作物耐旱基因的表达特性及遗传工程研究

干旱会限制作物生长及产量形成,并引起作物体内一系列生理生化反应。作物耐旱性是多基因控制的复杂数量性状,为了应对水分缺失,作物体内形成多条信号途径,并在形态、生理和分子水平上适应干旱。受到干旱胁迫后,作物通过激活相关转录因子来调控相应下游基因的表达,并且通过转录后调控和渗透调节来适应干旱,维持正常的生理活动和代谢活动,减少干旱胁迫对植物的伤害。逆境也会诱导小RNA的产生,其通过诱导目的基因mRNA的降解以及阻止翻译过程去调控靶基因,达到耐胁迫逆境的作用。耐旱相关基因的遗传工程对作物在非生物逆境下的正常生长非常重要,总结了干旱响应机制所涉及的基因的功能及利用情况,以期为耐旱育种提供参考依据。     

籼稻寒胁迫诱导基因5'-UTR模体鉴定

非生物胁迫因子对植物的生长和发育具有较大影响,植物在长期进化过程中,逐渐形成了应对非生物胁迫的应答机制.研究表明,转录后水平调控与植物对非生物胁迫的应答机制有密切关系.mRNA的5'-UTR区域有许多转录后调控元件能够影响mRNA的丰度.本试验比较了籼稻寒胁迫及非胁迫诱导基因之间的5'-UTR序列特点,并用富集法对寒胁迫和非胁迫诱导基因的序列进行分析,在籼稻中鉴定出了5个寒胁迫诱导基因特有的模体.对这些模体的功能进行深入分析,有助于揭示寒胁迫诱导基因的表达调控机制.     

非生物逆境锻炼提高作物耐逆性的生理机制研究进展

非生物逆境（如,高温、低温、干旱、渍水胁迫等）是限制作物产量提升的重要因子,并且非生物逆境发生的频率、程度以及持续时间随着全球气候变化呈显著上升趋势。因此,提高作物对非生物逆境的抗性,或采取缓解措施降低非生物逆境对作物产量和品质形成的不利影响,对于确保作物稳产及粮食安全有重要意义。逆境锻炼（priming）是指植株经过前期适度的逆境处理后,对再次发生的逆境胁迫表现出较强的抗/耐性,也称为逆境胁迫记忆。与未经过锻炼植株相比,经过锻炼植株的信号调控物质、次级代谢产物、胁迫保护性物质等可以更快、更有效地对再次发生的逆境胁迫产生响应,从而增强植株耐逆性。根据再次逆境发生的类型及时间,逆境锻炼主要包括当代同种逆境锻炼效应（锻炼阶段的逆境和再次发生的逆境是同一种）、当代交叉逆境锻炼效应（锻炼阶段的逆境和再次发生的逆境不是同一种）、跨代同种逆境锻炼效应（经过逆境锻炼的种子在子一代或子几代的同种逆境锻炼效应）、跨代交叉逆境锻炼效应（经过逆境锻炼的种子在子一代或子几代的交叉逆境锻炼效应）四大类型。本文重点围绕高温锻炼、低温锻炼、干旱锻炼及渍水锻炼介导的上述四大类型锻炼效应的生理机制进行了综述,生理机制主要包括植株光合机构响应机制、抗氧化系统在清除活性氧减轻对细胞膜脂过氧化伤害机制、胁迫诱导的信号物质（激素类物质、Ca²⁺、过氧化氢、一氧化氮等）在诱导下游基因表达及生理生化过程机制。此外,表观遗传修饰如DNA甲基化、组蛋白修饰为长期甚至传代胁迫记忆提供了潜在机制。对作物逆境锻炼机制的深入解析,可以找到对作物耐逆性获得起关键调控作用的基因和蛋白,这样在作物生产上,我们可以在生育前期,配合外源调控物质诱导起关键作用的基因和蛋白,可通过人为方法提前刺激这种物质在逆境来临之前表达,主动诱导作物对关键时期逆境耐性的形成,从而有效缓解在产量形成关键生育时期发生的胁迫对作物产量的不利影响,因而具有重要的实际生产意义。     

