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。

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。

热激转录因子AtHsfA1a对拟南芥幼苗在渗透胁迫中抗氧化酶活性的影响

以过量表达拟南芥热激转录因子AtHsfA1a植株(HT)与野生型植株(WT)为材料,测定两种幼苗在渗透胁迫中的抗坏血酸专一性过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)的活性.结果显示,在渗透胁迫中过量表达拟南芥AtHsfA1a植株的抗氧化酶活性比野生型植株的抗氧化酶活性高,说明过量表达拟南芥热激转录因子对渗透胁迫中的APX,CAT,SOD有影响,表明AtHsfA1a植株在渗透胁迫中能通过提高其内源抗氧化酶活性来抗衡逆境胁迫.

黄瓜全基因组热激转录因子(HSFs)的鉴定与表达分析

热激转录因子（Heat shock factors,HSFs）普遍存在于整个生物界.尽管植物HSFs的DNA结合域具有较高的保守性,但其结构特征、生物功能具有多样化的特点.本文利用黄瓜（Cucumis sativus L.）全基因组测序结果,运用生物信息学方法鉴定了黄瓜HSFs,并对其数量、序列特征、染色体定位以及系统发育关系等进行分析.结果表明,黄瓜至少含有21个HSFs基因家族成员,编码184 ～ 560个氨基酸,分子量21.2～62.3 kDa,等电点（PI）4.70～9.10;序列比对发现这些成员都具有转录因子特有的DNA结合域（DNA binding domain,DBD）;染色体定位分析表明,除Csa026480之外,其余HSFs不均匀分布在黄瓜7条染色体上.从拟南芥（Arabidopsis thaliana）和黄瓜HSFs系统发育树可以看出,这些转录因子分为3个分支,其中1分支进一步可分为3类（A、B、C类）,系统发育分析揭示黄瓜HSFs蛋白存在9对直系同源蛋白,3对旁系同源蛋白,表明HSF转录因子基因家族的多样化发生在黄瓜和拟南芥分化之前.EST表达分析发现这些热激转录因子参与黄瓜的果实、雌花和两性花的发育与形成;通过qRT-PCR分析,发现这些基因在黄瓜苗期应对高温热激响应中表达水平存在显著的差异.研究结果为进一步分析黄瓜热激转录因子奠定了基础.

植物热激转录因子及其与耐热性关系的研究进展

热激转录因子是高等植物热胁迫响应基因转录水平上的中心调控蛋白,在植物的热胁迫信号转导以及耐热性中起着关键作用。为了给作物耐热性研究和应用提供有益的参考,本文从热激转录因子家族基因的分类、克隆、功能分析及其作用机理等方面详细介绍了模式植物拟南芥以及番茄、水稻、玉米和小麦等主要作物中该家族基因与耐热性关系的研究现状,并对该家族基因研究中亟待解决的问题进行了探讨。

拟南芥热激转录因子耐高温功能分析

从拟南芥基因组中克隆了热激转录因子(At Hsf A6a),构建了过量表达(over-expression,OE)和反义(anti-sense,AS)植物表达载体并转化拟南芥,获得了拟南芥纯合转基因株系。对其进行耐高温处理,结果显示:43℃处理2 h,过量表达转基因植株存活率(86%)远高于野生型(59%);而反义转基因植株存活率则只有43%,显著低于野生型。43℃处理0.5 h,过量表达转基因植株的离子渗漏水平显著低于野生型,而反义转基因植株则大幅度升高。基因表达分析证明,AtHsfA6a的表达受热胁迫诱导,并且Hsp70是受AtHsfA6a调控的下游靶基因。上述结果表明,拟南芥AtHsfA6a可能通过调节Hsp70表达,提高植物耐受高温胁迫的能力。

