植物耐盐性:演化和盐基因组学

由于社会的发展需要使用盐地产出植物,因此植物耐盐性的研究变得日益重要。植物在长期演化中主要形成嗜盐植物和非嗜盐植物两类,在细胞乃至群体处理盐的机制方面发生了广泛和深度的遗传变异。鉴于发掘植物耐盐、使植物耐盐和改变植物盐环境的各领域都取得了重大进展,结合植物的演化扩展对植物耐盐的认识,从细胞机制、个体机制扩展到群体机制乃至多基因组参与的生态互作,进行以盐基因组学为视角的研究就显得非常重要。本文根据该领域的新近进展,对植物耐盐性进行演化和组学视角的回顾和分析,以期对今后的植物耐盐研究提供参考。

药用石斛内源褪黑素含量及动态水平变化的研究

[目的]对药用石斛进行首次褪黑素含量测定,证实褪黑素在石斛中的存在并进一步分析种和昼夜变化对褪黑素含量的影响。[方法]以ELISA法测定药用石斛中褪黑素(MT)含量。[结果]8种药用石斛中,金钗石斛的褪黑素含量最高(89.81±1.60 pg/g,f.w.),铁皮石斛的褪黑素含量最低(27.19±5.81 pg/g,f.w.)。此外,药用石斛的褪黑素含量随昼夜变化出现了规律性波动——昼低夜高。[结论]该研究结果将为石斛有效药用成分的开发和进一步研究褪黑素的作用机理提供参考依据。

龙眼乙烯合成途径基因鉴定及响应ACC处理的分析

【目的】S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)、1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶(ACS)和1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶(ACO)是植物合成乙烯的3个关键酶,从全基因组水平鉴定龙眼SAMS、ACS和ACO(DlSAMS、DlACS和DlACO)基因家族,并进行生物信息学、体细胞胚早期不同阶段及不同浓度1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)和不同处理时间下龙眼胚性愈伤组织的表达模式分析,为进一步研究和利用DlSAMS、DlACS和DlACO基因家族奠定基础。【方法】从拟南芥数据库(TAIR)下载SAMS、ACS和ACO家族蛋白质序列作为参考序列,TBtools、NCBI Blast等工具搜索龙眼基因组数据库,鉴定DlSAMS、DlACS和DlACO基因家族。使用ExPASy、PrediSi、TMHMM Server 2.0、NetPhos 3.1 Server、Plant-PLoc、MEME、PlantCARE、STRING、TBtools等软件和在线工具预测DlSAMS、DlACS和DlACO家族成员蛋白质基本理化性质、保守基序(Motif)与互作关系,定位染色体,分析基因共线性与选择压力、基因结构及启动子顺式作用元件;Clustal W和MEGA-X软件对龙眼、拟南芥、番茄、水稻和玉米的SAMS、ACS和ACO家族成员蛋白质序列分别进行多序列比对、构建系统进化树;根据龙眼转录组数据库的FPKM值,应用TBtools软件绘制DlSAMS、DlACS和DlACO家族成员在体细胞胚早期不同阶段的表达热图;采用qRT-PCR法分析不同浓度ACC和不同处理时间下龙眼胚性愈伤组织DlSAMS、DlACS和DlACO家族成员的表达情况。【结果】龙眼第三代基因组中分别鉴定获得SAMS、ACS和ACO家族成员4个、11个和4个,在家族成员数量上与拟南芥、番茄等物种差异不大。DlSAMS家族成员最保守,所有成员的Motif相同;DlACS和DlACO家族成员也含有较多保守的Motif。3个家族共19个成员分布在11条染色体上,有6对共线性基因,与拟南芥有30对共线性基因,均受纯化选择作用。3个家族的成员均含有大量光、激素和逆境响应元件。家族成员内部的蛋白互作关系较弱,但家族成员之间互作关系非常紧密。多物种系统进化关系表明,SAMS、ACS和ACO家族均可分为3个亚家族,DlSAMS家族成员仅分布在SAMS-Ⅰ和SAMS-Ⅱ中,SAMS-Ⅲ可能为单子叶植物所特有;DlACS和DlACO家族成员在3个亚族中均有分布,且分布较为均匀;DlSAMS、DlACS和DlACO均与番茄和拟南芥的SAMS、ACS和ACO亲缘关系较近。对转录组FPKM值的分析表明,DlSAMS家族的所有成员以及DlACO4B在体细胞胚早期的3个阶段均高表达,可能在体细胞胚发生过程发挥着重要作用;DlACS1和DlACS6B在球形胚阶段高表达,可能与球形胚的形成密切相关。在胚性愈伤组织继代培养基中添加不同浓度的ACC能显著影响龙眼胚性愈伤组织的增殖量及DlSAMS、DlACS和DlACO家族成员的表达。培养20 d时,主要表现为基因的上调表达,且ACC浓度越高,上调越明显;在25—35 d则主要表现为基因的下调表达。但是在20 d时,0.01 mmol·L^(-1) ACC处理的基因主要表现为下调表达,这可能是导致其增殖量显著大于对照的原因。【结论】龙眼第三代基因组中分别有SAMS、ACS和ACO家族成员4个、11个和4个,在进化过程中的保守性均较高,且包含大量激素和逆境响应元件;3个家族成员对龙眼体细胞胚胎的发生起重要调控作用,0.01 mmol·L^(-1) ACC处理可能通过调控DlSAMS、DlACS和DlACO家族成员的表达促进龙眼胚性愈伤组织增殖。

