植物与病原微生物互作分子基础的研究进展

植物在与病原微生物共同进化过程中形成了复杂的免疫防卫体系。植物的先天免疫系统可大致分为两个层面。第一个层面的免疫基于细胞表面的模式识别受体对病原物相关分子模式的识别,该免疫过程被称为病原物相关分子模式触发的免疫(PAMP-triggered immunity,PTI),能帮助植物抵抗大部分病原微生物;第二个层面的免疫起始于细胞内部,主要依靠抗病基因编码的蛋白产物直接或间接识别病原微生物分泌的效应子并且激发防卫反应,来抵抗那些能够利用效应子抑制第一层面免疫的病原微生物,这一过程被称为效应子触发的免疫(Effector-triggered immunity,ETI)。这两个层面的免疫都是基于植物对"自我"及"非我"的识别,依靠MAPK级联等信号网络,将识别结果传递到细胞核内,调控相应基因的表达,做出适当的免疫应答。本文着重阐述了植物与病原微生物互作过程中不同层面的免疫反应所发生主要事件的分子基础及研究进展。

植物RNA沉默抗病机制与应用研究进展

RNA沉默是真核生物基因表达调控的保守机制,在植物生长发育以及响应生物和非生物胁迫过程中发挥着非常重要的作用。跨界RNA沉默与种间RNA沉默为开发基于RNA沉默的作物病害防控体系提供了理论基础。本文概括了植物RNA沉默保守途径,归纳了RNA沉默在植物-病原互作研究中的代表性研究,阐述了基于RNA沉默开发的宿主诱导基因沉默、喷施诱导基因沉默和微生物诱导基因沉默技术的原理,以及应用研究现状,以期为开发基于RNA沉默的新型作物病害防控技术提供参考。

基因组编辑:植物生物技术的机遇与挑战

基于序列特异性核酸酶的基因组编辑技术可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除,并可实现特定基因片段置换,基因的定点插入等基因组靶向修饰。基因组编辑是一种精准和高效的基因工程方法,近年来快速发展并得到了广泛的应用,并将改变生物技术的现状。目前,基因组编辑在不同植物,特别是农作物中的技术体系已建立,初步展示了其在植物生物技术领域的巨大潜力。介绍了不同基因组编辑系统的工作原理,并对基因组编辑技术在植物研究中的应用及成功案例进行了综述,最后对基因组编辑在植物生物技术领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。

新基因水稻OsLSD1的克隆及拟南芥和水稻类LSD1基因家族的生物信息学分析

类LSD1(LSD1-like) 基因家族是一类特殊的C2C2型锌指蛋白基因,编码植物特有的转录因子. 目前已经研究的2个成员拟南芥LSD1(lesions stimulating disease resistance 1) 和LOL1(LSD-One-Like 1) 基因均参与植物细胞程序化死亡(programmed cell death, PCD) 的调控. 从水稻cDNA文库中克隆到1个类LSD1基因,命名为OsLSD1. 该基因长988 bp,包含一个432 bp的开放阅读框,推导的氨基酸序列(143个氨基酸) 含有3个内部保守的锌指结构域. DNA印迹结果表明OsLSD1基因在水稻基因组中为单拷贝,且在根、茎和叶中表达. 借助于生物信息学分析技术,从拟南芥和水稻数据库中各识别出5个和7个(包括OsLSD1) 类LSD1基因. 分析了这些类LSD1基因的结构,蛋白质结构域组成. 系统进化分析表明,无论基于编码区的核苷酸或氨基酸序列都可以将这些类LSD1基因分为2类. 虽然不存在拟南芥或水稻特有的类LSD1蛋白,但有些结构域是水稻所特有的,也有些基因是来源于复制事件.

陆地棉SKS基因家族全基因组特征分析与GhSKS13抗黄萎病功能解析

鉴定陆地棉SKS基因家族成员,解析其演化规律,为棉花抗性育种提供新的候选基因。基于已公布的陆地棉遗传标准系TM-1基因组数据,以陆地棉品种中棉-14为试验材料。通过生物信息学对陆地棉SKS家族成员进行全基因组鉴定,并对其家族成员的染色体分布、进化关系、基因结构、共线性关系等进行预测分析。通过实时荧光定量聚合酶链式反应分析GhSKS13的表达模式,并利用病毒诱导的基因沉默技术初步探究陆地棉SKS13在棉花抵御大丽轮枝菌过程中的功能。共鉴定到48个陆地棉SKS基因,不均匀分布于陆地棉19条染色体上,聚类分析分为5个亚组,基因序列具有较高保守性,共线性关系分析显示,陆地棉SKS基因家族受到纯化选择。组织模式表达分析显示,GhSKS13在陆地棉根组织中优势表达,并且受大丽轮枝菌诱导显著上调表达。GhSKS13沉默植株对大丽轮枝菌抗性减弱,同时抑制病程相关基因GhPR1、GhPR2、GhPR3和GhPR5表达。大丽轮枝菌入侵GhSKS13沉默植株,其过氧化氢(H 2 O 2)沉积明显低于对照,暗示GhSKS13促进活性氧(ROS)的形成。总之,明确了陆地棉SKS家族成员的系统进化关系、染色体分布特征和基因结构特征;并阐明了GhSKS13参与棉花对大丽轮枝菌抗性反应。

