木本植物miRNAs参与环境胁迫应答的研究进展

MicroRNA (miRNA)是一种广泛存在于植物中,长度约为21～24个核苷酸的单链内源性非编码RNA。研究证实,miRNA通过对靶基因的剪切或抑制来实现转录后水平上的负调控,并在植物的生长发育、形态建设、信号传导以及环境胁迫响应中都发挥着重要的调控作用。与此同时,随着高通量测序和生物信息学的快速发展,大量miRNAs正不断被发现,miRNAs已成为当前植物分子生物学领域的研究热点之一。本研究首先简述了miRNA的形成过程及鉴定、表达量分析以及靶基因预测与验证的方法,其次重点综述了非生物胁迫和生物胁迫下木本植物miRNAs参与环境胁迫应答的研究现状,最后讨论了木本植物miRNAs今后的研究方向,以期为研究木本植物miRNAs参与调控植物抗逆应答的分子机理提供一些参考。     

东北白桦(Betula platyphylla Suk.)LEA基因的克隆及盐胁迫响应基因的鉴定

LEA蛋白(late embryogenesis abundant proteins)是一类胚胎发育晚期种子中大量富集的蛋白,在植物抗逆过程中起重要作用。目前,白桦的全基因组测序工作已经完成,在此基础上,本研究根据已报导的拟南芥抗逆相关LEA基因,从白桦全基因组序列中鉴定出13个与这些抗逆LEA基因同源的白桦LEA基因。并进一步利用qRT-PCR方法研究这些LEA基因对盐胁迫的表达响应,从而鉴定出在白桦响应盐胁迫过程中起作用的LEA基因,这些盐胁迫响应的LEA基因将为白桦的抗性育种及抗逆分子生物学研究提供帮助。     

谷子Ⅲ型PRX基因家族全基因组鉴定及干旱胁迫下表达分析

Ⅲ型过氧化物酶(Class Ⅲ peroxidase, PRX)是植物中特有的过氧化物酶家族,在植物生长发育以及非生物胁迫中发挥重要作用。谷子作为C4植物是禾本科抗逆研究的模式植物,然而目前对于谷子中Ⅲ型过氧化物酶家族基因功能鲜有报道。为探究谷子Ⅲ型过氧化物酶基因家族(SitPRXs)在干旱胁迫和ABA诱导下的表达模式,进行了全基因组表达分析。本研究利用生物信息学方法在谷子全基因组中鉴定出132个Ⅲ型PRX基因家族成员,并根据其在染色体上位置顺序依次命名为SitPRX1～SitPRX132。通过对谷子、拟南芥和水稻的系统进化分析将其分为5个亚家族,基因结构和保守基序分析表明同一亚家族具有较高的保守性。基因复制分析显示, 17个SitPRX基因(13%)存在片段复制,78个SitPRX基因(59%)存在串联复制,串联复制事件在SitPRX基因扩增中起重要作用。谷子与拟南芥、水稻和玉米的物种间同源性分析显示谷子中大多数SitPRXs是在双子叶植物和单子叶植物分化后形成的。转录组分析显示, SitPRX基因家族成员在谷子幼苗、根、茎、叶以及圆锥花序中表达存在差异。启动子顺式作用元件分析显示,...     

毛白杨PtoMnSOD基因克隆及生物信息学分析

为了揭示毛白杨锰超氧化物歧化酶基因PtoMnSOD在植物抗逆中的功能。本研究通过RT-PCR方法获取毛白杨PtoMnSOD基因序列,并对该基因及其编码蛋白进行生物信息学分析。结果显示:PtoMnSOD基因开放阅读框(ORF)为699 bp,编码232个氨基酸,具有PF00081和PF02777两个保守结构域,属于MnSOD亚家族。其编码的蛋白含有20个磷酸化位点,是无跨膜结构、无信号肽且定位于线粒体的不稳定亲水性蛋白。同源序列比对显示,不同物种的MnSOD氨基酸序列具有很强的保守性。研究结果为进一步开展毛白杨锰超氧化物歧化酶基因PtoMnSOD的功能研究奠定了理论基础。     

