Na~＋(K~＋)/H~＋转运蛋白NHX基因的研究进展

Na+(K+)/H+转运蛋白是液泡膜中的一种离子反向运输体,是生物界普遍存在的负责Na+(K+)/H+交换的一种跨膜运输蛋白。Na+(K+)/H+逆向转运蛋白由NHX家族基因调控表达。过表达NHX家族基因能提高植物中Na+(K+)/H+逆向转运蛋白的活性。从而调节细胞质内pH值、维持Na+(K+)浓度、K+/Na+比、保持细胞膨压、控制细胞扩增的功能,是植物耐盐的关键因子。该文主要对Na+(K+)/H+逆向转运蛋白的发现、功能以及调控其表达的NHX基因的克隆、分类及其与抗旱耐盐之间的关系进行了综述,旨在全面了解其功能和作用机理后将其转入到大豆基因组中,获得抗旱耐盐的转基因大豆种质。

菊芋Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆与表达分析

根据同源序列设计简并引物,通过RT-PCR及RACE的方法从菊芋中克隆了Na+/H+逆向转运蛋白基因。序列分析表明,该基因全长2148 bp,开放读码框为1647 bp,可编码长549个氨基酸的多肽,与其它植物已克隆的Na+/H+逆向转运蛋白具有很高的同源性。系统发育分析表明该蛋白(HtNHX1)与液泡型Na+/H+逆向转运蛋白的亲缘关系较近,与质膜型Na+/H+逆向转运蛋白亲缘关系较远。NaCl胁迫条件下RT-PCR检测结果表明,HtNHX1随NaCl浓度增加和处理时间延长表达持续增强,但到了第3天表达量开始下降。HtNHX1逆向转运蛋白基因的转录调控可能是决定菊芋耐盐能力的一个重要因素。

唐古特白刺质膜Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆与表达分析

土壤中过多的Na+会导致植物产生盐害,严重影响植物的生长和发育。质膜型Na+/H+逆向转运蛋白SOS1介导植物细胞内过量的Na+外排,在植物抵御盐胁迫过程中起着重要的作用。唐古特白刺隶属于蒺藜科白刺属,是中国特有的盐生植物,主要生长于西北地区的荒漠或盐渍化荒漠,具有极强的抗逆能力。应用简并RT-PCR及RACE技术克隆获得唐古特白刺Na+/H+逆向转运蛋白NtSOS1基因(GenBank登录号KC292267)。序列分析显示,该cDNA全长4 008bp,包含3 492bp的开放阅读框,编码分子量为127.59kDa的蛋白质。疏水性分析预测NtSOS1基因编码蛋白N端具有11个跨膜结构域,C端具有一个面向胞质的长亲水尾部,包含保守环核苷酸结合区域、自我抑制基序及磷酸化位点等多个活性调控结构域。NtSOS1氨基酸序列与葡萄、霸王、拟南芥等植物的SOS1序列同源性较高,分别可达71.77%,68.94%,62.65%。系统发育分析表明NtSOS1基因为质膜型Na+/H+逆向转运蛋白,与液泡型Na+/H+逆向转运蛋白属于不同分支。半定量RT-PCR结果显示冷、热、盐和干旱胁迫都可以诱导NtSOS1基因的表达,同时,NtSOS1基因随着盐处理浓度增加呈现出先上升(0～300 mmol/L)后下降(400mmol/L)的趋势。结合植物的生境特点和NtSOS1表达模式分析,该基因表达水平的升高可能在唐古特白刺适应恶劣生境的过程中发挥积极作用。本研究的开展为利用NtSOS1基因进行作物与牧草改良并深入研究唐古特白刺抗逆分子机制奠定了基础。

小拟南芥Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆及生物信息学分析

为了克隆新疆特色植物小拟南芥(Arabidopsis pumila)的Na+/H+逆向转运蛋白基因,本研究以经200mmol/L NaCl胁迫诱导12h的叶片总cDNA为模板,采用RT-PCR技术克隆到Na+/H+逆向转运蛋白基因,命名为ApNHX1(GenBank登录号:JF357965)。结果表明:ApNHX1全长开放阅读框1617bp,编码538个氨基酸残基。利用相关的生物信息学软件对ApNHX1蛋白氨基酸的等电点、结构域、二级结构组成、跨膜结构、亲水性等进行研究,并且构建植物NHX1基因家族系统进化树,结构表明ApNHX1和拟南芥、鼠尔芥、盐芥和油菜等的NHX1同源基因遗传距离最为接近,属于Ⅰ型液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白。因此,构建植物过量表达载体p35S::ApNHX1,转化到农杆菌GV3101中,这为进一步研究基因功能奠定基础。