利用基因芯片研究植物非生物逆境响应基因表达的进展

极端温度、干旱和高盐等逆境胁迫影响作物的正常生长,会导致作物大幅度减产。分子遗传和基因组学研究表明,大量基因受到逆境胁迫的诱导,包含转录因子在内的许多信号因子参与了逆境响应。基因芯片能够进行整个基因组范围的基因表达分析,利用基因表达谱分析,结合代谢组学和蛋白组学研究,已在阐明植物抗逆机制和发掘植物逆境胁迫响应相关基因方面取得重要进展。综述利用基因芯片对植物在极端温度、干旱和高盐等非生物逆境胁迫下基因表达的研究进展。     

水杨酸调控作物耐盐性生理机制

盐胁迫严重限制作物生长和产量。水杨酸是一种植物激素,对植物生长发育和抵御逆境胁迫具有重要作用。文章综述植物体内水杨酸合成代谢途径,水杨酸有效性影响因素及调控作物耐盐生理机制,包括诱导抗氧化防御系统,降低膜脂过氧化;促进光合和呼吸作用;调控离子吸收与分布,缓解离子毒害;调控物质代谢,改善营养状况;与其他激素或信号物质间交叉对话。同时提出相关领域研究重点。     

植物抗旱功能基因研究进展

干旱严重影响植物生长发育甚至降低作物产量、品质。为了应对干旱胁迫,植物体内会有大量基因被诱导表达,以便适应或抵御干旱胁迫,其中功能基因是干旱胁迫调控通路的终端,直接起保护作用。功能基因主要包括渗透调节物质合成相关基因、活性氧清除相关基因、直接保护细胞免受水分胁迫伤害的蛋白基因等。本文从上述三方面综述了植物抗旱功能基因的研究进展,为通过基因工程技术改良植物抗旱性、培育抗旱品种奠定基础。     

玉米泛素连接酶U-box基因家族的全基因组鉴定及表达分析

[目的]U-box基因家族广泛存在于植物基因组中,能够编码泛素蛋白酶体系中特异性识别底物的泛素E3连接酶,调控蛋白的修饰和降解,对玉米的生长发育及逆境胁迫应答调控中起着重要作用,因此鉴定玉米U-box基因家族成员及进行基因功能研究具有重要意义.[方法]通过玉米全基因组数据库,利用一系列生物信息学工具对玉米U-box基因...     

谷子SnRK2家族基因的生物信息分析

[目的]植物SnRK2是一类蔗糖非酵解型蛋白激酶,在信号转导和非生物胁迫及生长发育中具有非常重要的作用。[方法]本文利用生物信息学的方法从谷子基因组中分析鉴定出10个SnRK2基因,并对这些基因的染色体分布、理化性质、内含子-外显子结构、系统进化和顺式调控元件进行了分析。[结果]谷子的SnRK2基因分布在基因组中不同的染色体上,外显子数目大多为9个。这些基因被分为3个亚组,且与拟南芥和水稻的分类一致。而且,这些基因的上游启动子序列含有多个不同的激素和非生物逆境应答顺式元件,这说明它们在逆境应答和激素信号转导中具有一定的功能。[结论]本文为进一步研究谷子SnRK2基因在非生物胁迫和激素应答中的作用奠定了基础。     

大白菜COBRA基因家族鉴定及其低温胁迫表达分析

【目的】鉴定大白菜COBRA基因家族成员,分析基因在低温胁迫下的表达并预测基因功能。【方法】利用生物信息学方法对大白菜的COBRA基因家族进行鉴定,并对基因结构、系统进化、启动子元件和表达模式进行分析。【结果】大白菜COBRA基因家族包含23个成员,命名为BrCOBL1～BrCOBL23,分布于大白菜基因组的8条染色体上,根据基因序列特点将其分为2个亚族。大白菜与同属于十字花科的拟南芥、甘蓝型油菜、甘蓝和芥菜基因组中共鉴定出147个COBRA基因,系统进化树分析表明以上COBRA基因家族成员可聚为8个亚组。基因表达分析显示：低温胁迫下,大白菜BrCOBL1、BrCOBL2、BrCOBL15和BrCOBL16的表达量显著升高。【结论】COBRA蛋白序列含有共同的保守基序,且某些基序特异存在于不同的亚族,表明这些基序可能与各亚族的功能分化有关。根据启动子分析结果推测BrCOBL基因可能参与大白菜的非生物胁迫响应及激素应答调控。     

