植物蔗糖转运蛋白SUTs的生理功能及其调控研究进展

蔗糖是绿色植物光合固定产物储存和转运的主要形式,蔗糖从光合作用的源组织到非光合作用的库组织包括韧皮部装载、维管束运输和卸载三个过程。蔗糖转运蛋白(sucrose transporters, SUTs/SUCs)是广泛存在于植物中的一类跨膜蛋白,在蔗糖从源到库的长距离运输过程中起关键作用。植物蔗糖转运蛋白属于MFS (Major facilitator superfamily)基因超家族,分为两个跨膜区,中间由一个亲水胞质环隔开。了解蔗糖转运蛋白和蔗糖代谢相关酶的功能及调节对于提高农作物产量和促进可再生能源的生产至关重要。本研究阐述了近年来国内外对蔗糖转运蛋白的鉴定、生理功能和调控等方面的研究进展,有助于阐述蔗糖在植物体内的分配和运输机制。     

蔗糖转运蛋白OsSUT2对水稻抗病性的功能分析

蔗糖转运蛋白参与了植物对生物和非生物胁迫的响应,研究蔗糖转运蛋白在植物抗病反应中的作用可以为挖掘新的抗病途径打下基础。OsSUT2影响植株生长发育,主要在将蔗糖从液泡转移到胞质这一跨液泡膜的转运过程中和糖从源器官叶片输出到库器官的过程中起作用。目前OsSUT2对水稻植株抗病性的影响仍不清晰。本研究利用基因编辑技术获得水稻蔗糖转运蛋白OsSUT2的突变体材料,通过病原菌接种实验,探究其与水稻抗病性之间的关系。结果显示,与对照相比,OsSUT2基因敲除后,突变体对稻瘟病和白叶枯的抗病性减弱,并且对水稻部分产量性状造成负面影响。     

玉米蔗糖转运蛋白基因ZmSUT3J的克隆及生物信息学分析

植物蔗糖转运蛋白是植物中特有的一类跨膜蛋白,负责蔗糖经韧皮部从源到库的运输以及库组织的蔗糖供给。为了解析单子叶特异的玉米蔗糖转运蛋白基因ZmSUT3的生物学功能,本研究利用RT-PCR方法,从玉米自交系‘吉853’的基因组中克隆得到蔗糖转运蛋白ZmSUT3基因,命名为ZmSUT3J。测序结果表明:开放阅读框(ORF)长度为1 527 bp,编码508个氨基酸的蛋白质即ZmSUT3,分子量为53.51 kD。利用生物信息学的方法分析ZmSUT3蛋白属于疏水的MFS蛋白超家族,含有多个磷酸化位点,主要定位在质膜和叶绿体类囊体膜上,具有12个弯曲交叉的螺旋结构,属于跨膜蛋白。系统进化树分析表明,ZmSUT3蛋白属于SUT3亚族,与高粱的Sb SUT3亲缘关系较近。启动子区域生物信息学分析结果显示,含有多个组织特异性调控元件,还有激素调节及胁迫诱导相关顺式作用元件,推测ZmSUT3在库组织中发挥作用,参与激素相关胁迫应答反应。为验证ZmSUT3J基因的生物学功能,本研究构建了植物表达载体,为研究ZmSUT3在玉米中的功能奠定了基础。     

植物多胺抗热机制及多胺转运蛋白的研究进展

多胺作为生理活性物质与植物耐热性关系紧密。多胺转运蛋白能够特异性介导多胺类物质跨膜运输。研究表明跨膜后的多胺类物质参与植物热胁迫早期反应中的分子调控过程,这对农作物耐高温及稳产高产有着重要意义。本研究对多胺合成途径、多胺作用机制、多胺的转运及多胺转运蛋白研究4个方面进行综述,为多胺及多胺转运蛋白的进一步研究和应用提供了理论依据。     

