植物适应土壤氮素环境的基因选择: 以水稻为例

在农业生产过程中, 施用无机氮肥是提高作物产量的基础, 但氮肥过量施加对生态系统和植物发育进程均会产生不利影响。因此, 提高作物氮素利用效率是农业可持续发展的关键。目前, 对重要粮食作物水稻(Oryza sativa)的氮高效研究取得了一系列重要进展, 并克隆到多个调控氮素吸收、转运和代谢的关键基因。然而, 在不断被人工选育的过程中, 水稻适应土壤不同氮素环境的遗传基础尚不清楚。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才团队通过评估全球不同生态地理区域的水稻种质资源, 以分蘖数对氮的响应(TRN)为指标进行全基因组关联分析, 鉴定到1个TRN关键负调控基因OsTCP19, 发现其启动子区1个29 bp的核苷酸插入缺失多态性(InDel)变异与品种间的TRN差异密切相关。OsTCP19通过抑制其下游分蘖促进基因DLT转录进而负调控TRN, 而OsTCP19自身的转录活性受氮响应因子OsLBD负调控。OsTCP19的不同等位变异在不同水稻品种中被差异选择并固定, 且与当地土壤含氮量显著相关, 是调控水稻氮素适应性的重要遗传基础。该研究揭示了水稻适应土壤氮素环境变化的分子遗传机制, 为水稻氮素高效利用育种提供了新的遗传资源。     

应用基因芯片分析植物内生菌醇提取物处理条件下水稻的基因表达图谱

为探索植物内生菌R(人参)与D(越橘)醇提取混合物RD对水稻的促进生长、增强抗病性的作用机制,采用基因芯片技术对RD处理的水稻基因组进行分析,检测RD处理水稻后差异表达基因。结果显示,检测到差异表达基因1 171个,其中上调表达基因671个,下调表达基因500个。根据基因芯片的试验结果,采用Go注释系统对差异表达基因进行功能注释表明,主要为刺激应答、转录调控、生理功能、结合功能、细胞过程、代谢功能等。代谢途径的变化存在明显差异,表达量上调代谢通路39条,表达量下调代谢途径24条。说明植物内生菌R与D醇提取混合物处理影响水稻性状的表达不是某个基因孤立、单一的作用,而是多方面、多层次共同作用的结果。     

水稻-病原互作中的重要角色:WRKY类转录因子

植物在与病原的长期斗争中,发展了一套复杂、但是高效的防御体系.多基因参与调控这一防御体系,而转录因子在这些基因的表达过程中发挥重要调控作用.近年研究揭示,WRKY类转录因子或是作为转录激活子,或是作为转录抑制子,在水稻应对病原侵害的反应过程中扮演重要角色.本文综述了水稻WRKY转录因子在抗病反应中所起的作用、发挥功能的作用方式、介导的信号转导路径和调控机制等,为更深入研究水稻WRKY基因家族的功能,阐明水稻抗病信号转导路径提供一些思路.     

水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应

采用大田栽培的方式,研究了大穗型水稻金辉809籽粒灌浆过程中蛋白质的差异表达变化模式以及同一施氮量下不同的氮肥施用比例(总施氮量225 kg/hm2,基蘖肥:穗粒肥分别为7∶3和6∶4)对强弱势粒灌浆影响的分子机制。获得了水稻不同灌浆时段籽粒总蛋白的表达图谱,共发现32个在灌浆过程中发生显著差异表达的蛋白点,涉及籽粒的淀粉合成,能量代谢,激素信号转导,基因表达调节和抗逆响应等。在此基础上,进一步构建了不同灌浆发育时段水稻强弱势籽粒响应不同氮肥比例调控的蛋白表达图谱,结果发现强势籽粒响应氮肥调控出现差异表达的蛋白点有8个,而弱势籽粒有26个,可见强势籽粒灌浆具有更强的环境稳定性,相对地,弱势籽粒灌浆则易被环境所调节。在总施氮量不变的情况下,适当增加生育后期氮肥的施用量,有利于增强弱势籽粒中信号转导,促进相关基因的表达,提高物质调运与能量代谢速率,增强抗逆性,增强弱势籽粒的代谢水平,延长其灌浆时期,提升弱势籽粒活性和灌浆强度,增加结实率和千粒重,最终实现高产高效。研究结果对于进一步明确氮素调控水稻强弱势粒灌浆的分子生态特性具有重要的理论与实际意义。     

水稻氮饥饿诱导基因的克隆与表达分析

为了解水稻(Oryza sativa L.)对氮饥饿反应的分子与基因背景,利用RaSH策略构建了水稻氮(N)饥饿诱导cDNA文库.通过反向Northern筛选该文库,获得氮饥饿诱导的18个功能已知基因和2个功能未知基因.这些已知基因涉及碳代谢、次生代谢产物合成、蛋白质分解代谢、激素代谢、信号转导、生长调控过程及转录因子.这些基因表现出不同的时空表达模式.研究结果表明了植物对氮饥饿反应涉及互相关联的多种生理与分子机理,提供了相关的一些基因信息.     