基因编辑技术及其在作物育种中的应用与安全管理

基因组编辑技术是研究基因功能和对生物体基因进行定向改造的有力工具。随着近几年CRISPR/Cas9技术的快速发展,基因组编辑技术在作物育种领域起着越来越重要的作用。介绍了ZNFs、TALENs和CRISPR/Cas9系统的原理及在作物育种领域的研究进展,重点论述了CRISPR系统相关的变体和该系统在植物基因功能研究和作物育种中的进展。同时,也论述了基因编辑作物的检测方法及不同国家和地区对基因编辑作物的监管态度,重点介绍了美国、欧盟以及我国目前的监管态度,并分析了基因编辑作物存在的问题和发展趋势。为我国基因编辑作物的研究、安全管理和商业化批准提供了参考。     

基因编辑CRISPR/Cas9技术在农业领域的应用

CRISPR/Cas9系统通过靶向突变对植物基因组进行编辑,是研究基因功能和作物改良的第三代基因编辑工具。本文介绍了CRISPR/Cas9打靶系统基本结构、工作原理,并展示了其在作物基因功能研究和品质改良中的应用前景。     

棉花GhSRK2D基因的分子克隆及其功能分析

SnRK2类蛋白激酶在植物抵御非生物胁迫上起到非常重要的作用,可将其作为候选基因,通过转基因方式对作物进行耐旱性改良。 本研究利用RACE PCR技术从陆地棉分离到一个SnRK2同源基因GhSRK2D。生物信息学分析表明GhSRK2D属SnRK2sⅢ亚家族;GhSRK2D蛋白含有N 豆蔻酰化位点,跨膜结构域和5个核心的丝氨酸残基位点;另外, GhSRK2D蛋白的C末端保守结构也包含Osmotic Box、SnRK2 Box 和 ABA Box。 Southern杂交分析GhSRK2D基因在Y18生态型棉花基因组中含有两个拷贝;Real time PCR分析显示GhSRK2D在棉花不同组织器官中均有表达,在叶器官中表达量最高;且受ABA、高盐、高渗（甘露醇）及低温胁迫的诱导。这些结果预示了棉花GhSRK2D基因可能在非生物胁迫逆境下参与抗逆相关生理过程发挥重要作用。     

巴西橡胶树乙醇酸氧化酶HbGOX1基因的鉴定与表达分析

光呼吸途径是植物中重要的反应途径,它通过消耗光合作用产物影响作物的产量。乙醇酸氧化酶是该途径的关键调控酶,在橡胶树中尚未见研究报道。本研究分离和鉴定橡胶树HbGOX1基因的全长cDNA序列,对其编码的蛋白质进行生物信息学分析,并通过qPCR技术进一步研究HbGOX1基因在低温胁迫下的表达情况。结果发现,该基因受低温胁迫负调控。此结果为进一步揭示橡胶树光呼吸途径在橡胶合成中的作用奠定了基础。     

辣椒CaNRAMP基因家族的鉴定与表达分析

为了初步研究辣椒(Capsicum annuum L.)NRAMP家族基因在重金属镉胁迫下的表达情况,通过生物信息学方法从辣椒基因组中鉴定出NRAMP基因,并对这些基因的序列结构、系统进化树、表达谱等进行系统分析。结果表明,辣椒中含有5个具有典型NRAMP结构域的基因,根据其在染色体上的位置,分别将其命名为CaNRAMP1～CaNRAMP5,根据系统进化分析,将辣椒的NRAMP基因分为2类,Ⅰ类包含2个基因(CaNRAMP1、CaNRAMP3),分别含有10、12个内含子,Ⅱ类包含3个基因(CaNRAMP2、CaNRAMP4、CaNRAMP5),均含有3个内含子。基于基因组织表达模式的分析结果表明,CaNRAMP1在不同组织中均未检测到其表达;CaNRAMP5的表达集中在花器官,其余CaNRAMP基因均有不同的表达模式;通过逆转录定量PCR(qRT-PCR)分析发现,辣椒苗期中的叶片经过镉处理后,CaNRAMP3基因呈明显上调的趋势,参与镉胁迫反应的正向调控,其他基因则不参与镉胁迫反应的调控。研究结果为进一步分析辣椒NRAMP基因家族的功能奠定了基础。     

抗旱相关基因及其遗传工程

干旱是影响全球生态的重要因子,文章综述了转录调控因子和转录后RNA/蛋白修饰因子两类抗旱相关基因及其在耐旱性遗传改良中的应用。其中,胁迫应答的转录调控因子包括脱水响应因子(DRE)、锌指蛋白(ZFP)、核因子(NF-Y)和WRKY转录因子;转录后RNA/蛋白修饰因子包括蛋白的法尼基化、蛋白磷酸化和蛋白的聚ADP核糖基化作用。这些基因中有的已克隆并通过生物技术手段转入作物中,靶基因的表达提高了作物的抗旱性及产量。     

