高粱CIPK家族基因的全基因组鉴定及非生物胁迫下的表达特征

钙调磷酸酶B样蛋白互作蛋白激酶(CIPK)是一种重要的Ca^(2+)信号传感器,在植物应答逆境非生物胁迫过程中发挥着重要作用。为了探究高粱中CIPK家族基因的功能,本研究从高粱基因组中鉴定了31个SbCIPK基因,这些基因不均匀地分布在高粱的9条染色体上,编码蛋白质的氨基酸数量为403~519个,等电点为6.07~9.38,相对分子质量为46 357.31~58 316.97。基因结构分析结果表明,SbCIPK家族基因分为内含子缺失型和内含子富集型2类。进化树分析结果表明,SbCIPK家族蛋白质成员分为8个亚族。基于转录组数据的表达模式分析结果表明,SbCIPK基因广泛参与对盐胁迫、干旱胁迫等非生物胁迫的响应。本研究结果可以为高粱CIPK家族基因的功能研究奠定基础。

荔枝VQ基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应

【目的】VQ蛋白是一类含有保守VQ基序(FxxhVQxhTG)的植物特异性蛋白,在植物生长发育和非生物胁迫应答中发挥重要作用。研究鉴定了荔枝VQ基因家族,并分析其在不同组织的表达模式及在低温、高温、干旱和盐胁迫下的应答,为后续研究其抗逆机制奠定了基础。【方法】用生物信息学方法在荔枝全基因组中鉴定LcVQ基因,并对其理化性质、亚细胞定位、基因结构和保守基序等进行分析;用MEGA 6.0软件构建系统发育树,分析荔枝、拟南芥和水稻VQ蛋白的系统发育关系;用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术验证LcVQs对多种非生物胁迫的响应情况。【结果】荔枝中共鉴定获得可聚类为9个亚族的18个VQ基因(LcVQ1-18),依次分布在荔枝的11条染色体上,其编码蛋白的氨基酸数介于111~427之间,分子质量为12.48~45.49 kD;除LcVQ15和LcVQ17定位于细胞质之外,其余LcVQ蛋白均定位于细胞核。LcVQs启动子区域包含大量植物生长发育响应元件、激素响应元件及逆境响应元件。LcVQs的表达量在不同组织中具有明显差异,总体上分为普遍性表达和特异性表达。LcVQs可快速响应非生物胁迫,在低温、高温、干旱和盐胁迫处理3 h内分别有4,3,3,4个LcVQs明显上调表达。【结论】荔枝全基因组中有18个VQ家族成员,具有典型VQ保守结构域,能差异化响应多种非生物胁迫。

枳PtrPP2C51基因克隆与非生物胁迫表达分析

克隆枳PP2C基因家族的PtrPP2C51基因,分析其在低温、高温和干旱等胁迫下的表达规律,探究其在非生物胁迫中的功能。以1年生枳苗为试材,从嫩叶克隆到PtrPP2C51基因cDNA序列,采用生物信息学方法对其进行分析,利用实时荧光定量PCR仪(qRT-PCR)检测枳苗在低温、高温和干旱(15%PEG-6000)处理下的PtrPP2C51基因表达模式。克隆获得PtrPP2C51基因编码区CDS序列长度为879 bp,编码292个氨基酸,其蛋白分子量为31.36 ku,理论等电点4.9,脂肪系数79.52,不稳定系数39.57,亲水性平均值-0.279。PtrPP2C51蛋白的二级结构中α-螺旋、β-转角、延伸链和无规则卷曲占比分别为40.07%、7.88%、18.15%和33.90%。PtrPP2C51蛋白与克里曼丁橘的PP2C蛋白在同一小分支上,亲缘关系最近。经低温(0℃)、高温(38℃)和干旱(15%PEG-6000)3种不同胁迫处理,PtrPP2C51基因的相对表达量均表现持续上调趋势,并且均在处理12 h时表达量达到最高值。PtrPP2C51基因可能参与枳的抗逆胁迫调控机制。

