细,根毛的数量和密度,侧根的数量,根系特异分泌物种类数量的差异,酸性磷酸酶活性等形态和生理方面的适应性反应,与耐低P有关的基因定位、克隆的研究进展,揭示了植物低P胁迫时的适应机制。     

不同基因型植物低磷胁迫适应机理的研究进展

提高磷（Ｐ）效率的途径之一是选择在Ｐ胁迫下能实现高产的新的基因型植物。阐述了低Ｐ胁迫下植物根的粗细,根毛的数量和密度,侧根的数量,根系牧民分泌物种类数量的差异,酸性磷酸酶活性等形态和生理方面的适应性反应,与耐低Ｐ有关的基因定位、克隆的研究进展,揭示了植物低Ｐ胁迫时的适应机制。     

根系对酸胁迫的应激反应及硼调控耐酸机制的研究进展

过量施用氮肥在提高作物产量的同时加速了土壤酸化进程，近20年间我国农田土壤pH下降了0.42个单位。过多的H+可破坏根系细胞壁结构稳定性，诱导细胞死亡，进而抑制根系伸长，降低其对养分和水分的吸收，限制农产品产量和品质的提高。因此，探究植物对酸胁迫的应激反应机制，对制定缓解酸胁迫措施十分必要。本文综述植株内部调控和耐受酸胁迫的响应，以及硼提高植株耐酸性的机制。通常，植物通过Ca2+和K+通道进行的信号传导可感应介质pH的改变，并同时在基因和蛋白水平进行调控，从而快速响应酸胁迫；近期多项研究表明，硼可调控植物根系有机酸分泌，通过改变细胞壁特性来维持细胞壁结构稳定，并通过刺激乙烯和Ⅲ类过氧化物酶 (CIII Prxs) 代谢等共同作用缓解植物酸胁迫。目前，对植物酸胁迫的研究逐步深入，但酸胁迫下植物根系代谢产物变化及诱导机制尚不清楚，响应低pH的特定基因尚不明确，仍需进一步研究。