转基因棉花再生植株育性影响因素研究

【目的】探究影响农杆菌介导棉花体细胞转化体系产生的再生植株育性的影响因素。【方法】从载体大小、目的基因大小、不同阶段组织培养时间等因素对6个载体的转基因再生植株当代(T0)育性影响进行分析。【结果】不同载体/目的基因的转基因植株不育率呈现显著差异,但是转基因植株育性与载体大小、目的基因大小之间没有明显关系。进一步研究发现转基因再生植株不育率与胚性愈伤组织分化-植株再生的培养时间呈显著正相关,分化-植株再生培养时间少于110 d、110~130 d、130~150 d、150~170 d、超过170 d的植株不育率分别为19.6%、45.5%、63.8%、72.3%、94.5%;而与诱导愈伤组织形成-胚性愈伤组织分化的持续培养时间没有相关性。【结论】转基因棉花再生植株育性受到胚性愈伤组织持续培养时间的显著影响,缩短胚性愈伤组织到植株再生的培养时间能够提高转基因再生植株的育性。

《微生物学通报》与中国植物相关细菌研究40年

基于《微生物学通报》创刊40年来发表的植物相关细菌研究论文的数量与内容,对该领域研究在国际和国内的发展进行了初步总结和对比。提出了学术期刊与研究方向相互合作,共同提高的可能方式。

利用基因组编辑技术创制抗白粉病小麦

普通小麦（Triticum aestivum L．，2n=42，AABBDD）是异源六倍体，是世界上最重要的粮食作物之一，为人类提供约20％的能量。由于其基因组庞大（17Gb），约为人类基因组的5倍，并且80％～90％的基因都存在3个或多个拷贝，因此利用传统的正向或反向遗传学手段来解析小麦基因功能以及作物的性状改良都有很大的难度，这使得小麦基因组研究远远落后于其他作物。

抗蚜基因及其转基因植物

在我国目前的环境条件下,蚜虫作为农业害虫和植物病毒的传播者,已经成为严重威胁农业生产发展的重要害虫之一。抗蚜植物基因工程可以有效抑制蚜虫危害,并且随着对生命科学的深入理解和技术手段的日益成熟,得到广泛的关注和重视。抗蚜植物基因工程的核心是抗蚜基因的筛选、转抗蚜基因植物的培育以及生物安全性。讨论了多种抗蚜基因,并重点论述雪花莲凝集素和苋菜凝集素基因在目前科学研究和生产实践的应用。

CryⅢA基因植物表达载体构建及马铃薯遗传转化

利用In-Fusion技术将酶切位点不匹配、目的基因内部含载体酶切位点的CryⅢA基因和植物表达载体pBI121相连接,分别成功构建了组成型启动子CaMV 35S和马铃薯茎叶特异表达启动子ST-LS1驱动的CryⅢA基因植物表达载体。利用冻融法将2个重组质粒转入根癌农杆菌LBA4404,转化马铃薯栽培品种陇薯3号和甘农薯2号获得了转化植株,经卡那霉素筛选和PCR检测,共有10株阳性植株CryⅢA基因成功整合到马铃薯基因组中。经实时荧光定量PCR检测表明,CryⅢA基因在CaMV 35S驱动的CryⅢA转基因植株的根、茎、叶中均有表达,且在叶中表达量较高,茎和根次之;在马铃薯茎叶特异表达启动子ST-LS1驱动的CryⅢA转基因植株中,在根中未见表达,仅在茎、叶中表达,且在叶中表达量较高。

