线上线下混合式教学在“分子生物学”中的研究与应用

随着现代信息技术的发展,现代远程教育已成为知识经济时代的一种新型教育形式,是人们构建学习体系的重要途径。而混合式教学是对网络教学和传统课堂教学两种教学方式的混合,以其克服传统教学方式的不足。该文以黑龙江八一农垦大学专业基础课“分子生物学”为例,基于超星学习通网络平台开展线上线下混合式教学模式,推进“分子生物学”课堂教学改革,也为其他农业院校专业基础课的线上线下混合式教学提供一些参考。

基于超星学习通移动平台的高校“植物学”课程混合式教学模式探索与实践

随着信息技术的飞速发展,网络教学平台的应用已成为实现高校信息化教学的重要途径。基于超星学习通平台,以农业院校专业基础课“植物学”课程为例,探索改进线上线下混合式教学模式的有效策略,通过以学生为中心设计教学模式和实施全过程考核制度,增强师生互动,丰富学生的学习体验,有效提升了教学效果。该教学模式的应用可为农业院校其他专业基础课的线上线下混合式教学提供参考。

GsERF6基因过表达对水稻耐盐碱性的影响

乙烯响应因子(ERF)是植物特有的一类转录因子,在响应非生物胁迫中具有重要作用。本研究通过生物信息学发现,野生大豆耐盐碱ERF转录因子GsERF6与水稻ERF同源蛋白的氨基酸序列相似性很高,均包含1个高度保守的AP2结构域。为探究GsERF6基因在水稻耐盐碱应答中的作用,通过遗传转化、PCR和半定量RT-PCR鉴定,获得了2个纯合的GsERF6过表达转基因水稻株系。表型鉴定表明,200 mmol L^(-1) NaHCO3处理下GsERF6转基因水稻的存活率、相对含水量、超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性、可溶性糖和脯氨酸含量均显著高于对照,活性氧积累则反之。实时荧光定量PCR分析表明,40 mmol L^(-1) NaHCO3处理6 h后渗透调节基因OsP5CS2和OsLEA14在GsERF6转基因水稻中的表达量显著高于对照。本研究表明,水稻中GsERF6的过表达可通过提高ROS清除水平、渗透调节能力及胁迫应答基因的表达来提高其耐盐碱性。

线上线下混合式教学在“植物生理学”教学中的应用

随着网络信息化的飞速发展,基于"互联网+"的在线教育为教育教学改革带来了新的机遇与挑战。尤其是突如其来的新冠肺炎疫情加速了线上线下混合式教学的发展。但是,目前这种教学模式在高校的教学应用中仍缺乏足够的应用案例和数据。以黑龙江八一农垦大学专业基础课"植物生理学"为例,基于超星学习通平台,构建线上线下混合式教学模式,通过将课前、课中、课后、实验四方面有机地结合在一起,增强师生互动,提高学生课堂参与度和学习效率。为推动信息与教育深度融合提供了依据,也为农业院校其他专业基础课的线上线下混合式教学提供了一些思路和参考。

互联网+时代高等院校混合式教学模式的研究——以《分子生物学》课程为例

随着现代科技的不断发展,互联网 时代已成为高等院校教育教学的新型形态,为教学创新带来新的机遇,也为构建学习体系提供重要手段。而线上和线下的混合式教学是对互联网教学和传统课堂教学两种教学方式的混合,以其克服传统教学方式的不足。混合式教学也已逐步成为各大高等院校教学改革的主要趋势。本文以农业院校的专业基础课“分子生物学”课程混合式教学为实证案例,基于互联网平台开展线上线下混合式教学模式,论证混合式教学在该课程教学中取得的显著效果,以期为其他农业院校专业基础课混合式教学提供指导与借鉴。

