非豆科植物的根瘤菌促生机制的研究进展

近年来,随着对根瘤菌与宿主植物的信号交流和结瘤机制研究的逐步深入,以及非豆科植物的基因改造技术的成熟,根瘤菌的宿主植物范围不断扩大,在非豆科植物中其促生作用不断增强。从非豆科植物中不同根瘤菌促生机制的角度,分别介绍了近年来该领域研究与应用的现状,并对根瘤菌在非豆科植物,尤其是禾本科植物中的应用前景进行展望。     

百脉根结瘤信号通道蛋白NSP1和NSP2的相互作用

豆科植物百脉根是研究共生固氮体系的模式植物之一,对其根瘤菌共生信号转导途径和作用机制的研究,有助于揭示根瘤菌与豆科植物共生关系建立和共生体形成的奥秘.本研究利用酵母双杂交系统和体外蛋白质相互作用技术,证明百脉根GARS类家族转录因子结瘤信号通道蛋白NSPI和NSP2在体外体内均可以相互作用,并将相互作用的位点定位在NSPl的GRAS结构域的LHRⅡ区域和NSP2的LHRI区内.     

大豆根瘤菌HH103 rhcN突变对结瘤能力的影响

【背景】大豆是重要的经济作物,能够为人类提供大量的植物蛋白和油脂。大豆在生长过程中,能够与根瘤菌形成共生体系进行共生固氮,该形式的共生固氮能够将空气中的氮气还原成氨,为大豆生长发育提供丰富氮源。根瘤菌Ⅲ型分泌系统是根瘤菌中重要的蛋白分泌结构,能够通过分泌Ⅲ型效应因子在共生体系建立过程中发挥重要调控作用。根瘤菌rhcN编码一种ATP转移酶,是根瘤菌Ⅲ型分泌系统的重要组成部分,能够保障根瘤菌Ⅲ型效应因子向宿主细胞的正常分泌。【目的】探索rhcN突变情况下对根瘤菌结瘤能力的影响,提高大豆-根瘤菌共生体系的固氮效率,为大豆农业生产提供必要的参考和支持。【方法】通过三亲杂交和同源重组,在rhcN起始密码子ATG下游插入了一个Km抗性基因,利用PCR扩增和Southern blot对插入情况进行验证,从而构建rhcN插入突变体HH103ΩrhcN。利用大豆染料木苷（Genistin）对野生型根瘤菌HH103及HH103ΩrhcN突变体进行诱导,并对处理组合对照组进行胞外蛋白纯化,通过Western blot检测rhcN突变对根瘤菌III型效应因子NopC及NopT分泌的影响。利用双层钵植物培养系统对大豆Williams82进行野生型根瘤菌HH103和HH103ΩrhcN突变体接种,分析rhcN突变对根瘤表型的影响。利用前期收集的100份基因型差异的大豆品种进行结瘤能力鉴定,分析根瘤菌Ⅲ型效应因子分泌异常情况下在不同基因型大豆品种中的结瘤表现。【结果】通过PCR扩增和Southern blot验证了成功构建的HH103ΩrhcN突变体,胞外蛋白鉴定表明rhcN突变能够抑制根瘤菌Ⅲ型效应因子NopC和NopT分泌。利用HH103ΩrhcN突变体和野生型HH103在Williams82进行结瘤鉴定,结果表明,rhcN突变能够显著抑制根瘤数和根瘤干重。对100份基因型差异的大豆品种进行结瘤鉴定,结果表明,rhcN突变能够引起其中80份大豆资源根瘤数目降低,13份根瘤数目显著升高,7份不发生显著性变化。【结论】rhcN突变能够引起根瘤菌Ⅲ型效应因子的异常分泌,进而能够影响共生体系的建立。根瘤菌III型效应因子在大豆-根瘤菌共生体系形成过程中发挥着重要作用,并且不同基因型大豆遗传背景对根瘤菌Ⅲ型效应因子具有不同应对反应。     

紫花苜蓿根瘤菌研究进展

对苜蓿根瘤菌资源生物多样性采集与保藏、苜蓿根瘤菌的田间应用研究、苜蓿根瘤菌固氮机理的研究、影响苜蓿根瘤菌固氮效率的主要因子、苜蓿根瘤菌结瘤基因及其表达调控、结瘤基因与结瘤因子、根瘤菌分类研究历史与现状进行了综述,并对苜蓿根瘤菌的研究进展进行了浅评,提出广泛开展苜蓿根瘤菌资源调查,筛选和培育建立各个苜蓿品种的高效共生固氮体系、开辟苜蓿根瘤菌溶磷和分泌生长激素的研究是目前苜蓿根瘤菌研究的重点。     