水稻分蘖氮响应调控机理研究进展

氮肥是作物产量增加最主要的驱动因素,然而氮肥滥用会造成生态环境的严重破坏。因此,提高作物氮素利用效率(nitrogen use efficiency,NUE)对未来农业可持续发展至关重要。产量性状对氮素的敏感性是衡量作物氮素利用效率的重要指标。禾本科作物的分蘖数、穗粒数和粒重是产量的直接决定因子,虽然影响三者本身的分子机制已有大量研究,但氮素对这些性状的调控机理仍知之甚少。分蘖数是对氮素响应最为敏感的性状之一,也是氮肥促进作物增产的关键要素。因此,研究氮素如何调控水稻的分蘖发育对于提高作物产量尤为重要。本文总结了水稻氮素利用效率的影响因素和分蘖发育的调控机理,聚焦氮素如何调控水稻分蘖发育的机制,并对该领域未来研究工作进行了展望,以期为作物氮高效精准改良提供参考。     

植物谷氨酰胺合成酶研究进展及其应用前景

氮素是制约作物产量的主要营养元素之一,谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthase,GS;EC 6.3.1.2)是氮素代谢途径中的关键酶。目前,拟南芥、水稻、小麦和玉米等植物中的GS成员均已被分离鉴定。研究表明,超表达GS能够提高植物对氮素的利用效率,从而在植株的生长发育特别是产量形成过程中发挥重要作用,但是其功能在不同植物上并不完全一致,可能与GS基因受到转录和翻译后等水平的调控有关。以下综述了植物GS基因分类、QTL定位、对氮素代谢响应、组织表达特异性、生物学功能及其分子调控机制等方面的研究进展,并展望了植物GS基因的应用前景,以期为利用GS基因来提高植物氮素利用效率提供具有参考价值的信息。     

水稻氮饥饿诱导基因的克隆与表达分析

为了解水稀(Oryza sativa L.)对氮饥饿反应的分子与基因背景,利用RaSH策略构建了水稻氮(N)饥饿诱导cDNA文库。通过反向Northern筛选该文库,获得氮饥饿诱导的18个功能已知基因和2个功能未知基因。这些已知基因涉及碳代谢、次生代谢产物合成、蛋白质分解代谢、激素代谢、信号转导、生长调控过程及转录因子。这些基因表现出不同的时空表达模式。研究结果表明了植物对氮饥饿反应涉及互相关联的多种生理与分子机理,提供了相关的一些基因信息。     

MicroRNA与肿瘤相关的信号转导通路

信号转导通路在细胞代谢、生长、增殖、应激、发育和凋亡等生命活动中具有极为重要的作用。干扰这些通路将可能影响细胞的正常发育, 甚至导致肿瘤。MicroRNA(miRNA)是近年来在真核生物中发现的、在转录后水平负调节基因表达的一类长度约22个核苷酸的非编码小RNA, 其靶基因数目众多, 生物学功能广泛。在多种肿瘤中发现了miRNA的异常表达, 提示后者与肿瘤发生有关, 可能机制为调控癌基因或肿瘤抑制基因的表达。此外亦发现miRNA的靶基因有许多作用于肿瘤相关的信号转导通路。miRNA在肿瘤发生过程中的重要调控功能预示其将成为人类癌症诊断和治疗方面的新星。     

镧对铜胁迫下水稻转录组模式的调控分析

探究稀土镧对铜胁迫下水稻转录组的影响,鉴定镧在调控水稻铜胁迫应答中的关键基因和功能。利用抗氧化酶活性筛选最适铜胁迫及镧处理浓度,进行转录组测序和差异表达分析,并用qRT-PCR验证差异表达水平。对测序数据进行差异表达分析发现3 222个基因显著上调,3 798个显著下调,qRT-PCR验证了4个细胞壁防御相关基因CHIT13、Laccase、Expansin和GH3.4。功能和通路分析获得95组GO条目和112条KEGG通路,富集于激酶和氧分子结合等分子功能、细胞壁及质膜等细胞组分、次级代谢和脂质代谢等生物学过程以及苯丙烷生物合成和植物激素信号转导通路。镧通过调节细胞壁形成和组分提高水稻铜胁迫耐受性。     

Comparative Proteomic Analysis Reveals Nitrogen Fertilizer Increases Spikelet Number per Panicle in Rice by Repressing Protein Degradation and 14-3-3 Proteins

The spikelet number per panicle is established in the early stages of panicle development. Nitrogen fertilizer application before panicle initiation is known to increase spikelet number, which is one of the most important traits in rice productivity determination. However, the basic proteomic mechanism remains poorly understood. The present study shows that nitrogen fertilizer significantly increased spikelet number and grain yield in rice. Proteomic variations were further analyzed in young panicles at the secondary panicle branch initiation and spikelet meristem initiation under nitrogen fertilizer treatment. Proteomic analysis identified 63 proteins with significant differential accumulation in young panicles under nitrogen fertilizer treatment. Proteolysis represents the largest functional category, which suggests that protein degradation is an important pathway in the response to nitrogen fertilizer. Importantly, nitrogen fertilizer significantly reduced 14-3-3 proteins, which interact with key enzymes associated with carbon and nitrogen metabolism, and the rice FT homologue Hd3a. Real-time PCR revealed that Hd3a signaling is also repressed by nitrogen fertilizer in leaves. This study contributes to a better understanding of the regulation of nitrogen fertilizers in the flowering pathway leading to panicle development. The identification of novel genes provides new insight into the profound impacts of nitrogen fertilizer on panicle development in rice.     