草地早熟禾转录因子PpMYB44基因克隆及非生物胁迫响应分析

MYB转录因子在植物次生代谢调节、激素信号转导和抗逆等生理生化过程中发挥重要作用。为揭示MYB转录因子对草地早熟禾(Poa pratensis L.)逆境胁迫条件下的响应,本研究克隆了PpMYB44基因,并进行了生物信息学分析,应用qRT-PCR技术对该基因在组织中的表达特异性及非生物胁迫处理下的表达进行了检测。结果显示,PpMYB44包含典型结构域PLN03091超家族,与其在黑麦草(Lolium perenne)中的同源基因相似度较高。草地早熟禾PpMYB44基因存在组织特异性,其相对表达量由高到低依次为根>茎>叶;PpMYB44显著响应干旱、盐、磷和氮胁迫,干旱、氮胁迫抑制PpMYB44基因表达;盐和磷显著促进其表达;经植物激素SA、GA处理后,PpMYB44相对表达量下调,而IAA及GABA促进该基因表达。本研究为丰富草地早熟禾转录因子MYB家族在非生物胁迫下的调节机制提供了理论基础。

非生物环境因子干扰对微生物群落演替影响的研究进展

了解驱动群落演替的因素是微生物生态学的中心目标之一,非生物环境因子影响着单个种群的生长及种群之间的相互作用。微生物群落非常敏感,很容易对作为干扰的非生物环境因子的变化产生响应。研究不同类型的干扰如何产生不同的影响,将增强对微生物群落多样性、结构和功能之间关系的认识。以作用对象为分类标准,梳理了各种非生物环境因子干扰对微生物群落演替的影响研究,包括非特异性、特异性及航天等特殊环境下的非生物环境因子。从干扰程度的量化、多因素干扰影响及干扰后演替的时间过程等方面,得出研究干扰下群落多样性演替机制的关键问题。展望了未来需要探索的方向,并提出相关研究建议。

热激转录因子HSF调控植物非生物胁迫响应的作用机制

热激转录因子(Heat shock transcription factors,HSF)是植物抵抗热胁迫最重要的转录因子家族之一,广泛存在于真核生物。HSF拥有高度保守的DNA结合域,可参与复杂的胁迫信号转导和响应网络。HSF作为信号转导链的末端组分,介导非生物逆境胁迫下靶标基因的表达。在逆境胁迫响应中,HSF受上游蛋白激酶介导磷酸化和泛素化或通过ABA信号通路结合热激元件,调控热激蛋白等下游基因的表达,从而提高植物的抗逆性。本文综述HSF的发现、结构、分类、调控机制及其在植物响应非生物逆境胁迫(极端温度、干旱、高盐碱和重金属等)中的作用机制,并对未来研究方向加以展望,以期为农作物和牧草抗逆性遗传改良提供理论依据和基因资源。

非生物胁迫对月季生长发育影响的研究进展

从温度、光照、水分、盐及重金属5个非生物胁迫方面入手,对月季应答非生物胁迫的形态及生理生化变化、分子调控的研究现状进行综述,阐述非生物胁迫对月季生长发育影响,为深入阐释月季应答非生物胁迫的调控机制提供参考,也为高抗月季品种的培育和应用提供理论依据。提出相关研究应利用组学方法和先进的生物技术多维度解析月季应答非生物胁迫的分子调控网络,挖掘非生物胁迫应答关键基因,通过转基因技术培育抗性强的月季优势品种。

拟南芥At ACO3基因的表达对抵御非生物胁迫影响的研究进展

乌头酸酶(Aconitase,ACO)是参与三羧酸循环中柠檬酸可逆异构化过程的关键酶,这种酶有3种亚型(ACO1,ACO2,ACO3),其中ACO3发挥主要的作用。有研究发现,乌头酸酶基因At ACO3还对提高模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)应对非生物胁迫具有重要的生物学功能。本文着重论述了At ACO3在提高植物的抗寒性、抗旱性、抗金属胁迫、抗氧化胁迫等方面的作用,为深入研究植物ACO3基因和进一步开发植物抗逆功能基因提供参考价值。

