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。     

花生AhNAC53基因的克隆及干旱胁迫下的表达分析

为探究NAC转录因子在花生生长发育和抗逆反应中的功能,本试验在花生J11叶片中克隆得到一个NAC基因,并利用实时荧光定量PCR技术(RT-qRCR)对NAC基因表达模式进行了分析。结果表明,NAC基因全长1 752 bp,共编码583个氨基酸,分子量64.924 k Da,等电点4.42,亚细胞定位结果预测该NAC蛋白主要在细胞核中,进化树分析结果表明其与大豆GmNAC53亲缘关系较近,将其命名为AhNAC53。RT-qRCR结果表明,AhNAC53基因在花生不同组织中均有表达,其中在叶中的表达量最高;不同程度的干旱胁迫下其表达量存在显著差异,除在10%PEG6000胁迫下基因表达量相对变化较小,其他胁迫程度(5%、15%和20%PEG6000)下,随着处理时间的延长,AhNAC53基因表达量均呈现较大幅度的上调,且均在处理48 h时达到峰值,进一步表明AhNAC53基因可能参与了花生的生长发育和对干旱胁迫的响应。本试验结果为深入研究花生AhNAC53基因的功能奠定了一定的理论基础。     

丝瓜18S rRNA基因克隆及其作为内参基因的应用

选择合适的内参基因是提高实时荧光定量PCR分析(q RT-PCR)准确性的重要条件。18S r RNA基因表达范围广、表达量恒定,常作为内参基因应用于实时荧光定量PCR中。为了获得丝瓜18S r RNA基因,并设计合适的荧光定量PCR内参引物,解决丝瓜实时荧光定量PCR检测中无内参基因的现状,通过PCR和序列测定,首次克隆到了丝瓜的18S r RNA基因序列,其长度为1 862 bp,Gen Bank登录号为KM656452。在此基础上设计1对荧光定量PCR引物,该引物特异性强,扩增效率高,在丝瓜各生长发育阶段及各种非生物胁迫条件下均能稳定表达,适合在丝瓜基因表达研究中作为内参基因。该研究结果可为开展丝瓜重要功能基因的表达模式和调控机制的研究奠定基础。     

黄秋葵实时荧光定量PCR内参基因的克隆与筛选评价

为筛选黄秋葵实时荧光定量PCR的稳定内参基因,本研究以绿白1号为试验材料,根据黄秋葵RNA-seq数据库,筛选并验证获得18SrRNA、ACT、EF-1α、TUA、TUB、GAPDH等6个内参基因ORF序列;以黄秋葵不同组织、不同发育时期果实、不同发育时期叶片和低温、高温、干旱胁迫处理的叶片为材料,利用实时荧光定量PCR技术分析测定基因表达量,并结合GeNorm、NormFinder和BestKeeper软件评价6个内参基因的稳定性。结果表明,6个基因在不同组织、各发育阶段及不同胁迫下均有表达,但表达稳定性不尽相同,其中,EF-1α在黄秋葵果荚发育、高温胁迫下表达稳定性最好;18SrRNA在黄秋葵各组织、叶发育和干旱胁迫下表达稳定性最优;ACT在低温胁迫下表现最稳定。此外,在29个处理中,18SrRNA、EF-1α、ACT表达均较稳定,可以用于荧光定量表达分析。本研究结果为黄秋葵基因功能分析和调控机理研究提供了基础。     