植物MAPK级联在逆境胁迫响应中的作用研究进展

植物在生长发育过程中常遭受各种生物及非生物逆境胁迫。在抵御这些外界胁迫的过程中,植物进化出了一套精密、复杂且有效的防御机制。促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联途径可以被不同的逆境胁迫激活,在植物抗逆信号转导过程中起到枢纽作用。综述简要介绍了植物的MAPK级联组成及分类;然后重点综述了近年植物MAPK级联在生物胁迫(如病原菌侵染)和非生物胁迫(如温度,干旱,盐胁迫等)响应中的功能研究进展;最后展望了该信号级联在植物抗逆过程中的进一步研究和在抗逆育种中的利用。     

柽柳MnSOD基因的克隆及功能验证

根据已克隆得到的柽柳MnSOD基因片段,采用RACE技术从柽柳中获得MnSOD的cDNA全长序列.该基因全长为1 087 bp.其中,5'非编码区40 bp,3'非编码区333 bp,开放读码框(ORF)长699 bp,编码232个氨基酸.分子量为26 KD,等电点为7.10.该MnSOD氨基酸序列与拟南芥MnSOD序列同源性最高为83%,从12个物种的序列比对可以看出MnSOD氨基酸序列保守性较高.该序列的Genbank注册号为AY573576(基因)和AAS77885(蛋白).将MnSOD基因与酵母表达载体pYES2连接,并进一步转化到酵母基因组中.对重组酵母INVSc1(pYES2-SOD)和对照INVSc1 (pYES2)进行干旱、高温胁迫实验.结果表明:重组酵母的抗干旱、高温能力明显高于对照,证实了来源于柽柳的MnSOD基因具有抗干旱和耐高温能力.     

紫花苜蓿(Medicago sativa)YABBY基因家族的生物信息学分析及其对逆境胁迫的响应

YABBY转录因子家族是植物特有转录因子,与植物形态有关,在植物响应胁迫方面也有重要的调控作用。为了研究YABBY基因家族在苜蓿抗逆性中的作用,本研究利用生物信息学对苜蓿的YABBY转录因子家族成员、分布及结构等进行分析。对苜蓿、大豆、水稻和拟南芥进行系统进化树的分析,表明该家族基因在植物中具有同源性。理化性质和结构分析表明,苜蓿中YABBY基因主要分布在第2、4、5条染色体上,苜蓿YABBY家族基因中包含5个保守结构域,其蛋白质主要以无规则卷曲的形式构成,α-螺旋、β-折叠和β-转角含量较少,启动子序列分析发现该家族存在ABRE顺式反应元件,能够响应盐胁迫及ABA(Ascisic acid)胁迫,通过基因表达模式分析,发现MsYABBY2基因响应盐、碱、干旱等逆境胁迫,推测其在抗逆境胁迫中起到关键调节作用。本研究为后续研究MsYABBY基因的抗逆机制及调控机理提供了理论基础。     

茄科植物Ca~(2+)-ATPase基因家族鉴定及分析

Ca~(2+)是响应发育和环境信号的重要信使,Ca~(2+)-ATPase对植物生长发育和抗逆功能具有重要的作用。本研究以茄科植物栽培番茄、潘那利番茄、马铃薯、烟草和辣椒的Ca~(2+)-ATPase为研究对象,鉴定了五个茄科植物共87个Ca~(2+)-ATPase基因家族成员,基因家族成员在茄科植物进化的过程中数量发生明显变化,但成员数与基因组大小和进化没有线性变化关系,同一物种的基因家族成员分布在多条染色体上。该基因家族中有许多成员具有与生长发育相关和抗逆功能相关的顺式作用元件,与抗逆功能相关的顺式作用元件主要存在于ACA亚家族。在番茄中,SLyACA1在冷胁迫和盐胁迫的逆境条件下均表达效果强烈、上调变化明显,SLyACA5和SLyACA6也在两种逆境条件下都产生表达变化,说明这三个基因特别是SLyACA1基因和冷胁迫和盐胁迫相关。本研究为阐明Ca~(2+)-ATPase基因家族在茄科物种中的进化及其功能提供了理论依据。     

