植物非生物胁迫诱导启动子顺式元件及转录因子研究进展

顺式作用元件(cix-acting element)是与结构基因串联的特定DNA序列,是转录因子的结合位点,它们通过与转录因子结合调控基因转录的精确起始和转录效率,在植物基因表达调控过程中起着重要的作用.非生物胁迫诱导基因的表达受其上游启动子顺式作用元件及转录因子的调控,目前已发现了多种与非生物胁迫相关的顺势作用元件及转录因子,如DRE元件及DREB类转录因子、MYB元件及MYB类转录因子、GT-1元件及GT-1类转录因子等.顺式作用元件及转录因子的研究对研究植物非生物胁迫相关基因的表达调控具有重要意义,综述植物非生物胁迫诱导启动子功能元件及转录因子的研究进展.     

植物非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件的研究方法

非生物胁迫严重影响植物生长发育,降低作物产量。植物通过各种途径忍受或抵抗非生物胁迫,主要表现是各种抗非生物胁迫基因的表达。基因表达受其上游启动子及转录因子的调控,目前对抗非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件及转录因子的研究成为热点。本文综述了植物非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件及转录因子的研究方法,并展望了顺式作用元件及转录因子研究的方向及前景。     

普通小麦TaNAC1基因的表达及在拟南芥中的遗传转化

NAC类转录因子是植物特有的转录因子家族,在调节植物生长发育及逆境胁迫应答反应中起着重要作用。本文从普通小麦幼叶中获得了一个编码NAC结构域的转录因子基因,命名为Ta NAC1;氨基酸序列分析表明,Ta NAC1具有典型的NAC类转录因子所具有的五个亚结构域,隶属于NAC类转录因子的ATAF亚类;亚细胞定位实验表明,Ta NAC1蛋白在细胞核内表达;转录水平上,Ta NAC1基因的表达受到PEG、ABA、低温及高盐等非生物胁迫条件的诱导;将Ta NAC1转化拟南芥后,与野生型比较发现,Ta NAC1基因的过量表达会使转基因植株出现叶片发育畸形且生长缓慢,植株矮化及茎部融合等表型,表明Ta NAC1基因可能在参与小麦叶片及茎的发育中起着重要的调控作用。     

基因芯片技术分析转SlNAC10基因拟南芥非生物胁迫相关差异表达基因

NAC(NAM、ATAF1/2和CUC2)转录因子是植物特有的转录调控因子,在植物的器官建成、生长发育以及抵御非生物胁迫等方面发挥着至关重要的作用。该文利用基因芯片技术筛选转Sl NAC10基因拟南芥和野生型拟南芥非生物胁迫抗性相关差异表达基因,并通过实时荧光定量PCR对部分差异表达基因进行验证。芯片结果显示,差异表达2倍以上的基因有4 054个,其中与非生物胁迫相关基因有15个,与非生物胁迫相关的转录因子基因有14个,这些基因参与应答渗透胁迫、响应高盐、冷、热、高光强等胁迫。对差异表达2倍以上的基因进行GO(Gene Ontology)分析和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)分析,发现这些基因在非生物胁迫相关的13个注释中富集,涉及相关代谢途径96个,其中包括植物激素信号转导、精氨酸和脯氨酸代谢、吲哚生物碱合成、谷胱甘肽代谢等。以上结果表明,SlNAC10可直接或间接调控多种下游基因的表达,提高植物抵御非生物胁迫的能力。     

小麦3个NAC转录因子基因克隆与功能分析

NAC类转录因子参与植物基因在不同条件、不同发育期的表达调控,在植物的发育、生长及对外界的各种生物和非生物因子的胁迫应答中起关键的调控作用。本研究对非亲和条锈菌小种CYR32侵染诱导的抗条锈病基因Yr5近等基因系Taichung29*6/Yr5的cDNA文库进行筛选及同源克隆,获得了小麦3个NAC类转录因子的cDNA序列。序列分析结果表明,这3个转录因子都具有DNA结合结构域,即NAC结构域,且氨基酸序列在该结构域的A、B、C、D和E5个亚区高度保守;同时发现这3个NAC类转录因子都有核定位信号及相关的转录调控功能区域。通过系统进化树分析,发现其中之一的TaNAC1属于NAC转录因子家族第Ⅰ组的NAP亚组,TaNAC3属于ATAF1亚组,TaNAC5属于NAM亚组;根据系统进化树和相关基因的功能分析,我们推测小麦转录因子TaNAC1、TaNAC3和TaNAC5可能参与植物生长发育调控或对生物、非生物胁迫作出的应答反应。     

