植物硅转运蛋白研究进展

硅作为一种非金属元素,不仅在植物的生长发育过程中发挥重要的功能,同时在植物抵御生物和非生物胁迫中也发挥着重要的作用。研究表明硅的吸收与转运由硅转运蛋白参与完成,根据对硅酸的转运特性主要分为硅内流转运蛋白和硅外流转运蛋白。该文对已鉴定出的硅转运蛋白的结构特点、功能、调控方式进行了总结,对植物吸收与转运硅的过程进行了系统性解析,提出了存在的问题,并对未来的研究方向进行了展望。

水稻硅转运子基因的克隆与表达载体的构建

提取水稻根中总RNA,根据NCBI中水稻硅转运子基因Lsi1(AB222272)、Lsi2(AB222273)的mR-NA序列设计2对引物,采用RT-PCR技术扩增硅转运子基因Lsi1、Lsi2。并利用DNA重组技术分别构建了两个植物表达载体pCAMBIA2300-35S-Lsi1-OCS和pCAMBIA2300-35S-Lsi2-OCS。克隆的水稻硅转运子基因Lsi1、Lsi2与NCBI中已发表的核苷酸序列的同源性为99.33%、99.65%,氨基酸同源性都为100%。为后续培育其他硅转基因树木或农作物,增加其硅元素转运能力、提高其抗逆性奠定了实验基础。

砧木南瓜硅转运蛋白基因CmLsi3的克隆与表达分析

以用于黄瓜嫁接的砧木南瓜‘云南黑籽南瓜’(Cucurbita ficifolia,去蜡粉能力弱)和‘黄诚根2号’(C.moschata,去蜡粉能力强)为试材,采用同源克隆与RACE相结合的方法克隆到硅转运蛋白基因c DNA全长,命名为CmL si3(Gen Bank登录号分别为KM203110和KM359142)。两种砧木南瓜Cm Lsi3基因c DNA全长为1 206 bp,开放阅读框为795 bp,编码264个氨基酸,两者仅有4个位点的氨基酸不同,但与黄瓜、玉米、大麦等作物硅转运蛋白氨基酸序列同源性均在50%以上。CmL si3蛋白含有2个NPA模体、6个跨膜结构域以及1个由Gly(G)、Ser(S)、Gly(G)和Arg(R)组成的ar/R选择性过滤器,属于水通道蛋白NIPⅢ亚家族。实时荧光定量分析表明,Cm Lsi3基因在砧木南瓜根、茎、叶中均有表达,且‘云南黑籽南瓜’各器官Cm Lsi3基因的表达水平高于‘黄诚根2号’。

砧木对黄瓜嫁接苗地上部硅元素转运的影响

以去蜡粉南瓜砧木‘488’、非去蜡粉南瓜砧木‘277’以及黄瓜‘1184’为试材,对各嫁接组合幼叶施用不同浓度Na_2SiO_3,研究砧木对黄瓜嫁接苗地上部硅转运的影响。结果表明,(1)叶片外源施硅明显提高各嫁接苗地上部硅元素含量;(2)嫁接可缓解外源施硅对嫁接苗在植株高度、叶片伤情等方面的抑制作用;(3)去蜡粉砧木嫁接苗的地上部叶片吸收硅元素能力低于非去蜡粉砧木嫁接苗和自根苗;(4)去蜡粉砧木嫁接苗的果实邻近叶、果肉转变为硅元素地上部转运的新库,从而抑制硅元素向果皮转运,降低果面蜡粉含量。

海洋硅藻硅质细胞壁结构的形成机理研究概述

硅藻具有形态各异、结构复杂、精美绝伦的硅质细胞壁,是海洋中进行生物硅化最主要的生物体。硅质细胞壁的形成同样是一个错综复杂的过程,它涉及硅藻细胞将硅酸从胞外转运到胞内;硅酸在细胞内的转移;在硅沉积囊泡(SDV)中的浓缩沉积;最后合成具种类特异性的细胞壁。重点介绍硅酸转运基因(SITs)的分子特征与作用机制;与生物硅化相关的三种蛋白即硅体蛋白(frus-tulins)、亲硅蛋白(silaffins)和侧壁蛋白(pleuralins)的结构与功能;硅质结构如何在硅沉积囊泡内最终形成的模式。

