拟南芥CPK6在钙离子信号转导过程中的生理功能研究

为了研究拟南芥CPK6基因在钙离子信号转导过程中的生理功能,进一步明确植物适应缺钙环境的分子机制,首先对CPK6基因缺失突变体(cpk6)进行纯合鉴定,获得了2种纯合突变体:cpk6-2和cpk6-3。通过分析野生型拟南芥Col-0和cpk6突变体在Ca~(2+)、Fe~(2+)、Mg~(2+)、Zn~(2+)、Mn~(2+)二价阳离子缺失培养基上的生长表型,结果发现,拟南芥cpk6突变体在缺Ca~(2+)条件下,相对野生型Col-0,表现出生长受抑制的表型。构建含有CPK6启动子驱动β-葡萄糖苷酸酶基因(GUS)的转基因材料,通过GUS组织化学染色法,发现CPK6启动子在叶片生长点部位和根上有活性,并且在缺Ca~(2+)条件下,CPK6启动子在叶片中的活性明显增强。通过原子吸收光谱法,发现拟南芥野生型Col-0和cpk6突变体之间,在对照和缺Ca~(2+)条件下,总钙含量没有显著差别,表明CPK6基因不影响植物对钙的吸收和积累。利用组织化学染色法和荧光探针,结果发现,缺Ca~(2+)条件下,cpk6突变体根和叶中H2O2的积累量明显高于Col-0,表明CPK6是介导缺Ca~(2+)诱导植物积累H2O2的负调控因子。     

香蕉MaASR1基因通过ABA途径提高拟南芥抗旱性的作用机制

香蕉MaASR1基因在植物响应逆境胁迫时发挥着重要作用,为了进一步研究MaASR1基因转入拟南芥后增强其抗旱性的分子机制,运用DNA芯片技术来筛选野生型的拟南芥和转MaASR1基因的拟南芥在不做任何处理和干旱胁迫处理条件下的差异基因。对基因芯片中与ABA途径相关的上调和下调大于2倍的差异基因进行了荧光定量PCR的验证,实验结果发现在以上两种处理条件下,转MaASR1基因的拟南芥体内ABA的生物合成量比野生型拟南芥低,而ABA的降解量却升高。当受到干旱胁迫时,转基因拟南芥体内ABI5和ABF1基因的表达量会得到提高,而ABI5基因可以赋予转基因拟南芥株系耐旱性和抗旱性的功能是因为LEA类的蛋白被其调控表达和提高了ABA诱导基因的表达水平。ABF1基因发挥其提高转基因株系抗旱性的功能则可以通过参与ABA信号途径以及与其它的ABI类基因共同作用来实现。除此之外转基因拟南芥株系抗旱性的提高,与CBL/CIPK复合物参与的胁迫应答途径无关。以上结果为解析MaASR1基因作为转录因子通过ABA途径提高植物抗旱能力的分子机制奠定基础。     

拟南芥CPK10双元TAP载体的构建及原生质体表达

为了研究拟南芥CPK10发挥功能的分子机理,通过PCR扩增克隆了CPK10基因,将该基因连接到带有FLAG和HA标签的双元串联亲和层析载体上,构建成p CM1307-3FLAG-3HA-CPK10植物表达载体,进而通过PEG介导转化拟南芥野生型原生质体,表达约10 h,通过Western Blotting检测融合有FLAG和HA标签的CPK10蛋白的表达情况,结果显示,可以分别利用FLAG抗体和HA抗体特异检测到CPK10蛋白的条带。融合蛋白的成功表达,为进一步通过串联亲和纯化技术(TAP)筛选CPK10的互作蛋白奠定基础。     