基因组水平预测稻瘟菌分泌蛋白组及富集分析

稻瘟菌分泌蛋白在稻瘟菌入侵植物过程中发挥着重要的作用。这些分泌蛋白中有很多是效应蛋白,这些效应蛋白可以干扰寄主的抗性、抑制寄主免疫反应。因此,对稻瘟菌分泌蛋白组的预测及功能分析就显得十分必要,也是目前植物和微生物分子互作研究领域的热点。使用SignalP、TMHMM及SecretomeP等软件,完成稻瘟菌分泌蛋白组的预测。同时,对含信号肽的经典分泌蛋白进行了GO功能富集、KEGG通路分析、结构域统计以及可降解植物成分的经典分泌蛋白预测等分析。结果显示,稻瘟菌含有约789个分泌蛋白,其长度多集中在100-500 aa;GO功能分析发现,这些分泌蛋白多富集在分泌途径及宿主互作中;KEGG分析显示,分泌蛋白在糖代谢途径中发挥着重要作用;大规模筛选预测到156个分泌蛋白具有降解植物细胞壁等成分的功能;同时还发现稻瘟菌中有可能存在大量不含信号肽的非经典分泌蛋白。通过设计的生物信息学流程,实现了稻瘟菌分泌蛋白组的预测;预测出经典分泌蛋白具有可降解植物细胞壁等成分以及参与糖代谢途径的功能;稻瘟菌中存在大量的无信号肽的非经典分泌蛋白。

植物核质运输与其先天免疫研究进展

植物为了抵御病原菌的侵染而进化出一套独特的先天免疫系统,它主要通过定位在细胞膜或细胞质上的受体介导并激活下游抗病基因表达而实现,但在这些信号传递过程中,细胞质的信号向核传递需要核质运输相关元件的参与。虽然目前只有个别核质运输的信号元件被证实参与了植物的先天免疫信号传递过程,但越来越多的研究表明核质运输是连接抗病基因表达和信号识别受体的一个主要方式。研究发现,病原菌的效应因子也可以利用植物核质运输机制侵入到宿主细胞核内,调控敏感基因的表达,干扰植物的免疫反应。该文对近年来国内外有关植物的核质运输机制、各层次免疫反应需要核质运输作用、核质运输相关蛋白在免疫反应中的作用等方面对核质运输参与植物先天免疫反应研究的研究进展进行综述,并指出该领域未来研究的主要内容和方向。

cry3A和vhb基因在转基因马铃薯中的表达

分别构建了含cry3A和cry3A +vhb基因的植物表达载体 pBCry3A和pBC3 Vhb,并通过根癌农杆菌介导转化了马铃薯 .对转化再生植株进行PCR和DNA印迹分析表明 ,外源基因已整合到马铃薯基因组中 ,且连续三代无性繁殖后转基因仍存在 .ELISA分析表明cry3A基因在转基因植株中得到了高效表达 ,在单转cry3A植株中最高表达量达0 1% ,转cry3A与vhb双基因株系中为 0 0 6 5 % .水涝试验显示 ,转双基因且vhbmRNA的RT PCR呈阳性的马铃薯植株 ,对低氧胁迫有较好的耐受性 。

油菜转抗草甘膦、抗虫基因获得双抗植株

以草甘膦为筛选剂,用农杆菌介导法将编码5烯醇式丙酮酸莽草酸3磷酸合成酶(EPSPS)的aroAM12基因和编码苏云金杆菌毒蛋白的Btslm基因导入到甘蓝型油菜优良品种湘油15号中。在用草甘膦对转化体进行筛选的基础上,对转基因再生植株进行了PCR检测、Southernblot和Westernblot分析,结果证明外源基因确已导入到该油菜品种中,而且表达了相应的蛋白。对转基因植株进行抗草甘膦、抗虫性鉴定的结果表明,转基因植株具有抗草甘膦、抗虫的双重特性。研究结果还表明抗草甘膦的aroAM12基因在植物基因转化中,既可以用作抗除草剂基因,又可以代替常用的抗生素标记,用作植物筛选标记基因。

ACA基因启动子的克隆及功能初探

根据已知的ACA基因的 5 '端序列设计三个基因特异的反向引物 (GSP_1,GSP_2 ,GSP_3)分别与 11个简并引物 (AD1_AD11)配对 ,进行热不对称嵌套PCR(ThermalasymmetricinterlacedPCR ,TAIL_PCR)扩增 ,获得了ACA基因起始密码子上游约70 0bp的片段。为检测其表达特性 ,构建了该片段与Gus嵌合基因的表达载体pBpAG ,在真空条件下通过农杆菌介导 ,转化了植物的叶、果实、种子三种不同组织 ,Gus瞬时表达染色结果显示 ,该DNA片段具有种子特异的启动子活性。对该启动子的一些顺式元件进行了讨论。

