水稻Dwarf 14(D14)基因的生物信息学分析

独脚金内酯是一种新发现的调控植物分枝的植物激素。D14(Dwarf 14)是水稻独脚金内酯信号传导途径中的一个基因,目前尚未明确D14的作用机制。为了推测D14的作用机理,本文对D14的基因及编码蛋白序列进行了相关生物信息学分析,包括构建系统进化树、亚细胞定位、预测蛋白三维结构等。推测D14可能的作用机制是直接水解SLs,并与某些有机分子共同作用介导信号的传导。     

独脚金内酯的生物合成及其调控

为了解独脚金内酯生物合成最新研究进展，本研究以“独脚金内酯”为关键词，检索了2000—2020年NCBI数据库发表的相关文献资料，综述了近20年来独脚金内酯的生物合成通路和相关基因的功能研究进展，并对独脚金内酯在非生物胁迫作用中的功能以及与其他激素的相互作用进行概括。结果表明:1)独脚金内酯生物合成的通路是保存的，并可能与其他通路有交互作用；2)独脚金内酯的功能是多样的，在植物生长和发育的多个阶段发挥作用；3)独脚金内酯生物合成相关基因不仅是生物合成的关键基因，还可以与其他激素互作参与调控作用。在独脚金内酯生物合成及其调控作用的研究取得了重要突破的基础上，今后着重的研究方向可能是在产量形成机制、形态建成以及激素的调控作用机理等方面的研究。     

独脚金内酯生物学结构特性、功能基因组学、表观遗传学及应用

[目的]为独脚金内酯相关研究提供参考。[方法]对独脚金内酯研究现状进行简要分析,主要从独脚金内酯的生物合成、功能基因组和表观遗传的角度上进行综述。[结果]发现独脚金内酯作为一类新型的植物激素,在植物与根际之间发挥着重要的作用。这类化合物可以诱导丛枝菌根菌丝分枝以及寄生植物种子的萌发。此外,它与生长素和细胞分裂素一样,参与植株的形态建成。目前,已从拟南芥、水稻和豌豆等植物突变体中鉴定出独脚金内酯代谢的相关酶类:胡萝卜素异构酶、类胡萝卜素裂解双加氧酶以及P450单加氧酶。功能基因组学和表观遗传学为独脚金内酯相关基因的表达调控研究提供了新的方向。[结论]独脚金内酯参与调控植物的生长发育以及植物与微生物的相互作用,已在农业生物领域开始广泛应用,因此,对其开展深入而透彻地研究是非常必要的。     

独脚金内酯抑制因子D53/SMXLs基因的研究进展

独脚金内酯(strigolactones, SLs)是一种新型的植物激素,参与调节植物分枝、生殖发育及叶片衰老等多种生物学过程。D53/SMXLs是独角金内酯信号转导通路中的抑制因子,在独脚金内酯信号转导中起重要作用。介绍了国内外最新关于独脚金内酯信号抑制因子D53/SMXLs的进展,综述了D53/SMXLs的发现、结构、信号转导机制、分子生物学功能及其他功能的研究成果。最后从三方面指出独脚金内酯信号途径有待完善与研究的内容。     

DWARF14响应独角金内酯信号的分子机制

独脚金内酯是一类由类胡萝卜素衍生而来的新型植物生长调节因子,能够从抑制根部分生、诱导侧根形成、促进根毛伸长、介导根部与共生真菌和寄生植物信号通讯等多个方面调控植物生长发育。独角金内酯受体DWARF14(D14)起源于α/β水解酶,其信号转导机制不同于传统植物生长调节因子受体,它遵循新型的"底物-酶-活性分子-受体"识别规律,具有生成和感知生长调节因子活性分子的双重功能。综述了独脚金内酯受体D14结构及信号转导机制最新研究进展。     

甘蔗ScF-box基因cDNA全长克隆和生物信息学分析

【目的】独脚金内酯是近年来发现的一种新型激素,能够有效抑制植物分枝(蘖),在其信号转导途径中MAX2/RMS4/D3基因扮演着十分关键的作用。为了研究该基因在甘蔗分蘖性状表现中的功能作用具有重要意义。【方法】本研究利用RT-PCR和RACE技术克隆出其同源基因(ScF-box)的c DNA全长,并对其序列和编码蛋白开展生物信息学分析。【结果】ScF-box基因的c DNA全长为2642 bp(KR870233),具2103 bp的开放阅读框(ORF,113~2215 bp),编码700个氨基酸;蛋白质分析表明,ScF-box为不稳定的水溶性非分泌蛋白,主要在氨基酸生物合成和中央中介代谢中发挥作用。亚细胞定位于细胞质,存在22个磷酸化位点,4个NES信号和1个NLS信号位点,不存在信号肽,二级结构以α螺旋和无规则卷曲为主,保守结构域和三级结构预测均表明该蛋白存在一个F-box结构,能特异识别与之作用的底物。【结论】推测ScF-box可能作为独脚金内酯调控甘蔗分蘖信号转导途径中一个具有特异性识别功能的组分而起作用。进化树分析表明该蛋白与高粱、玉米等单子叶植物进化关系较近。     