DREB2s转录因子基因的表达调控机制研究进展

DREB2s是植物特有的转录因子,隶属于AP2/EREBP转录因子家族,对干旱、高盐或低温、高温等非生物胁迫应答基因的表达有重要的调控作用。不同植物来源的DREB2在基因结构上有细微差异,对非生物胁迫的响应亦有不同表现。本文阐述了DREB2s的蛋白质结构特征及其对多种非生物胁迫的应答反应,并深入分析了DREB2s转录水平和转录后加工水平的表达调控分子机制的最新研究进展,为理解DREB2s基因功能、分子调控机制及作物抗逆基因工程提供理论依据。     

DREB转录因子与植物非生物胁迫抗性研究进展

干旱、高盐、低温等非生物逆境胁迫严重影响植物的生长发育和作物产量。转录因子在调节植物生长发育以及对外界环境胁迫的响应方面起着重要作用。DREB类转录因子即干旱应答元件结合蛋白是AP2/EREBP转录因子家族的一个亚家族,拥有保守的AP2结构域,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异结合,在非生物逆境胁迫条件下调节一系列下游胁迫诱导逆境应答基因的表达,从而提高植物耐逆性。就DREB转录因子的结构特点、表达调控以及提高转基因植株胁迫耐受性的最新研究成果进行了评述。     

拟南芥非生物胁迫应答基因表达的调节子研究概况

分子生物学研究表明,植物中由诸如干旱、高盐和低温等环境胁迫因子诱导的几个基因具有多种功能。大多数干旱应答基因是由植物激素脱落酸（ABA）诱导的,但也有少数基因例外。对模式植物拟南芥基因表达中的干旱应答基因的分析表明,至少存在4个独立调节系统（调节子）。对典型胁迫诱导表达的一些基因中启动子的顺势作用元件和影响这些基因表达的转录子也已进行了分析。已经分离出与脱水效应元件/C重复序列（DRE/CRT）顺势作用元件结合的转录因子,并命名为DRE结合蛋白1/C重复序列结合因子（DREB1/CBF）和DRE结合蛋白2（DREB2）。在转基因拟南芥植株中,DREB1/CBF过量表达可增加其抗寒、抗旱和抗盐碱的能力。DREB1/CBF基因已成功地在许多不同作物中得到应用,从而提高作物对非生物胁迫的耐受性。与胁迫反应相关的其他转录因子的研究也正在取得进展。     

玉米钼辅助因子硫酸化酶基因启动子的克隆与功能验证

为克服组成型启动子启动外源基因过量表达引起的诸多问题,同源克隆(Mo-molybdopterin cofactor sulfurase)基因（ABA3）的启动子(ABA3s)序列,并用PlantCARE软件分析其非生物逆境应答元件, 实时定量PCR检测ABA3基因在非生物逆境诱导下的差异表达后。然后,用该启动子构建启动GUS（β-glucuronidase）基因的表达载体, 基因枪法转化玉米愈伤组织。经组织化学染色法检测其表达后, 在高渗、高盐、低温胁迫处理及ABA诱导下检测GUS酶荧光值与荧光素酶(内参)发光值的比值(GUS/LUC), 以此评价ABA3s启动子在非生物逆境胁迫下的启动活性。结果表明, ABA3基因在模拟干旱、低温、高温、高盐胁迫及ABA、乙稀诱导下差异表达, 说明该基因的启动子(ABA3s)具有非生物逆境诱导活性。序列分析表明, ABA3s启动子全长777 bp, 含有ARE、HSE、MBS、TGA、Circadian等多种非生物逆境胁迫应答元件。用ABA3s启动GUS基因构建的表达载体转化的玉米愈伤组织, 响应干旱、低温、高温、高盐胁迫等多种非生物逆境胁迫, 及ABA和乙稀诱导, GUS检测呈阳性。在8%甘露醇高渗条件下, GUS/LUC比值比空白对照高6倍。上述结果表明, ABA3s启动子具有非生物逆境诱导特性, 经进一步验证其功能后, 可用于玉米抗逆转基因研究。     