植物Na^+/H^+逆向转运蛋白研究进展

盐胁迫主要由Na+ 引起 ,过高的Na+ 浓度引起的离子毒害 ,渗透胁迫和K+ /Na+ 比率的不平衡使植物新陈代谢异常 ,这是对大多数器官造成伤害的原因。植物抵御盐胁迫的主要方式是将细胞内过多的Na+ 从质膜向细胞外排放和将Na+ 在液泡中区隔化 ,这一过程是由Na+ /H+ 逆向转运蛋白完成的。本文概述了植物中Na+ /H+ 逆向转运蛋白的发现、特征、分子生物学方面的研究 ,以及Na+ /H+

新疆无苞芥Na＋/H＋逆向转运蛋白基因OpNHX1的克隆、表达分析与功能验证

从耐盐植物无苞芥中克隆获得了1个Na+/H+逆向转运蛋白基因NHX1,命名为OpNHX1(GenBank登录号:KC200248)。OpNHX1基因cDNA全长2 153 bp,包含一个1 605 bp的开放阅读框,编码534个氨基酸。系统进化树分析表明,OpNHX1编码产物与拟南芥、小盐芥亲缘关系较近,属于同一进化分支。实时荧光定量PCR分析表明,该蛋白基因在无苞芥根、茎、叶、花和荚果中均有表达,其中茎中表达量最高。半定量RT-PCR分析表明,该基因受高盐、干旱、低温及ABA的诱导上调表达。进一步将该基因在拟南芥中过量表达,显著提高了转基因植株在盐胁迫下的存活率,说明OpNHX1基因参与了植物的耐盐性。酵母功能互补试验结果显示,该基因转化酵母Δnhx1后可以补充NHX1的缺失,表明OpNHX1参与Na+/H+的转运。

刚毛柽柳Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆与表达分析

通过对刚毛柽柳(Tamarix hispida)转录组分析,鉴定获得一个Na^+/H^+逆向转运蛋白基因,命名为Th SOS1。Th SOS1基因c DNA全长3 917 bp,开放阅读框长3 498 bp,编码1 165个氨基酸,编码蛋白相对分子质量128.8 k Da,理论等电点(PI)为6.42。疏水性分析预测Th SOS1基因编码蛋白N端具有10个跨膜结构域,C端具有一个较长的亲水尾部。Th SOS1氨基酸序列与长叶红砂、藜麦、盐地碱蓬等植物的SOS1序列同源性较高,分别可达92%,73%,72%。系统发育分析表明Th SOS1为质膜型Na^+/H^+逆向转运蛋白,与液泡膜型Na^+/H^+逆向转运蛋白属于不同分支。实时荧光定量RT-PCR分析显示,该基因受高盐、干旱诱导上调表达,暗示Th SOS1可能在刚毛柽柳抗旱耐盐过程中发挥重要作用。

毛偃麦草Na^+/H^+逆向转运蛋白的分子克隆及生物信息学分析

根据小麦和长穗偃麦草的液泡膜Na+/H+逆转运蛋白基因(TaNHX1、TeNHX1)全长序列设计引物,通过RT-PCR直接扩增的方法从毛偃麦草(Elytrigia trichophora L.)中克隆到了Na+/H+逆转运蛋白基因,命名为EtNHX1(Accession numeber:EU876834)。EtNHX1最大开放阅读框为1641bp,编码含有546个氨基酸残基、分子量为59.8kD的蛋白,预测等电点8.0。EtNHX1含有39个碱性氨基酸,37个酸性氨基酸,256个疏水氨基酸及128个极性氨基酸。二级结构预测表明该蛋白含约47%的α-螺旋、20%的延伸链、4.5%的β-转角和28%的不规则卷曲。亲疏水性分析显示,EtNHX1含有12个连续的疏水片断,其中10个可能构成跨膜螺旋。序列分析显示,EtNHX1与小麦(Triticum aestivum L.)、中间偃麦草(Thinopyrum intermedium L.)、长穗偃麦草(Elytrigia elongate L.)、水稻(Oryza sativa L.)、角果碱蓬(Suaeda corniculata L.)、小盐芥(Thellungiella halophila L.)等植物的液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白高度同源,序列相似性分别为98%、98%、96%、85%、68%和67%。序列比对结果以及进化树分析均表明EtNHX1应为定位于毛偃麦草液胞膜上的Na+/H+逆向转运蛋白。