植物糖转运蛋白研究进展

糖转运蛋白主要介导糖的运输,C源在库中的分配以及应答环境中的信号因子等。高等植物中主要有两种糖转运蛋白,单糖转运蛋白和多糖转运蛋白,它们在植物光合产物的分配和糖分的长距离运输中起重要的作用。所有的糖转运蛋白都是跨膜蛋白,具有12个跨膜区的拓扑结构,它们可以跨细胞膜、液泡膜、线粒体膜等质体膜。糖转运蛋白在植物体内广泛分布,在叶脉、根、种子、果实、胚以及花粉中均有,亚细胞定位表明蛋白定位在细胞膜、液泡膜、高尔基体等细胞器。本文综述植物中的糖转运蛋白的结构、功能、组成以及生物学特性,为更好的研究和理解它们提供参考。     

植物“黄叶病”的成因及其防治

由于生态环境的不断恶化,植物“黄叶病”的发生日益普遍和严重。引起植物“黄叶病”的因素可分为生物性和非生物性因素两种,不同类型的“黄叶病”在发病症状,发生规律,防治方法上也存在着一定差异。本文对植物“黄叶病”的发生原因、诊断方法和防治措施等方面的研究成果进行了综述,并对以后的防治和应密切关注的问题进行了探讨,以期为植物“黄叶病”的研究和防治提供参考和借鉴。     

SWEET转运蛋白家族的发现、结构及功能研究进展

植物细胞间溶质转运的质外体途径是植物溶质(K~+,Na~+,糖等)转运的重要方式,该途径通常需要有溶质外排以及吸收两种转运蛋白的协同作用。其中,糖外排转运蛋白(sugars will eventually be exported transporters,SWEETs)由于能够选择性吸收不同糖底物并在植物生理活动与发育过程中发挥重要功能,近年来受到广泛关注。研究发现:植物的SWEET蛋白是具有7个跨膜结构域的转运蛋白;SWEETs蛋白在蔗糖流出叶片的过程中发挥功能,可以促进糖类物质跨过细胞膜顺浓度梯度的扩散;还可以在病原菌侵染植物过程中被微生物劫持来为其生长提供糖分;SWEETs家族蛋白还参与花蜜的分泌从而促进传粉、参与花粉发育和花粉管生长;为菌根共生体提供营养等。有关SWEETs蛋白的功能及其结构的深入研究将植物的生长发育与基础代谢有机地联系在一起。     

短花药野生稻(Oryza brachyantha)AQP家族的全基因组序列鉴定及其特征分析

水通道蛋白(aquaporin, AQP)介导植物各组织间水分转运,参与植物体内物质跨膜转运,在植物各种生理过程中发挥着重要作用。短花药野生稻作为一种具有优良性状的野生稻,其AQP基因家族成员的特征还尚未了解透彻。为此,本研究鉴定了39个短花药野生稻的水通道蛋白基因(ObAQP),根据进化树将其分类,并进行基因结构分析、蛋白质保守基序分析、基因启动子预测和染色体定位分析。结果表明:短花药野生稻中的AQP可以分为PIPs、NIPs、TIPs和SIPs四个亚族;ObAQP蛋白质保守基序大多数都可能参与跨膜转运、通道活动以及膜相关功能;启动子分析表明ObAQP基因至少含有一个应激反应性顺式元件;ObAQP基因在染色体上分布并不均匀。以上分析结果简要归纳了短花药野生稻AQP基因家族的特征,为以后深入研究ObAQP基因功能未来栽培稻性状改良提供了理论依据。     

甘肃省“蛛网模型”马铃薯供求关系的分析

为了使马铃薯产业的供求机制及其价格变动成为甘肃省农民增收、工业发展的重要信息导向源,运用“蛛网模型”对甘肃省1999-2008年期间马铃薯价格的变化作深入的分析。并通过“蛛网模型”价格信号反应,分析了甘肃省马铃薯市场“蛛网模型”变迁路径与诱导因素,从而“管中窥豹”式的观察马铃薯市场,以便采取措施,规避市场风险。     