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。     

小麦胁迫响应转录因子基因TaSNAC1的克隆与表达分析

胁迫响应NAC转录因子参与植物非生物胁迫过程,过表达水稻(Oryza sativa)SNAC1可显著提高植株耐旱、耐冷和抗盐性。本研究同源克隆了小麦(Tricum aestivum)TaSNAC1基因(GenBank登录号No.JN621240),分析了其表达产物的亚细胞定位,并利用实时定量RT-PCR分析了其在不同组织、PEG和NaCl胁迫下的表达。该基因包含一个内含子,编码329个氨基酸残基的蛋白产物。TaSNAC1与其他禾本科植物SNAC1蛋白高度相似,其与大麦(Hordeum vulgare)、二穗短柄草(Brachypodium distachyon)、水稻、玉米(Zea mays)和高粱(Sorghum bicolor)SNAC1序列相似性依次为97.3%、86.3%、81.1%、79.1%和79.2%。TaSNAC1可能以二聚体形式存在,包含核定位信号和典型的NAM结构域,100~107位的"WKATGXDK100-107"核心基序处于一段β折叠中,其弯曲产生的凹面可能直接参与DNA结合。瞬时转化拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶肉细胞原生质体的实验表明,TaSNAC1特异定位于细胞核中。盐胁迫条件下,叶和根中TaSNAC1的表达量均升高,且表达模式相似,但根中响应更显著;PEG胁迫下,根中TaSNAC1对胁迫的响应较快且幅度较大,而叶中响应较慢且幅度较小。研究结果提示,TaSNAC1参与小麦的非生物胁迫响应过程,在耐旱、抗盐遗传改良中具有潜在应用价值。     

毛白杨抗病相关转录因子基因PtWRKY1的表达特性分析

WRKY转录因子作为植物特有的一类重要转录调控因子,广泛参与植物对生物和非生物胁迫的应答反应及形态发育和组织衰老等,已引起人们的关注。本文以前期克隆得到的毛白杨WRKY转录因子基因（命名为PtWRKY1）为研究对象,开展其基因枪介导洋葱表皮细胞瞬时表达、外源信号分子（水杨酸SA,茉莉酸MeJA,脱落酸ABA）诱导表达、转PtWRKY1基因烟草植株的烟草花叶病毒（TMV）接种实验以及抗病相关基因表达的实时荧光定量RT-PCR（qRT-PCR）分析等研究。结果表明,PtWRKY1基因编码蛋白定位于细胞核,SA、ABA及MeJA处理均可诱导PtWRKY1基因表达,但不同诱导因子对PtWRKY1表达量的影响存在一定差异;同时,TMV侵染实验发现外源PtWRKY1表达能增强转基因烟草抗TMV能力,qRT-PCR分析表明PtWRKY1基因及膜保护性酶（POD,SOD,CAT）基因均受TMV诱导而增强表达。本文研究结果可为后续开展毛白杨转录因子PtWRKY1的功能鉴定及应用奠定基础。     

大蒜扩展蛋白基因AsEXPA8的分离及其参与渗透胁迫响应的分析

扩展蛋白在植物生长发育和应对环境变化等过程中发挥重要作用。为了解大蒜扩展蛋白基因的序列特征及其在渗透胁迫下的功能,利用逆转录PCR(RT-PCR)方法从大蒜中克隆得到AsEXPA8基因,采用NCBI、ExPASy、SignalP 5.0和STRING等网站以及DNAMAN和MEGA 5.1软件对其序列进行分析,并采用实时荧光定量PCR技术对AsEXPA8基因在盐胁迫和模拟干旱胁迫下的表达特征进行研究。序列分析结果表明,AsEXPA8含有1个774 bp的开放阅读框,编码257个氨基酸。AsEXPA8蛋白有1个组氨酸-苯丙氨酸-天冬氨酸(His-Phe-Asp,HFD)基序,N端和C端分别含有8个保守的半胱氨酸残基和4个保守的色氨酸残基,具有信号肽和跨膜结构域,参与了生长素和赤霉素等激素调控细胞壁重构的过程。AsEXPA8在大蒜不同组织中均能表达,在叶片中表达相对较高。干旱胁迫和盐胁迫在不同组织内均诱导了AsEXPA8的表达。结果表明,AsEXPA8基因可能参与了大蒜植株抵御盐胁迫和干旱胁迫的过程。本研究结果为揭示AsEXPA8基因在大蒜应对渗透胁迫过程中的功能提供了理论依据。     