新型植物生长调节剂独脚金内酯生物学功能及应用

独脚金内酯(Strigolactones,SLs)是独脚金醇类化合物的总称,是近年来发现的一类能够调控植物内源性发育过程的信号分子,被称为新型植物生长调节剂。近几年来,对独脚金内酯的研究已经越来越多,新的独脚金内酯类化合物及其功能研究报道较多。综述了最近几年来独脚金内酯生物学功能及在农作物种植方面的应用,并对独脚金内酯的研究方向进行了展望。     

独脚金内酯生物学功能研究进展

独脚金内酯(strigolactone, SL)是类胡萝卜素衍生的小信号分子，被鉴定为一种新型植物激素，在调控植物地上和地下部构型及环境适应性的多个方面具有重要作用。SL如何发挥生物学功能以及如何与其它激素发挥协同或拮抗作用是植物领域的重要科学问题。本文就SL的合成、信号转导和在非生物胁迫中的作用进行综述，并进一步对SL与其它植物激素间的交互关系及其机理进行阐述，最后对SL在农业可持续发展中的潜在应用价值和未来可能的研究方向进行总结和展望。     

拟南芥独脚金内酯突变体叶绿素荧光特性分析

独脚金内酯是新发现的起源于类胡萝卜素生物合成途径的信号分子,调控着植物生长发育中的各种生理过程。为了解独脚金内酯及其信号途径对植物光合特性的影响,以拟南芥Arabidopsis thaliana独脚金内酯合成突变体max1和信号突变体max2为材料,测定叶片的光合色素质量分数及叶绿素荧光特性。结果发现:max1突变体与max2突变体在光合荧光特性存在明显的差异。max1叶绿素质量分数较野生型并没有显著降低,但叶绿素a/b发生了变化,max1突变体叶绿素初始荧光Fo和Y(NO)显著高于野生型,但F_v/F_m,Y(Ⅱ),qP等荧光参数较野生型并没有显著变化。快速光响应曲线发现max1突变体在强光下的ETR,Y(Ⅱ)和QNP等参数低于野生型。而max2突变体叶片的叶绿素a和叶绿素b质量分数显著低于野生型(P0.05),叶绿素荧光参数F_v/F_m,Y(Ⅱ),qP等光化学参数也显著降低,但Q_(NP),q_N等光保护参数显著升高(P0.05)。这些结果说明独脚金内酯可能参与了调控植物光合对环境的适应,而其信号传导蛋白MAX2则可能对植物光系统的建成具有基础作用。     

独角金内酯的研究进展综述

由植物根系释放的独角金内酯不仅能诱导根寄生植物种子的萌发,还能促进可与植物共生的真菌的菌丝分枝的生长,以促进共生关系的建立。除了这些在根际周围的作用外,新近研究发现独角金内酯还能作为一种新的植物激素调节植物的分枝和侧芽的生长。独角金内酯在植物寄生、共生以及形态塑造等方面的三重生物学功能表明,其在协调植物地上部分和地下部分的生长过程中起着关键的作用。该文对独角金内酯的生物合成、生物学活性等进行了综述,并分析了应用前景。     

The path from β-carotene to carlactone, a strigolactone-like plant hormone

Strigolactones, phytohormones with diverse signaling activities, have a common structure consisting of two lactones connected by an enol-ether bridge. Strigolactones derive from carotenoids via a pathway involving the carotenoid cleavage dioxygenases 7 and 8 (CCD7 and CCD8) and the iron-binding protein D27. We show that D27 is a β-carotene isomerase that converts all-trans-β-carotene into 9-cis-β-carotene, which is cleaved by CCD7 into a 9-cis-configured aldehyde. CCD8 incorporates three oxygens into 9-cis-β-apo-10'-carotenal and performs molecular rearrangement, linking carotenoids with strigolactones and producing carlactone, a compound with strigolactone-like biological activities. Knowledge of the structure of carlactone will be crucial for understanding the biology of strigolactones and may have applications in combating parasitic weeds.     

