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AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因的鉴定及功能性研究

液泡是调控植物细胞分化、生长发育的重要部位, AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因调控植物液泡内外离子平衡、离子运输以及能量供应。本研究利用功能已知的拟南芥AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因为参考序列在甘蓝型油菜全基因组数据库、NCBI植物基因组注释数据库等鉴定并筛选出9个BnaAVP1、3个BnaVHA-a2和4个BnaVHA-a3,并分析基因拷贝数变异、分子特征、跨膜结构域、保守基序、染色体定位、系统进化树构建、蛋白二级结构及三维结构预测、高通量转录组测序等。发现甘蓝型油菜BnaAVP1和BnaVHA-a3的基因数量明显多于甘蓝和白菜;甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3蛋白属于由酸性氨基酸组成的稳定蛋白;系统进化选择能力的分析表明,甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3家族基因与甘蓝、白菜关系相近。转录组测序表明,低氮处理后,BnaAVP1s基因主要在地上部表达,且低氮3 h后地上部表达下调,低氮处理72 h根中表达量上调; BnaVHA-a2s和BnaVHA-a3s基因在地上部和根中均有表达, BnaVHA-a2s在低氮处理72 h后表达量基本呈上调趋势, BnaVHA-a3s在低氮3 h后基本呈下调趋势。低磷处理后,BnaAVP1s根中大部分基因表达上调,地上部表达基本无差异;BnaVHA-a2s表达基本无差异;BnaVHA-a3s地上部和根中均基本为上调趋势。该结果为进一步研究甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因生物学功能及AVP1、VHA-a2和VHA-a3蛋白水解ATP提供能量供植物代谢的分子机制奠定基础,为已知大量数据的其他物种家族基因生物信息学研究提供参考。     

油菜脯氨酸代谢基因家族的生物信息学分析与核心成员鉴定

脯氨酸积累是植物在生物和非生物胁迫下的一种重要的代谢适应性机制。吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)、吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)酶、脯氨酸脱氢酶(PDH)、吡咯啉-5-羧酸脱氢酶(P5CDH)是依赖谷氨酸的脯氨酸生物合成途径中的关键酶。油菜是世界上重要的油料作物,在油菜生长发育过程中,其时常遭受各类生物和非生物胁迫。然而迄今为止,在异源四倍体油菜中缺乏关于这些脯氨酸代谢基因家族的系统分析报道。本研究利用甘蓝型油菜‘中双11’基因组注释信息,分别鉴定到上述10个BnaP5CSs、6个BnaP5CRs、8个BnaPDHs以及3个BnaP5CDHs基因。这些基因家族在系统发育上分为不同的进化分支,同一亚组中的成员具有相似的理化特性、基因/蛋白质结构和保守的基序。进化压力分析表明,这些基因均遭受了强烈的纯化选择。启动子区的顺式作用元件分析揭示了油菜上述4类基因家族之间均存在共同的和特异的转录调控机制。本研究分别对‘中双11’油菜幼苗进行盐胁迫、低钾、低磷以及铵毒胁迫处理,分别取地上部及根部进行转录组测定与分析。结果显示,脯氨酸合成相关基因的表达水平在上述4种胁迫下普遍上调,而调控脯氨酸降...     

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。     

油菜盐胁迫响应miRNA及其靶基因鉴定

油菜是世界上重要的油料作物之一,然而土壤盐胁迫严重抑制油菜的生长发育和籽粒产量.前人研究表明,在盐胁迫下,植物通过表达一些miRNA,并调控其靶基因的表达,进而提高植物自身的盐胁迫抗性.本研究分别在200 mmol·L-1 NaCl处理(T)和对照(C)条件下培养油菜,取其地上部(S)和根(R)构建了12个小RNA文库...     

甘蓝型油菜PIN家族基因的鉴定与生物信息学分析

PIN家族基因是一类调控植物生长素极性运输的重要载体元件, PIN基因编码生长素输出蛋白, 介导生长素在植物体的运输, 然而在基因组较复杂的甘蓝型油菜中缺乏系统研究。本研究运用生物信息学方法在甘蓝型油菜全基因组数据库筛选甘蓝型油菜PIN家族基因, 对鉴定出的29个BnPINs基因开展拷贝数变异、分子特征、跨膜结构域、保守基序、染色体定位、系统进化树构建、PIN蛋白二级结构及三级结构预测等研究, 结合高通量转录组测序进行低氮胁迫下的转录水平分析。结果表明, 甘蓝型油菜PIN家族基因拷贝数明显多于拟南芥、甘蓝和白菜所具有的PIN家族基因数量; BnPINs蛋白多属于由碱性氨基酸组成的稳定蛋白, 含有保守的N末端结构域, 二级结构与拟南芥PIN蛋白相似; 系统进化选择能力分析表明, BnPINs基因与甘蓝和白菜PIN家族基因进化关系相近。转录组测序表明, BnPIN1s、BnPIN2s、BnPIN3s基因主要在甘蓝型油菜根部表达且受长期低氮(72 h)诱导, BnPIN6s和BnPIN8s基因主要在地上部表达, 低氮会抑制BnPIN6s表达。本研究结果为进一步研究甘蓝型油菜PIN家族基因生物学功能尤其是在响应低氮胁迫中的功能奠定基础, 为已知大量数据的其他物种家族基因生物信息学研究提供参考。