NPR1(nonexpresser of pathog-enesis-related genes)调控植物抗病机制的研究进展（英文）

NPR1是不同形式抗病转导途径中的交叉点之一,在系统获得抗性和诱导系统抗性中起着核心调控作用,是组成型抗性和由抗病基因决定的抗性的重要调控因子。该对目前NPR1基因及其类似物的抗病作用机制进行了完整的阐述,对NPR1转基因作物的研究现状和研究进展做了较为系统的论述,并对NPR1转基因作物的应用前景进行了展望。     

植物DREB转录因子研究进展

DREB转录因子是重要的转录因子之一,在调控与逆境相关基因的表达、提高植物对逆境胁迫适应性中发挥重要作用.文章综述DREB转录因子的克隆、结构特点、表达、与植物逆境胁迫的关系、信号传导及在植物抗逆基因工程中的应用等的研究进展,指出该领域研究存在的问题如:其他多个逆境条件下DREB类转录因子的研究、受DREB直接调控的基因的特点及其调控机制、DREB自身和结构调控及其调控基因形成的表达调控网络,今后须针对这些问题进行深入研究,为提高作物抗逆性和选育抗逆作物品种奠定基础.     

闽楠bZIP基因家族的鉴定与表达分析

【目的】基于闽楠全基因组数据对bZIP(碱性亮氨酸拉链)基因家族进行鉴定,并研究其在闽楠根系水分胁迫下的作用,确定关键调控基因。为进一步探究闽楠根系抵御逆境胁迫的分子机制提供了参考。【方法】利用生物信息学方法进行系统进化、保守基序、基因结构、启动子顺式势作用元件以及蛋白互作分析,并通过qRT-PCR验证基因在水分胁迫下的表达模式。【结果】在闽楠基因组中共鉴定出52个bZIP转录因子,划分为10个亚家族;顺式作用元件分析表明,PbbZIP可能响应光照、生物与非生物胁迫以及生长发育等生物学过程;转录组数据分析显示,PbbZIP15在干旱/水涝胁迫下的表达量较高,PbbZIP40在干旱胁迫下的表达量较高;qRT-PCR验证结果与转录组数据基本一致。【结论】PbbZIP15和PbbZIP40是调控闽楠根系水分胁迫的2个关键基因。     

谷子胁迫诱导型启动子SiRLK35P的分离及生物信息学分析

本研究以谷子"豫谷1号"为材料,结合相关数据库检索,以谷子幼苗提取的基因组DNA为模板,经PCR特异扩增SiRLK35上游1 893 bp调控序列,命名为SiRLK35P。结合PLACE数据库,对SiRLK35P进行生物信息学分析,并对其诱导表达情况进行了预测。结果显示,SiRLK35P中含有ABRELATERD1(ACGT)、GCCCORE(GCCGCC)等多种顺式作用元件,部分元件已知与不同逆境胁迫及应答相关,预测该启动子可能参与谷子胁迫响应,调控下游基因在胁迫等逆境条件下的表达水平,从而对谷子在胁迫下的应答进行调控。该研究为定向改良谷子抗逆特性、培育谷子抗逆新品种提供了候选材料。     

作物耐低氮机制的研究进展

氮(N)是作物的主要营养来源,低氮会限制作物的生长和产量,而过多的氮肥施用虽然在一定程度上能够提高作物产量,但也会造成氮肥利用效率低及资源浪费。开发具有较高的低氮(LN)耐受性或氮利用效率(NUE)的作物品种,对于农业可持续发展至关重要。本文主要从作物对氮的吸收、低氮对作物生长和作物产量的影响、作物对低氮环境的适应机制、耐低氮基因型筛选、氮高效基因的研究进展5个方面综述作物对低氮的应答机理。耐低氮基因型作物主要通过改变根部性状(如更多侧根、增大根表面积等),调控相关的代谢酶(如硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶)及褪黑素等表型和生理活动调节,以改变其代谢所需能量,从而适应低氮胁迫。此外,QTL定位、转录组学、全基因组关联分析等挖掘出一系列与氮高效利用相关的基因(如OsNIGT1、GLN1.3、NRT1.1、ZmNAC36、BnaA04g07450等),为进一步作物耐低氮分子育种提供理论参考。