盐碱土高效固氮蚕豆根瘤菌的筛选

通过对云南玉溪澄江大白豆(宿主植物)的根瘤采集及根瘤菌的分离纯化,获得了36株蚕豆(Vicid faba Linn)根瘤菌。为进一步探讨所得根瘤菌的结瘤固氮能力,采用土壤盆栽的方法 ,将这些根瘤菌回接到蚕豆小青皮上。植物生长70 d以后,观察生长状况,综合株高、地上部分干重、结瘤数等生长指标,筛选出2株高效固氮根瘤菌菌株Hbu610041和Hbu610055,为蚕豆的实际生产准备了根瘤菌接种菌株资源。     

ACC脱氨酶对大豆快生根瘤菌及苜蓿中华根瘤菌共生固氮与竞争结瘤的影响

利用大肠杆菌S17-1与根瘤菌进行两亲本接合转移,将苜蓿中华根瘤菌Sm1021中的ACC脱氨酶基因导入大豆快生根瘤菌HH103,在苜蓿中华根瘤菌Sm1021中过表达ACC脱氨酶基因,探讨ACC脱氨酶对根瘤菌共生固氮及竞争结瘤的影响。结果显示:接种过表达ACC脱氨酶的重组根瘤菌Sm1021,宿主植物地上部分鲜质量与结瘤数量有所增加;接种外源导入ACC脱氨酶的重组根瘤菌HH103,能够增加结瘤数,提高植物地上部分干质量且竞争结瘤能力增强。但是,接种2种重组根瘤菌后,宿主植物的根瘤鲜质量和根瘤固氮酶酶活性无明显变化。     

紫穗槐丛枝菌根(AM)根系分泌物诱导根瘤菌结瘤因子及作用研究

为了进一步揭示丛枝菌根(AM)真菌促进紫穗槐结瘤数量及提高固氮能力的机制,试验采用高效液相色谱法(HPLC)并结合结瘤因子生物检测法,研究了菌根化紫穗槐苗木根系分泌物对根瘤菌结瘤因子的诱导效果,以及结瘤因子紫穗槐苗木生长的作用。结果表明,菌根分泌物能够显著诱导根瘤菌产生结瘤因子,HPLC检测图谱33min出现的色谱峰物质能够诱导紫穗槐的根毛产生变形;结瘤因子回接盆栽紫穗槐实生苗结果表明,在灭菌基质上播种的紫穗槐苗木能够产生根瘤原基并结瘤,且双接种结瘤因子和AM真菌处理的紫穗槐苗木产生根瘤原基的数量显著高于单独接结瘤因子处理的苗木;结瘤因子提高了紫穗槐的菌根侵染率,结瘤因子的量越大,AM真菌对紫穗槐的侵染效果越显著;结瘤因子与AM真菌混合接种能显著提高紫穗槐苗木的生物量。     

根瘤菌竞争结瘤的研究进展

近年来已通过自然选育或基因工程技术获得了不少具有高效固氮能力的菌株。并在人工控制的条件下证明它们能够使豆科作物显著增产。但由于人工接种剂与土著根瘤菌的竞争结瘤问题一直未得到很好解决，阻碍了这些高效固氮菌株田间应用效果的发挥。尽管人们对这一问题已进行了大量的研究。但也根瘤菌结瘤基因的研究相比。我们对根瘤菌的竞争结瘤机制的认识仍非常有限。已有的研究结果表明，影响根瘤菌竞争结瘤的因素主要包括根瘤菌与宿主植物的遗传基因和生态学因素两个方面。     

植物低温信号的感知、转导与转录调控

低温是植物生长的主要环境胁迫因子之一。植物对低温的应激是一个复杂的过程,包括低温信号的感知、信号转导和转录调控等阶段。低温可以通过质膜流动性的改变被质膜感知,也可以通过质膜上的钙离子通透性通道、组氨酸激酶、受体激酶和磷酸酯酶感知。低温信号转导包括钙信号途径和其他信号途径,其中钙信号途径是低温应答过程中重要的信号途径。在此途径中,因低温增加的胞质钙离子能被CDPK、磷酸酶和MAPK识别并传导;其他信号途径主要与ABA有关。低温信号最终将启动CBF和非CBF介导的转录调控,提高植物的低温抗性。     