肌醇代谢在植物响应非生物胁迫中的作用

非生物胁迫制约了植物的生长和发育,降低作物的产量,严重时导致植物死亡。为了应对非生物胁迫,植物在进化过程中形成了一系列胁迫响应机制,包括肌醇(MI,myo-inositol)代谢途径。肌醇为一类化学性质稳定的极性小分子,植物可通过积累其糖苷类衍生物参与渗透调节途径,从而响应非生物胁迫。肌醇-1-磷酸合酶(MIPS,myo-inositol-1-phosphate synthase)、肌醇单磷酸酶(IMP,inositol monophosphtease)和肌醇加氧酶(MIOX,myo-inositol oxygenase)在肌醇的生物合成或分解过程中发挥作用,它们通过调控植物中肌醇的含量,以及后续一系列复杂的转化途径,参与L-抗坏血酸(L-AsA,Lascorbic acid)和部分细胞壁多糖的合成,响应盐、干旱、碱和低温等非生物胁迫。本文综述了肌醇的结构、生物学作用、肌醇代谢途径相关酶和肌醇衍生物在植物响应非生物胁迫中的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望,旨在为利用肌醇代谢增强植物对非生物胁迫的抗性,培育抗逆植物品种提供理论基础。

紫花苜蓿NAC基因家族鉴定及在非生物胁迫下的表达模式分析

NAC是植物特有转录因子,在调控植物生长发育及响应非生物胁迫等方面发挥作用。为挖掘紫花苜蓿(Medicago sativa)响应干旱等非生物胁迫的NAC转录因子,本研究利用生物信息学方法在‘中苜4号’紫花苜蓿基因组中鉴定出143个NAC家族转录因子。研究表明,紫花苜蓿MsNAC基因在染色体上不均匀分布,MsNAC基因存在片段重复,并与大豆(Glycine max(Linn.)Merr.)、蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)存在共线性关系,基因保守基序及基因结构分析表明MsNAC基因多数含有Motif1,Motif3保守基序及3~6个外显子。大多数MsNAC蛋白定位于细胞核中。系统进化树分析结果表明MsNACs聚类为8个亚家族。顺式作用元件分析表明MsNAC基因含有响应干旱及脱落酸、生长素等顺式作用元件。荧光定量分析结果显示部分MsNAC基因响应干旱、盐胁迫及脱落酸处理,大部分MsNAC候选基因在干旱、盐及ABA处理后上调表达。本研究结果可为紫花苜蓿抗旱、耐盐分子育种提供候选基因。

水稻热激转录因子HsfA2b调控非生物胁迫抗性的功能分析

【目的】水稻在生长发育过程中,常会受到各种非生物胁迫而严重影响产量。热激转录因子作为植物抗逆过程中的一个重要元件,通过调控一系列胁迫响应基因的表达以提高植物抗逆性。探究水稻热激转录因子OsHsfA2b调控非生物胁迫的功能与初步机理,为培育水稻抗逆新品种提供了优异基因资源和理论支撑。【方法】通过构建OsHsfA2b过量表达和RNAi的转基因水稻,分别观察水稻幼苗在高温、低温、干旱和高盐处理后的抗逆表型,统计存活率。同时,在逆境胁迫处理后,通过DAB染色检测水稻叶片活性氧(ROS)含量及RT-qPCR检测抗氧化途径相关基因OsSOD和OsCAT的表达量,分析OsHsfA2b对抗氧化途径的调控作用。【结果】在高温、低温、干旱和高盐等非生物胁迫条件下,水稻热激转录因子OsHsfA2b被显著诱导表达。与野生型NPB相比,OsHsfA2b过量表达转基因水稻对非生物胁迫的抗性明显增强,植株损伤程度较轻,存活率提高。相反,OsHsfA2b-RNAi水稻对非生物胁迫更加敏感,植株损伤严重,存活率降低。此外,在非生物胁迫条件下,OsHsfA2b过量表达转基因水稻比NPB和OsHsfA2bRNAi水稻体内活性氧的含量减少,并且OsHsfA2b显著诱导了抗氧化途径相关基因OsSOD和OsCAT的表达,OsHsfA2b参与抑制水稻体内活性氧的积累以降低逆境胁迫诱导的活性氧大量积累对植株的伤害。【结论】非生物胁迫下,水稻热激转录因子OsHsfA2b被显著诱导表达,可通过抗氧化途径正调控水稻对逆境胁迫的抗性。