泌盐植物长叶红砂质膜Na＋/H＋逆向转运蛋白基因(RtSOS1)全长cDNA的克隆及序列分析

长叶红砂为内蒙古东阿拉善-西鄂尔多斯地区特有珍稀泌盐,强旱生小灌木,对盐渍荒漠环境具有极强适应性。利用RT-PCR和RACE技术从该植物中分离出质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因(RtSOS1),该cDNA全长为3 829bp,开放阅读框为3 438 bp,编码一个含1 145个氨基酸的蛋白质,推测分子量为126.76 kDa。氨基酸序列的生物信息学分析推测,该蛋白N端含有11个跨膜结构域,C端为一个长约700个氨基酸的亲水性尾,具有磷酸化和自我抑制结构域。同源性比对和系统发育分析证实,RtSOS1与其他植物的质膜Na+/H+逆向转运蛋白亲缘关系较近。

大叶补血草Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆及序列分析

根据同源序列区域设计简并引物,利用RT-PCR及RACE方法从盐生植物大叶补血草中分离了Na+/H+逆向运输蛋白基因的cDNA(LgNHX1,GenBank登录号EU780457)。LgNHX1的cDNA全长为2 397 bp,5′端非翻译区长度为512 bp,3′端非翻译区长度为229 bp,其中包括12 bp的poly(A)尾巴,中间的开放读码框为1 656bp,编码1个550个氨基酸的多肽,推测分子量为61 kD。氨基酸同源性分析表明,LgNHX1与北滨藜、小麦、盐角草和拟南芥液泡Na+/H+逆向运输蛋白的一致性分别为82.62%,82.01%,80.64%和75.86%。预测分析表明,LgNHX1具有11~12个跨膜结构区域。系统发育分析表明该蛋白(LgNHX1)与液泡型的Na+/H+逆向转运蛋白的亲缘关系较近,与质膜型的Na+/H+逆向转运蛋白亲缘关系较远。

Na^+/H^+逆向转运蛋白基因在甜瓜不同品种中的表达

Na+/H+逆向运输蛋白基因在植物耐盐性方面起着极为重要的作用。根据同源基因保守序列设计引物,通过RACE方法从甜瓜中克隆了Na+/H+逆向转运蛋白基因,命名为CmNHX1(FJ843078)。序列分析表明,该基因全长2 534bp,开放读码框为1 659bp,编码553个氨基酸多肽。氨基酸同源性分析表明该蛋白与液泡型Na+/H+逆向转运蛋白的亲缘关系较近,与质膜型Na+/H+逆向转运蛋白的亲缘关系较远。RT-PCR表达分析结果表明,CmNHX1在甜瓜根茎叶中均有表达,而且随着NaCl浓度和处理时间的增加,在根中表达持续增强,叶片中表达持续下降。耐盐品种‘金辉’根、茎和叶中的CmNHX1表达均高于盐敏感品种‘天仙’根、茎和叶中的表达。有趣的是在根中的表达,CmNHX1相对表达量在‘金辉’中是‘天仙’的2倍。CmNHX1在盐敏感酵母突变体中表达可以提高转化子对NaCl的耐受性,说明CmNHX1具有转运Na+的功能。研究结果表明CmNHX1是一个液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白,在甜瓜盐胁迫过程中起着重要作用。