松材线虫热激转录因子Bx-HSF-1基因的克隆及表达分析

【目的】通过对热激转录因子基因Bx-HSF-1的克隆和表达分析,为深入研究c GMP、TGFβ-like和Insulin/IGF等热激抗逆代谢路径提供理论基础。【方法】根据松材线虫基因组数据设计引物克隆松材线虫Bx-HSF-1基因。进一步对Bx-HSF-1进行Gene Ontology基因功能预测、系统发育分析、保守结构域分析等生物信息学分析。应用JASPAR预测Bx-HSF-1靶位点DNA序列,根据松材线虫基因组数据筛选含有该序列的靶基因,并通过蛋白质三维结构分析和分子对接验证。应用荧光定量q-PCR检测Bx-HSF-1及其靶基因在热激和低温处理条件下4个时间点的表达量,结合转录组数据对Bx-HSF-1及其靶基因的表达量相关性进行分析。采用原位杂交对Bx-HSF-1基因在松材线虫体内的表达部位进行了分析。【结果】根据基因组数据,克隆到松材线虫热激转录因子Bx-HSF-1基因长度为1 404 bp的涵盖完整蛋白编码区基因序列。结构域分析表明Bx-HSF-1基因编码蛋白质的氨基酸序列含有DNA结合结构域和亮氨酸拉链结构域。GO分析表明该基因参与延长线虫寿命、正向调控繁殖率、运动、热激反应、抗逆态幼虫发育和抗逆反应等生理过程,并具有特异DNA序列结合的分子功能。氨基酸疏水性分析表明该DNA结合结构域由3个α螺旋和4个反向平行的β折叠构成一个疏水核心,该疏水核心可以与热激元件靶位点互作。对松材线虫基因组进行BLAST比对筛选出Bx-DAF-7是Bx-HSF-1的靶基因,Bx-DAF-7基因TATA盒上游序列具有Bx-HSF-1靶位点序列。荧光定量q-PCR结果表明热激和低温处理同样促进Bx-HSF-1转录、抑制Bx-DAF-7转录,Bx-HSF-1与Bx-DAF-7的表达量负相关。原位杂交结果表明Bx-HSF-1基因在正常培养线虫体内各细胞均有微量表达,热激培养线虫前体部信号显著,峡部和肠区体壁信号较显著。【结论】本研究表明Bx-HSF-1具有特异DNA序列结合的分子功能。预测抗逆态幼虫形成基因Bx-DAF-7是Bx-HSF-1靶基因。转录组测序及q-PCR结果表明Bx-HSF-1与Bx-DAF-7的表达量负相关。Bx-HSF-1基因受温度刺激后多数体细胞内均有较高表达,特别是神经元、体壁肌肉细胞和皮下细胞中表达显著。

大白菜热激转录因子基因家族鉴定及表达分析

本文以大白菜基因组数据为基础，利用生物信息学方法对大白菜热激转录因子（heatshocktranscriptionfactors，HSFs）进行了序列特征分析。结果表明，大白菜至少含有30个HSF基因成员，蛋白质序列长度在239～487氨基酸之间；序列多重比对发现，大白菜HSF基因具有高度保守的DBD结构域和广泛的保守基序；染色体定位揭示了除2个基因分布在Scaffold上，其余28个基因在大白菜的10条染色体上呈不均匀分布，Chr03上分布最多；此外，大白菜和拟南芥HSF基因的系统发育关系比较分析表明，这些HSF基因家族成员可以分为A、B、C三类，A类和B类可进一步分为8个和4个亚组，并且存在8对直系同源基因和4对旁系同源基因，表明HSF基因家族存在于芸薹属和拟南芥属分化之前。RT—qPCR分析表明，高温胁迫显著了诱导了大部分大白菜HSF转录因子基因的表达，表明这些基因广泛地参与了大白菜苗期叶片对高温热激反应。

园艺植物热激转录因子研究进展

当植物遭受环境胁迫时,热激转录因子(Heat stress transcription factors,Hsfs)作为重要的调节因子,广泛参与多种生物和非生物胁迫响应,在植物耐高温胁迫和其他生命活动发挥重要作用。相比于动物,植物中的Hsfs家族成员数量众多、功能多样、调控机制更加复杂。目前植物Hsfs的研究主要集中于模式植物和部分大田作物,且研究对象多数为A族成员,有关园艺植物中热激转录因子的研究起步较晚。笔者详细介绍了植物热激转录因子的家族成员和蛋白结构,重点阐述了模式植物和园艺植物中Hsfs在应答温度(高温、低温),干旱以及高盐等胁迫中的研究进展,并探讨和展望了植物热激转录因子未来可能的研究热点,以期为进一步阐明园艺植物热激转录因子的功能和分子机制提供依据和参考。