不同非生物胁迫对紫花苜蓿WL712幼苗生长和生理特性的影响

紫花苜蓿WL712为美国引入品种,在我国南方地区已有一定范围的种植,具有高产量和高品质的优点,但该品种对部分非生物胁迫具有较差的耐受性。为了探究该品种对南方地区不同胁迫的响应,本研究以生长21 d的WL712幼苗为试验材料,对其模拟了5种南方常见的胁迫,分别为高温、低温、干旱、渍水以及盐胁迫,通过测定生长指标及叶绿素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、相对电导率、丙二醛(MDA)含量、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性共8个生理指标来分析其综合生理抗逆性。结果表明,南方地区的5种胁迫皆对紫花苜蓿的生长生理造成了显著的抑制作用(P<0.05),其中高温、低温及渍水胁迫下,WL712的生长情况相对其他两种胁迫更差,其株高、根长和生物量受到严重抑制,渗透调节物质(可溶性糖和可溶性蛋白)在胁迫下的提升效果相对较弱;其叶绿素含量的积累则在低温和渍水胁迫下受到严重抑制,叶片和根系中3种抗氧化酶(POD、SOD和CAT)对活性氧的清除能力相对较弱。综上所述,WL712自身具有相对较差的耐热性、耐寒性以及耐渍水能力,其中对低温和渍水尤其敏感,因此在南方地区进行种植时,应尽量避开低温潮湿和高热多雨的地区,或在种植前预处理并做好相应的管理措施,以保证该品种的产量和品质。

普通烟草KCS基因家族的鉴定及非生物胁迫表达模式分析

【目的】为探究烟草KCS基因在非生物胁迫下所起的作用。【方法】采用生物信息学方法对烟草KCS基因进行系统进化、共线性和表达模式等分析。【结果】从普通烟草中鉴定出41个KCS基因;拟南芥和新鉴定的烟草KCS基因可划分为8个亚组,大部分亚组均含拟南芥和烟草成员;10个NtKCS成员源自全基因组复制事件,NtKCS10和NtKCS11是AtKCS02的同源基因,可能具有相似的生物学功能;普通烟草KCS基因启动子含多个与胁迫相关的顺式作用元件,其成员的表达具有一定的组织特异性;在盐和干旱胁迫下,NtKCS09、NtKCS11和NtKCS16表达量均有提高,可能参与烟草胁迫响应等信号传导过程。【结论】本研究对普通烟草KCS家族成员进行了系统的鉴定与分析,为深入研究烟草KCS家族基因的生物学功能奠定理论基础。