结球甘蓝BoFBX117基因的克隆与表达分析

F-box基因在植物组织器官发育及非生物胁迫响应中起着重要的作用。为进一步探讨其作用机制,从结球甘蓝品种BoJF-16-1中利用反转录PCR(RT-PCR)技术克隆得到一个F-box基因BoFBX117,其cDNA全长为936 bp,编码311个氨基酸,蛋白分子量为30.14 kDa,等电点为9.71。该基因编码BoFBP7蛋白,序列同源性分析表明,BoFBP7与芜菁、萝卜、拟南芥的FBP7蛋白亲缘关系较近,同源性分别为99.36%、98.39%、92.26%;实时荧光定量PCR(RT-qPCR)分析表明,BoFBX117基因在结球甘蓝莲座叶中最高,其次是根,幼叶中表达量最低,表现出组织特异性;在低温胁迫处理下,该基因表达量总体呈现上升趋势,说明该基因的表达受低温胁迫诱导。推测BoFBX117基因可能在结球甘蓝叶片发育及低温胁迫中发挥重要的生物学功能。本研究为深入解析F-box基因调控植物生长发育及非生物逆境胁迫的分子机制提供了依据。     

用水稻基因芯片筛选小麦耐旱相关基因的研究

小麦耐旱机理的研究具有重要意义，为了了解小麦在干旱逆境条件下的基因转录规律，本研究采用PEG6000对耐旱小麦品种旱选10号进行拟旱处理，分别提取0、1、6和24小时植株的总RNA，经反转录荧光标记制备cDNA探针，并将其与水稻全基因组芯片进行杂交，扫描采集数据后并进行分析。结果表明，随着处理时间的延长，差异表达基因的数量增加，对差异基因进行功能分类，能量代谢途径相关基因所占比例随处理时间的延长而逐渐增加，大部分为光合作用相关基因，其总体表达趋势为上调，但Psbr和Rubisco编码基因的转录水平为下调,暗示它们在耐旱反应中发挥着一定作用。     

玉米耐旱自交系在干旱条件下的mRNA差异表达

用16%PEG-6000对玉米耐旱自交系“81565”进行模拟干旱处理,用DD-PCR技术研究干旱与正常浇水对照的mRNA差异表达,发现3个干旱条件下差异表达的特异片段MD1、MD2和MD3。MD1和MD2在干旱条件下减量表达,MD3为干旱诱导表达。序列分析和同源性比对表明,MD1与玉米叶绿体基因组中编码参与RNA转录本Ⅱ型内含子剪切的成熟酶的matK基因有93%的相似性,MD2与极端耐旱的Sporobolus stapfianus的丝氨酸/苏氨酸2C型蛋白磷酸酶基因PP2C的相似性达99%,MD3与属天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶类的水稻metacaspase基因有99%的相似性。根据各自序列相似同源基因的功能推测,MD1、MD2和MD3三个片段可能与“81565”的耐旱机制有关。     

用水稻基因芯片筛选小麦耐旱相关基因

为了解小麦在干旱逆境条件下的基因转录规律,采用PEG6000对耐旱小麦(Triticum aestivum)品种旱选10号进行拟旱处理,分别提取0、1、6和24h植株的总RNA,经反转录荧光标记制备cDNA探针,并将其与含有6万Oligo的水稻全基因组芯片进行杂交,扫描采集数据后并进行结果分析。在1、6和24h样品中分别检测到差异表达基因166、207和328个,随着处理时间的延长,差异表达基因数目增加。对差异基因进行功能分类,能量代谢途径相关基因在1、6和24h差异表达基因总数中所占比例分别为4.2%、8.2%和16.8%,其中大部分为光合作用相关基因,并且主要表现为上调,但Psbr和Rubisco编码基因的转录水平为下调,暗示它们在耐旱反应中发挥着一定作用。     