拟南芥bZIP1转录因子通过与ABRE元件结合调节ABA信号传导

ABA作为一种重要的植物激素和生长调节剂,介导了高等植物在营养生长阶段对各种外界环境的响应和适应。bZIP类转录因子可以通过ABA依赖途径和ABA非依赖途径调节植物的生长发育和对非生物胁迫的耐性。本研究通过AtbZIP1 T-DNA插入突变的拟南芥植株ko-1 (SALK_059343)和ko-2 (SALK_069489C)在ABA处理后的表型实验,验证了AtbZIP1参与ABA依赖的信号传导通路。采用“三引物法”,分别在DNA水平和RNA水平通过PCR和RT-PCR验证了AtbZIP1基因在拟南芥突变体中的沉默效果。定量分析数据表明,在种子萌发阶段,经过0.6 μmol L^–1 ABA和0.8 μmol L^–1 ABA处理后,AtbZIP1缺失突变体拟南芥植株萌发率和叶片展开/绿色率比野生型植株高,在幼苗生长阶段,经过50 μmol L^–1 ABA处理后,AtbZIP1缺失突变体拟南芥植株根长比野生型植株长。为了确定AtbZIP1基因参与ABA信号传导是否依赖于ABRE元件,在大肠杆菌中表达了AtbZIP1 HIS6融合蛋白,并设计了核心序列为CACGTG的ABRE元件。凝胶阻滞电泳结果表明AtbZIP1融合蛋白可以与ABRE元件特异性结合。半定量RT-PCR分析表明,AtbZIP1基因的缺失改变了下游的ABA响应基因的表达。该结果表明AtbZIP1可以通过与ABRE元件结合调节植物对ABA处理的敏感性和下游ABA响应基因的表达,从而参与植物的ABA信号传导通路。     

拟南芥高亲和性钾转运体AtHAK5参与植物根对盐胁迫及ABA的反应

为研究在不同逆境,如低钾、低钙、NaCl及ABA胁迫下,对拟南芥高亲和性钾转运体基因AtHAK5表达的影响,在对含有promoter AtHAK5：GUS融合基因的拟南芥转基因植株进行组织化学染色基础上进行Real time RT-PCR检测。结果表明,这些逆境条件可以引起拟南芥AtHAK5基因表达量的上调。同时在对拟南芥Col-0和AtHAK5缺失突变体athak5表型对比分析,发现AtHAK5参与植物根对盐胁迫及ABA的反应。     

拟南芥AT2G14260基因功能及其表达特异性分析

拟南芥AT2G14260基因编码脯氨酸亚氨基肽酶，基因芯片表达谱数据显示该基因响应高盐、低温等非生物胁迫。为研究其功能和表达特性，本研究采用野生型和突变体植株pip-1进行低温、干旱和盐胁迫处理，结果显示在正常培养基中野生型与pip-1植株表型没有区别。而在逆境处理下pip-1植株的根比野生型明显短，且在干旱胁迫下，突变体的叶子比野生型植株明显变黄萎蔫。在正常环境、冷、干旱、盐胁迫下，野生型植株脯氨酸含量的平均值分别是突变体的1.11、1.23、1.10和1.34倍，这说明AT2G14260基因对提高非生物胁迫的耐性具有一定的作用。同时分离了该基因的启动子，构建了表达GUS基因的载体并转化拟南芥，结果表明该启动子在正常环境中不表达。胁迫处理时从两叶期开始在根、叶、茎中表达，到达花期后，干旱处理下的花瓣、花枝和冷处理下的花柱头中也有表达。GUS相对活性试验也证明对胁迫的响应能力。可见AT2G14260基因启动子是逆境胁迫诱导表达启动子，同时具有组织表达特异性，因此，AT2G14260基因及其启动子在转基因工程育种中具有潜在的应用价值。     

小麦脱落酸受体基因TaPYR1介导植株抵御干旱逆境功能研究

脱落酸(ABA)受体PYR/PYL/RCAR通过与渗透胁迫诱导的ABA结合,参与植株体内ABA介导的信号转导过程,在调控植株干旱逆境抵御过程中具有重要的生物学功能。本文研究了鉴定的1个干旱响应的PYR家族成员TaPYR1的分子特征、应答干旱表达模式及其介导植株抵御干旱逆境的功能。结果表明,TaPYR1与植物种属中部分PYR基因在氨基酸序列水平上高度同源,编码蛋白含有PYR家族成员保守结构域,翻译蛋白经内质网分选后定位于细胞质膜。TaPYR1基因在小麦根、叶中均呈明显的干旱诱导表达模式,在干旱胁迫48 h表达量达到峰值。与野生型对照(WT)相比,超表达TaPYR1烟草转化株系,干旱处理下植株长势增强,干鲜重增加。干旱处理下,转化株系较对照的光合能力增强,细胞保护酶活性提高,渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖含量增加。研究表明, TaPYR1通过在转录水平上应答干旱逆境,改善干旱胁迫下的植株相关生理过程,在增强植株抵御干旱逆境能力中发挥重要作用。     