白芨蔗糖转运蛋白基因BsSUT2的克隆和表达分析

蔗糖转运蛋白(SUTs)在介导蔗糖由源到库器官的长距离运输、植物生长发育以及抵抗逆境胁迫中发挥重要作用,研究白芨蔗糖转运蛋白BsSUT2的序列信息与表达模式,为揭示其蛋白结构及基因功能提供依据。基于白芨转录组数据,采用RT-PCR技术获得白芨Bs SUT2基因CDS全长,通过生物信息学软件分析Bs SUT2编码蛋白的分子特征,并对BsSUT2进行氨基酸序列比对与系统进化树分析;采用实时荧光定量PCR技术检测BsSUT2基因的组织表达模式。结果表明,克隆获得的BsSUT2基因CDS全长为1 584 bp,编码527个氨基酸。BsSUT2蛋白包含12个跨膜结构域,亚细胞定位预测表明BsSUT2蛋白定位于质膜,与铁皮石斛和小兰屿蝴蝶兰SUT2基因编码蛋白序列一致性高,隶属于SUT4亚族。Bs SUT2基因的表达具有组织特异性,其转录本在白芨幼苗的假鳞茎中表达量最高。推测BsSUT2基因在白芨生长发育和蔗糖的分配中发挥重要作用。本研究对白芨BsSUT2基因的序列特征与组织表达模式进行分析,为阐明Bs SUT2基因在蔗糖运输与分配、生长发育和逆境胁迫中的功能提供实验数据支持。     

棉铃与其它器官间的激素信息传递

通过对大量试验结果的分析,初步明确了棉铃确实与其它器官间存在着激素信息的传递,并证明传递的主要途径是韧皮部而不是木质部。本文还对输入棉铃的植物激素的来源进行了讨论。可靠的证据进一步表明,经韧皮部传递的植物激素的水平随环境条件和生育时期而波动。文章最后提出了该研究领域的努力方向。     

Enhancement of Tuberous Root Production and Adenosine 5'-Diphosphate Pyrophosphorylase (AGPase) Activity in Sweet Potato (Ipomoea batatas Lam.) by Exogenous Injection of Sucrose Solution

Adenosine 5'-diphosphate pyrophosphorylase (AGPase) is a key enzyme governing starch synthesis and is regarded as an important determinant of the sink activity of the sweet potato root. In this study, assuming that the expression of AGPase is under the direct or indirect control of sucrose, we investigated the effect of exogenous injection of sucrose solution into a plant on the activity of AGPase and tuberous root production. Sucrose solutions of 6 and 12 %, and distilled water as the control, were injected into the top of the shoot. The application of sucrose solution was effective in increasing tuberous root production and increasing the ratio of tuberous root weight to total root weight in a plant. AGPase activity in roots was enhanced by about 25 % by injecting sucrose solution. These results suggest that AGPase and sink activities are controlled by sucrose transported from the leaves. To increase sweet potato production effectively, AGPase activity and sink function must be enhanced, and so a genetic and physiological improvement in photosynthetic function or sucrose productivity in the leaves is necessary to increase AGPase activity in sink organs.     

Reduced Sink Activity in Growing Shoot Tissues of Maize under Salt Stress of the First Phase may be Compensated by Increased PEP‐Carboxylase Activity

The effects of salt stress (100 mm NaCl for 6 days) on growing tissues (shoot apex, growing leaf segments, root tips) of young maize plants (Zea mays L. cv. Pioneer 3906) were investigated in comparison to an unsalinized control, focusing on assimilate supply from source leaves and the activity of sucrolytic enzymes in the sink tissues. The objectives were to test whether (i) phloem unloading in growing tissues is mainly symplastic, (ii) salinity reduces sink activity, determined either as sucrose synthase activity (indicator for the symplastic pathway) or as acid invertase activity (indicator for the apoplastic pathway), and (iii) PEP‐carboxylase activity is increased under salinity to compensate for reduced sink activity. For growing tissues of young maize shoots, it can be assumed that phloem transport of sucrose is mainly driven by symplastic unloading into the sink cells. In maize root tips, both, apoplastic and symplastic pathways, contributed to carbohydrate supply to the sink cells. The activity of acid invertase in growing shoot tissues was very low, and the alkaline invertase contributed less than 10 % to the cytoplasmic sucrolytic activity. Salt stress of the first phase (mainly osmotic stress) caused a significant inhibition of acid invertase activity in the growing leaf segments and in the root tips, which was also true for alkaline invertase activity in the root tips as well as for sucrose synthase activity in root tips and shoot apex. The decrease of sucrose synthase activity in shoot apex might be particularly detrimental for the plant growth, as this tissue with a high cell division rate relied entirely on cytoplasmic enzyme activities. Under salt stress, PEP carboxylase activity was significantly increased in growing leaves and the shoot apex of maize, whereas no significant effect was observed in the root apex. In conclusion, PEP carboxylase can have an anaplerotic function supporting the demand for metabolites in growing shoot tissues of young maize plants under salt stress. In root tips, an additional supply of organic acids to the tricarboxylic acid cycle is probably not needed, as sucrolytic sink activity, which was high even under saline conditions, can meet the demand of the sink cells.     