转Na^+/H^+逆向转运蛋白基因(nhaA)大豆植株的获得及耐盐性分析

高盐对作物造成渗透胁迫和离子毒害,是影响作物生长发育的主要非生物胁迫因子之一。Na+/H+逆向转运蛋白能够通过将Na+排出细胞或将其区隔化入液泡中来调节细胞内的离子平衡,是植物耐盐的关键因子。本研究将质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因nhaA构建到植物表达载体pBI121上,通过发根农杆菌介导转化大豆子叶节,获得6株卡那霉素抗性再生植株。对抗性植株进行PCR、Southern blot和RT-PCR鉴定,3株植株呈阳性,平均转化率为0.42%。对阳性植株的耐盐生理指标测定结果显示,盐胁迫后转基因植株的质膜相对电导率显著低于对照植株,叶绿素含量和脯氨酸含量显著高于对照植株。nhaA基因在大豆植株中的表达显著提高了大豆对盐胁迫的耐受性,为大豆耐盐新品种的选育和广泛应用该基因进行其它农作物的耐盐性改良提供了材料和依据。

桑树Na^+/H^+逆向转运蛋白基因的克隆及功能分析

盐害是威胁作物生长的重要因素之一,培育和种植耐盐作物品系是进行盐地开发利用的有效途径。该研究通过RACE方法,从特优1#桑品种克隆获得了Na^+/H^+逆向转运蛋白基因(MaNHX)的全长cDNA(2 016 bp),编码蛋白预测分子量59.28 ku,等电点6.67,含保守位点(^(82)LFFIYLLPPI^(91))。用根癌农杆菌介导法,将MaNHX基因导入拟南芥中,结果表明,在拟南芥中异源表达MaNHX能明显提高拟南芥对盐胁迫的耐受性。转基因植株NaCl胁迫下叶绿素含量更高、抗氧化活性增强,MDA含量下降。结果证实,异源表达MaNHX转基因拟南芥可以通过维持细胞膜稳定性、减少膜损伤和透性伤害等机制应对盐胁迫。该研究可为桑树的抗盐品种培育提供候选参考基因。

植物Na^+/H^+逆向转运蛋白研究进展

土壤中过多的Na+是抑制植物生长的主要限制因子之一,也是造成土壤盐渍化的主要离子。而Na+/H+逆向转运蛋白是植物维持Na+稳态,增强植物抗盐性的一条重要途径。通过对Na+/H+逆向转运蛋白的分类、结构、功能,以及和植物耐盐性关系的概述,揭示其耐盐机理,并就其将来的应用和发展前景作了分析。

7种植物K~＋/H~＋逆向转运蛋白的生物信息学分析

K+/H+逆向转运是普遍存在于几乎所有生物体内的重要离子平衡机制之一。该机制主要由多基因家族KEA(K efflux antiporter)介导。然而,长期以来对KEA的功能特征和生理意义的认识,除了在大肠杆菌中有零星的报道之外,绝大部分尚为空白。本文通过生物信息学分析,比较了7个植物物种KEA的同源和进化关系,发现KEA家族中的部分成员在物种进化过程中具有极高的保守性。以模式植物拟南芥为例,进一步研究了KEA的蛋白质跨膜结构、关键结构域和亚细胞定位预测等。结果表明,AtKEA大多具有10～12个跨膜结构,是典型的膜蛋白,在跨膜区的N端有多个丝氨酸磷酸化调控位点;都含有K+/H+交换结构域和相应的调控域,推测其能够介导K+/H+交换。基因芯片研究表明,AtKEA在根、茎、叶、花和荚果等不同组织器官的表达丰度不同,表明KEA基因家族各成员的生理功能具有时空分异性。上述结果可为进一步深入研究植物K+/H+逆向转运系统的功能提供借鉴。