农杆菌介导热激转录因子8基因转化大豆

环境胁迫严重影响作物的生长和发育,热激转录因子(heat shock factor 8,HSF)是一类在热应激反应中起重要作用的蛋白质,主要功能是在热休克基因的表达过程中与相应热激元件结合,启动基因的转录过程,最终促进热休克蛋白(HSP)基因的表达。本文将热激转录因子8(hsf8)基因构建在植物表达载体pCAMBIA3300中,以大豆子叶节作为受体,通过农杆菌介导法将hsf8基因导入品质性状优良的两个高产大豆新品系哈交5337和哈交5489中,最后获得转基因植株。在开展大豆遗传转化过程中,探讨了农杆菌介导大豆子叶节转化体系的影响因素,优化了转化条件。在共培养后,采用延迟筛选的方法来提高选择效率。并确定草胺磷筛选浓度为3.5mg/L。获得转化质粒pCAMBIA3300-HSF8的转基因植株,其中T1代PCR阳性植株17株。采用Real-timePCR的方法对T1代抗性植株进行hsf8基因的转录水平的相对定量分析,确定9株较非转基因植株哈交5337表达量明显提高。有1株明显低于哈交5489的hsf8基因表达量。

植物热激转录因子在非生物逆境中的作用

非生物逆境通常导致生物体内蛋白变性。热激蛋白(Hsp)作为分子伴侣协助蛋白的重新折叠、稳定、胞内运输和降解,以阻止受损蛋白的累积,维护细胞内环境的稳定。而热激蛋白的表达是通过热激转录因子(Hsfs)结合于热激蛋白基因的启动子的热激元件上(heatshockelement,HSE),以募集其它转录因子而形成转录复合体,促进热激蛋白基因的表达。植物热激转录因子比动物系统更为多样性。根据其基本的结构域,植物热激转录因子可分为三类:HsfA、HsfB、HsfC。A类Hsfs已有大量深入的研究和报道,特别是在番茄方面。HsfB和HsfC的作用尚不清楚。在其复杂的网络中,每一热激转录因子均有其独特的作用,取决于其表达模式、亚细胞定位、聚合化、活性及与其他蛋白的相互作用。在非生物逆境,尤其是热激逆境下,A类热激转录因子在调节热激蛋白的表达起着重要作用。番茄的HsfA1起着主导作用,其缺失无法被其他相近的Hsfs所取代,但在持续热逆境下,在HsfA1的配合下,HsfA2可成为主要调节因子。B类热激转录因子可作为A类Hsfs的阻抑蛋白。然而,基于对不同的单个突变体的研究,以及对酵母Hsf1致死突变体的拯救恢复,一些热激转录因子的作用又是丰余的。此外,热激蛋白也对热激转录因子起负反馈调节作用。

农杆菌介导法将热激转录因子8基因转入大豆

植物转化是开展基因工程育种和鉴定基因功能的重要途径。本研究的目的在于向大豆受体导入热激转录因子8(heatshockfactor8,hsf8)基因,以加强目的基因hsp70的表达和增加转基因大豆的抗逆性,同时探索提高大豆转化率的途径。本文以大豆子叶节为外植体,通过农杆菌介导法将hsf8基因转入栽培大豆品种科新3号中,获得了13株抗卡那霉素的转化植株。PCR检测表明,其中的9株呈阳性反应,证明hsf8基因已整合到大豆基因组中。本实验获得的实际转化率为2.39%。文中讨论了选择适宜的种子灭菌方法和大豆受体品种对提高转化率的有效作用。