Nitrogen fertilizer increases spikelet number per panicle by enhancing cytokinin synthesis in rice

Key message

Nitrogen fertilizer enhances local cytokinin synthesis to increase flower numbers in the panicles of rice. Localized cytokinin biosynthesis is an important response to nitrogen.

Abstract

Flower number per panicle is one of the most important traits in rice productivity determination. The number of flowers is established in the early stages of panicle development. Nitrogen fertilizer application before panicle initiation is well known to increase flower number. Nitrogen increases cytokinin (CKs) biosynthesis in plants, and CKs have very similar effects as nitrogen fertilizer on panicle branching. The effects of nitrogen fertilizer on panicle branching may be mediated by CKs, in which accumulation in the inflorescence meristem can regulate panicle development, resulting in increased numbers of flowers and branches. Adenosine phosphate-isopentenyltransferase (IPT) catalyzes the rate-limiting step of CKs biosynthesis. We analyzed the effect of nitrogen fertilizer (urea) on the expression of OsIPT genes (OsIPTs). The results showed that OsIPTs were markedly increased, and CKs accumulated in panicle when nitrogen fertilizer was applied. CKs biosynthesis in the roots and leaves was not up-regulated by nitrogen. These results suggest that nitrogen fertilizer enhances local CKs synthesis to increase flower numbers in the panicles of rice. Localized CKs biosynthesis is an important response to nitrogen.     

日本血吸虫期别差异表达基因文库的构建及分析

为从期别差异表达基因分析入手研究血吸虫的生长发育机制,应用抑制性消减杂交 (suppressed subtractive hybridization , SSH) 技术首次构建了日本血吸虫尾蚴、虫卵和成虫的期别差异表达基因文库 . 经消减效率分析和三种文库克隆的 EST 的期别差异性鉴定,表明所建文库质量较高,为在整个基因组水平分离血吸虫的差异表达基因提供了重要材料 . 由三个文库选择 257 个插入片段大于 500 bp 的克隆测定了 EST 序列 . 同源性分析结果表明 257 个 EST 代表 182 种血吸虫基因,其中有 22 种为血吸虫已知基因,有 128 种为血吸虫已知 EST ,有 32 种为新发现的血吸虫基因 . 对 EST 编码蛋白的功能预测结果显示：尾蚴消减文库的基因多与运动、能量代谢、转录调节及致病性相关;虫卵消减文库的基因可能参与信号转导、细胞粘附、蛋白质和碳水化合物的代谢以及抗氧化反应;成虫消减文库的基因多参与蛋白质的合成、转运及分解代谢,参与虫体的运动等 . 大规模分离、分析血吸虫期别差异表达基因将对从分子水平去解读血吸虫的生长发育机制,筛选高效疫苗候选抗原、药物靶标及诊断制剂有重要意义 .     

不同氮素水平下小黑麦旗叶蛋白质差异表达

在不同氮素水平下,研究小黑麦叶片蛋白质差异表达,进行MALDI-TOF-MS和生物信息学分析。找到7个差异表达蛋白,即与蛋白质合成和信号传导相关的蛋白、与清除自由基有关的酶、与叶绿体的发育和代谢有关蛋白、与植物碳代谢有关的酶、与氮素同化有关的酶。氮素对植物生长发育、物质代谢和信号传导影响全面,从蛋白点的鉴定分析来看,功能蛋白是其影响的重点。     

石斛小菇促进天麻种子萌发的转录组研究

天麻Gastrodia elata种子细小而无胚乳,自然条件下需要石斛小菇Mycena dendrobii等真菌共生来完成种子萌发和生长。为了探讨天麻种子接菌萌发过程中的基因表达变化,本研究利用高通量RNA测序技术,对共生真菌石斛小菇、天麻成熟种子以及接菌萌发后的天麻原球茎进行比较分析,共获得42 263条注释unigenes,并筛选到5 409条差异表达基因。GO分析表明,差异表达基因主要参与代谢、离子结合等生物学通路中。KEGG功能富集分析结果表明,差异基因参与了植物激素信号传导、碳代谢、苯丙素生物合成、淀粉与蔗糖代谢以及氨基酸生物合成中。真菌和植物细胞壁多糖经降解产生的寡糖激发子,可以诱导宿主产生多种防御反应,参与到宿主与真菌互作中。在共生萌发过程中,真菌细胞壁降解相关基因的表达显著提高,如几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶基因表达甚至上调了20倍之多。此外,植物细胞壁木聚糖酶和果胶酶基因表达显著升高。这类基因表达可释放寡糖激发子,在天麻种子对石斛小菇的防御过程中起到重要的作用。本文全面分析天麻种子接菌萌发前后基因表达变化,为进一步研究天麻重要功能基因的功能鉴定提供基础。