水稻AP2/ERF转录因子参与逆境胁迫应答的分子机制研究进展

AP2/ERF(APETALA2/ethylene responsive factor)是植物特有的转录因子家族,广泛参与生长发育和胁迫应答等多种生物学进程。水稻是我国重要的粮食作物,但在其生长过程中受到多种逆境的影响。目前研究发现AP2/ERF转录因子在水稻逆境应答中扮演十分重要的角色。本文结合国内外研究进展,综述了水稻AP2/ERF转录因子的分类和结构,并梳理了不同亚家族的AP2/ERF转录因子响应病害、干旱、高盐和低温胁迫的功能和机制研究进展,为深入阐释水稻AP2/ERF转录因子调控逆境应答的分子网络及品种改良提供参考。

碱胁迫应答基因GsARHP的克隆及转基因紫花苜蓿的耐碱性分析

本研究基于实验室前期野生大豆碱胁迫转录组数据,筛选出一个碱胁迫下上调表达的假定蛋白基因,暂命名为GsARHP(alkali stress related hypothetical protein gene)。首先利用Real-time PCR方法验证了GsARHP基因受碱胁迫诱导表达。生物信息学分析表明,该基因编码一个含有130个氨基酸的亲水蛋白,含有信号肽但无跨膜结构域;构建了GsARHP植物超量表达载体,利用农杆菌介导的子叶节侵染法转化肇东紫花苜蓿,通过PCR,Southern Blot和RT-PCR方法检测获得了3个超量表达GsARHP基因的转基因株系,并对其耐碱性进行了分析。结果表明,在0,100和150mmol/L NaHCO3处理14d后,非转基因株系明显萎蔫、黄化甚至死亡,而转基因株系则长势良好;进一步分析其生理指标显示,相对质膜透性与丙二醛含量均显著低于非转基因株系(P<0.01),而叶绿素含量与CAT活性显著高于非转基因株系(P<0.01),说明GsARHP基因的超量表达可以增强紫花苜蓿的耐碱能力。

玉米CHX基因家族全基因组鉴定与表达分析

CHX(cation/H+exchanger)基因家族属于CPA2(cation proton antiporter 2)超家族的一员,蛋白序列的N端存在一个Na+/H+exchanger结构域。现有研究表明,植物CHX基因家族参与调控转运细胞质子和离子,在生长发育和胁迫应答中扮演重要角色。因此,研究从玉米CHX基因家族入手,首先通过全基因组水平筛选鉴定出16个玉米CHX基因。染色体定位分析表明ZmCHXs不均匀地分布在8条不同的染色体上;系统进化分析显示,16个ZmCHXs基因可分为3组,并且各组内蛋白序列和基因结构保守。组织表达特性分析发现ZmCHXs主要表达在花药中。进一步非生物胁迫表达分析结果表明,仅有GroupⅣ基因表达受冷及盐胁迫诱导。通过研究将为后续深入探究玉米CHX基因家族参与的非生物胁迫应答分子机制提供理论依据。

蒺藜苜蓿cation/H+exchanger基因家族鉴定及表达特征分析

CPA(cation proton antiporter)超家族通过转运质子和一价金属离子调节细胞内离子和pH稳定。阳离子质子转运体(cation/H^(+)exchanger,CHX)基因家族属于CPA2(cation proton antiporter 2)超家族,其N端有一个Na^(+)/H^(+)exchanger结构域,对植物维持细胞离子平衡、花器官发育起着至关重要的作用。通过生物信息学手段,系统地分析了蒺藜苜蓿CHX家族基因,通过全基因组筛选共鉴定出47个MtCHXs;染色体定位分析表明蒺藜苜蓿CHX基因分布在8条不同的染色体上;同源性分析显示蒺藜苜蓿和拟南芥亲缘关系近,而与水稻亲缘关系远;进一步进化关系分析将47个MtCHXs基因分为5组,并且各组内成员在基因结构和基序上比较保守;顺式作用元件分析发现MtCHXs基因启动子包含大量光响应元件、激素响应元件以及干旱、低温、创伤响应元件;表达特性分析发现MtCHXs在生殖器官中高表达,并且响应干旱、低温等非生物胁迫。

