番茄SlMAPK9-2基因分离及表达分析

促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号途径在植物生长发育以及多种逆境胁迫响应和激素调控过程中发挥着至关重要的作用。为了研究MAPK基因的结构和功能,利用生物信息学分析以及PCR扩增方法从番茄中分离了1个新的MAPK基因,克隆其c DNA全长序列,命名为Sl MAPK9-2;利用NCBI数据库Blast P工具和在线软件MEME分析发现其具有MAPK保守的结构域和保守基序。系统进化树分析显示Sl MAPK9-2属于D组MAPK,与茄科植物马铃薯和烟草MAPK9位于同一进化树分支。利用数据库PGDD分析发现,Sl MAPK9-2与Sl MAPK16以及Pm MAPK9之间发生了大片段复制事件,且2个基因对的Ka/Ks均小于1,说明经历了达尔文纯化选择。实时荧光定量PCR分析发现,Sl MAPK9-2在不同组织器官中均有表达,在开放花中表达量最高。非生物逆境(高温和盐胁迫)和外源激素(脱落酸和水杨酸)处理可以显著改变Sl MAPK9-2的表达水平。启动子预测分析也发现,Sl MAPK9-2启动子区含有大量响应病原菌、激素、高温及脱水的顺式作用元件。综上,Sl MAPK9-2可能在番茄逆境胁迫应答中发挥重要调控作用。本研究为进一步探索Sl MAPK9-2的生物学功能及作用机制奠定了基础。     

基因组学在作物抗逆性研究中的新进展

自然环境中各种生物和非生物胁迫是影响作物产量的巨大威胁。随着现代分子生物学的发展,从分子水平研究作物抵御逆境的机理已成为生态农业研究的一个重要任务,分子遗传学与生态学的整合诞生了生态基因组学即用基因组学的技术和手段研究生态学领域的问题。基因组学按其研究内容分为功能基因组学、结构基因组学和比较基因组学,本文从这3方面分别阐述了作物抵抗生物胁迫和非生物胁迫的生态基因组学研究进展,总结了基因组学在植物抗逆性研究中的一些新技术和新手段,特别是基于近几年发展起来的二代深度测序所带来的一系列高通量的检测方法与结果。①功能基因组学包含转录组学、表观遗传学、蛋白组学、相互作用组学、代谢组学和表型组学,本文侧重从植物抗逆的功能基因表达水平上的研究展开,重点探讨了转录组学和表观遗传学在植物抗逆研究的新进展,介绍了一些转录组学和表观遗传学研究技术,如基因芯片技术、RNA测序技术、SAGE、cDNA-AFLP、SSH、亚硫酸盐法、ChIP-Chip、ChIP-seq等;例举了一些转录因子基因家族在植物抗逆反应中的作用,总结其作用共性,结果表明不少抗逆基因受到胁迫后基因转录激活上有一定相关性,大多受激素信号转导途径所调控,很多抗逆途径最终都涉及到ABA信号传导通路并与衰老相关;植物的抗逆性受多个信号通路调控,对同一逆境响应常常需要不同的转录因子共同参与,而同一转录因子也有可能参与2个以上的不同抗逆反应;表观遗传学则指在不改变基因序列前提下,对DNA甲基化修饰、组蛋白翻译后修饰及小RNA介导的信号传导等,有证据表明其存在遗传印记作用。②结构基因组学主要利用QTL定位和DNA测序技术,确定植物基因组的遗传图谱和物理图谱,二代深度测序平台的建立使许多植物的全基因组测序成为可能。迄今为止,已有超过40种植物完成全基因组测序,越来越多的植物全基因组计划正在实施中或预计实施。③比较基因组学是基于功能基因组学和结构基因组学进而比较不同物种或不同群体间的基因组差异和相关性的研究,可分析逆境响应相关基因在进化过程中及在地理位置分布中的作用和意义,也同时为QTL定位及功能基因组学研究提供丰富信息。此外,还简要介绍并列举了一些网络共享作物抗逆的生物信息资源数据库。虽然基因组学在如何正确处理海量数据等问题上还存在瓶颈,但它提供的大量作物抗逆方面的基因组信息已为植物抗逆研究提供了众多线索与依据,为今后改良作物抗逆性的遗传育种工作带来了新启示。     