马铃薯PYL5基因对非生物胁迫的响应分析及其启动子的活性鉴定

【目的】脱落酸(ABA)作为一种“应激激素”在植物生长发育和响应干旱、盐等非生物胁迫过程中发挥重要作用,PYR/PYL/RCARs(以下简称“PYL”)作为ABA受体在多种植物中也被广泛研究。基于对马铃薯StPYL5基因生物信息学及表达模式分析,并通过对其启动子活性鉴定,为进一步揭示马铃薯StPYL5功能及抗逆育种提供依据。【方法】根据转录组数据克隆得到StPYL5基因,通过DNAMAN、MEGA等软件分析了StPYL5的分子特征;通过qPCR检测了StPYL5基因的组织特异性及其对非生物胁迫的响应;利用PlantCARE网站对StPYL5基因启动子进行了分析,并通过瞬时转化烟草对其活性进行了鉴定。【结果】StPYL5基因全长534 bp,共编码177个氨基酸,蛋白质分子量20.19 ku,理论等电点(pI)为5.97。系统进化分析显示,StPYL5与SpPYL9-like亲缘关系较近。组织特异性分析结果显示,青薯9号(QS9)中StPYL5在根和叶中表达量较高,其次分别是茎和花,在块茎中表达量较低。不同胁迫下StPYL5表达量分析表明,青薯9号(QS9)中StPYL5在干旱、低温、盐和ABA胁迫下的表达量先升高后降低,且StPYL5的表达受Me JA和SA的诱导。此外,笔者成功克隆得到2 000 bp的StPYL5基因启动子。在烟草中的瞬时转化后的组织化学染色结果表明,StPYL5基因启动子具有成功启动下游GUS报告基因表达的启动子活性。【结论】全面分析了StPYL5基因的分子特征及其在多种非生物胁迫下的表达谱,并成功克隆到具有活性的pStPYL5启动子,该结果为深入研究StPYL5基因的功能以及马铃薯抗逆育种提供依据。

紫花苜蓿SAUR基因家族的鉴定及其在非生物胁迫中的表达模式研究

SAUR(small auxin-up RNA)是植物早期响应生长素的一类基因,参与植物生长发育与非生物胁迫响应等一系列生物过程。在拟南芥、水稻、棉花等物种中已经对SAUR基因家族进行了系统鉴定与分析,但是,在世界上最重要的豆科牧草紫花苜蓿中关于SAUR基因家族的研究尚未开展。本研究利用生物信息学的方法在紫花苜蓿参考基因组共鉴定到433个MsSAUR成员,并对其基因组位置、基因结构、启动子顺式作用元件以及不同组织中的表达模式进行了分析。同时,利用紫花苜蓿在不同非生物胁迫下的转录组数据,发现有5、11、19以及12个MsSAUR成员分别响应干旱、盐、冷以及碱胁迫,MsSAUR14/94/254可以同时响应干旱和盐胁迫,MsSAUR297可以同时响应干旱、盐以及碱胁迫,MsSAUR306可以同时响应干旱、盐以及冷胁迫。本研究结果可为后期通过基因工程技术创制高产抗逆新种质提供重要的候选基因。

豌豆应对非生物胁迫的研究进展

大多数农作物在遭受非生物胁迫时产量会显著降低,研究作物在非生物胁迫下的抗逆性指标变化和响应机制、探索提高植物抗逆性的途径,对稳定和提高作物产量具有重要意义,是可持续农业发展的重要环节。豌豆是最古老的驯化物种之一,因其对低温、干旱、盐碱等非生物胁迫具有较强的耐受力而被广泛种植。同时豌豆也是重要的粮、菜、饲兼用作物,具有较高的经济价值。本文就豌豆对干旱、盐碱、低温等非生物胁迫的响应机理和豌豆在非生物胁迫下的形态结构、抗逆性指标变化及提高豌豆抗逆性的途径措施进行综述,并就今后豌豆抗逆性研究中加强多逆境互作研究、豌豆表观遗传学研究、豌豆耐逆功能基因挖掘与利用进行分析展望,以期为今后豌豆育种提供方向与依据,为进一步加强豌豆抗旱、耐盐、耐低温等抗逆性研究夯实理论基础。

大豆海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因GmTPP的鉴定及其在生长发育和非生物胁迫响应中的表达分析

海藻糖在植物代谢、生长发育和抗逆性中起着重要作用。海藻糖-6-磷酸磷酸酶(TPP)基因对海藻糖的生物合成至关重要。大豆是重要豆类作物,种子含有丰富的蛋白质和油脂,其TPP基因家族少有报道。为分析TPP基因在大豆中的结构和功能,利用生物信息学方法在大豆全基因组中筛选得到15个GmTPP基因。系统发育分析表明,这15个GmTPP可分为3个亚家族,每个GmTPP含有9~11个内含子,同一亚家族的GmTPP基因的内含子数目相同。顺式作用元件分析表明,GmTPP基因参与植物激素和环境胁迫反应。此外,还利用转录组数据研究这些GmTPP在不同组织中的表达模式以及对不同的非生物胁迫的表达特征。结果显示,GmTPP在大豆各个组织器官中均有特定的表达模式,在盐胁迫、干旱胁迫处理下表达不同。该研究不仅为揭示GmTPP基因家族在大豆海藻糖调控中的作用奠定了基础,也为利用TPP基因家族提高大豆抗逆性提供一定的参考价值。