含异位表达花生AhNCED1基因的拟南芥提高耐渗透胁迫能力

AhNCED1是干旱胁迫下调控花生ABA生物合成的关键基因。以pCAMBIA1301为基本双元表达载体,分别构建CaMV35S启动子和拟南芥AtNCED3基因启动子(AtNCED3p)驱动花生AhNCED1基因的2个植物双元表达载体p35S::ORF和pAtNCED3p::ORF,通过根癌农杆菌介导法将上述两个表达载体分别转化野生型和129B08/nced3突变体拟南芥,经潮霉素筛选和PCR鉴定分别获得35S::ORF-WT和A3p::ORF-B08转基因植株,RT-PCR证实花生AhNCED1基因已在转基因植株中稳定表达,并对野生型、129B08/nced3突变体和转基因拟南芥进行外源ABA敏感性和耐渗透胁迫能力分析。结果表明,129B08/nced3突变体对外源ABA的敏感性下降,而花生AhNCED1基因在拟南芥中的异位表达提高了对外源ABA的敏感性。在山梨醇胁迫下,129B08/nced3突变体种子的相对萌发率明显低于野生型的,而A3p::ORF-B08转基因拟南芥种子的相对萌发率与野生型的相当,显著高于129B08/nced3突变体的,且300mmolL–1山梨醇胁迫下,35S::ORF-WT转基因拟南芥种子的相对萌发率明显高于野生型的。在300mmolL–1山梨醇胁迫下,129B08/nced3突变体幼苗叶片高度黄化,根的形成和幼苗生长受到严重抑制,而A3p::ORF-B08转基因突变体与野生型相似,叶片仅轻度黄化,幼苗生长势良好;35S::ORF-WT转基因植株幼苗生长未受明显影响。这些结果说明,拟南芥129B08/nced3突变体对山梨醇诱导的非离子渗透胁迫有超敏性,异位表达花生AhNCED1基因能恢复该突变体对山梨醇的超敏性,提高拟南芥的耐渗透胁迫能力。     

烟草转录因子NtNAC080在非生物胁迫下的表达分析及功能鉴定

NAC作为植物特有的转录因子,广泛参与植物生长发育、衰老及胁迫响应等生物学过程。为探究烟草NtNAC080在非生物胁迫响应中的功能,利用qRT-PCR技术分析了不同胁迫处理下NtNAC080的表达模式,结果表明,NtNAC080的表达受干旱、高盐胁迫以及ABA、MeJA和SA激素的诱导;以NtNAC080基因的敲除突变体及野生型(K326)烟株为材料,分析敲除株系在高盐和干旱胁迫下抗逆表型。试验表明,与野生型相比,2个敲除株系的耐盐抗旱能力均明显增强;干旱和盐胁迫下敲除株系的抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性以及可溶性蛋白、脯氨酸含量显著高于野生型,而丙二醛含量显著低于野生型。相反地,异源表达NtNAC080的转基因拟南芥与野生型(Col-0)相比对盐和干旱的耐受性明显减弱。qRT-PCR分析发现在干旱和盐处理后胁迫相关基因(NtDREB1A、NtKAT2、NtNHX1等)在NtNAC080基因敲除株系中表达水平显著高于野生型。以上结果表明,NtNAC080在烟草的非生物胁迫响应中起负调控作用,这可能是通过调控抗氧化酶活性及胁迫相关基因的表达来实现的。     

小麦TaWRKY44基因的克隆、表达分析及功能鉴定

WRKY是植物特有的转录因子基因, 在植物对外界胁迫响应及生长发育的过程中发挥重要作用。本研究克隆了一个新的小麦WRKY转录因子基因TaWRKY44, 获得其全长cDNA, 其中开放阅读框长度为897 bp, 编码298个氨基酸。半定量RT-PCR的结果表明, TaWRKY44在叶片中表达水平较高, 并且受干旱和低温胁迫诱导表达。转基因功能分析结果表明, TaWRKY44的拟南芥超表达株系叶片变小, 叶柄缩短, 并且叶片细胞也明显小于野生型。另外, 转基因系对ABA、干旱和盐等胁迫处理的敏感性也高于野生型, 说明该基因可能作为一个转录抑制子参与逆境胁迫信号转导过程。     

Gamma-ray radiation induced dwarf mutants of turf-type bermudagrass

To generate new breed lines of bermudagrass and reduce management costs of turfgrass, gamma-ray irradiation was used for induction of dwarf mutants from a native bermudagrass ( Cynodon dactylon ) germplasm. Three dwarf-type mutant lines (7-9, 10-5 and 10-12) were isolated from 3000 irradiated stolons. The data from 3-year greenhouse tests and 2-year field tests indicated that the dwarf mutant lines had lower canopy height, shorter internodes and shorter leaves. The line 7-9 had a similar turf coverage rate to the wild-type control, while the lines 10-5 and 10-12 had a slower turf coverage rate than the wild-type control. Under drought stress, all three dwarf mutant lines maintained higher relative water content and lower ion leakage than the wild type in the greenhouse tests. The field tests showed that the dwarf mutant lines had lower leaf firing during a progressive drying of soil. Our results indicated that bermudagrass mutants induced by gamma radiation exhibited dwarf characteristics and improved drought resistance, which was probably associated with unbalance of plant hormones in vivo .     