The GhMAX2 gene regulates plant growth and fiber development in cotton

Strigolactones (SLs) are a new type of plant endogenous hormones that have been found to regulate plant growth and architecture.  At present, some genes related to the biosynthesis and signaling pathway of SLs have been isolated in plants such as Arabidopsis thaliana, Pisum sativum and Oryza sativa.  However, the signaling pathway and specific mechanism of SLs in cotton remain unclear.  In this study, we identified the SLs signaling gene GhMAX2 and demonstrated its function in plant growth and architecture in Gossypium hirsutum.  Bioinformatics analysis showed that GhMAX2 mainly consists of an α-helix and a random coil and includes a large number of leucine-rich repeats.  GhMAX2 was highly expressed in root, stem, flower, and fibers at 20 days post-anthesis (DPA).  GhMAX2 promoter-driven β-glucuronidase expression was present exclusively in the root, main inflorescence, flower, and silique.  Subcellular localization showed that GhMAX2 is targeted to the nucleus.  Heterologously expressed GhMAX2 can rescue the phenotype of Arabidopsis max2-1 mutant, indicating that the function of MAX2 is highly conserved between G. hirsutum and A. thaliana species.  In addition, the knockdown expression of GhMAX2 in cotton resulted in significantly reduced plant height, slow growth, short internodes, and reduced fiber length.  These findings indicate that GhMAX2 probably contributes to plant growth, architecture and fiber elongation in cotton. The study reveals insights into the roles of GhMAX2-mediated SL/KAR signaling in cotton and provides a valuable foundation for the cultivation of cotton plants in the future.     

草麻黄高通量转录组分析及黄酮类代谢途径相关基因的鉴定

草麻黄（Ephedra sinica Stapf）植物富含黄酮类和生物碱类化合物,具有重要药用价值,并且适应性强,在防风固沙、改善沙漠环境等方面具有重要作用。通过对已测序草麻黄转录组的原始数据进行重新组装、拼接等生物信息学分析,共得到7 947 954个clean reads,13 389条unigene序列。经过Nr,KOGs,GO,KEGG和Swiss Prot等数据库分析后,获得10 481个Nr注释,4 533个KOG功能注释,7 121个GO功能注释,5 833个KEGG注释,8 039个 Swiss Prot注释,并利用KEGG通路分析技术发掘草麻黄中参与黄酮类化合物代谢途径相关基因,为克隆草麻黄黄酮合成关键基因、黄酮类化合物的生物合成提供重要的遗传资源,同时为其抗逆机制的研究和药用价值开发提供依据。     

槐糖脂的生物合成

槐糖脂是一类重要的糖脂类生物表面活性剂。由于其产量较高并具有低毒性、生物可降解性及良好的生物学活性(如抑菌、抗病毒、抗肿瘤活性)等优点,在石油工业、环境保护、医药行业等领域都具有较大的应用前景。文中综述了槐糖脂的结构及性质、产槐糖脂的菌株、槐糖脂的合成通路及合成中的特异酶、槐糖脂产生菌的遗传改造等。     

森林草莓FveD27的表达特性和功能

【目的】新型植物激素独脚金内酯是调控植物分枝发育的关键因子,但独脚金内酯在草莓生长发育中的作用尚不清楚。揭示森林草莓（Fragaria vesca）中独脚金内酯生物合成关键基因DWARF27（D27）的表达特性及主要功能,探索FveD27在草莓分枝以及生长发育过程中的作用,为研究草莓植株构型奠定理论基础。【方法】本研究选用森林草莓作为试验材料,利用RT-PCR方法克隆FveD27的编码区序列,利用MEGA 6.0分析草莓FveD27与苹果、拟南芥等物种中D27的系统进化关系;构建FveD27与GFP的融合载体,利用注射烟草叶片的方法对FveD27进行亚细胞定位分析;通过qRT-PCR技术对FveD27在森林草莓不同器官的表达水平进行定量分析,同时构建FveD27启动子与GUS融合表达载体并通过农杆菌介导法将其转化到森林草莓中,利用GUS染色进一步分析FveD27的表达特性;构建FveD27过表达载体并通过农杆菌介导的叶盘法进行稳定遗传转化,获得FveD27过表达草莓株系。【结果】从森林草莓中克隆出编码区长度为789 bp的FveD27序列;烟草的亚细胞定位结果表明FveD27定位在叶绿体;FveD27在森林草莓组织器官中的表达量由高至低依次为幼叶、茎尖、叶柄、成熟叶、根;克隆出长度为1 670 bp的FveD27启动子序列,GUS活性分析结果显示转pFveD27::GUS融合基因草莓植株的幼叶和芽等部位GUS活性较强,而成熟叶与叶柄部位GUS活性较弱,根部几乎无GUS活性,GUS染色分析揭示的基因表达结果与qRT-PCR结果相符;构建了FveD27过表达载体并通过农杆菌介导获得了过表达FveD27的草莓转基因株系,表型调查结果表明过表达FveD27能够显著抑制新茎分枝的形成,同时增加花序数量。【结论】FveD27具有调控森林草莓新茎分枝发育、花序数量等功能。研究结果可为调控草莓新茎分枝数量和产量等提供新思路。     

