植物非生物胁迫应答相关转录因子研究进展

非生物逆境胁迫严重危害农作物的生产,并且转录因子在调节植物生长发育以及对外界环境胁迫方面起重要作用,而利用基因工程手段过量表达植物中与抗逆相关的转录因子,可提高下游多个植物抗逆基因的表达,从而提高植物的抗逆能力,因而转录因子受到广泛的关注,由此综述乙烯应答元件结合因子(AP2/EREBP)、MYB、WRKY、碱性亮氨酸拉链家族(bZIP)和HSFs五种植物应答非生物胁迫相关转录因子的结构特点、功能,以及它们在植物应答非生物胁迫方面的研究成果。     

小麦IQM基因家族鉴定及非生物胁迫下表达分析

IQM基因是钙调素结合蛋白家族中的重要分支,在植物生长发育和应激反应中发挥重要作用。本研究利用生物信息学方法在小麦全基因组中鉴定出23个IQM基因家族成员,对其染色体位置、理化性质、系统进化关系、基因结构、蛋白保守结构域、启动子顺式作用元件和基因表达特性等进行了系统分析。结果表明,TaIQM基因家族成员随机分布在小麦18条染色体上,亚细胞定位结果显示所有基因均位于细胞核中,系统进化分析将其分为3个亚类,同一亚类间基因结构、蛋白保守结构域相似度较高,推测其功能相似;顺式作用元件分析表明,TaIQM基因家族成员启动子中含有多种与逆境胁迫及生长发育相关顺式作用元件;转录组数据分析显示,TaIQM基因家族成员在不同时期的根、茎、叶、穗和籽粒中表达量存在显著性差异;qRT-PCR分析显示,在小麦苗期地上部和地下部,TaIQM基因响应干旱、低温、高温、NaCl、ABA等多种胁迫,显示上调或下调表达。初步推断这些基因可能通过Ca²⁺信号通路参与非生物胁迫调控,研究结果为全面解析TaIQM基因结构与生物学功能、非生物胁迫响应分子机制提供依据。     

Genome-wide identification and transcriptome profiling reveal great expansion of SWEET gene family and their wide-spread responses to abiotic stress in wheat(Triticum aestivum L.)

The Sugars Will Eventually be Exported Transporter(SWEET) gene family, identified as sugar transporters, has been demonstrated to play key roles in phloem loading, grain filling, pollen nutrition, and plant-pathogen interactions. To date, the study of SWEET genes in response to abiotic stress is very limited. In this study, we performed a genome-wide identification of the SWEET gene family in wheat and examined their expression profiles under mutiple abiotic stresses. We identified a total of 105 wheat SWEET genes, and phylogenic analysis revealed that they fall into five clades, with clade V specific to wheat and its closely related species. Of the 105 wheat SWEET genes, 59% exhibited significant expression changes after stress treatments, including drought, heat, heat combined with drought, and salt stresses, and more up-regulated genes were found in response to drought and salt stresses. Further hierarchical clustering analysis revealed that SWEET genes exhibited differential expression patterns in response to different stress treatments or in different wheat cultivars. Moreover, different phylogenetic clades also showed distinct response to abiotic stress treatments. Finally, we found that homoeologous SWEET genes from different wheat subgenomes exhibited differential expression patterns in response to different abiotic stress treatments. The genome-wide analysis revealed the great expansion of SWEET gene family in wheat and their wide participation in abiotic stress response. The expression partitioning of SWEET homoeologs under abiotic stress conditions may confer greater flexibility for hexaploid wheat to adapt to ever changing environments.     