F-box蛋白家族在植物抗逆响应中的作用机制

SCF复合体泛素连接酶E3介导的泛素化蛋白降解是翻译后水平上对生命进程进行调控的一个重要方式。它的关键组分F-box蛋白负责识别被降解的靶底物蛋白。植物F-box基因家族成员众多,极具多样性。F-box蛋白N端常含F-box基序,C端常为蛋白互作保守结构域,该结构具多样性,可识别不同底物,是F-box蛋白分类的依据。研究表明,F-box蛋白参与调控植物的许多生命进程,包括抗逆反应。本文就近年来F-box蛋白在植物抗逆反应中的作用机制进行总结。F-box蛋白大多以SCF复合体泛素连接酶E3介导的泛素化蛋白降解目标蛋白的方式调控抗逆反应,也有不依赖形成SCF复合体的方式行使功能,不少F-box蛋白参与了植物激素信号传导,通过调控转录因子活性而改变下游基因的表达,由此影响了植物的抗逆反应。基因表达谱的生物信息学预测表明,大多数F-box基因参与了植物抗逆反应,目前只有其中一小部分已报道了其抗逆调节功能。在此综述了这些F-box蛋白在植物抗逆胁迫中的研究进展。在干旱和盐碱胁迫反应中,F-box基因常通过影响植物激素脱落酸、乙烯等植物激素信号传导而调控抗逆。由于干旱和盐碱胁迫具协同性,不少F-box基因同时参与抗旱和抗盐碱胁迫,但调节方式有所不同,一些F-box基因对抗干旱和盐碱的反应具协同性,从总体上调控植物的渗透胁迫和离子毒害反应;而另一些F-box基因对干旱和盐胁迫反应的调节作用相反,它们可能在植物抗逆的精细调节中起作用。在低温胁迫反应中,F-box蛋白可调节植物抗低温的CBF信号途径。在生物胁迫反应中,F-box基因常通过影响植物激素茉莉酸和水杨酸途径来调控抗病,病原菌也以攻击植物SCF复合体使植物致病。此外,植物激素信号途径之间相互作用,共同影响抗逆反应。     

植物抗旱耐盐基因的研究进展

近几年许多与植物抗旱耐盐相关基因被克隆和分析,同时通过转基因技术将这些基因转到植物中异源表达,能显著提高转基因植物的抗旱耐盐能力。这些基因主要包括渗透调节基因、蛋白类基因（如信号传导中的蛋白激酶基因）及转录因子等。在逆境条件下,渗透调节基因通过合成脯氨酸、甜菜碱、糖类和多胺类等渗透调节物质维持植物中的渗透平衡;蛋白激酶基因产物是细胞信号传导中的组分,这些基因能促进植物对干旱失水反应和逆境信号的传递,启动抗逆基因的表达;转录因子通过与相关基因的特异性结合来调控其表达,进而产生相关调控蛋白等物质增强植物在逆境中的生存能力。本文主要综述了这三类抗逆基因的研究现状及其生物学机理,讨论并分析这些基因在应用中尚待解决的问题,为发掘更多的抗逆性的基因资源和进一步开展分子育种工作提供参考。     

鉴定导致程序性死亡的线性级联信号通路中的三个MAPKKKs

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联通路是真核细胞生物中一种非常古老并且进化高度保守的信号转导机制,普遍存在于多种生物,包括酵母,哺乳动物和植物细胞中。当细胞外刺激作用于细胞时,在细胞内以 MAPKKK-MAPKK-MAPK 为主干,通过多级激酶级联激活MAPK,激活的 MAPK 可通过磷酸化转录因子或多种酶类等底物来参与介导细胞生长、发育、分裂、分化、死亡等多种生理过程。在植物中,MAPK 信号通路与植物对各种生物和非生物胁迫的响应有关,例如植物病原菌的侵染等。     

谷子CIPK基因(Seita.5G145900)对非生物逆境的响应

在谷子基因组中鉴定出一个CIPK(Seita.5G145900,命名为SiCIPK19)基因。为揭示SiCIPK19对逆境胁迫的响应,对其基因结构、蛋白特征、功能、进化等性状进行了系统的分析和预测,并用实时定量PCR(RT-qPCR)检测了其在谷子苗期不同逆境及关键生育期干旱胁迫下的表达。结果表明,SiCIPK19基因位于谷子5号染色体,基因组序列长1 353 bp,编码450个氨基酸,基因无可变剪切,且不含内含子。功能域分析和多序列比对发现,SiCIPK19蛋白具有非常保守的序列结构,与其他植物CIPK蛋白也非常相似。RT-qPCR分析表明,SiCIPK19基因被聚乙二醇6000(PEG 6000)、ABA、高盐和低温胁迫强烈诱导。此外,SiCIPK19基因在谷子拔节期、抽穗期和灌浆期干旱条件下参与了对干旱胁迫的响应,推测该基因参与谷子对非生物逆境的应答,尤其在抽穗期和灌浆期干旱胁迫应答中发挥重要作用。本研究结果为进一步分析CIPK基因逆境应答机制,以及利用基因工程方法改善谷子抗逆性和提高产量提供了理论支持。     