2022 年 3 期目录

  目的  木棉是我国南方地区重要的观赏植物,研究不同时期花蕾和花朵的花瓣基因表达差异,揭示花色变异的遗传调控机制,为建立花色定向育种技术提供科学依据。  方法  以木棉不同发育时期深红色花和黄色花的花瓣为研究对象,利用Illumina HiSeqTM 4000开展转录组测序;分别采用DESeq2和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes（KEGG）数据库进行差异表达基因鉴定和通路富集分析。  结果  测序共获得75 190个单基因,4 772个单基因能被公共数据库注释;基因功能富集分析显示,基因主要富集在基本功能预测、信号转导机制和转录后修饰、蛋白折叠、分子伴侣等通路。共获得不同时期差异表达基因10 397个,显著富集在29个生物学通路,主要包括光合作用、代谢和植物激素信号转导通路等。其中,参与苯丙烷生物合成通路的差异表达基因有72个,参与类胡萝卜素、黄酮类生物合成通路和苯丙氨酸代谢通路的差异表达基因分别为25个,这些通路和基因均与花青素的生物合成相关;另有4个差异表达基因显著富集在甜菜碱的生物合成通路中。qRT-PCR数据验证了转录组数据的可靠性。  结论  （1）光合作用、代谢、植物激素信号转导、黄酮类生物合成、苯丙烷生物合成、苯丙氨酸代谢及能量代谢等通路相关基因可能参与花瓣的发育过程。（2）黄酮类生物合成通路相关基因在深红色花发育的花蕾中期与花朵期显著高表达,可能是花色呈现红色的主要原因。（3）类胡萝卜素生物合成通路的关键合成酶基因的部分家族成员在黄色花发育的花蕾期和花蕾中期显著高表达,可能是导致花色呈现黄色的主要原因。      

转录因子对木质素生物合成调控的研究进展

木质素是维管植物次生细胞壁的重要组分之一,具有重要的生物学功能。木质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子相互交联,增加了植物细胞和组织的机械强度,其疏水性使植物细胞不易透水,利于水分及营养物质在植物体内的长距离运输。木质素与纤维素共同形成的天然物理屏障能有效阻止各种病原菌的入侵,增强了植物对各种生物及非生物胁迫的防御能力。然而木质素的存在也给人类的生产实践带来诸多负面影响,如造纸业中,由于必须使用大量化学药品去除木质素,加大了造纸成本,严重污染了环境;饲草中的高木质素含量则影响牲畜的消化吸收,降低了饲草的营养价值;过高的木质素含量也影响了人类对生物质能源的发酵利用。因此,利用基因工程改造植物木质素的可降解性意义重大。在高等植物中,木质素通过苯丙烷途径和木质素特异途径合成。在拟南芥中,NAC、MYB以及WRKY类转录因子都参与了对木质素生物合成的调控。在拟南芥中,MYB26可激活NST1/NST2的转录;WRKY12可与NST2的启动子区结合并对其表达进行负调控;SND1（NST3）和NST1主要在纤维次生壁的形成中发挥作用,两者功能有冗余;NST1和NST2在调控花药壁的次生壁的增厚中功能有冗余;VND6和VND7则主要在木质部导管的分化中起重要作用,这些NAC类转录因子通过与下游的MYB类转录因子如MYB83、MYB46及（或）MYB58、MYB63、MYB85和MYB103的结合对木质素合成基因的表达进行正调控,而MYB75对木质素生物合成进行负调控。多数MYB转录因子通过与下游木质素生物合成途径基因启动子区的AC元件（I、II和III）结合从而对其表达进行调控。研究表明,bHLH类转录因子也参与了对木质素生物合成的调控。文章综述了各类转录因子对木质素生物合成调控的最近进展,绘制了拟南芥中木质素生物合成的主要调控网络,同时也总结了其他物种（如水稻、小麦、玉米、桉树、松树和杨树等）中已发现的对木质素生物合成进行调控的转录因子。随着高通量测序技术的发展,研究者有望在更多的物种中发现参与木质素生物合成调控的关键转录因子,这些研究将对通过基因工程改造木质素的组成具有重要的借鉴意义。