龙眼褪黑素合成途径SNAT、ASMT和COMT家族基因鉴定及表达分析

基于第3代龙眼(Dimocarpus longan)基因组及转录组数据库,对褪黑素合成路径上可能的限速基因SNAT(serotonin N-acetyltransferase)、ASMT(N-acetylserotonin methyltransferase)和COMT(caffeic acid O-methyltransferase)进行基因家族成员鉴定,利用实时荧光定量PCR技术研究其在龙眼体胚早期的表达谱,并研究外源IAA、GA3、MeJA、SA和ABA对龙眼胚性愈伤组织中褪黑素含量的影响,以及褪黑素合成途径相关基因的表达模式。结果显示:龙眼SNAT(DlSNAT)、ASMT(DlASMT)和COMT(DlCOMT)基因家族分别含有2、18和7个成员,蛋白质结构域保守,相同家族的成员之间保守基序相差极小,DlASMT和DlCOMT家族成员高度相似。基于氨基酸序列进行系统进化树分析,龙眼、拟南芥、水稻、小麦、番茄、辣椒和卷柏的SNAT家族可分为3个亚组;ASMT和COMT家族具有高度同源性,共同建树并分为3个亚组。DlSNAT、DlASMT和DlCOMT家族成员的启动子中含有大量响应生长素、赤霉素、茉莉酸甲酯、水杨酸和脱落酸的顺式作用元件。表达谱分析显示,DlASMT和DlCOMT家族成员主要在龙眼不完全胚性紧实结构和球形胚阶段高表达,DlSNAT1和DlSNAT2在龙眼体胚发生早期始终处于高水平表达。用0.1 mmol·L^(-1)IAA处理龙眼胚性愈伤组织,内源褪黑素含量在24 h内显著降低,GA;、MeJA、SA和ABA处理则显著提高了褪黑素含量;同时分析DlSNAT、DlASMT、DlCOMT成员表达情况,内源褪黑素含量变化趋势和DlSNAT表达基本一致。综上,DlSNAT、DlASMT和DlCOMT可能通过影响内源褪黑素的合成参与调控龙眼早期体胚发生。

龙眼pri-miR319a编码短肽活性的研究

为研究龙眼miRNA编码短肽(miRNA encode regulatory peptide,miPEP)的潜在活性,以miR319为对象,从7个龙眼品种中克隆得到pri-miR319a序列并预测其潜在编码miPEP,并通过遗传转化和人工合成miPEP的方法验证miPEP319a的活性。结果显示,7个龙眼品种中pri-miR319a序列存在10个核苷酸的差异,并具有3个潜在ORF可以编码miPEP,其中1个核苷酸突变位点导致miPEP319a氨基酸序列的改变。进一步通过原位转化法获得转化miPEP的过表达载体及相应突变表达载体的龙眼幼芽,并结合人工合成miPEP319处理龙眼胚性愈伤组织,进一步验证龙眼miPEP的生物学活性。结果显示,pri-miR319a编码的3个潜在miPEP仅miPEP319a-2具有生物学活性并促进下游mi R319a的表达。最后采用烟草叶片的瞬时转化法验证龙眼miPEP319a在烟草当中的活性及对miR319a的影响。结果表明龙眼miPEP319a具有物种特异性,在烟草叶片中miR319a的表达模式无差异。该研究结果提示龙眼pri-miR319序列在不同品种中具有多态性,且其编码的3个潜在miPEP仅mi PEP319a-2具有生物学活性,并具有物种特异性,同时也暗示龙眼miPEP319a-2可以参与到龙眼的生长发育过程中。

龙眼GDSL酯酶/脂肪酶基因的全基因组鉴定及表达分析

基于第三代龙眼基因组数据库及其转录组数据库,通过生物信息学分析对龙眼GDSL酯酶/脂肪酶家族进行全基因组鉴定。结果显示龙眼GDSL(Dl GDSL)家族共有118个成员,分为15个亚家族,亚细胞定位显示主要分布于细胞外基质中。染色体位置及共线性基因分析表明,118个Dl GDSL基因中有111个定位在15条龙眼染色体上,包括13对共线性基因。基因结构和蛋白质保守基序分析表明该家族的外显子在2~12之间,且motif2和motif3是Dl GDSL家族中尤为重要的保守基序。启动子顺式作用元件分析表明,启动子序列中包含众多光响应、激素应答、无氧诱导、胁迫响应和昼夜节律等响应元件,且大部分成员都含有茉莉酸甲酯(Me JA)、脱落酸(ABA)、生长素(IAA)和赤霉素(GA)等激素应答作用元件。FPKM值分析发现从胚性愈伤组织到球形胚阶段有26个差异表达的基因,提示Dl GDSL家族部分成员可能在龙眼体胚形态建成中发挥重要作用。q RT-PCR分析表明,在外源ABA和Me JA处理下龙眼胚性愈伤组织中,Dl GDSL家族部分成员可能与ABA、Me JA等激素信号转导相关。