DREB转录因子在植物逆境胁迫中的作用及研究进展

DREB转录因子能调控并激发不同基因表达,在多种胁迫下植物分子育种中被广泛的应用。通过对非生物逆境胁迫下不同DREB基因转入小麦、水稻、大麦和玉米等植物的研究,表明其能响应干旱、极端温度、重金属等胁迫。DREB基因过量表达也会促进CBF/DREB的基因及其与抗逆境有关的HSP/LEA等基因表达,保护转基因植物细胞免遭逆境胁迫损害。     

Genome-wide identification and characterization of the JAZ gene family and its expression patterns under various abiotic stresses in Sorghum bicolor

The jasmonate ZIM domain (JAZ) protein belongs to the TIFY ((TIF[F/Y]XG) domain protein) family,which is composed of several plant-speci?c proteins that play important roles in plant growth,development,and defense responses.However,the mechanism of the sorghum JAZ family in response to abiotic stress remains unclear.In the present study,a total of 17 JAZ genes were identi?ed in sorghum using a Hidden Markov Model search.In addition,real-time quanti?cation polymerase chain reaction (RT-qPCR) was ...     

Versatile physiological functions of the Nudix hydrolase family in berry development and stress response in grapevine

Nudix hydrolases are widely distributed across all classes of organisms and provide the potential capacity to hydrolyze a wide range of organic pyrophosphates. Although Nudix hydrolases are involved in plant detoxification processes in response to abiotic and biotic stresses, the biological functions of Nudix hydrolases remain largely unclear in grapevine.In the present study, a total of 25 putative grapevine Nudix hydrolases(VvNUDXs) were identified by bioinformatics analysis and classified int...     

二穗短柄草DREB1G基因表达模式分析和在拟南芥中的异源过量表达

CBF/DREB基因是一类植物特异性转录因子,通过调控下游抗逆相关基因的表达,在植物逆境胁迫应答过程中发挥重要作用。为了研究新型的禾本科模式植物二穗短柄草DREB基因的功能,克隆BdDREB1G的cDNA序列,分析该基因在各种非生物胁迫条件下的表达,构建过表达载体,获得转基因拟南芥。结果表明:高温、低温和水杨酸胁迫处理显著诱导BdDREB1G的表达,暗示该基因响应高温和低温胁迫。初步观察结果说明,该与野生型拟南芥相比,转基因植株生长发育迟缓。这些为研究该基因响应非生物胁迫的功能奠定基础。     

两个小麦LEA基因的特征及其对非生物胁迫的响应

【目的】分析小麦LEA基因TaLEA4和TaLEA5及其编码蛋白的特征,比较它们在干旱、高盐、热和冷胁迫过程中的表达模式,探讨这两个LEA基因在小麦抗逆调控过程中的生物学功能,为其在小麦抗逆分子育种中的应用提供理论依据。【方法】利用RT-PCR技术克隆小麦的LEA基因,通过生物信息学方法分析克隆基因及其编码蛋白的结构特性,采用qRT-PCR技术检测克隆基因对ABA及非生物胁迫的响应模式。【结果】克隆了2个包含完整编码框的小麦LEA基因TaLEA4和TaLEA5,分别编码180和163个氨基酸,推断其分子量分别为18.8和16.9 kD,理论等电点分别为5.6和7.2。基因组序列分析发现,2个LEA基因中均包含1个100 bp的内含子。氨基酸序列分析发现,这两个LEA基因编码蛋白均富含极性氨基酸（约占整个氨基酸序列的71%）,具有较强的亲水性。结构域分析显示,TaLEA4和TaLEA5蛋白中均包含1个典型的LEA_4（pfam:02987）保守域,属于LEA_4类蛋白。蛋白质高级结构分析显示,α-螺旋分别占TaLEA4和TaLEA5蛋白的96.7%和96.3%,并可形成弓形的空间结构;在TaLEA4中,检测到1个配体PEV（C₃₉H₇₈NO₈P）的结合位点,而在TaLEA5中存在2个这样的配体结合位点。表达特性分析显示,2个LEA基因均可被植物激素ABA诱导而上调表达,其中,TaLEA4的表达水平显著高于TaLEA5;TaLEA4在干旱、高盐和高温胁迫过程中均受胁迫诱导而迅速上调表达,但TaLEA5却只受干旱胁迫的诱导,且其表达水平显著低于TaLEA4;2个LEA基因对冷胁迫均无响应;干旱和高盐胁迫过程中,TaLEA4在根系中的诱导表达水平显著高于叶片,而热胁迫过程中该基因在叶片中的表达水平要显著高于根系,这可能与根系直接感受渗透胁迫而叶片直接感受热胁迫有关。【结论】小麦TaLEA4和TaLEA5均属于LEA基因家族的LEA_4亚类,具有较强的亲水性,它们属于依赖于ABA胁迫响应基因调控网络;TaLEA4可能在干旱、高盐和热胁迫过程中均发挥重要功能,TaLEA5仅参与小麦对干旱胁迫的响应,其作用要弱于TaLEA4。     