南瓜韧皮部特异性启动子在转基因棉花中的表达

以自行构建的重组南瓜韧皮部特异启动子dENP构建了植物表达载体pBII2。利用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)LBA44O4介导转化棉花(Gossypium hirsutum L.)品种珂字312,共获得转pBII2和对照pBI121的抗卡那霉素棉花再生植株243株,筛选出172株为转基因阳性植株。Southern blot分析确证外源Gus基因插入拷贝数在1个或2个以上。对这些转基因棉花植株进行Gus染色结果表明dENP和CaMV35S启动子一样均能驱动Gus基因的表达,前者仅在棉花的韧皮部内特异表达,而CaMV35S启动子驱动的Gus基因为组成性表达。Gus酶活力测定结果进一步表明dENP和CaMV35S启动子驱动Gus基因表达水平相当,但是转pBII2棉花植株的Gus富集在韧皮部组织。证明了dENP启动子驱动的外源基因在棉花中具有韧皮部特异而高效表达的特征,从而可用于棉花抗病、抗蚜虫转基因研究。

水稻抗病基因Xa21转入3个粳稻品种的抗性初步分析

通过农杆菌介导转化,将已克隆的水稻白叶枯病抗性基因Xa21转入我国辽宁省3个粳稻品种:沈农606、辽粳454、辽粳294,共获得独立转基因系205个。通过PCR、GUS染色和Southernblot分析,证明Xa21基因已经整合到3个粳稻栽培品种的基因组中。通过温室接种菲律宾白叶枯病小种6的代表菌系PXO99,T0代转基因水稻除了3-34表现部分抗性外,其它的转基因材料均表现高度抗病,表明Xa21转基因水稻已经获得抗性;温室接种T1和T2代试验表明,单拷贝整合的转化体呈现3∶1分离,同时单拷贝3-34材料也表现部分抗性和感病3∶1分离,证明已整合的Xa21基因能稳定遗传;同时对3-34部分抗性机制进行了分子生物学检测,证明GUS基因全部丢失、Xa21基因部分丢失并导致部分抗性。获得部分抗性材料,对于深入研究Xa21基因的功能区和研究抗病分子机制具有重要的意义。

不同继代时间调控棉花愈伤组织褐化死亡和植株再生效率的研究

棉花组织培养中愈伤组织褐化常常严重影响植株再生的效率,如何解决棉花组织培养过程中愈伤组织和胚性愈伤组织首次继代的两次褐化死亡高峰,是关系到是否能够大幅度提高棉花植株再生和遗传转化效率的关键因素之一。本研究分析了冀合713和珂字312两品种愈伤组织的继代时间与褐化死亡程度、植株再生时间和再生率,结果表明继代时间对棉花愈伤组织两次褐化死亡高峰存在着显著调控作用。在第一次高峰发生时延长继代时间间隔到50d,可以显著降低愈伤组织继续褐化死亡,提高胚性愈伤组织的发生率和缩短胚胎发生时间。在第二次高峰发生时缩短继代时间间隔为15d,可以显著降低愈伤组织褐化死亡程度,从而增加植株再生率和缩短植株再生时间。通过继代时间间隔的调控,有助于提高两个棉花品种的转化效率,为棉花基因功能验证和功能基因组研究提供了保证。

植物与土传病原真菌的攻防战及干预

绿色植物是人类赖以生存的物质基础。土传病原真菌引起的植物病害是威胁植物健康的重要因素。作者课题组长期以棉花-大丽轮枝菌为模式系统研究植物与土传病原真菌的互作分子机制,以期为该类病害的可持续控制奠定理论基础。文章简单介绍植物土传真菌病害相关的基本概念及防控现状,同时系统介绍课题组近十年来在该领域从基础研究到应用基础及成果转化等方面取得的系列研究成果,并对今后植物土传病害的防控进行展望。

Biofilm与c-di-GMP专刊序言--微生物的社会性、c-di-GMP调控及研究新技术

生物被膜(Biofilm)是微生物生存的主要形式。它是一种或多种微生物通过胞外多糖、胞外DNA、蛋白质等组成的基质聚集在一起形成的细胞多聚体。生物被膜中的微生物细胞之间存在密切的信号通讯,并且表现出与浮游生活时完全不同的生理代谢特征,其发育过程受到环二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)等细胞第二信使的控制。由于生物被膜在基础生命科学和医疗、工业、农业、环境治理等应用科学中的重要性,相关研究是微生物学领域的前沿之一。本期专刊从生物工程、研究技术、感染与免疫、环境生物学和植物病理学等角度,较系统地对生物被膜的形成机制、调控分子机理、理化特性和应用技术等进行了综述或研究,展示了我国在本领域的研究水平,同时也对本领域未来发展趋势进行了有益的讨论。