逆境条件下糯玉米水分利用效率和水通道蛋白表达差异研究

水肥耦合是作物水分和养分高效利用的重要机制, 其中水通道蛋白(AQP)发挥重要作用。本文研究了逆境条件下3 个糯玉米品种水分利用效率(WUE)和水通道蛋白(AQP)表达差异及其关系。在低氮(0.5N, 其中培养液的氮元素含量减半)、高氮(1.5N, 其中培养液的氮元素含量增加1/2)、干旱(10% PEG 即-0.1 MPa)和盐(200 mmol·L^-1 NaCl)胁迫处理下测定了叶片水分利用效率(WUEL), 并采用半定量逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)体系检测3 个AQP 基因在糯玉米根系中的表达情况。结果表明: (1) 0.5N 处理下, 3 个品种的WUEL 多低于CK;1.5N 和PEG 处理下, 3 个品种的WUEL 多高于CK。(2)TIP3.1、TIP2a、TIP2b 3 个基因在0.5N 处理下表现为不表达或表达下调, 1.5N 处理下6 h 和PEG 处理下9 h 多表现表达上调, 说明TIPs 基因家族表达受营养、干旱和盐胁迫诱导。(3)TIPs 的上述3 个基因的表达和WUEL 都在0.5N 处理下低于CK, 在1.5N 和PEG 处理下不同程度地高于CK, 说明TIPs 基因表达与WUEL 的变化有密切响应关系。以上结果说明WUE 与TIPs 基因转录水平的调控有一定关系, 且品种间存在较大差异。     

Effects of plant growth-promoting rhizobacteria on the molecular responses of maize under drought and heat stresses: A review

Drought and heat are major environmental stresses that continually influence plant growth and development. Under field conditions, these stresses occur more frequently in combination than alone, which magnifies corresponding detrimental effects on the growth and productivity of agriculturally important crops. Plant responses to such abiotic stresses are quite complex and manifested in a range of developmental, molecular, and physiological modifications that lead either to stress sensitivity or tolerance/resistance. Maize (Zea mays L.) is known for its sensitivity to abiotic stresses, which often results in substantial loss in crop productivity. Bioaugmentation with plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) has the potential to mitigate the adverse effects of drought and heat stresses on plants. Hence, this is considered a promising and eco-friendly strategy to ensure sustainable and long-term maize production under adverse climatic conditions. These microorganisms possess various plant growth-promoting (PGP) characteristics that can induce drought and heat tolerance in maize plants by directly or indirectly influencing molecular, metabolic, and physiological stress responses of plants. This review aims to assess the current knowledge regarding the ability of PGPR to induce drought and heat stress tolerance in maize plants. Furthermore, the drought and heat stress-induced expression of drought and heat stress response genes for this crop is discussed with the mechanisms through which PGPR alter maize stress response gene expression.     

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。     

胆碱脂肪酸/氨基酸对PEG模拟干旱胁迫下玉米萌发的影响

为探究秸秆预处理过程中产生的胆碱类离子液体残液对干旱胁迫下玉米种子萌发的影响,以典型农作物玉米(Zea mays L.)为研究对象,使用13%聚乙二醇-6000(PEG)模拟干旱胁迫,以种子萌发参数、根芽长、种胚抗氧化酶活性为指标,研究200 mg·L^-1胆碱脂肪酸离子液体(胆碱己二酸、胆碱辛二酸)和胆碱氨基酸离子液体(胆碱缬氨酸、胆碱苏氨酸、胆碱天冬氨酸、胆碱天冬酰胺)浸种处理对PEG模拟干旱胁迫下玉米种子萌发的影响。结果表明,PEG模拟干旱胁迫下,胆碱己二酸、胆碱辛二酸浸种处理显著提高了玉米种子的发芽指数,胆碱天冬氨酸、胆碱天冬酰胺浸种处理显著提高了种子的发芽势。另外,胆碱类离子液体浸种均促进了干旱胁迫下玉米根芽的生长,其中胆碱苏氨酸浸种处理下芽长增加最显著,增加48.2%;胆碱天冬氨酸浸种处理下根长增加最显著,增加26.7%。在PEG模拟干旱胁迫条件下,不同胆碱脂肪酸和胆碱氨基酸浸种处理提高了种胚中过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,且丙二醛(MDA)和过氧化氢(H₂O₂)含量均显著下降。综上,胆碱类离子液体浸种处理可能通过提高PEG模拟干旱胁迫下玉米种胚的抗氧化酶活性,降低MDA和H₂O₂含量,缓解氧化胁迫,促进PEG模拟干旱胁迫下玉米种子的萌发与萌发后根芽的生长。胆碱类离子液体有望作为作物生长调控物质,这为胆碱离子液体残液的利用提供了可行的途径。     