Constitutive Overexpression of Myo-inositol-1-Phosphate Synthase Gene (GsMIPS2) fromGlycine soja Confers Enhanced Salt Tolerance at Various Growth Stages inArabidopsis

The enzymemyo-inositol-1-phosphate synthase (MIPS EC 5.5.1.4) catalyzes the first step ofmyo-inositol biosynthesis, a product that plays crucial roles in plants as an osmoprotectant, transduction molecule, cell wall constituent and production of stress related molecule. Previous reports highlighted an important role of MIPS family genes in abiotic stresses particularly under salt stress tolerance in several plant species; however, little is known about the cellular and physiological functions ofMIPS2 genes under abiotic conditions. In this study, a novel salt stress responsive gene designatedGsMIPS2 from wild soybean Glycine soja07256 was functionally characterized contained an open reading frame (ORF) of 1 533 bp coding a peptide sequence of 510 amino acids along with mass of 56 445 ku. Multiple sequence alignment analysis revealed its 92%-99% similarity with other MIPS family members in legume proteins. Quantitative real-time PCR results demonstrated thatGsMIPS2 was induced by salt stress and expressed in roots of soybean. The positive function ofGsMIPS2 under salt response at different growth stages of transgenicArabidopsis was also elucidated. The results showed thatGsMIPS2 transgenic lines displayed increased tolerance as compared to WT andatmips2 mutant lines under salt stress. Furthermore, the expression levels of some salt stress responsive marker genes, including KIN1,RD29A, RD29B,P5CsandCOR47 were significantly up-regulated inGsMIPS2 overexpression lines than wild type andatmips2 mutant. Collectively, these results suggested thatGsMIPS2 gene was a positive regulator of plant tolerance to salt stress. This was the first report to demonstrate that overexpression ofGsMIPS2 gene from wild soybean improved salt tolerance in transgenicArabidopsis.     

植物纤维素合成酶基因和纤维素的生物合成

目的系统鉴定和分析小麦纤维素合成酶(CesA)基因家族成员,为进一步阐明小麦CesA基因家族的生物学功能奠定理论基础。方法利用生物信息学方法在小麦全基因组上系统鉴定小麦CesA (TaCesA)基因家族的成员。对小麦CesA基因的系统发育、染色体位置和转录组进行分析。预测TaCesAs基因结构、保守基序、顺式元件、蛋白质特征和亚细胞定位,并对小麦及其亚基因组供体中CesAs同源基因进行比对。结果共鉴定出21个TaCesA基因,分为3组(a、b和c)。基因结构分析发现TaCesA含有多个内含子,但部分基因非翻译区(UTR)结构存在缺失。TaCesA基因与其亚基因组供体关系保守。TaCesAs的上游包含45个与生物胁迫/非生物胁迫、生长发育和植物激素相关的元件,预示这些基因可能参与响应小麦的生物学功能。表达谱结果显示：TaCesA基因在缺磷、高温、低温、干旱、条锈病、白粉病和赤霉病等逆境胁迫中均有响应。结论小麦CesA基因具有保守的基因结构和蛋白结构,且在小麦抵御非生物和生物胁迫中起着重要作用。     