水分胁迫对花生不同器官非结构性碳水化合物含量的影响

为探讨不同生育时期水分胁迫对花生不同器官非结构性碳水化合物(NSC)“库—源—流”间的变化动态,以‘花育20号’和‘花育27号’花生品种为试材,采用控制条件下的防雨棚池栽方法,研究了花生生长发育过程中不同生育时期水分胁迫下,非结构性碳水化合物(NSC)在花生叶片、茎、根和荚果等器官中的动态变化。结果表明,全生育期干旱胁迫使花生叶片、茎和根中可溶性总糖含量和淀粉均明显升高,但荚果中可溶性糖含量却明显降低。无论何生育时期受到干旱胁迫均使得叶片中可溶性糖含量峰值提前15天左右出现,“源”物质输出提前但输出量降低,叶片提前衰老。生育前期干旱胁迫使滞留在荚果中的NSC含量增加,结荚期后干旱胁迫反而利于荚果中NSC的转化。全生育期水分适宜处理叶片中NSC含量相对较低且变化较小。由此表明,干旱胁迫降低了NSC由源至库的运输和转化,使荚果“库”容量降低。     

光周期对水稻源库关系的影响

以4个不同类型的水稻品种,研究穗分化期间进行不同的光周期处理对源库关系的影响。结果表明,在长日照条件下,库器官发育延缓,抽穗延迟;源器官干物质生产量下降,分配至库器官中的比例减少,大量的非结构碳水化合物滞留在源器官中;库器官发育畸形,库容量下降,库器官充实受阻。不同品种间表现有异。     

Virtual plant based on fuzzy neuron Inference of physiology process

A fuzzy neuron inference of physiological process (FNI-PP) based virtual plant growth model is proposed. Using machine learning theory, the model can automatically learn and fit the plant growth function according to measured data and extract the plant growth rules. During plant growth, the source and sink organs respond the surrounding virtual environment according to its inbuilt growth function, and produce, allocate and consume assimilates as well as update the L-grammar representing the plant structure. The model can automatically adjust parameters of the growth function and the L-grammar to respond the environmental heterogeneity. Cayenne-based simulations show that the model can accurately extract the growth function and the structural pattern of the plant, and vividly demonstrate the response to environment.     

甘薯蔗糖转运蛋白基因IbSUT3的克隆及功能分析

蔗糖作为光合产物的主要运输形式,其跨膜运输主要由蔗糖转运蛋白介导。本研究采用RACE技术,仍甘薯[Ipomoeabatatas (L.)Lam.]中兊隆得到甘薯蔗糖转运蛋白基因IbSUT3(GenBank登录号为MN233361)。IbSUT3基因全长1607 bp,开放阅读框为1518 bp,编码505个氨基酸。IbSUT3蛋白预测分子量为53.82 kD,等电点(pI)为9.19,含有12个跨膜结构域。序列比对表明, IbSUT3属于Group Ⅰ亚族,与其他物种的SUTs蛋白高度相似,但与Group Ⅳ亚族的蔗糖转运蛋白在进化上具有明显差别。利用酵母表达体系SUSY7/ura3证明IbSUT3编码有功能的蔗糖转运蛋白。亚细胞定位収现, IbSUT3蛋白定位在烟草原生质体膜上。实时荧光定量PCR结果表明, IbSUT3基因在甘薯不同组织中均有表达,但在叶片中表达最高;非生物胁迫(低温、高盐、干旱)和外源脱落酸均可诱导IbSUT3基因在叶片中的表达,表明该基因响应多种非生物胁迫,参与植物对脱落酸的响应。     