玉米热激转录因子基因ZmHsf25的克隆、特性与耐热性功能分析

植物热激转录因子(heat shock transcription factor,Hsf)对下游热激蛋白基因及耐热性相关基因的表达起关键调控作用。玉米中至少有30个Hsf家族成员,其中B族有7个。在前期对玉米A1亚族热激转录因子基因ZmHsf06克隆及特性、抗旱耐热性功能分析的基础上,从玉米幼叶中克隆到B族热激转录因子基因ZmHsf25的完整编码序列,序列全长957 bp,编码318个氨基酸残基。蛋白质序列含有DNA结合结构域、核定位信号序列和核输出信号序列,同源分析结果显示,ZmHsf25与高粱Sb06g025710的相似性最高,达92%。荧光定量分析表明,正常生长条件下,ZmHsf25在玉米多个组织器官中表达,幼嫩花粉中高表达,幼嫩根系和雌穗中表达量较低。42℃热胁迫能显著上调根系和叶片ZmHsf25的表达,叶片中上升幅度高于根系,处理50 min达到峰值;正常条件下,水杨酸和H2O2处理均使根系和叶片ZmHsf25表达下调,而热激条件下却表现为显著上调。通过在洋葱表皮细胞中瞬时表达并观察GFP荧光,确定ZmHsf25定位在细胞核。通过转化酵母并进行热胁迫处理发现,热胁迫同时降低正常和转ZmHsf25酵母的耐热性,但与转空载体对照相比,转基因酵母的耐热性更强。推测ZmHsf25参与玉米热胁迫响应和花粉的发育过程,可能是水杨酸热激信号转导途径的下游组分。研究结果为进一步探明玉米热激转录因子家族成员的特性与功能提供了依据。

大豆热激转录因子GmHsFA1对高温和干旱信号的表达反应

本研究将热激转录因子GmHsFA1基因构建在植物表达载体pCAMBIA3300中,以大豆子叶节作为受体,通过农杆菌介导法将热激转录因子GmHsFA1基因导入到高产品种黑农53中,获得一批转基因株系。采用Real-time PCR的方法对各代株系GmHsFA1基因的转录水平进行相对定量分析,确定转基因大豆中热激转录因子GmHsFA1的表达量明显提高。利用转热激转录因子GmHsFA1大豆研究了高温和干旱胁迫下,大豆热激转录因子GmHsFA1应对高温和干旱信号的基因表达,生理生化特性,光合特性及产量性状的变化反应,采用胁迫系数与灰色关联分析相结合方法,对转GmHsFA1基因大豆的耐热性和抗旱性进行综合鉴定和评价。结果表明:转热激转录因子GmHsFA1大豆品系在高温和干旱诱导条件下,大豆叶片中GmHsFA1、GmHSP70、GmHSP22和GmHSP17.9基因的表达量明显高于非转基因受体黑农53,叶肉细胞中的脯氨酸含量和可溶性糖含量明显高于受体,丙二醛含量增幅较小,叶片的光合特性受胁迫变化较小,光合特性能力和产量性状表现高于受体,表明过量表达的热激转录因子GmHsFA1大豆植株的耐热能力和抗干旱能力得到明显的提高。

钙调素通过HSP70调控热激转录因子的活性

凝胶阻滞分析结果显示,70kD的热激蛋白(HSP70)抑制热激转录因子(HSF)的DNA结合活性;利用免疫共沉淀法在细胞提取液中检测到了CaMHSP70复合物的存在,并且热激后CaMHSP70复合物含量增加.表明钙调素(CaM)调控HSF活性可能是通过与HSP70结合起作用.