植物DREB转录因子及其转基因研究进展

DREB(dehydration responsive element binding protein)类转录因子是AP2/EREBP(APETALA2/an ethylene-responsive element binding protein)转录因子家族的一个亚家族,拥有保守的AP2结构域,能够特异性地与抗逆基因启动子区域的DRE顺式作用元件相结合,在低温、干旱和盐碱等条件下调节一系列下游逆境应答基因的表达,是逆境适应中的关键性调节因子.拟南芥中与逆境相关的DREB转录因子可分为DREB1/CBF和DREB2两类,其中DREB1/CBF类成员主要参与低温胁迫应答反应,DREB2类成员则主要参与干旱胁迫应答反应.根据近十年来的报道,目前已从拟南芥、水稻、玉米、小麦、黑麦、大豆、西红柿和油菜等几十种植物中分离并鉴定出调控干旱、高盐及低温耐性的DREB基因,并利用这些基因得到了抗逆性增强的拟南芥、油菜、西红柿、小麦以及杨树等转基因植株.转基因结果表明DREB转录因子家族在双子叶植物,单子叶植物,草本植物及木本植物抗逆品种改良中均具有重要的应用价值.本文总结了十多年来特别是近五年来国内外相关研究进展,并对DREB转录因子的研究前景及其在木本植物良种选育中的研究趋势进行了展望.     

辣椒金属伴侣蛋白基因CaHPP7提高植物对铜和热胁迫的抗性

金属伴侣蛋白在植物抵抗重金属胁迫和低温、干旱、高盐等非生物胁迫中发挥重要作用,但其应对热胁迫时发挥作用的报道还很少。前期研究从辣椒中分离到一个能够响应热胁迫的金属伴侣蛋白基因CaHPP7,通过生物信息学和定量分析发现该基因的氨基酸序列含有1个HMA结构域,且其表达受高温、Cu²⁺、Cd²⁺等重金属,以及ABA(Abscisic acid)、MeJA(Jasmonic acid methylester)和SA(Salicylic acid)等外源信号物质的诱导。为了进一步明确CaHPP7基因在植物重金属和热胁迫抗性形成中的功能,利用基因沉默和过表达技术改变Ca HPP7的表达水平。结果显示,基因沉默表达后,辣椒对铜和热胁迫的抗性都降低,表现为离体叶圆片叶绿素含量下降程度显著高于未沉默植株;而基因过表达后,拟南芥对铜和热胁迫的抗性都升高,其中热胁迫下表现为幼苗存活率高于对照,叶圆片叶绿素含量减少程度低于对照;铜胁迫下表现为种子发芽率高于对照,幼苗生长的受抑制程度和叶圆片叶绿素含量下降程度均低于对照。故推测CaHPP7基因在植物应对高温和铜胁迫的过程中起正调控作用。本研究结果将为进一步揭示植物抗逆性形成的分子机制提供理论依据,也将为农作物抗逆新品种的选育提供参考。     

转录因子基因TaWRKY72b-1的克隆，表达及在烟草中表达对植株磷效率的影响

在富集低磷胁迫特异表达基因的小麦根系cDNA差减杂交文库中，鉴定了1个与拟南芥WRKY75同源的小麦WRKY型转录因子基因表达序列标签(EST)。依据该EST序列高度同源的小麦WRKY72b序列，克隆了对应基因TaWRKY72b-1。TaWRKY72b-1与WRKY72b在cDNA序列上有2个碱基的差异，但编码氨基酸没有改变。TaWRKY72b-1开放阅读框为621 bp，编码206个氨基酸残基，氨基酸组成上含有保守的WRKY基序和C2H2基序。系统进化分析表明，TaWRKY72b-1与小麦WRKY72a和大麦WRKY12可能来自相同的祖先。与对照供磷水平(2 mmol L^-1 P)相比，低磷处理使根叶中TaWRKY72b-1的转录本数量均明显增多。表明TaWRKY72b-1对低磷胁迫逆境产生了明显的应答作用。TaWRKY72b-1在烟草中表达表明，低磷胁迫条件下，高表达TaWRKY72b-1的烟草植株干重、单株磷累积量和磷利用效率均较对照明显增加。因此，TaWRKY72b-1基因在改善低磷胁迫下作物的磷效率中可能具有较重要的应用价值。     

野生大豆GsGST19基因的克隆及其转基因苜蓿的耐盐碱性分析

谷胱甘肽S-转移酶对植物抵御逆境胁迫和解除细胞毒素起着重要作用。本研究从野大豆盐碱胁迫基因表达谱中筛选并克隆得到GsGST19基因,将其转化苜蓿,获得超量表达的转基因苜蓿,并对转基因苜蓿进行耐盐碱性分析。结果显示在正常培养条件下,转基因苜蓿株系19-4和19-9的GST酶活性分别是非转基因株系的1.52倍和1.49倍。在100 mmol L^–1 NaHCO₃处理14 d后转基因株系生长状态良好,而非转基因对照株系明显萎蔫、失绿、甚至死亡;转基因株系的丙二醛含量和相对质膜透性显著低于非转基因株系(P<0.05),而叶绿素含量和根系活力显著高于非转基因对照(P<0.05),说明超量表达GsGST19基因增强了苜蓿的耐盐碱能力。     