大豆基因组中OSCA基因家族的进化和表达分析

OSCA是钙通透性阳离子通道蛋白,在高渗胁迫感应中发挥重要的作用。本研究利用生物信息,筛选并鉴定出21个大豆OSCA家族成员。通过染色体定位及同源性分析表明,OSCA家族成员分布在15条染色体上,且存在大量的复制现象;通过Ka/Ks分析表明大豆OSCA家族基因的进化经受纯化选择压力。通过构建系统进化树,将大豆OSCA家族分为2个亚家族,第一亚家族又分为三组(GroupⅠ~Ⅲ),且各组内成员具有相似的内含子-外显子组成模式。保守性分析结果表明,大豆OSCA基因家族很保守,都包含3个功能结构域(即Late exocytosis,Cytosolic domain of 10TM putative phosphate transporter和Calcium-dependent channel);进一步组织表达分析结果表明,OSCA基因家族在不同组织的表达量不同。盐碱胁迫表达模式分析表明,OSCA3.1上调表达变化倍数最大。进一步的启动子分析结果表明,这些盐碱胁迫应答的基因启动子中存在着多种不同的胁迫响应元件,其中干旱和ABA应答相关的元件较多。以上结果为OSCA基因家族提供了新的有价值的信息,并为后续研究提供了重要参考。

过表达野生大豆S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因GsSAMS提高水稻耐盐碱性

S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)是生化反应中合成甲基供体的关键酶,在植物逆境响应中具有重要的作用。为了鉴定野生大豆S-腺苷甲硫氨酸合成酶GsSAMS基因对水稻盐碱胁迫耐性的影响,本研究采用USER克隆技术构建植物过表达载体,以农杆菌介导法侵染水稻愈伤组织,经过PCR、半定量PCR(RT-PCR)等分子检测获得GsSAMS转基因水稻株系;通过对比野生型和转基因水稻盐碱胁迫处理后的表型、存活率及过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性等指标,发现GsSAMS转基因株系耐盐碱性显著优于野生型。通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)分析发现盐碱胁迫处理后,OsM6PR1、OsNAC5、OsPOX1基因在转基因株系中的表达显著高于野生型,说明GsSAMS可通过提高抗氧化物酶POD和CAT活性及相关基因的表达,增强转基因水稻盐碱胁迫耐受性。本研究获得的耐盐碱水稻新株系对盐碱地的开发利用具有重要意义。

水稻AP2/ERF转录因子基因OsERF096启动子克隆及活性分析

提高水稻耐冷性对保障水稻高产、稳产具有重要意义。AP2/ERF转录因子能够抵抗外界逆境胁迫,课题组前期研究发现水稻OsERF096基因显著受冷胁迫诱导表达。本研究克隆了OsERF096启动子序列(-1~-1215 bp),通过软件预测发现OsERF096启动子中含有多个与低温及激素响应相关的顺式作用元件。根据元件分布特征进行了5′端片段缺失设计,构建了GUS表达载体P_(OsERF096-1215)-GUS、P_(OsERF096-1102)-GUS、P_(OsERF096-827)-GUS、P_(OsERF096-501)-GUS,并转化拟南芥。通过GUS染色和GUS基因qRT-PCR检测发现,正常生长条件下,4个不同长度的启动子中P_(OsERF096-1215)启动子活性最高,P_(OsERF096-1102)最低。与前期qRT-PCR检测不同,冷处理下OsERF096启动子活性未发生显著变化。这些结果为后续OsERF096基因的表达调控及生物学功能研究奠定重要基础。

