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。     

高山离子芥CbMAPK3基因功能分析

将高山离子芥丝裂原活化蛋白（MAP）激酶基因CbMAPK3编码区连接到表达载体pET-30a中,转化大肠杆菌JJ001（srlzTn10）,在1mol·L-1山梨醇的渗透胁迫及IPTG的诱导下,转化pET-30a—CbMAPK3的大肠杆菌JJ001（srl：Tn10）生长情况比转化pET-30a的好。免疫分析表明,在0℃下处理时,高山离子芥CbMAPK3激酶蛋白质水平没有明显的变化;在4℃处理下,高山离子芥CbMAPK3激酶蛋白质水平在处理前3h明显增加,并在3h后达到最高值。高山离子芥CbMAPK3在响应环境胁迫的过程中起作用。     

黄花棘豆脱水素OoY_2K_4的鉴定及表达分析

该研究以黄花棘豆cDNA为模板,采用同源克隆法,从黄花棘豆转录组数据库中克隆获得1个响应逆境胁迫的胚胎发育晚期丰富蛋白基因,命名为OoY_2K_4;OoY_2K_4基因ORF为786bp,编码261个氨基酸,含有2个保守的Y片段和4个K片段,为典型的Y_2K_4类脱水蛋白亚家族成员;OoY_2K_4蛋白不具有跨膜结构域,不存在信号肽,亲水性极强,含有1个糖基化位点和17个磷酸化位点;亚细胞定位显示,OoY_2K_4蛋白定位于细胞质中。多序列比对发现,OoY_2K_4蛋白与其他物种第二组LEA蛋白(脱水素)序列高度保守;进化树分析显示,该序列与三叶草、蒺藜苜蓿和紫花苜蓿相似度最高,亲缘关系最近。采用qRT-PCR对OoY_2K_4基因在干旱、高盐、低温以及脱落酸、乙烯、赤霉素处理下的表达分析显示,干旱和高盐胁迫可显著诱导OoY_2K_4基因表达,而低温胁迫下基本无变化;激素处理均可诱导OoY_2K_4基因高效表达,其中脱落酸诱导下OoY_2K_4基因表达最显著。研究推测,OoY_2K_4基因可能通过依赖ABA的信号途径参与黄花棘豆对干旱和高盐逆境胁迫的应答反应。     

盐芥EsABCG25的克隆及其表达分析

旨在揭示盐芥(Eutrema salsugineum)ABCG25的结构及其对干旱、盐害以及温度等胁迫的响应。以山东生态型盐芥作为材料,通过电子克隆以及RT-PCR技术,获得一个腺苷三磷酸结合盒转运蛋白G(ABCG)家族成员基因的全长cDNA序列,命名为EsABCG25,GenBank登录号为KY111263。EsABCG25全长2 154 bp,含1 983 bp的开放阅读框,编码一个含有660氨基酸的蛋白分子。该基因定位于盐芥第5染色体,含有4个外显子和3个内含子。EsABCG25蛋白具有一个核苷酸结合结构域(NBD)和一个跨膜结构域(TMD),与来源于同科植物芜菁的ABCG25亲缘关系最近。对高通量测序数据分析表明该基因在盐芥的茎部表达最为丰富,在莲座叶中表达丰度最低,且在不同组织中均有可变剪接事件。Real-time PCR结果显示,该基因表达受多种逆境影响,尤其受到ABA的明显诱导。EsABCG25具有ABCG家族的典型序列特征;该基因在盐芥不同组织中的表达丰度存在差异,表达受到多种逆境的诱导,与盐芥的抗逆性关系密切。     

拟南芥冷诱导CBF/DREB类结合因子的克隆及其生物信息学分析

CBF/DREB结合因子广泛存在于植物中,主要参与诸如干旱、高盐以及冷胁迫等相关基因的表达调控.以拟南芥DNA为模板,PCR扩增出3个冷诱导的CBF/DREB结合因子,即CBF1、CBF2及CBF3,利用生物信息学手段对三者的cDNA序列、氨基酸序列的相似性、组成成分、理化性质、疏水性/亲水性、功能域、进化树、二级结构及DNA保守域的三级结构等进行了较为全面的分析.结果显示,CBF1、CBF2和CBF3的氨基酸序列同源性很高,达到91.4%,且都属于亲水性蛋白,三者在理化性质以及蛋白质二级结构乃至三级结构上也极为相似.另外, CBF1和CBF2都不具跨膜结构,CBF3含有1个跨膜螺旋.     