木本植物逆境胁迫研究进展

木本植物(Woody plant)具有多年生、木质部发达和茎坚硬等特点,能抵御复杂多变的外界环境。本综述归纳了木本植物逆境胁迫的几个重要方面,例如盐胁迫、干旱胁迫和低温胁迫。归纳并总结了与应激有关的基因、蛋白质、转录因子和应激反应机制,并简要概述了木本植物在植被保护、园林绿化和土壤改良等方面的应用价值,最后对木本植物研究的局限性和存在的不足进行了讨论。蒙古柳(Salix linearistipularis)作为松嫩平原盐碱地区唯一具有群落分布的木本植物,是研究逆境胁迫的重要树种材料。因此,本综述着重介绍了耐盐碱木本植物蒙古柳对盐等逆境胁迫的研究进展,以期为木本植物逆境胁迫研究提供一定的理论基础;并针对目前研究存在的不足,为进一步研究提供了参考方向。     

菠菜甜菜碱醛脱氢酶基因同源片段的克隆与序列分析

在盐和干旱等渗透胁迫条件下,一些植物会积累甘氨酸甜菜碱(简称甜菜碱)作为渗透调节物质,甜菜碱在植物体内由胆碱经两步氧化形成,催化这两步反应的酶分别是胆碱单氧化物酶(cholinemonooxyge-nase,CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(betainealdehydedehydrogenase,BADH)。由于甜菜碱的合成途径简单,进行遗传操作方便,在诸多抗逆性基因中甜菜碱合成酶基因被看作是最有希望的胁迫抗性基因。其中,BADH基因的全长cDNA序列首先被从藜科植物菠菜(Spinaciaoleracea)中克隆到,此后人们相继以该基因为参照,研究其它植物中的BADH基因。本文作者在以菠菜BADH基因为对照研究菊科植物的BADH基因时,根据已发表BADH基因的保守区序列设计了一对PCR兼并引物,以菠菜基因组DNA为模板,采用PCR法扩增出长分别为825bp(seq1)和822bp(seq2)的两个DNA片段,经测序和序列分析,seq1与GenBank中登录的菠菜BADH基因的基因组序列(U69142)一致,其外显子区与已发表的该基因的cDNA序列(M31480)一致,seq2与U69142序列的同源性为68%,其外显子区与M31480序列的同源性为83.93%。而且,在由该核苷酸序列推导的氨基酸序列中,含有醛脱氢酶高度保守的十肽VTLELGGKSP,说明该基因为菠菜BADH基因的同源基因。根据现有文献分析,菠菜中可能存在两个BADH的同工酶,作者所克隆基因片段所属的基因可能编码菠菜BADH的另一个同工酶。该序列已在GenBank中登录,登录号:DQ070842。     

油茶对胁迫因子的响应机制研究进展

油茶为中国特有油料植物,是世界四大木本油料植物之一。国内外学者在油茶对胁迫因子响应机制上开展了大量研究,文章总结了近年来油茶胁迫因子的研究成果。研究发现,胁迫因子对油茶的形态结构、生理生化产生一定的影响,但油茶自身也可对胁迫因子产生协同响应以缓解不利影响,且不同油茶品种间的抗性存在一定的差异。在现有研究的基础上,建议未来油茶胁迫因子的研究可着眼于：油茶不同发育阶段的差异、不同地区油茶品种间的抗性差异、多因子协同耦合机制及模拟不同因子间的变动趋势、油茶胁迫因子调控基因机制等。     

拟南芥长链脂肪醇氧化酶(AtFAO3)在抗病防卫反应中的作用分析

长链脂肪醇氧化物酶(FAO)基因编码一个与膜结合,包含黄素,产生H_2O_2的长链脂肪醇氧化酶.在拟南芥基因组中包含4个FAO同源基因.然而,拟南芥FAO在响应非生物和生物环境胁迫中起何种作用还不得而知.本研究中,我们分析了拟南芥AtFAO3在植物防卫病原细菌Pseudomonas syringae pathovar(pv.)tomato strain DC3000(Pst DC3000)中的作用.拟南芥原生质体细胞瞬时表达AtFAO3偶联GFP融合蛋白表明,AtFAO3定位于细胞膜.与野生型植株相比,拟南芥AtFAO3基因T-DNA插入突变体Atfao3在正常条件叶片中H_2O_2含量下降,在氧胁迫或生物胁迫下积累活性氧含量减少.接种病原细菌Pst DC3000后,与野生型植株相比,Atfao3突变体体内细菌繁殖数量增加,叶片病害症状加重,防卫相关基因PR1、PR2和PAL表达减弱.我们基于以上T-DNA突变体分析结果表明,AtFAO3在植物对病原细菌防卫中起重要作用.     