拟南芥热激转录因子AtHsfA6a的克隆与细胞定位分析

【目的】研究拟南芥热激转录因子AtHsfA6a在植物细胞中的定位及其作用机制。【方法】用RT-PCR方法从野生型拟南芥总RNA中,扩增获得了849 bp的拟南芥热激转录因子AtHsfA6acDNA片段,经过测序,结果与公布的序列完全相同。将该片段与绿色荧光蛋白(GFP)基因的cDNA重组,并克隆到表达载体pCHF3上,经PCR与酶切检测表明构建的表达载体正确。按照Clough等的方法转化拟南芥,经Kanamycin筛选和PCR检测,得到转基因植株;用激光共聚焦扫描荧光显微镜观察转基因植株幼苗的根部。【结果】在正常条件下,融合蛋白存在于细胞质中。【结论】在正常条件下拟南芥热激转录因子AtHsfA6a在细胞质中表达。

玉米热激转录因子基因ZmHSF-Like对逆境胁迫响应的信号途径

在前期对玉米热激转录因子基因ZmHSF-Like克隆、表达特性和亚细胞定位分析的基础上,对基因响应不同逆境胁迫的信号途径进行了研究。结果显示,H2O2处理能显著上调ZmHSF-Like基因的表达,42℃热激上调ZmHSF-Like基因的表达依赖于H2O2的存在,ABA上调基因表达部分依赖于H2O2的存在,而PEG-6000诱导基因表达不依赖于H2O2;外源Ca2+处理也能上调ZmHSF-Like基因表达,而螯合胞外钙离子并阻断其内流并不能降低上述逆境胁迫诱导的ZmHSF-Like基因的表达水平。表明ZmHSF-Like基因通过H2O2信号途径实现对热激和ABA胁迫的响应。在H2O2处理过程中,热激蛋白基因HSP704的表达与ZmHSF-Like基因的表达同步,可能是该途径中ZmHSF-Like结合的下游热激蛋白。单独钙离子诱导处理,热激蛋白基因HSP701、HSP702和HSPeu701的表达均与ZmHSF-Like基因的表达同步,可能是ZmHSF-Like基因响应Ca2+反应的下游结合蛋白。ZmHSF-Like通过与下游不同热激蛋白的结合实现对不同逆境胁迫的响应。

玉米热激转录因子基因ZmHsf06表达提高拟南芥耐盐性

在对从玉米幼叶中获得热激转录因子基因ZmHsf06生物学特性及转基因拟南芥植株耐热性和抗旱性评价的基础上,从表型和生理水平对转ZmHsf06基因植株的耐盐性进行了鉴定。表型观察结果显示,盐胁迫下转ZmHsf06拟南芥植株根系和地上部长势明显强于野生型;生理指标分析发现,盐胁迫下转基因植株能保持相对较高的叶片SOD、POD、CAT活性和叶绿素含量,以及相对较低的相对电导率、丙二醛含量,且叶片渗透势升高明显。结果表明,ZmHsf06不仅能提高植株耐热性和抗旱性,在一定程度上对提高植株的耐盐性也发挥重要作用,是玉米热激转录因子家族主要成员之一。

热激转录因子在植物抗非生物胁迫中的功能研究进展

植物在遭受环境胁迫时会产生一系列应激反应,而热激转录因子可通过介导热激蛋白或其他热诱导基因的转录和表达,来参与调控植物抵抗逆境胁迫过程和其他生命活动。主要介绍了植物热激转录因子的基本蛋白结构域,阐述了3类热激转录因子在抗极端温度(高温、低温)胁迫、干旱胁迫、高盐胁迫、活性氧胁迫中的功能与作用机制,并探讨和展望了植物热激转录因子在植物育种和提高植物抗逆性的研究中的发展与应用前景,以期为深入研究热激转录因子在调控植物抵抗逆境胁迫中的生物学功能与机制提供理论参考。

动物热激转录因子的进化类型及其功能研究进展

生物体暴露在高温和其它一些化学或者生理胁迫的环境中能诱导机体产生热激蛋白。真核生物中热激蛋白基因的表达受热激转录因子的调节。正常生长条件下,热激转录因子呈无活性的单体状态,当生物体处在热激等胁迫环境中时,热激转录因子会立即转换成有活性的三聚体并进入细胞核中与热激蛋白基因的热激元件结合,从而激活热蛋白激基因的转录。综述了近年来4种热激转录因子在生物体热应激反应中的作用,重点讨论了热激转录因子家族成员功能上的新发现。