烟草盐诱导Abc1基因NtSIA1的克隆及表达分析

为了研究烟草Abc1基因家族成员在植物非生物胁迫应答过程中的作用,根据烟草转录组数据,利用巢式PCR技术克隆得到1个烟草盐诱导Abc1基因NtSIA1。序列分析表明,该基因与拟南芥AtSIA1基因具有67.57%的一致性,开放阅读框长度为2109bp,编码702个氨基酸,含有一个典型的ABC1结构域、两个激酶结构域和两个跨膜结构域。采用实时荧光定量PCR技术,对NtSIA1基因在烟草不同组织以及盐胁迫、Cd胁迫等处理下的表达分析表明:该基因主要在花和叶中表达;200mmol/LNaCl处理6h以及60μmol/L和100μmol/LCdCl2处理48h后,NtSIA1基因的表达量分别为对照组的2.27、2.9和3.1倍。结果表明烟草NtSIA1基因的表达具有组织特异性,且受到盐胁迫和Cd2+的诱导。     

梅花CBF转录因子的克隆及表达

根据GenBank中与梅花同属的桃、甜樱桃等已发表CBFs转录因子序列设计简并引物,采用PCR和RT-PCR方法,从梅花基因组DNA和cDNA中克隆CBF转录因子片段。结果表明,两种途径获得的CBF基因序列一致,基因全长821bp,编码238个氨基酸,其氨基酸序列具有典型的CBF蛋白特征,包含保守的AP2/EREB DNA结合结构域及CBF家族蛋白特征短多肽序列(PKK/RPAGRxKFxETRHP和DSAWR)。氨基酸相似性分析结果表明,该基因与欧洲甜樱桃、矮扁桃等CBF转录因子相似性较高。相对荧光定量PCR结果显示,4℃低温胁迫下,其表达量符合CBF转录因子表达特点,随着胁迫时间的增长表达量呈上升趋势,8h时达峰值,说明该基因在低温胁迫下上调表达。     

过量表达棉花CBF2基因提高转基因拟南芥抗旱耐盐能力

CBF/DREB是一类植物中特有的转录因子,在植物抵抗逆境胁迫过程中发挥重要功能。本研究从陆地棉(Gossypium hirsutum L.)Coker 312中克隆获得1个棉花CBF/DREB基因,命名为Gh CBF2,该基因编码一个由216个氨基酸组成的CBF蛋白。序列分析结果显示,Gh CBF2与其他植物的CBF蛋白类似,含有AP2转录因子典型的保守结构域。干旱或高盐胁迫处理明显增加了Gh CBF2基因的表达量。亚细胞定位分析结果发现Gh CBF2定位在细胞核中。将Gh CBF2基因构建到由35S启动子调控的植物表达载体p MD上并转化拟南芥(Arabidopsis thaliana L.),结果表明,在干旱和盐胁迫条件下,过量表达Gh CBF2基因拟南芥的成活率显著高于野生型,并且游离脯氨酸和可溶性糖含量也高于野生型,说明转Gh CBF2基因提高了拟南芥的耐盐抗旱能力。采用实时荧光定量PCR方法分析胁迫相关标记基因COR15A、RD29A和ERD6的表达情况,结果显示转基因株系中的表达量显著高于野生型,说明Gh CBF2参与调控拟南芥干旱和盐胁迫相关基因的表达。     