WRKY转录因子表达谱的研究进展

环境胁迫对植物的生长发育造成重大影响,因此,提高植物的抗逆性是农业面临的重要问题。自然界中存在多种抗逆基因,如抗盐基因、抗旱基因、抗寒基因等。利用植物基因工程和分子生物学技术提高植物对逆境的适应性及其抗逆分子机制的研究已成为当今热点。WRKY转录因子是一类参与多种胁迫反应的诱导型转录因子,本文综述了WRKY转录因子家族的结构特点、WRKY转录因子在非生物胁迫（高温、低温、干旱、盐）、外源物质（激素及O3）处理及生物胁迫下的表达模式。各种胁迫下的表达谱均呈现不同特点,这些差异表达可能与它们所行使的不同生物学功能有关。     

水稻1,3,4-三磷酸肌醇5/6-激酶基因OsITL1的克隆、亚细胞定位及表达分析

磷酸肌醇代谢在生物感受胞外刺激及信号转导中起着重要的作用.1,3,4-三磷酸肌醇5/6-激酶（5/6-激酶）是磷酸肌醇代谢过程中很重要的一种酶,它具有肌醇激酶和蛋白激酶的双重功能.我们曾对拟南芥中的5/6-激酶基因AtITL1在逆境胁迫中的功能进行了研究,初步证明该基因与渗透胁迫有关（Chen et al.,2003）,本研究采用电子克隆的方法得到了水稻的5/6-激酶基因OsITL1,并对其亚细胞定位及在逆境胁迫下的表达特点进行了分析.     

WRKY转录因子参与植物非生物胁迫应答的研究进展

WRKY转录因子在植物的非生物胁迫中发挥了重要的调节作用,能够参与多种不同的信号途径,功能具有多样性。WRKY蛋白除具有高度保守的WRKYGQK基序外,通常还具有Cys2His2或Cys2His-Cys型锌指结构,它通过与靶基因启动子中的W-box[(T)TGACC(A/T)]特异结合调控其表达,从而响应植物的逆境胁迫及其它信号途径。为了帮助我们更全面地了解WRKY转录因子在植物中的作用,本文主要对近年来WRKY在植物非生物胁迫方面的研究进展进行了综述。     

黄瓜全基因组SnRK2基因的鉴定和序列特征分析

植物SnRK2基因在逆境应答和ABA信号转导及生长发育过程中具有重要功能。但是有关黄瓜(cucumis satovus L.)SnRK2全基因组水平的研究鲜见报道。本文利用生物信息学的方法从黄瓜基因组中鉴定出9个SnRK2基因,并对这些基因的染色体分布、内含子-外显子结构、系统进化、顺式调控元件等进行了系统分析。结果显示,黄瓜的SnRK2基因不均匀地的分布在基因组中,它们的外显子多数为9,编码区序列长度在909-1140bp之间。它们在遗传上分为3个不同的类群,预测编码的蛋白都具有激酶的典型结构。而且,在SnRK2基因上游调控序列中都含有多个不同激素和逆境应答顺式元件,预示它们在逆境应答和激素信号转导过程中具有一定功能。本文为进一步研究黄瓜SnRK2基因在逆境和激素应答中的功能奠定了基础。     

植物PTI天然免疫信号转导研究进展

病害是危害农业生产的重要因素之一,植物对于病原菌的抗性依赖于植物的天然免疫(plant innate immunity)系统。因此,对于植物天然免疫的研究将为农作物抗病育种提供重要理论基础。植物天然免疫系统包含彼此相互关联的两个层面,即PTI(PAMP-triggered immunity)和ETI(effector-triggered immunity)。近年来,国内外对于PTI的研究取得了一系列重要进展。PTI是由病原物相关分子模式PAMP(pathogen-associated molecular pattern)所诱发的植物免疫反应。PAMP被位于植物细胞表面的受体识别后,将免疫信号通过胞质类受体激酶BIK1(Botrytis-induced kinase 1)、MAPK级联、CDPK(calcium-dependent protein kinase)等向下游传递,诱导活性氧的爆发、气孔的关闭、免疫基因的表达等,从而抑制病原微生物的生长。免疫信号在传递过程中会在多个层次上被精细调控,以保证合适的反应强度和持续时间。本文从植物免疫受体FLS2及其他免疫受体的发现、免疫信号转导组分的发现以及其生物学功能、参与天然免疫的转录因子、植物免疫反应的负调控及植物天然免疫在抗病育种中的应用等方面综述了近年来植物PTI天然免疫的分子机理和信号转导方面的研究进展。并对该领域的发展提出展望,我们认为农作物天然免疫信号转导和作物与致病真菌互作系统的研究将会是未来研究的重点和主要方向,天然免疫的重要理论与基因编辑技术的结合,必将使作物抗病育种迎来新时代。     