乔松根特异启动子PmPgPR10驱动Na^+/H^+逆转运蛋白提高转基因水稻的耐盐性

为获得抗盐水稻,将小麦液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因TaNHX2与乔松(Pinus griffithii)根诱导型特异表达启动子PmPgPR10融合(PmPgPR10∷TaNHX2)并转化水稻,以研究PmPgPR10启动子对TaNHX2基因表达的影响以及转基因植物的耐盐性。PCR、Southern和实时PCR试验结果表明,PmPgPR10∷TaNHX2基因已通过农杆菌介导法整合进水稻基因组,而且外源基因已在受体细胞中正确表达。在盐胁迫处理时,转PmPgPR10基因植株的耐盐性以及外源基因的表达量显著高于对照植株,说明PmPgPR10启动子可以调控TaNHX2基因在根中特异表达。为了进一步分析转基因植株耐盐机理,比较了日本晴和转基因T3代植株中液泡腺苷三磷酸酶(V-ATPase)和液泡焦磷酸酶(V-PPase)活性,发现转PmPgPR10∷TaNHX2基因水稻的V-ATPase和V-PPase酶活性显著高于非转基因对照,说明V-ATPase和V-PPase活性提高在转TaNHX2基因水稻耐盐性过程中发挥重要作用。在盐胁迫处理时,V-ATPase和V-PPase活性只能在转基因植株的根中但不能在叶片中被检测到,进一步说明PmPgPR10启动子在根中特异性表达。因此,PmPgPR10具有在根中增强下游TaNHX2基因表达,并显著提高转基因植株耐盐性的能力。

Na^+/H^+逆向转运蛋白与植物耐盐性研究

盐胁迫是影响植物生长发育及产量的重要非生物因素。一定浓度的盐分可以通过渗透胁迫、离子胁迫等不同程度地伤害植物的细胞膜透性,并产生次级氧化胁迫,从而造成植物自身代谢紊乱及部分蛋白合成受阻等现象。植物Na^+/H^+逆向转运蛋白可通过将Na^+逆向转运出细胞外或者将其区隔化于液泡中来抵御环境中过高的Na^+,从而维持细胞内正常的Na^+水平及pH等。目前已经从多种植物中克隆到编码Na^+/H^+逆向转运蛋白的基因。经研究发现,将这些基因转入盐敏感植物可大大提高植物的耐盐性,对于开发盐碱地及提高农作物的产量具有非常重要的意义。主要概述了植物Na^+/H^+逆向转运蛋白的分子生物学研究及其与耐盐性之间的关系。

液泡膜Na^+/H^+逆向转运蛋白基因沉默对霸王叶气孔特征的影响

以霸王(Zygophyllum xanthoxylum)野生型植株(WT)、液泡膜Na+/H+逆向转运蛋白基因(Zx NHX)的RNA干扰(Zx NHX-RNAi)株系L2和L7为材料,分析了Zx NHX沉默后霸王叶下表皮气孔特征的变化情况。结果表明,50 mmol·L-1Na Cl处理下,Zx NHX-RNAi株系叶下表皮气孔开度达到峰值的时间比WT延迟了4 h;渗透胁迫下,L7气孔开度的峰值比WT显著下降12%。对照条件下,L7气孔大小显著低于WT,达到峰值的时间比WT延迟6h。无论是对照条件还是盐处理或渗透胁迫下,Zx NHX-RNAi株系叶组织含水量均显著低于WT,尤其是盐处理下,L7比WT低40%。可见,Zx NHX通过调控霸王叶的水分状况,进而影响气孔运动。

植物Na^+/H^+逆向转运蛋白NHX及其生物学功能

植物Na+/H+逆向转运蛋白NHX是一类重要的离子转运体,在调节液泡pH值、维持细胞质中低Na+浓度和离子的动态平衡及其发育中起着重要的作用。本文主要对植物NHX蛋白的分类地位,NHX基因的表达调控及NHX蛋白的生物学功能进行了综述。

黄瓜质膜型Na^+/H^+逆向转运蛋白基因(SOS1)的克隆与序列分析

采用RACE(rapid-amplification of cDNA ends)方法从黄瓜Cucumis sativusL.中克隆出质膜Na+/H+逆向转运蛋白基因的cDNA(CsSOS1),该cDNA全长3 638bp,其中开放阅读框为3 435bp,编码1 145个氨基酸。氨基酸同源性分析表明,CsSOS1氨基酸序列与水稻OsSOS1和拟南芥AtSOS1的氨基酸序列同源性较高,分别为64%和58%,而与液泡型的Na+/H+逆向转运蛋白氨基酸序列亲缘关系较远。蛋白质跨膜结构分析表明CsSOS1包含11个完全跨膜片段。激光共聚焦显微镜显示CsSOS1基因的编码区与YFP基因融合后,定位在细胞膜上。酵母功能互补试验结果显示CsSOS1参与Na+与H+的转运,表明该基因转化酵母后可以补充酵母SOS1的缺失。