铝胁迫诱导的植物有机酸分泌研究进展

酸性土壤中离子态铝对植物具有毒害作用,是植物生长的主要限制因子。铝胁迫下植物通过根分泌有机酸螯合根际活性铝是其主要外部抗铝胁迫方式。本文综述了铝胁迫下有机酸代谢相关酶活性及其基因表达特征、阴离子通道蛋白及其编码基因特性等对有机酸分泌的影响、蛋白质可逆磷酸化对铝胁迫下阴离子通道活性的调控作用及IAA在铝胁迫下植物有机酸分泌调控中的作用等研究进展,以期能够为铝胁迫诱导有机酸分泌信号转导途径研究提供理论参考,并通过本文认为:丝裂原活化蛋白激酶在铝胁迫下IAA信号调控的阴离子通道有机酸分泌中的作用研究将成为铝胁迫诱导有机酸分泌信号调控机理的研究方向之一。     

LysM-type mycorrhizal receptor recruited for rhizobium symbiosis in nonlegume Parasponia

Rhizobium-root nodule symbiosis is generally considered to be unique for legumes. However, there is one exception, and that is Parasponia. In this nonlegume, the rhizobial nodule symbiosis evolved independently and is, as in legumes, induced by rhizobium Nod factors. We used Parasponia andersonii to identify genetic constraints underlying evolution of Nod factor signaling. Part of the signaling cascade, downstream of Nod factor perception, has been recruited from the more-ancient arbuscular endomycorrhizal symbiosis. However, legume Nod factor receptors that activate this common signaling pathway are not essential for arbuscular endomycorrhizae. Here, we show that in Parasponia a single Nod factor-like receptor is indispensable for both symbiotic interactions. Therefore, we conclude that the Nod factor perception mechanism also is recruited from the widespread endomycorrhizal symbiosis.     

A putative Ca2+ and calmodulin-dependent protein kinase required for bacterial and fungal symbioses

Legumes can enter into symbiotic relationships with both nitrogen-fixing bacteria (rhizobia) and mycorrhizal fungi. Nodulation by rhizobia results from a signal transduction pathway induced in legume roots by rhizobial Nod factors. DMI3, a Medicago truncatula gene that acts immediately downstream of calcium spiking in this signaling pathway and is required for both nodulation and mycorrhizal infection, has high sequence similarity to genes encoding calcium and calmodulin-dependent protein kinases (CCaMKs). This indicates that calcium spiking is likely an essential component of the signaling cascade leading to nodule development and mycorrhizal infection, and sheds light on the biological role of plant CCaMKs.     

Legumes symbioses: absence of Nod genes in photosynthetic bradyrhizobia

Leguminous plants (such as peas and soybeans) and rhizobial soil bacteria are symbiotic partners that communicate through molecular signaling pathways, resulting in the formation of nodules on legume roots and occasionally stems that house nitrogen-fixing bacteria. Nodule formation has been assumed to be exclusively initiated by the binding of bacterial, host-specific lipochito-oligosaccharidic Nod factors, encoded by the nodABC genes, to kinase-like receptors of the plant. Here we show by complete genome sequencing of two symbiotic, photosynthetic, Bradyrhizobium strains, BTAi1 and ORS278, that canonical nodABC genes and typical lipochito-oligosaccharidic Nod factors are not required for symbiosis in some legumes. Mutational analyses indicated that these unique rhizobia use an alternative pathway to initiate symbioses, where a purine derivative may play a key role in triggering nodule formation.     