Effects of plant growth-promoting rhizobacteria on the molecular responses of maize under drought and heat stresses: A review

Drought and heat are major environmental stresses that continually influence plant growth and development. Under field conditions, these stresses occur more frequently in combination than alone, which magnifies corresponding detrimental effects on the growth and productivity of agriculturally important crops. Plant responses to such abiotic stresses are quite complex and manifested in a range of developmental, molecular, and physiological modifications that lead either to stress sensitivity or tolerance/resistance. Maize (Zea mays L.) is known for its sensitivity to abiotic stresses, which often results in substantial loss in crop productivity. Bioaugmentation with plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) has the potential to mitigate the adverse effects of drought and heat stresses on plants. Hence, this is considered a promising and eco-friendly strategy to ensure sustainable and long-term maize production under adverse climatic conditions. These microorganisms possess various plant growth-promoting (PGP) characteristics that can induce drought and heat tolerance in maize plants by directly or indirectly influencing molecular, metabolic, and physiological stress responses of plants. This review aims to assess the current knowledge regarding the ability of PGPR to induce drought and heat stress tolerance in maize plants. Furthermore, the drought and heat stress-induced expression of drought and heat stress response genes for this crop is discussed with the mechanisms through which PGPR alter maize stress response gene expression.     

百香果低温胁迫转录组及茉莉酸代谢基因分析

为研究百香果低温胁迫响应机制,以紫果百香果(Passiflora edulia Sims)为试验材料在0℃下低温胁迫处理,以常温处理为对照组(CK),采用Illumina HiSeq测序平台进行转录组测序,并对茉莉酸代谢相关基因进行挖掘。结果显示,共获得百香果转录组数据45.30 Gb,组装得到39 521条Unigene和5 311 个差异基因;GO分类显示注释的Unigene分为细胞组件、分子功能及生物过程三大类,其中差异基因数量最多为生物过程大类的代谢过程,包括甾醇生物合成、类黄酮糖脂化、酪氨酸代谢、L-苯丙氨酸生物合成、软木脂生物合成、芥子油苷代谢及长链脂肪-酰基辅酶A代谢等。KEGG途径富集分析结果显示,核糖体途径、淀粉与蔗糖代谢途径、植物激素信号转导途径及植物与病原体互作途径为百香果响应低温胁迫的重要代谢途径。实时定量PCR(qRT-PCR)分析表明,百香果低温胁迫后其茉莉酸代谢途径相关基因AOC、AOS、JAR1、MYC2、PYL和JAZ均上调表达,该结果与测序获得FPKM值变化趋势较为相似,说明测序结果较为准确。但低温胁迫后,COI1的表达水平呈下调趋势。研究发现,在百香果中茉莉酸对低温胁迫的响应机制大体上与模式植物一致,关于COI1和MYC2等基因的调控方式还有待进一步功能验证。本研究结果为进一步明确百香果抗寒机制提供了科学参考。     

干旱、高盐及低温胁迫下植物生理及转录因子的应答调控

干旱、高盐及低温等非生物胁迫是限制植物生长发育的主要环境因子。这些环境胁迫因子通常导致植物体内生理代谢改变,并参与非生物胁迫调控转录因子的差异表达。植物抵御上述非生物逆境的能力与转录因子调控逆境相关功能基因的表达密不可分。近年来,发掘植物非生物胁迫相关转录因子的功能及揭示转录因子介导植物非生物胁迫响应的调控机制,已成为植物营养分子生物学关注的热点之一。因此,了解植物非生物胁迫下的生理应答及转录因子参与的调控机制,对建立植物适应性改良途径具有重要科学意义。本文从干旱、高盐和低温三方面阐述了非生物胁迫下植物生理生化的适应性变化,概述了MYB、bZIP、AP2/EREBP、WRKY和NAC五类与植物抗逆相关的转录因子的结构与功能特征,着重论述了转录因子介导植物抵御非生物胁迫的分子调控机制。植物遭遇非生物胁迫时,通常表现为生长速率、叶面积和叶片数量下降,蒸腾及光合速率降低。同时,植物体内活性氧逐渐累积,使细胞膜脂过氧化程度加剧,造成细胞损伤。为适应不利环境,在生理上植物表现为体内抗氧化酶活性增强,渗透调节物数量增多;在分子水平上,植物对非生物胁迫适应性的增强,通常与转录因子识别抗逆基因启动子特异性元件及调控逆境防御基因的转录有关。本文对于深入阐明干旱、高盐及低温胁迫下植物生理生化应答与转录因子的分子调控机制提供了全新的科学启示。     