改善土壤通气性促进甘薯源库间光合产物运转的原因解析

为了明确土壤通气性对甘薯源库间光合产物运转的调控机制,本研究以淀粉型品种商薯19和济徐23为试验材料,设置疏松、对照和紧实3个处理进行大田试验,研究结果表明,与对照处理相比,疏松处理显著提高2个品种的块根产量和经济系数, 2年平均增幅分别为27.03%～38.74%和6.30%～13.05%,紧实处理则显著降低2个品种的块根产量和经济系数, 2年平均降幅分别为17.87%～15.92%和10.83%～15.63%。功能叶13C标记结果显示,疏松处理显著提高块根中光合产物的输入效率。疏松处理显著提高块根中蔗糖和淀粉含量,显著降低地上部器官中淀粉含量和茎中尤其是茎的中下部中蔗糖含量;紧实处理则显著降低块根中蔗糖和淀粉含量,而显著提高地上部器官蔗糖和淀粉含量,且茎中下部蔗糖含量增幅较大。疏松处理显著降低50～150d茎基部与茎顶部间和茎基部与块根间的蔗糖含量差;紧实处理则显著提高茎基部与茎顶部间和茎基部与块根间的蔗糖含量差,且茎基部与块根间蔗糖含量差的变幅大于茎基部与茎顶部间的蔗糖含量差。相关分析表明,茎基部与块根间、茎基部与茎顶部间蔗糖含量差与块根蔗糖和淀粉含量呈极显著负相关。说明改善土壤通气性可促进茎基部光合产物向块根的运转,提高块根中碳水化合物含量,增加块根产量。     

减库对大豆叶片碳代谢的影响

植物的碳代谢过程与植株生长和产量形成密切相关,是受源库关系影响最明显的生理过程之一。研究减库对大豆叶片碳代谢的影响,可为明确源库关系失衡导致的减产机理研究提供理论依据。以早熟大豆品种苏豆13为材料,于2019年和2020年在江苏省农业科学院大豆试验站进行池栽试验,在大豆R4期设置减库处理(去除全部豆荚、去掉1/2豆荚和全部种子损伤处理),以正常植株为对照,研究减库对大豆碳代谢的影响。结果表明,减库处理延缓了叶片衰老和脱落,导致叶片持绿。减库处理显著抑制了短期内的净光合速率(Pn),但是未影响初始羧化速率(a)。Pn降低主要受气孔限制,随时间延长,光合抑制作用逐渐减弱并转为促进作用,在生育后期,减库处理的叶片仍能保持相对较高的a、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SuSy)和酸性转化酶(SAI)活性及光合色素、可溶性糖、淀粉、蔗糖和果糖含量,利于维持相对较高的光合性能。减库处理导致更多的光合产物向营养器官分配,茎、叶片和叶柄在一定程度上成为新的库器官,利于生育后期的叶片光合产物输出并保持相对较高的碳代谢水平。去除全部豆荚和种子损伤处理延缓叶片衰老和脱落、光合性能和碳代谢水平降低的作用...     

油菜素内酯对春玉米灌浆期叶片光合功能与产量的调控效应

以玉米品种"郑单958"为材料,在大田条件下,采用植物生长调节物质油菜素内酯(brassinolide,BR)对苞叶和穗位叶喷施处理,研究了BR对玉米穗位叶功能、籽粒灌浆及产量的调控作用。结果表明,灌浆期随生育进程,玉米穗位叶叶绿素含量、光合速率、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)、1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Ru BPCase)以及蔗糖磷酸合酶和蔗糖合酶的活性均显著下降。同时,籽粒蔗糖含量显著降低,但淀粉含量和粒重均显著增加。与对照相比,BR处理显著增加玉米穗位叶叶绿素含量,提高光合速率,增强PEPCase、Ru BPCase、蔗糖磷酸合酶和蔗糖合酶的活性。BR处理显著增加籽粒蔗糖和淀粉积累,提高玉米籽粒干物质积累。在产量构成上,BR显著缩短秃尖长度,增加穗粒数和千粒重,显著提高产量。本研究说明,灌浆期喷施BR可提高玉米叶源的活性,延长叶片光合功能持续期,促进籽粒灌浆和物质积累,从而实现增产。