转ER-sHSP基因番茄植株的耐盐性检测

热激蛋白在植物应对各种环境胁迫的应答中执行重要的功能并存在交叉保护现象。前期结果表明内质网小分子热激蛋白（ER-sHSP）的过量表达能够显著增强转基因番茄的抗冷能力,为继续深入研究ER-sHSP的生理功能,本文对高盐胁迫下转ER-sHSP基因番茄的耐受性进行了检测,结果显示：与对照相比,转基因番茄抗性表型明显,持有较高的植物干鲜重,脯氨酸含量大幅度提高,SOD酶活性增加明显,而MDA含量和电导率则较低。说明ER-sHSP的过量表达提高了转基因番茄的抗盐胁迫能力     

马铃薯卷叶病毒外壳蛋白基因克隆转化 及其转基因后代的表达

根据GenBank中的马铃薯卷叶病外壳蛋白基因(PLRV-CP)全序列，设计一对特异性引物，以马铃薯卷叶病毒RNA为模板，克隆了马铃薯卷叶病外壳蛋白基因，在pBI121的基础上构建了植物表达载体。利用PLO(Poly-L-Ornithine)将PLRV-CP基因导入到马铃薯加工型品种大西洋的原生质体中，获得了转基因后代。在5株转化后代中扩增出长度为610bp的目标DNA片断，说明导入的外源PLRV-CP基因已经整合到马铃薯基因组中。Southern blot分析结果进一步证明了PCR结果的正确性。RT-PCR结果表明，在3株转化后代叶片中具有阳性表达。马铃薯卷叶病毒接种实验结果表明，转基因植株比对照有明显的马铃薯卷叶病抗性     

胡杨核转录因子PeNF-YB1克隆及其干旱响应表达

为阐明木本植物中核转录Y因子B亚基蛋白(NF-YB)及其编码基因在抗旱转录调控中的机制,运用生物信息学知识和方法,采用PCR克隆技术,以模式树种毛果杨基因组核转录Y因子B亚基蛋白同源序列为参考,从胡杨叶组织基因组材料中反转录获取了核酸长度为543 bp的目标基因PeNF-YB1。该基因编码的蛋白具有螺旋-环-螺旋二级结构,含有NF-YB蛋白保守结构域和功能氨基酸,不含核定位信号肽;GFP亚细胞定位表明该基因在核中表达;PEG6000溶液干旱胁迫下,该基因表达具有早期上调、延后转为下调的响应变化。研究认为克隆的PeNF-YB1是植物NF-YB亚基基因家族成员,并在干旱早期响应过程中起转录表达作用。研究结果不仅说明了NF-YB转录因子在木本植物中的抗旱作用,也为树木抗旱调控机制的阐明提供了重要参考。     

拟南芥ft-1突变体对非生物胁迫的响应

对植物生存与生长不利的不良环境称逆境。在逆境条件下,植物往往提早开花,快速完成生活史来适应逆境。因此,开花基因与逆境有着密切的关系。本研究以拟南芥(Arabidopsis thaliana)开花基因FLOWERING LOCUST(FT)突变体ft-1和野生型Col-0为材料,对在胁迫下生长的幼苗主根长进行了表型分析。结果显示,在正常条件下生长的ft-1突变体与Col-0根长相似。突变体ft-1和野生型Col-0对NaCl处理显示出极显著差异,且只在高浓度渗透胁迫下表现出显著差异。表明ft-1可能参与植株抗盐过程,与渗透胁迫关系不大。磷盐与钾盐处理与渗透处理结果类似。铵盐下生长的突变体ft-1和野生型Col-0的根长无显著差异,表明ft-1可能不参与铵盐胁迫。硝盐和混合氮盐处理下,两者均产生了极显著或显著差异,表明ft-1可能参与硝盐胁迫过程。