野生大豆阳离子质子转运体CHX19.3与14-3-3蛋白的相互作用研究

植物14-3-3家族作为蛋白互作的桥梁,在逆境应答过程中发挥重要作用。前期获得了一个野生大豆阳离子质子转运体CHX19.3,其能显著提高耐盐碱性。为进一步揭示CHX19.3调控耐盐碱性的分子机制,研究利用分裂泛素的酵母双杂交系统鉴定了CHX19.3与14-3-3家族蛋白的相互作用。结果显示成功构建了诱饵载体pBT3-STE-GsCHX19.3,GsCHX19.3-Cub-LexAVP16融合蛋白对酵母菌没有毒性,且拓扑结构符合该酵母双杂交系统。Y2H结果发现在检测的10个14-3-3蛋白中,只有GF14f能够与CHX19.3蛋白互作,其余14-3-3蛋白均不存在相互作用。研究表明野生大豆CHX19.3与14-3-3家族蛋白互作具有特异性,为进一步深入研究CHX19.3通过与GF14f互作调控耐盐碱性的分子机理奠定了基础。

基于家族分析的苜蓿逆境应答Ca^(2+) ATPase家族基因筛选与鉴定

Ca^(2+) ATPase属于P型ATPase超家族,在植物对外界逆境的应答中发挥重要作用,但迄今尚未有苜蓿Ca^(2+) ATPase基因研究的相关报道。为筛选逆境胁迫应答Ca^(2+) ATPases,本研究鉴定获得了16个苜蓿Ca^(2+) ATPase家族成员,分布在7条染色体上,且存在一对旁系同源基因。系统进化分析表明苜蓿Ca^(2+) ATPases分为ACA和ECA亚家族,ACA亚家族分为4组,且组内成员具有相似的内含子-外显子组成模式。此外,苜蓿Ca^(2+) ATPase家族具有高度保守的蛋白序列组成,包括4个功能结构域、10个跨膜结构域和11个保守motif。转录组数据分析发现该家族具有不同的逆境诱导表达模式,且多数苜蓿Ca^(2+) ATPases家族基因受低温和冷冻胁迫诱导表达,其中Mt ACA9和Mt ACA8上调表达最明显。q RT-PCR结果证实Mt ACA9和Mt ACA8表达在低温和冷冻胁迫下显著上调。本研究结果为揭示苜蓿Ca^(2+) ATPase基因在低温冷害应答中的功能提供了重要参考。

大豆CHX基因家族全基因组鉴定与生物信息学分析

阳离子质子转运体(CHX,cation/H^+ exchanger)基因家族属于CPA2(cation proton antiporter2)超家族基因,其N端有一个Na^+/H^+ exchanger结构域,主要通过参与植物体内阳离子和质子的转运调控众多的生物学过程。本研究通过生物信息学手段,在全基因组水平上筛选鉴定出40个大豆CHX基因。染色体定位分析表明大豆CHX基因分布在19条不同的染色体上,进一步基因同线性分析表明大部分基因是通过基因复制而来;通过对其进行系统发生分析,将40个大豆CHX基因分为5个亚家族;通过对基因结构和保守基序分析表明各组内的基因在基因结构和保守基序上比较保守;利用大豆组织表达数据分析表明,CHX基因主要表达在花中。

野生大豆耐逆分子调控机制研究进展

野生大豆(Glycine soja)起源于中国,是栽培大豆(G.max)的近缘祖先,逆境适应能力强,是研究耐逆分子机制和挖掘耐逆关键调控基因的优良材料。该文综述了野生大豆耐逆基因组、转录组和蛋白质组等组学研究进展,总结了近年来类受体蛋白激酶、转录因子、离子通道和氧化还原在野生大豆耐逆应答中的调控作用及机制,为耐逆作物新品种培育提供了新思路。

大豆PHD家族蛋白的全基因组鉴定及表达特征分析

PHD(Plant Homeodomain Finger)基因家族编码一类锌指转录因子,广泛参与植物的生长发育和逆境应答过程。通过全基因组鉴定获得了95个大豆PHD家族蛋白。通过共线性分析、进化树构建、基因结构和功能结构域鉴定、GO注释分析、不同组织间和非生物胁迫下表达分析等,获得了大豆PHD家族基因复制、家族进化、保守结构域及基因表达等信息。结果表明,大豆PHD基因在家族进化、基因结构和保守结构域上存在较大变异,可能参与Zn2+结合、DNA结合及表观遗传调控等分子过程,参与调控植物生长发育和逆境应答。这些结果为进一步研究大豆PHD家族在生长发育和逆境应答中的生物学功能提供重要线索。