硅肥对于提高植物抗性的作用机理研究进展

硅元素虽然不是植物的必需营养元素,但越来越多的研究结果表明,硅对于植物抵抗生物与非生物的胁迫具有重要作用。近年来,关于硅元素对植物的功能研究非常活跃。从硅元素能显著提高植物抵抗生物、非生物胁迫能力,硅肥根施和叶施的争论,硅在植物体内的运输及相关基因,硅介导植物产生系统抗性的分子机制等方面对硅元素在植物与病原物互作中的作用机理进行了综述,并提出了今后研究方向,为更合理利用硅肥提供一定的理论基础。

假微型海链藻硅吸收及硅化作用与细胞周期偶合关系的研究

采用硅饥饿的培养方法,假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana Hasleet Heimdal)得以同步生长.再通过流式细胞仪测定假微型海链藻的细胞周期,荧光显微镜观察假微型海链藻新硅质壁的形成,硅钼黄法检测假微型海链藻在细胞周期各阶段硅含量的变化,研究了假微型海链藻在细胞分裂周期中硅吸收与硅化作用的变化特征及相互间的偶联关系.结果表明:硅饥饿24h后,细胞停滞在G1/S期的边界,重新加入硅后,细胞同步生长.同步化培养后1h和3h,分别是吸收硅、合成新壳环带的主要时期,与G1/S期偶合;第5小时和第7小时,分别是吸收硅、合成新壳面的主要时期,与G2+M期偶合.

硅对平邑甜茶幼苗干旱胁迫伤害的缓解

以15%聚乙二醇(PEG)6000模拟干旱胁迫,水培平邑甜茶(Malus hupenensis Rhed.)幼苗为试验材料,硅酸钠(2 mmol/L Na2SiO3·9H2O)作为硅源,研究硅对苹果幼苗干旱胁迫伤害缓解及促进植株生长的影响。结果显示,在PEG模拟干旱胁迫下,与不施硅相比,施硅处理的平邑甜茶幼苗硅转运蛋白转录水平升高、硅含量升高、生物量提高、叶片相对含水量提高;叶片中H2O2含量、丙二醛含量及相对电渗率维持在较低水平,叶绿体结构较完整且光合作用较强。表明施硅能够通过提高Lsi1基因转录进而提高平邑甜茶幼苗体内硅的含量,缓解干旱胁迫对苹果幼苗的氧化伤害,促进植株的生长。

水稻颖壳类病斑突变体glmm1的鉴定与基因定位

【目的】鉴定水稻颖壳类病斑突变体,并进行基因定位,为基因克隆及其分子机制研究奠定基础。【方法】对野生型材料LR005和经EMS诱变得到的颖壳类病斑突变体glmm1(glume lesion mimics mutant 1)进行农艺性状分析、扫描电镜分析、DAB染色和全硅含量测定。glmm1与广亲和材料L422杂交获得的F2群体用于遗传分析,利用图位克隆和BSA-seq方法进行基因定位。【结果】突变体glmm1在抽穗10 d后颖壳和叶片逐渐出现褐色斑点,成熟后颖壳完全呈现褐色。与野生型相比,突变体的株高、穗长、每穗总粒数、结实率和千粒重等都极显著降低。DAB染色表明glmm1颖壳和叶片的活性氧含量增多;扫描电镜显示突变体颖壳和叶片表面硅质细胞皱缩。遗传分析结果表明,突变体glmm1的颖壳类病斑表型受到一对隐性基因控制。利用glmm1与L422的F2分离群体,通过图位克隆和BSA-seq等策略将glmm1定位在水稻第2染色体上68 kb的区间内。该区间内有10个候选基因。序列分析发现该区间仅有一个SNP位点,位于基因Lsi1(LOC_Os02g51110)的第5个外显子上,导致第238位氨基酸由异亮氨酸变为苏氨酸。对颖壳和叶片全硅含量的测定表明,glmm1突变体中硅的积累减少,说明GLMM1可能是Lsi1的等位突变。【结论】GLMM1是Lsi1新的等位突变基因,该突变造成植株硅含量的降低和活性氧的积累,致使颖壳和叶片产生褐色类病斑。

