拟南芥AtGA3OX1和AtGA3OX2基因影响茎秆次生细胞壁增厚的分子机理

赤霉素不仅对植物的种子萌发、叶片伸展和开花结果有重要的影响,而且在茎秆的发育过程中扮演关键的角色。它的生物合成受到多种酶的调控,其中赤霉素3-氧化酶(GA3OX)是关键的限速酶,备受重视。拟南芥AtGA3OX基因由4个成员组成,其中AtGA3OX1和AtGA3OX2基因在茎中超量表达,可能与茎的发育有关。目前,尚未见到AtGA3OX1、AtGA3OX2基因调控次生细胞壁增厚的报道。文章以拟南芥AtGA3OX1和AtGA3OX2基因双突变体atga3ox1atga3ox2为材料,系统研究了AtGA3OX1和AtGA3OX2基因对次生细胞壁的影响。结果表明:同时突变AtGA3OX1和AtGA3OX2基因不仅显著抑制了茎秆次生细胞壁纤维细胞的增厚(对导管细胞没有影响),而且也明显降低了次生细胞壁3个组分(纤维素、半纤维素和木质素)的含量。利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)进一步分析次生细胞壁3个组分生物合成基因及相关的转录因子的表达情况,结果显示这些基因在双突变体中均受到显著影响,表明拟南芥AtGA3OX1和AtGA3OX2基因可能是通过调控这些转录因子进而调控了次生细胞壁的加厚。研究结果为基因工程调控拟南芥AtGA3OX1、AtGA3OX2基因(或其他物种同源基因),进而增强粮食作物抗倒伏性和提高能源植物纤维生物质量提供了理论依据。

杨树BAG基因的鉴定及表达模式分析

【目的】杨树是我国人工林的重要组成部分,也是公认的模式木本植物。植物BAG蛋白作为保守的分子伴侣,在生长发育和抗逆性中起到关键作用。研究杨树BAG蛋白家族的进化与表达模式,鉴定BAG基因的生物学功能对于林木遗传改良具有重要的指导意义。【方法】以拟南芥7个BAG蛋白为诱饵,搜索毛果杨、水稻和小立碗藓在线数据库(https://phytozome.jgi.doe.gov)获得这3个物种同源的BAG蛋白。利用生物信息学构建毛果杨、拟南芥、水稻和小立碗藓BAG蛋白的系统进化树,分析这些蛋白的生化特性及进化关系。结合杨树芯片(http://bar.utoronto.ca)数据,利用qRT-PCR检测杨树BAG基因的组织和逆境(旱和热胁迫)表达模式。【结果】毛果杨包含14个BAG基因,按照国际命名法(以染色体位置进行排序),将其命名为PtrBAG1—PtrBAG14。系统进化树表明杨树、拟南芥、水稻和小立碗藓BAG蛋白相对保守,大体可以分为2个亚家族。第1个亚家族中,大部分BAG蛋白N端含有UBL结构域,可能作为分子桥梁参与降解某些蛋白;第2个亚家族的大部分BAG蛋白含有IQ结构域,意味着这些蛋白可能与Ca^(2+)信号相关。杨树BAG基因在不同逆境处理(热胁迫和干旱胁迫)条件下有不同的表达模式。热处理诱导所有BAGs基因表达发生变化,其中BAG1、BAG4、BAG6、BAG7和BAG8表达被激活,而另9个BAG基因的表达被抑制;特别是,热诱导BAG4和BAG6表达上调超过90倍。干旱胁迫条件下,大部分BAG表达变化幅度很小。组织表达模式分析表明,大部分杨树BAG基因在根、叶、芽、小苗、雌花序、雄花序和木质部中表达量很低,只有BAG2和BAG12在木质部中大量表达。【结论】杨树BAG家族共有14个成员,大体分为2个亚家族,在进化上与本文选用的陆生植物拟南芥和水稻BAG蛋白有更高的相似性。杨树14个BAG基因可能都参与了热胁迫调控,但不同成员在抗热过程中起不同作用。相比而言,大部分杨树BAG基因可能并不参与抗旱。值得指出的是,杨树BAG4和BAG6可能在热胁迫中作用最明显,而BAG2和BAG12可能参与木材形成。

杨树PdMYB161基因的功能分析

杨树R2R3-MYB基因家族包括194个成员,参与众多生长发育过程。我们前期的研究表明杨树PdMYB90/167是一对同源基因,在拟南芥中能够调控茎秆次生细胞壁的形成、花器官发育和开花时间。本文从功能上鉴定了PdMYB90/167的另一个同源基因PdMYB161,生化和遗传证据表明该基因在杨树茎秆木质部大量表达,编码蛋白定位于细胞核,在拟南芥中过表达导致转基因植株早衰并倒伏,茎秆细胞壁变薄,纤维素、半纤维素和木质素含量降低,对应基因的表达量也发生显著变化。这些结果意味着PdMYB161基因可能参与杨树茎秆次生木质部的形成和植株衰老。结合以前的研究结果,我们认为PdMYB161和PdMYB90/167基因在进化过程中可能产生功能异化,这些结果也为植物同源基因功能进化提供了新证据。

杨树miRNA调控生长发育及逆境胁迫的研究进展

杨树(Populus)是木本模式树种,是研究林木季节性休眠、木材形成和开花时间等独特生理过程的理想材料。微小RNA (miRNA)是真核生物体内一类单链非编码调控小分子RNA (sRNA),长度为20～24 nt,可以在转录后水平对靶基因进行负调控。近年来,杨树miRNAs研究取得了较大进展, miRbase数据库(http://www.mirbase.org)中目前已收录401个毛果杨(P. trichocarpa) miRNAs,分属于133个家族,但仍缺乏系统性综述。本文结合最新进展详细评述了杨树miRNAs在生长发育和逆境胁迫等方面的功能,并对它们的靶基因进行预测,为全面、深入研究杨树miRNAs提供参考。