野生大豆类受体蛋白激酶基因GsCBRLK超量表达提高水稻耐盐碱性

类受体蛋白激酶是一个庞大的基因家族,在植物抗逆反应中具有重要作用。前期从野生大豆中鉴定了耐盐碱功能显著的类受体蛋白激酶GsCBRLK,本研究着重关注GsCBRLK在提高水稻耐盐碱性中的应用。生物信息学分析发现GsCBRLK属于CRCK1亚家族,该亚家族在水稻、大豆和拟南芥中蛋白序列高度保守,尤其是激酶结构域。利用农杆菌侵染水稻愈伤组织,经PCR、RT-PCR和qRT-PCR检测获得4个GsCBRLK转基因株系。通过对比野生型和转基因水稻盐碱处理表型、存活率、相对含水量、相对电导率、Na+/K+含量、活性氧积累以及POD和CAT活性,发现GsCBRLK转基因株系耐盐碱性显著优于野生型。qRT-PCR分析发现盐碱处理后OsCATA、OsCATB、OsNAC5和OsP5CR基因在GsCBRLK转基因株系中表达显著高于野生型。上述结果表明GsCBRLK转基因水稻的耐盐碱性显著提高,对于提高盐碱地水稻产量具有重要意义。

拟南芥蔗糖合成酶基因AtSUS响应非生物胁迫功能分析

盐碱、干旱等非生物胁迫会降低作物产量,影响作物品质。为挖掘调控植物耐盐碱的关键基因,课题组对拟南芥(Arabidopsis thaliana)突变体进行了大规模筛选,获得了对NaHCO3胁迫敏感的拟南芥突变体atsus4。鉴于蔗糖合成酶(SUS)在蔗糖代谢中的关键作用,本研究系统分析了拟南芥SUS基因(AtSUS)对非生物胁迫的响应。生物信息学分析结果表明,拟南芥SUS家族蛋白序列具有高度保守性。非生物胁迫表达模式分析发现,包括AtSUS4基因在内的多个SUS基因均响应高渗、高盐、干旱和脱落酸胁迫。通过表型分析进一步发现AtSUS4基因的缺失降低了拟南芥对盐、高渗胁迫的耐性,并提高了对脱落酸的敏感性。最后构建了AtSUS4蛋白互作网络,发现AtSUS4与多个糖代谢相关酶存在相互作用,推测AtSUS4通过调节糖的代谢,在非生物胁迫应答过程中发挥作用。上述结果表明,拟南芥SUS家族蛋白序列高度保守,并参与植物多种非生物胁迫应答。

拟南芥肌醇半乳糖苷酶AtGolS2基因在非生物胁迫应答中的功能分析

土壤盐碱化是导致作物减产的主要因素之一,鉴定关键耐盐碱基因对于利用分子育种手段培育耐盐碱作物新品种具有重要意义。本研究通过Na HCO3处理筛选,获得了苏打盐碱敏感的拟南芥突变体atgols2。生物信息学分析发现AtGolS2编码肌醇半乳糖苷酶,是糖基转移酶家族A超家族中一员。SMART分析At GolS2蛋白互作网络,发现其互作蛋白与脂类代谢、半乳糖生物合成、棉子糖生物合成相关,且参与非生物胁迫应答。转录表达数据分析发现AtGolS2表达显著响应盐、高渗、干旱和ABA胁迫。利用三引物法PCR鉴定atgols2为T-DNA插入纯合突变体,并进一步分析了atgols2在高盐、高渗和ABA处理下的表型,结果表明AtGolS2基因缺失降低了对高盐、高渗和ABA胁迫的耐性。本研究初步明确了AtGolS2基因正调控苏打盐碱、高盐、高渗和ABA应答过程,为进一步阐明GolS家族基因耐逆功能和作用机制提供一定基础。