拟南芥AtiPGAM2基因参与非生物胁迫的响应

【目的】AtiPGAM2 基因是拟南芥(Arabidopsis thaliana)碱性磷酸酶超家族的成员,参与糖酵解过程。研究AtiPGAM2基因在逆境胁迫下的响应机制,为进一步研究AtiPGAM2的抗逆功能奠定基础。【方法】使用PlantCARE在线软件对AtiPGAM2基因启动子顺式作用元件进行分析。采用实时荧光定量PCR,检测AtiPGAM2在NaCl和ABA胁迫下的响应模式。克隆AtiPGAM2基因转入拟南芥,获得AtiPGAM2基因超表达株系。利用三引物法鉴定Atipgam2突变体。对过表达、突变体和野生型在盐胁迫下的萌发率、绿苗率以及各种非生物胁迫(甘露醇、ABA和MeJA)下的表型,进行统计分析。【结果】其启动子上存在多个光、MeJA、低温、ABA、SA、GAs等非生物胁迫和激素响应元件。荧光定量PCR分析显示,AtiPGAM2在NaCl和ABA胁迫下受到不同程度的诱导。成功获得AtiPGAM2基因过表达和突变体株系。在盐胁迫条件下AtiPGAM2过表达株系萌发率以及绿苗率均高于野生型,突变体表型则相反。甘露醇处理下突变体的萌发率低于野生型。ABA处理48 h内突变体和过表达AtiPGAM2株系的萌发率都低于野生型。MeJA处理下过表达的侧根数量高于野生型,突变体则相反。【结论】AtiPGAM2具有耐盐性,该基因响应甘露醇、ABA 和MeJA处理。

基因组修饰提高油菜非生物胁迫耐受性及应对气候变化

当前农业面临多重挑战,其中迫切需要提升产量以满足不断增长的人口需求。盐碱、干旱和极端温度等非生物胁迫是影响植物生长发育和产量的关键因素。油菜作为全球主要的油料作物,是食用植物油、生物柴油和动物饲料的重要来源,研究其遗传变异与生物学特性对于培育能够适应不同环境条件的新品种(基因型)至关重要。本文对近年来国内外油菜抗逆基因的相关研究进展进行了综述,重点总结了新兴分子育种工具和技术,包括全基因组关联分析、基因编辑等在油菜抗逆基因研究中应用的技术,以期为油菜高产抗逆基因的挖掘以及分子育种提供研究基础与技术支撑。

绿豆GPX基因家族鉴定及其对非生物胁迫的响应

[目的]本文利用生物信息学方法从绿豆基因组中筛选谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)基因家族成员,并探究其组织表达模式及其对若干胁迫的响应。[方法]利用生物信息学的方法对绿豆GPX家族的等电点、相对分子质量、共线性、上游顺式作用元件等进行分析,通过转录组测序和RT-qPCR进一步分析绿豆GPX基因家族的组织表达模式以及在不同逆境胁迫和激素作用下的表达水平。[结果]从绿豆基因组中筛选出8个GPX基因,其不均匀分布于1/2/3/5/10号染色体上。基因结构及基序分析结果显示,8个GPX的基因结构类似,均含有6个内含子区域,并且大部分GPX成员都具有UTR区。转录组以及RT-qPCR分析结果表明,多个GPX家族成员均能响应多种逆境胁迫。组织表达分析结果显示,不同GPX家族成员在不同组织中呈特异性表达;GPX家族整体在绿豆中表达丰度较低,但表达量能被各种胁迫强烈诱导。[结论]绿豆GPX基因家族响应多种非生物胁迫,不同GPX成员响应的胁迫类型不同。