番茄SlGRAS4基因特征分析和耐热功能鉴定

GRAS转录因子是调控植物生长发育和非生物胁迫响应的重要转录因子之一,而目前还没有GRAS调控高温胁迫的研究。为了深入研究番茄SlGRAS4生物功能,以耐热番茄LA2093为试验材料,分析番茄SlGRAS4基因结构、启动子序列及进化关系,利用qRT-PCR检测SlGRAS4在不同胁迫和不同激素处理下的表达水平,利用VIGS验证SlGRAS4基因耐热功能。结果表明:(1)生物信息学分析显示,SlGRAS4蛋白长度为666 aa,分子量为75 737.72 Da,理论等电点为6.31,含有GRAS转录因子家族典型的结构域,主要集中在C末端的277～657 aa之间;在SlGRAS4启动子区域发现脱落酸(ABA)和水杨酸(SA)响应元件;SlGRAS4与烟草NtGRAS1蛋白亲缘关系最近,推测SlGRAS4可能与其同源基因具有相似的生物功能。(2)在高温、低温、盐和干旱胁迫处理12 h时番茄SlGRAS4基因表达量升至最高,分别增加到对照的8.86、4.86、55.38和7.63倍;在ABA和SA激素处理8 h时SlGRAS4基因的表达量达到峰值,分别达到对照的120.72和3.55倍,说明SlGRAS4可能参与了多种非生物胁迫响应和激素信号传导。(3)沉默SlGRAS4基因番茄植株(VSlGRAS4)在高温胁迫下较对照植株(Ve)更容易萎蔫,且F_v/F_m与SOD、POD活性显著降低,REL和H_2O_2含量显著升高,说明在高温胁迫下沉默SlGRAS4使番茄植株细胞膜氧化损伤加重,光合能力降低,活性氧(ROS)清除酶活性减弱。(4)qRT-PCR分析显示,VSlGRAS4植株中高温信号应答关键基因HsfA1b、ROS信号应答基因ZAT10和ZAT12以及ROS清除酶编码基因CuZnSOD、FeSOD、APX1、APX2、CAT的表达水平均显著低于Ve植株,表明SlGRAS4转录因子可以通过调控高温和ROS信号转导来影响番茄的耐热性。研究认为,高温、低温、干旱、盐、ABA和SA均可显著诱导番茄SlGRAS4基因的表达,沉默SlGRAS4基因番茄植株的耐热性显著降低,证明番茄SlGRAS4基因具有耐热功能,为进一步解析SlGRAS4参与番茄耐热调控的分子机制奠定基础。     

水稻OsWRKY转录因子对非生物胁迫响应的重叠表达特性分析

WRKY转录因子是植物一类比较大的基因家族,在水稻中已鉴定出102个成员。研究表明WRKY转录因子在植物生长发育、抗病耐逆等方面都具有重要的作用。本研究利用基因芯片数据结合实时定量分析,对水稻Os WRKY转录因子基因在不同的非生物逆境下的表达进行了分析,发现至少有33个Os WRKY基因同时对任何两种非生物胁迫因子做出响应,且所选20个基因中,13个基因可被ABA所诱导。OsWRKY基因这种重叠表达的特性,预示着这些基因在非生物逆境中具有功能多效性,对于培育抗逆境水稻品种具有重要的理论与实践意义。     

The pepper extracellular peroxidase CaPO2 is required for salt, drought and oxidative stress tolerance as well as resistance to fungal pathogens

In plants, biotic and abiotic stresses regulate the expression and activity of various peroxidase isoforms. Capsicum annuum EXTRACELLULAR PEROXIDASE 2 (CaPO2) was previously shown to play a role in local and systemic reactive oxygen species bursts and disease resistance during bacterial pathogen infection. Here, we report CaPO2 expression patterns and functions during conditions of biotic and abiotic stress. In pepper plants, CaPO2 expression was strongly induced by abscisic acid, but not by defense-related plant hormones such as salicylic acid, ethylene and jasmonic acid. CaPO2 was also strongly induced by abiotic and biotic stress treatments, including drought, cold, high salinity and infection by the hemibiotrophic fungal pathogen Colletotrichum coccodes. Loss-of-function of CaPO2 in virus-induced gene silenced pepper plants led to increased susceptibility to salt- and osmotic-induced stress. In contrast, CaPO2 overexpression in transgenic Arabidopsis thaliana plants conferred enhanced tolerance to high salt, drought, and oxidative stress, while also enhancing resistance to infection by the necrotrophic fungal pathogen Alternaria brassicicola. Taken together, these results provide evidence for the involvement of pepper extracellular peroxidase CaPO2 in plant defense responses to various abiotic stresses and plant fungal pathogens.     

水稻含有B-box锌指结构域的OsBBX25蛋白参与植物对非生物胁迫的响应

锌指蛋白在调控植物生长发育和应对逆境过程中发挥着重要作用.为进一步研究锌指类蛋白参与植物非生物胁迫响应的分子机制,对水稻(Oryza sativa)中一个编码含有B-box锌指结构域蛋白的OsBBX25基因进行了功能分析.OsBBX25受盐、干旱和ABA诱导表达.异源表达OsBBX25的转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)与野生型相比对盐和干旱的耐受性增强,且盐胁迫条件下转基因植物中KIN1、RD29A和COR15的表达上调,干旱胁迫下KIN1、RD29A和RD22的表达上调.外源施加ABA时,转基因植物的萌发率与野生型之间没有明显差异.OsBBX25可能作为转录调控的辅助因子调节胁迫应答相关基因的表达,进而参与植物对非生物胁迫的响应.