茶树CsDREB-A2转录因子基因的克隆与非生物胁迫响应分析

干旱应答元件结合蛋白(DREB)类转录因子在植物逆境信号转导途径中具有重要的调控作用。为了解AP2/ERF转录因子在茶树逆境胁迫的分子调控机理,本研究从茶树龙井43叶片的cDNA中克隆得到一个编码CsDREB-A2转录因子的基因;对CsDREB-A2基因及其编码蛋白序列特征进行分析,并利用实时荧光定量PCR法检测该基因在茶树不同非生物胁迫处理下的表达水平。结果表明,CsDREB-A2基因开放阅读框为1 056 bp,编码351个氨基酸,其编码氨基酸序列具有AP2保守结构域,包含典型的YRG元件和WLG基序。AP2结构域第14、第19位氨基酸分别为缬氨酸和谷氨酸。拟南芥AP2/ERF家族转录因子的进化分析表明,该转录因子属于DREB亚族的A2组。CsDREB-A2相对分子质量为39 080 Da,理论等电点为5.32,属于亲水性蛋白,主要由α-螺旋和随机卷曲组成,无序化特征明显且存在一个LM无序区域;可能定位于细胞核,不存在信号肽和跨膜结构,属于非分泌蛋白。CsDREB-A2基因在高温(38℃)和干旱(200 g·L^-1 PEG)胁迫下均能快速诱导表达,并显著高于对照,分别在处理4、2 h达到最大值,为对照的20.70和42.90倍,植物在渗透胁迫下,可能通过ABA信号途径调节该基因对干旱的耐受性。高盐(200 mmol·L^-1 NaCl)胁迫下CsDREB-A2基因的表达受抑制,推测其可能存在负调控结构域降低该基因在盐胁迫下的表达量。本试验结果为研究DREB类转录因子在茶树抗逆胁迫的分子调控机制提供了一定的理论参考。     

水稻OsGPDH1的克隆与功能鉴定

为了解水稻甘油-3-磷酸脱氢酶基因在水稻抗逆性中的作用,本研究从水稻品种日本晴中克隆了1个编码甘油-3-磷酸脱氢酶的基因,命名为OsGPDH1,该基因编码的蛋白酶具有NAD(P)+结合域和脱氢酶域,且这2个结构域在植物中高度保守。构建过表达OsGPDH1基因载体转化水稻得到转基因植株,RT-qPCR分析表明,OsGPDH1基因在水稻孕穗期的叶、幼穗、茎、节、叶鞘中均有表达,说明该基因参与了水稻的生长发育过程。OsGPDH1基因也受到PEG6000、高盐、双氧水等逆境和甲基茉莉酸(mJA)、水杨酸(SA)等激素诱导表达,且诱导12h后,OsGPDH1的表达量达到最高水平,但对脱落酸(ABA)不敏感。盐胁迫下的发芽试验表明,过表达转基因水稻的发芽率高于野生型,说明OsGPDH1基因表达量的提高可增强转基因植株对盐胁迫的耐受性。对过表达OsGPDH1的转基因水稻进行苗期20%PEG6000胁迫处理后,转基因水稻的成活率显著高于野生型,说明OsGPDH1基因过表达可提高水稻苗期抗旱能力。本研究初步证明了OsGPDH1水稻抗盐胁迫和渗透胁迫的重要作用,为培育抗性转基因水稻新品种提供了新的基因资源。