甘蔗与蔗茅杂交亲本及后代材料的抗旱性鉴定

研究旨在筛选出优良抗旱育种材料,为今后甘蔗抗旱育种和抗旱栽培技术提供重要的理论依据。采用盆栽干旱处理,测定蔗茅野生种无性系、甘蔗栽培品种（系）及其杂交后代共12份材料苗期与抗旱相关的8项生理生化指标,利用极点排序法对供试材料的抗旱性进行了综合评价。结果表明：干旱胁迫下,12份供试材料的Pro、MDA、SS及PMP均呈上升趋势,SP、Chl和SOD活性呈下降趋势,CAT活性有升有降。极点排序法分析表明,12个供试材料的抗旱强弱为：‘蔗茅99-2’>‘蔗茅99-1’>‘蔗茅99-4’>‘蔗茅I91-8’>‘蔗茅99-3’>‘蔗茅90-29’>‘滇蔗01-58’>‘滇蔗04-14’>‘滇蔗02-39’>‘蔗茅II91-2’>‘新台糖10’>‘崖城89-9’,说明蔗茅优质抗旱性状可以通过基因渗透方式传递给后代。在苗期干旱胁迫下,‘蔗茅99-2’在渗透调节等方面表现出积极的生理响应。     

湖南水稻干旱评估方法研究

为了探讨双季早稻、双季晚稻、一季稻干旱影响定量评估方法,统计各熟制水稻各生育期综合气象干旱指数、水分亏缺指数与水稻受旱率、成灾率、单位面积粮食减产量的相关,分析各熟制水稻干旱影响敏感期;基于相关系数,定量计算综合气象干旱指数、水分亏缺指数组合成综合评估指标所占的权重,组建各熟制水稻旱情综合评估指标;基于各熟制水稻旱情综合评估指标,结合抗旱能力,通过多元回归建立各熟制水稻受旱率、成灾率、单位粮食减产量评估模型。结果表明：（1）湖南季节性干旱特征明显,对于双季晚稻,各生育期干旱出现频率基本接近,干旱影响期为返青分蘖期和幼穗形成期;双季早稻、一季稻各生育期干旱出现频率差异较大,以水稻生长后期干旱出现频率高,而水稻干旱影响敏感期也在水稻生长后期。（2）双季早稻干旱灾害评估模型历史同级拟合率平均为77.6%,级差一级以下的拟合率为91.1%;双季晚稻同级拟合率为70.9%,级差一级以下的拟合率为83.0%;一季稻同级拟合率为61.8%,级差一级以下的拟合率为84.5%。基于降水、需水、可供水等因子建立水稻干旱灾害评估模型,物理意义清楚,准确率较高,可为水稻干旱影响定量评估提供技术支持。     

不同基因型小麦对干旱胁迫响应的差异研究

采用PEG 6000模拟干旱试验和干旱棚试验,研究10个不同基因型小麦对干旱胁迫的响应。结果表明,不同基因型小麦的抗旱性表现时期有差异,同一基因型品种在不同抗旱指标上表现不完全一致。抗旱萌发较好的品种是济宁16和蘅观35,发芽势和发芽率均较高,发芽速度快。豫农949在幼苗生长期抗旱性表现比较突出,苗高、叶数、地上部分干重、根干重、叶绿素含量、脯氨酸含量等指标都比较高。干旱胁迫下单株产量最高的是南阳996,其次是豫农949。用综合抗旱系数评价小麦的抗旱性,南阳996的综合抗旱系数最高,与产量的表现吻合。     