MYB转录因子参与植物非生物胁迫响应与植物激素应答的研究进展

基因的时空表达受转录因子的精确调控。植物在面对不利环境因素比如高温、低温、干旱、盐碱等胁迫时其细胞生理生化会迅速地从“舒适”状态转变进入“胁迫响应”状态。这种快速响应的状态转变依赖于植物对胁迫信号的感知及传递、激素通路(脱落酸、茉莉酸等)的激发、转录因子的活化等复杂的过程;最终植物通过胁迫相关基因的表达、次生代谢转变、抗氧化物质的积累等实现胁迫条件下细胞内环境的再平衡从而获得生存。植物MYB(v-MYB avian myeloblastosis viral oncogene homolog)转录因子就是上述转变中的重要参与者。本文介绍了植物MYB转录因子的结构特征、分类,综述了近些年来MYB转录因子与非生物胁迫,以及植物激素应答过程相关的研究进展。     

光敏色素互作因子(PIFs)对植物生长发育的调控

光敏色素相互作用因子(PIFs)属于拟南芥bHLH转录因子家族的第15亚族,是光信号响应过程中的关键负调控因子。光激活的光敏色素通过促进PIFs蛋白降解,直接或间接抑制它们与DNA的结合,从而实现光对植物生长发育的调控。研究发现PIFs在调控种子萌发、幼苗形态建成、避荫反应、昼夜节律以及各种植物激素响应过程中起着重要作用。此外,PIFs作为细胞信号传导的"枢纽"具有更为广泛的作用,能够整合不同信号,精细调控整个转录网络。     

Studies and perspectives of protein kinase C

Protein kinase C, an enzyme that is activated by the receptor-mediated hydrolysis of inositol phospholipids, relays information in the form of a variety of extracellular signals across the membrane to regulate many Ca2+-dependent processes. At an early phase of cellular responses, the enzyme appears to have a dual effect, providing positive forward as well as negative feedback controls over various steps of its own and other signaling pathways, such as the receptors that are coupled to inositol phospholipid hydrolysis and those of some growth factors. In biological systems, a positive signal is frequently followed by immediate negative feedback regulation. Such a novel role of this protein kinase system seems to give a logical basis for clarifying the biochemical mechanism of signal transduction, and to add a new dimension essential to our understanding of cell-to-cell communication.     

光周期诱导马铃薯块茎形成的分子机理研究进展

马铃薯块茎形成机理不仅是植物发育生物学研究的重要内容之一,也是提高马铃薯产量、品质的重要保障。早期研究发现,光周期是诱导马铃薯块茎形成的一个关键环境因子,短日照利于马铃薯块茎形成。近10多年来,光周期调控马铃薯块茎形成机理研究取得了重要进展。已有研究发现,马铃薯块茎形成与拟南芥等植物的开花过程有较多相似之处。大量参与植物开花的重要基因,如光敏色素、CONSTANS (CO)、FLOWERING LOCUS T (FT)、LOV蓝光受体蛋白家族及CDF转录因子等在马铃薯块茎形成过程中都起到重要的调控作用。此外,马铃薯中发现的同源异型框基因POTH1及其相互作用基因StBEL5也在光调控马铃薯块茎形成过程中扮演重要角色。本文主要从马铃薯光信号感知及与光周期信号传递有关的基因调控等领域综述了光周期诱导的马铃薯块茎形成最新研究进展。     

细胞分裂素的信号转导机制

细胞分裂素的信号转导是一个"磷酸接力传递"(phosphorelay)过程。细胞分裂素结合受体组氨酸激酶(Arabidopsis histidine kina-ses,AHK)使其磷酸化,并将磷酸基团转移给胞质中的磷酸转运蛋白(Arabidopsis histidine-phosphotransfer proteins,AHPs),磷酸化的AHPs进入细胞核并将磷酸基团转移到A型和B型反应调节因子(Arabidopsis response regulators,ARRs)上。B型ARR是一类转录因子,可激活A型ARR基因的转录,在众多参加细胞分裂素信号传导的转录因子中起主要作用。文中综述了近年来关于细胞分裂素信号转导机制的研究进展,并进行了展望。     

番茄受伤信号传导及诱导抗性的研究进展

番茄植株机械受伤后激活了受伤愈合和防御的各种机制,引发了受伤信号的产生、运转、感知接受和转导等以激活受伤诱导基因的表达。茉莉酸(Jasmonicacid,JA)在番茄对机械受伤反应中起中心作用,其他化合物,包括系统素、寡糖和寡聚半乳糖醛酸等也在受伤信号中起重要作用。番茄植株受伤诱导的蛋白酶抑制剂为研究诱导抗性提供了一个有用的模型体系,说明调控系统防御反应信号传导的各种途径,提出了细胞间受伤诱导蛋白酶抑制剂PIs表达的是多肽系统素(polypeptidesystemin)和植物激素茉莉酸。越来越多的证据指明:系统素和JA在同一信号途径中协同作用激活了PIs和其他防御相关基因的表达。