植物非生物逆境相关锌指蛋白基因的研究进展

植物能够适应多种逆境主要是通过改变其基因表达和代谢途径来实现的,因此研究这些基因表达和功能对提高植物耐逆性具有重要意义。锌指蛋白是一类具有手指状结构域的转录因子,这种结构域由锌离子与多个半胱氨酸和(或)组氨酸组成,锌离子在稳定其结构和发挥调控功能方面具有关键作用。植物锌指蛋白在植物耐逆性方面具有重要作用。本文综述了近几年来从拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、番茄(Solanum lycopersicum)等植物中克隆的与非生物逆境相关锌指蛋白基因的研究成果,重点阐述了其基因表达部位、受逆境诱导情况及转基因植株的耐逆性等。目前的研究结果表明锌指蛋白能够调控耐逆相关基因的表达,在植物逆境代谢中发挥重要作用,因此可以利用锌指蛋白基因进行作物耐逆性的遗传改良,提高作物的耐逆能力。     

基于RNA-Seq挖掘桃低温应答相关基因的研究

温度是影响桃树生长发育以及地理分布的一个重要环境因子。为解析桃品种丁家坝的抗寒机制,挖掘抗寒关键基因,本研究选取低温耐受型丁家坝和敏感型加纳岩桃叶片为试验材料,对叶片在4℃条件下处理2、6和12 h的生理生化变化以及转录本进行对比分析。结果表明,低温诱导下两种桃叶片的电解质渗透率和丙二醛含量均随着冷诱导时间的延长而逐渐增加,并在6 h时出现激增。同时,可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等重要渗透调节物质随着处理时间的延长逐渐上升,丁家坝的增长趋势高于加纳岩。转录组分析结果显示,丁家坝和加纳岩在冷处理下分别鉴定到569和505个差异基因。丁家坝鉴定到的569个差异基因显著富集在植物与病原菌互作、丝裂原活化蛋白激酶MAPK信号通路-植物和倍半萜和三萜生物合成等代谢通路。通过研究发现,植物与病原菌互作和MAPK信号通路以及MPK3/6、WRKY22和WRKY24等相关基因在丁家坝的抗寒过程中发挥重要作用。本研究结果为桃抗寒机制的深入研究奠定了理论基础,为桃抗寒新品种的培育提供了候选基因。     

盐敏感型与耐盐型高粱对盐胁迫反应的转录组差异分析

  【目的】  研究高粱盐胁迫的生理学差异及其分子机制,发掘高粱在盐胁迫过程中的关键调控基因,筛选高粱耐盐和盐敏感材料,探讨高粱耐盐胁迫的机制。  【方法】  本试验以耐盐材料“67B”及盐敏感材料“3560R”为研究对象,加入150 mmol/L NaCl溶液进行盐胁迫,测定叶片生长指标、进行转录组测序和生物信息学分析。  【结果】  盐分胁迫下,耐盐材料生长速率快,表现出较强的耐盐性,耐盐材料可以提高Na+的选择吸收及其在植株体内的积累与分配。盐胁迫下耐盐材料可以维持较高的过氧化氢酶活性,受到盐胁迫后该酶活性升高幅度相对较大,进而保持了较强的过氧化氢清除能力,能够及时清除过量积累的活性氧。盐胁迫下两个品系共有5040个差异表达基因。盐敏感材料和耐盐材料对盐胁迫的响应途径是相同的,两者差异表达基因在KEGG各pathway中的分布趋势差别很大,排名前五的基因数条目有3条相同,分别为苯丙烷类合成、植物激素信号转导和碳代谢通路,盐敏感材料中另外两条不同的条目为淀粉与蔗糖代谢及氨基酸生物合成通路,与基础代谢有关,盐敏感材料中差异基因主要集中在基础代谢和次生物质合成途径,是造成两个材料耐盐性差异的重要原因。  【结论】  高粱的耐盐机制调控是一个复杂的过程,是由不同通路一系列基因表达共同作用的结果,依赖于多个基因在复杂网络中的平衡表达。