马铃薯StIgt基因家族的鉴定及其对干旱胁迫的响应分析

干旱胁迫是影响马铃薯产量和品质的主要非生物胁迫因素之一。马铃薯在抵御干旱胁迫的过程中,根系的生长发育和构型分布发挥着重要作用。Igt基因家族是普遍存在于植物中的一类功能基因,在调控植物根系构型和提高植株抗逆性等方面效果显著。本研究以马铃薯双单倍体‘DM-v4.03’高质量基因组为参考,在全基因组范围内分析鉴定了StIgt基因家族的成员,并采用多种生物信息学软件对其进行了系统进化树构建、染色体定位、保守蛋白结构域、基因结构和顺式元件预测。同时,利用本课题组前期对马铃薯四倍体品系在不同干旱条件下的转录组测序结果,分析了StIgts响应干旱胁迫的表达谱。结果表明,在马铃薯中共鉴定获得10个StIgt家族成员,其中StIgt1由本课题组前期克隆获得。除StIgt1位置信息不明外,其余基因不均匀地分布在1、2、5、7、10和11号染色体上。StIgt家族蛋白长度为110~283个氨基酸,分子量介于13.136~32.542 kD之间,预测等电点为3.82~9.86。系统进化树分析发现,该基因家族可分为3个亚族,亚族间的基因结构、蛋白保守域和顺式作用元件差别明显。干旱胁迫下的表达谱分析表明,StIgt6、StIgt7、StIgt9和StIgt10响应早期干旱胁迫,在干旱2 h时即迅速上调表达。这些结果为阐明StIgt基因家族的进化关系和进一步研究其成员的功能特性提供了理论基础。     

谷子丙酮酸磷酸双激酶基因(SiPPDK1)对非生物逆境的响应

通过序列比对在谷子基因组中鉴定出一个PPDK基因,命名为Si PPDK1。为揭示该基因对逆境胁迫的响应,本研究通过对Si PPDK1的基因结构、蛋白特征、功能、启动子区域顺势元件、亚细胞定位、进化特征等进行了系统的分析和预测。荧光实时定量PCR检测了该基因在苗期不同逆境、关键生育期干旱以及不同光照条件下的表达。结果表明该基因位于谷子9号染色体,含有17个内含子,有2个可变剪切。功能域分析和多序列比对发现Si PPDK1蛋白具有非常保守的序列结构,并且与其它植物PPDK蛋白非常相似。q RT-PCR表达谱分析表明Si PPDK1基因在苗期被PEG、ABA、Na Cl和低温胁迫强烈诱导。进一步研究表明Si PPDK1基因在拔节、抽穗和灌浆期干旱和不同光照强度条件下均参与了对干旱和光照的胁迫响应,推测该基因参与了谷子对非生物逆境的应答,尤其在抽穗期干旱和光照胁迫应答中起重要作用。     

PEG模拟干旱胁迫对不同抗旱性玉米品种苗期形态与生理特性的影响

为探讨玉米（Zea mays L.）苗期对水分亏缺的响应机制,以抗旱性具有显著差异的2个玉米品种为材料,使用PEG-6000溶液模拟不同强度的干旱胁迫,对逆境中玉米苗期的形态及生理生化特性进行分析。结果表明：干旱胁迫后抗旱性强的成单30的株高、叶面积、根长及根重呈上升趋势,抗旱性弱的金玉306呈下降趋势;干旱胁迫使成单30的地上部干重、根重和干物重等生物产量增加,而金玉306的各生物产量逐渐下降;干旱胁迫导致玉米的丙二醛含量升高,细胞膜稳定性下降,成单30的变化幅度比金玉306小;干旱胁迫使玉米的叶绿素a/b比值及叶绿素含量下降,类胡萝卜素含量增加;成单30的可溶性糖及可溶性蛋白含量在干旱胁迫后变化不显著,而金玉306在后期才出现显著变化;干旱胁迫后,成单30与金玉306的脯氨酸含量均极显著增加;干旱胁迫使玉米的超氧化物歧化酶、过氧化物酶及过氧化氢酶活性提高。这些结果说明不同抗旱性玉米品种的抗旱机制存在一定差异。     

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。     

甜菜MYB转录因子生信分析及种子萌发期差异表达

本研究旨在了解干旱环境下甜菜MYB基因家族的表达模式。主要研究方法为对利用15%PEG模拟的干旱胁迫处理试验组和蒸馏水对照组萌发期甜菜的转录组进行了高通量测序。结果表明，共获得79个MYB转录因子，其中42个在干旱胁迫下差异表达，氨基酸序列分析表明，甜菜萌发期 MYB 转录因子含有 8个保守元件，8个保守元件的结构域所含有的氨基酸位点数量不一致，推测与相应的DNA分子进行结合和行使功能有关。本研究通过对萌发期甜菜应答干旱胁迫的MYB 基因分析，为甜菜抗干旱胁迫育种提供基因资源和理论基础。