植物液泡膜H+-ATPase和H+-PPase研究进展

植物液泡膜 ATP 酶（H+-ATPase）和液泡膜焦磷酸酶（H+-PPase）是液泡膜上两个含量丰富的蛋白，其功能的正常发挥在植物生长发育过程中扮演着重要角色。液泡膜 H+-ATPase 和 H+-PPase 水解底物释放能量，同时产生大量 H+由胞质泵入液泡内，形成细胞质与液泡间的 H+ 电化学势梯度，为多种溶质分子的跨膜主动运输提供驱动力，维持细胞内的离子稳态和渗透平衡，为细胞内各种生理生化反应的正常运行提供保障。此外，液泡作为植物细胞离子养分的储存库，其膜上 H+-ATPase 和 H+-PPase 能够通过改变其活性来调控硝酸盐在胞质和液泡间的分配比例，进而影响植物的氮素利用效率。在逆境胁迫条件下，提高液泡膜 H+-ATPase 和 H+-PPase 的活性有利于提高植株对逆境的适应能力，从而减少逆境胁迫对植株生长发育造成的不利影响。介绍了植物液泡膜 H+-ATPase 和 H+-PPase 的结构特征及其在植物生长发育过程中的生理功能，并对其在植物抵御非生物逆境胁迫过程中发挥的重要作用进行阐述，为进一步提高作物的氮素利用率及逆境适应能力提供方向。     

CACTFTPPCA1 (YACT)、Dof (AAAG)、MYB可能参与甘蓝型油菜对氮胁迫的响应

  【目的】  油菜需氮量高但氮素利用率低，氮素源库分配效率被认为是调控植物氮素利用效率的关键因子。在拟南芥中，NRT1.7基因介导了植物韧皮部硝酸盐由衰老叶片向幼嫩叶片和角果中的再转运过程。通过分析鉴定油菜中的NRT1.7基因及其对供氮水平的响应，为进一步系统研究NRT1.7基因提供参考依据。  【方法】  以AtNRT1.7基因序列为基础序列，采用生物信息学方法鉴定了白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中NRT1.7的同源基因，预测和分析了该基因拷贝数、系统进化、进化选择压力、分子特征、保守基序、跨膜结构域、染色体定位、基因结构及其启动子区域所能结合的顺式作用元件，同时采用荧光定量PCR分析了甘蓝型油菜BnaNRT1.7s的组织表达模式及其对氮胁迫的响应。氮素响应试验以甘蓝型油菜幼苗为材料，在NO₃?-N 9.0 mmol/L溶液中培养10天后，直接测定NRT1.7基因表达量；转入NO₃?-N 0.3 mmol/L 溶液中 (低氮胁迫) 或在无氮溶液中饥饿处理3天后，恢复NO₃?-N 9.0 mmol/L 溶液培养，再测定NRT1.7基因表达量。  【结果】  甘蓝型油菜NRT1.7s家族包含6个成员，系统进化分析表明BnaNRT1.7s与拟南芥进化相似，分布在相近的分支。BnaNRT1.7s家族所有基因成员的Ka/Ks值均小于1.0，受到强烈的纯化选择作用。BnaNRT1.7s家族所有基因成员均属于稳定的两性蛋白，含12～13个跨膜结构域。基因结构相似，均含有3个内含子，且CACTFTPPCA1 (YACT)、Dof (AAAG)、MYB是启动子上丰度较大的顺式作用原件，可能参与了植物对氮素的响应。实时荧光定量PCR结果表明，甘蓝型油菜中NRT1.7基因会受到不同氮素水平的调控。长期 (72 h) 低氮处理，根部BnaA7.NRT1.7b和BnaC6.NRT1.7b基因的表达上调而抑制地上部BnaCn.NRT1.7基因的表达，共同调控植物对低氮胁迫的适应能力。氮饥饿3天后供氮6 h，地上部和根部BnaNRT1.7的基因表达均受到抑制。基因共表达网络分析显示，低氮胁迫下，BnaCn.NRT1.7和BnaC6.NRT1.7b基因分别在地上部和根部氮素再分配中起主导作用。  【结论】  甘蓝型油菜NRT1.7蛋白进化过程相对保守，基因结构相似，启动子上的顺式作用原件CACTFTPPCA1 (YACT)、Dof (AAAG)、MYB可能参与了甘蓝型油菜对氮胁迫的响应。     

甘蓝型油菜NRT1.5和NRT1.8家族基因的生物信息学分析及其对氮-镉胁迫的响应

植物对硝酸盐的吸收和转运需要硝酸盐转运体(nitratetransporters,NRTs)的协助。在拟南芥中,硝酸盐的长途转运及其在根部和地上部的分配,主要受NRT1家族的两个成员NRT1.5和NRT1.8的协同调控,且两者的表达均受到硝酸盐的强烈诱导。本文以AtNRT1.5和AtNRT1.8基因序列为基础序列,采用生物信息学方法鉴定了白菜、甘蓝和甘蓝型油菜中NRT1.5和NRT1.8同源基因,并对基因结构和分子特性、基因拷贝数变异、基因染色体分布、系统进化树、蛋白保守序列比对和跨膜结构域、基因响应低氮和镉胁迫的转录组测序以及基因共表达网络进行了分析。结果表明,白菜、甘蓝及甘蓝型油菜中NRT1.5和NRT1.8蛋白均含有保守的跨膜结构域和保守基序(F-Y-L-A-L-N-LG-S-L),属于MFS (major facilitator superfamily)超家族的小肽转运体PTR (peptide transporter)家族。转录组测序结果表明,甘蓝型油菜低氮处理72 h,根部NRT1.5基因的表达丰度上调而抑制NRT1.8的表达;镉处理条件下,乙烯/茉莉酸-硝酸盐转运体介导的信号途径能够促进NRT1.8表达上调而抑制NRT1.5的表达,从而使更多的硝酸盐从地上部运输到根部,提高植物抗镉胁迫的能力。本研究为进一步了解甘蓝型油菜NRT1.5和NRT1.8家族基因的生物学功能及其对氮-镉胁迫的响应奠定基础,同时为NRT1.5和NRT1.8家族基因在其他物种中的生物信息学研究提供参考。