高等植物非生物胁迫适应的分子生理机制

在综述高等植物非生物胁迫适应的分子生理机制、转基因改良及其局限的基础上,对今后植物抗性生理研究及分子改良研究中方法论创新以及新技术的综合应用进行了探讨。     

普通小麦转录因子基因TaWRKY35的克隆及功能分析

【目的】非生物逆境是制约小麦生产的主要因素。WRKY转录因子是植物特有的转录因子家族,参与对多种非生物逆境胁迫的应答。普通小麦基因组中至少含有200个WRKY,目前仅对少数成员的功能进行了鉴定。通过克隆小麦WRKY转录因子TaWRKY35并揭示其功能,为改良小麦的抗逆性提供基因资源。【方法】利用小麦全长cDNA数据信息,从强抗旱小麦品种旱选10号中克隆逆境胁迫应答转录因子基因TaWRKY35;采用实时定量PCR技术,分析目标基因在不同发育时期、不同组织器官中的表达水平,以及在PEG-6000、NaCl、ABA和低温等逆境胁迫下的表达模式;构建目标基因与GFP融合的表达载体,转化小麦原生质体,以确定目标蛋白在细胞中的作用位置;构建TaWRKY35过表达载体,通过农杆菌介导的方法转化拟南芥,揭示目标基因的功能。【结果】TaWRKY35的开放阅读框全长1 134 bp,编码377个氨基酸的蛋白。TaWRKY35的N端有一个典型的WRKY结构域,C端有一个C₂HC型的锌指结构域,属于WRKY家族第Ⅲ亚家族。测序发现TaWRKY35编码区序列非常保守,在32份多态性较高的六倍体小麦材料中未检测到DNA多态性。TaWRKY35在小麦的不同发育时期、不同组织中均有表达,其中在幼苗根基部表达量最高,约为苗期叶片中表达量的26倍;其次为幼芽根基,约为苗期叶片中表达量的21倍;接下来依次为孕穗期茎节、孕穗期穗、芽期根、孕穗期根、苗期根、胚芽、孕穗期叶片,而在幼苗叶片中表达水平最低;同时在ABA、NaCl、PEG和低温胁迫条件下,小麦幼苗TaWRKY35的表达量均显著上升,表明TaWRKY35参与对4种逆境胁迫的应答,但在不同胁迫条件下表达模式差异显著,其中对盐胁迫最敏感。亚细胞定位发现,TaWRKY35特异定位在细胞核上,是典型的核定位蛋白。在高盐胁迫条件下,TaWRKY35过表达转基因拟南芥子叶白化率显著低于对照,TaWRKY35过表达转基因拟南芥的细胞膜稳定性和幼苗存活率均显著高于野生型对照,表明TaWRKY35能增强植物的耐盐性。【结论】TaWRKY35编码蛋白含有WRKY和C₂HC结构域,为WRKY家族第Ⅲ亚家族成员。TaWRKY35在小麦发育的不同时期、不同组织中均有表达,且受ABA、PEG、NaCl及低温等逆境胁迫诱导。过表达TaWRKY35能显著提高转基因拟南芥的耐盐性。     

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...     

植物抗逆相关ERF转录因子研究综述

植物在它的生命周期中要经历各种逆境胁迫。植物许多胁迫相关基因的表达主要受特定转录因子在转录水平的调控。ERF转录因子家族参与植物的生物胁迫和非生物胁迫的应答,是同植物抗逆应答密切相关的一类转录因子大家族。它们通过识别不同的顺式元件,调节多种功能基因的表达,调节植物抗性应答。综述简要介绍ERF转录因子及其相关顺式作用元件。阐述植物ERF转录因子家族在植物抗逆应答中的功能。     

植物蛋白激酶GCN2结构、功能及调控研究进展

植物对于生物和非生物胁迫的应答效率直接影响植物的生长发育。蛋白的磷酸化和去磷酸化修饰在植物环境胁迫应答中起到了重要作用。在真核生物蛋白翻译起始过程中,蛋白激酶GCN2能通过磷酸化真核翻译起始因子e IF2α来调控蛋白的翻译,进而对逆境胁迫进行应答。在植物中,GCN2通过磷酸化e IF2α抑制蛋白的合成,从而激活植物自身免疫防御以应答各种胁迫。从GCN2的结构、调控及其在植物中的新功能等方面综述了植物GCN2的研究进展,以期为揭示植物GCN2介导的胁迫应答机理提供参考。