苹果MdLsi1基因的克隆及生物信息学分析

以"秦冠"苹果叶片为试材,采用RT-PCR技术,克隆了苹果硅转运蛋白基因MdLsi1,并应用生物信息学分析其特征,以期为进一步深入研究硅促进苹果植株生长的分子机制提供参考依据。结果表明:MdLsi1基因全长873 bp,编码290个氨基酸,相对分子量为30.456 kDa。MdLsi1蛋白包含已知硅转运蛋白所具有的特征结构,6个跨膜结构域,2个天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸序列(Asn-Pro-Ala,NPA模体),1个由甘氨酸-丝氨酸-甘氨酸-精氨酸(GRGS)组成的ar/R选择性过滤器,并且2个NPA模体之间间隔108个氨基酸。MdLsi1基因起始编码位点前1 500 bp序列中除了包含有基本的基因启动子元件外,还含有与多种逆境胁迫相关的顺式调控元件。以上结果提示MdLsi1在苹果植株硅的积累及植株抵御逆境胁迫中发挥重要功能。

外源硅对不同砧木嫁接黄瓜果面蜡粉和硅吸收及相关基因表达的影响

为探明砧木影响嫁接黄瓜果面蜡粉形成的机制以及与外源硅的关系,以‘山农5号’黄瓜为接穗,‘云南黑籽南瓜’(去蜡粉能力弱)和‘黄诚根2号’南瓜(去蜡粉能力强)为砧木进行嫁接,采用水培法,研究营养液中添加硅与否对黄瓜硅吸收、硅转运蛋白相关基因表达和果实表面蜡粉形成的影响。结果表明:加硅显著提高了‘云南黑籽南瓜’嫁接黄瓜和自根黄瓜果面蜡粉量及各器官硅含量,但加硅后‘黄诚根2号’嫁接黄瓜的果面蜡粉量和各器官硅含量均较低,与不加硅条件下的嫁接和自根黄瓜相近;加硅处理后‘云南黑籽南瓜’嫁接黄瓜苗根系中硅转运蛋白基因Cm Lsi1、Cm Lsi2-1、Cm Lsi2-2和Cm Lsi3的表达量均高于‘黄诚根2号’嫁接黄瓜苗;随着硅处理时间延长,‘云南黑籽南瓜’嫁接黄瓜苗根系中硅转运蛋白基因表达下调,而‘黄诚根2号’嫁接黄瓜苗根系中硅转运蛋白基因的表达同样下调。

环境条件对黄瓜硅吸收分配和果面蜡粉形成的影响

为探明环境条件影响黄瓜果面蜡粉形成的机制,以‘山农5号’黄瓜为接穗,‘黄诚根2号’南瓜(去蜡粉能力强)和‘云南黒籽南瓜’(去蜡粉能力弱)为砧木进行嫁接,在日光温室不同栽培茬口(冬春茬和秋冬茬)下研究了硅吸收分配和果面蜡粉量差异,并在人工气候室内模拟不同季节环境条件[T1:温度28℃/18℃(昼/夜),相对湿度55%/65%,光照强度600μmol·m-2·s-1;T2:温度22℃/12℃(昼/夜),相对湿度85%/95%,光照强度300μmol·m-2·s-1],研究其对硅吸收分配和硅转运蛋白基因表达的影响。结果表明:日光温室栽培条件下,与秋冬茬相比,冬春茬黄瓜商品成熟果实表面蜡粉量显著增加,其中以‘云南黑籽南瓜’嫁接黄瓜受影响较大,自根黄瓜和‘黄诚根2号’嫁接黄瓜受影响较小;相同栽培季节,均以‘云南黑籽南瓜’嫁接黄瓜果面蜡粉量和器官硅含量最多,自根黄瓜次之,‘黄诚根2号’嫁接黄瓜最少。人工气候室内,T1环境下黄瓜各器官硅含量、叶片和根系硅转运蛋白基因表达量均高于T2;相同环境条件下,黄瓜各器官硅含量和叶片硅转运蛋白基因表达量均为‘云南黑籽南瓜’嫁接黄瓜>自根黄瓜>‘黄诚根2号’嫁接黄瓜。综上,环境条件改变了黄瓜植株对硅的吸收分配,进而影响果面蜡粉形成,适宜的环境条件有利于减少果面蜡粉量;高温、强光、低湿环境导致黄瓜果面蜡粉量增多,砧木对嫁接黄瓜硅吸收和果面蜡粉形成有显著影响。