棉花中一个类DREB1/CBF基因(GhDREB1L)的分子克隆及其功能分析

DREB1/CBF类转录因子在植物抵抗外界环境胁迫上起到非常重要的作用, 而且对于利用基因工程技术来提高植物的抗逆性也非常有用. 从棉花中分离出一个编码DREB1/CBF类蛋白(GhDREB1L)的cDNA, 并对该蛋白质的序列特性、DNA结合特性及转录本的表达特征进行了分析. GhDREB1L含有一个保守的AP2/ERF结构域, 其氨基酸序列与其他植物中DREB家族的DREB1/CBF组成员高度相似. 采用Ni-NTA亲和层析技术, 成功纯化了在BL21 (DE3)菌株中表达的GhDREB1L蛋白的DNA结合区. 凝胶滞留实验揭示, 纯化的GhDREB1L融合蛋白能够特异性地与已经得到鉴定的DRE元件(核心区, ACCGAC)以及胚胎发育晚期丰富蛋白基因LEA D113启动子区中的类DRE元件(核心区, GCCGAC)结合. 半定量RT-PCR显示GhDREB1L基因在棉花子叶中受到低温、干旱以及NaCl处理的诱导. 这些结果暗示了棉花GhDREB1L转录因子可能是通过与DRE元件的结合, 在低温、干旱及高盐的应答途径中起重要作用.     

高山离子芥铁转运蛋白基因编码序列的克隆及其抗逆性表达的实时定量分析

铁转运蛋白 (iron transport protein,IRT)是具有跨膜运输离子功能的特殊蛋白质,属于金属离子转运家族的成员．本研究运用RACE方法从高山离子芥（Chorispora bungeana）中克隆得到完整的铁转运蛋白cDNA,命名为CbIRT（基因登录号为EU330924）．该基因全长1 290 bp,包含1个1 035 bp的开放阅读框（ORF）,编码344个氨基酸的蛋白．系统进化树分析显示,该基因与拟南芥AtIRT1和遏蓝菜TcIRT-G的亲缘关系最近,同源性分别达到了87.4%和86.5%,而在氨基酸序列水平与拟南芥AtIRT1的同源性达到了89%,表明克隆得到的CbIRT属于金属离子转运体家族成员．实时荧光定量方法对高山离子芥CbIRT基因在不同温度和铁营养水平条件下的表达情况进行分析表明,CbIRT对零下低温和零上低温的表达水平呈截然不同的反应;正常铁营养状态下,CbIRT是微量表达的,而缺铁及低温处理都可以大幅度地促进该基因的表达,富铁可以抑制该基因的表达．显示了该蛋白在转运Fe离子方面的重要作用．     

Molecular cloning and characterization of a CBF gene from Capsella bursa-pastoris.

A new CBF gene was cloned from Capsella bursa-pastoris(shepherd's purse) by rapid amplification of cDNA ends (RACE). The full-length cDNA of C. bursa-pastoris CBF gene (designated as Cbcbf) was 1034 bp long and contained a 657 bp open reading frame (ORF) encoding a putative DRE/CRT (LTRE)-binding protein of 219 amino acids. The predicted CbCBF protein was found to have a potential nuclear localization signal (NLS) in its N-terminal region followed by an AP2 DNA-binding motif and an acidic C-terminal half that might act as an activator domain. Bioinformatic analysis revealed that Cbcbf strongly resembled other CBF genes from Arabidopsis thaliana (cbf1, cbf2, cbf3) and Brassica napus (Bncbf5, Bncbf 7, Bncbf16 and Bncbf17). Subsequent cold acclimation assay showed that Cbcbf was relevant to cold acclimation. Our study implies that Cbcbf might have similar functions possessed by other CBF genes such as inducing the expression of some cold-regulated genes and increasing plants' freezing tolerance.     

Isolation and molecular characterization of a new CRT binding factor gene from Capsella bursa-pastoris

A new CRT binding factor (CBF) gene designated Cbcbf25 was cloned from Capsella bursa-pastoris, a wild grass, by the rapid amplification of cDNA ends (RACE). The full-length cDNA of Cbcbf25 was 898 bp with a 669 bp open reading frame (ORF) encoding a putative DRE/CRT (LTRE)-binding protein of 223 amino acids. The predicted CbCBF25 protein contained a potential nuclear localization signal (NLS) in its N-terminal region followed by an AP2 DNA-binding motif and a possible acidic activation domain in the C-terminal region. Bioinformatic analysis revealed that Cbcbf25 has a high level of similarity with other CBF genes like cbf1, cbf2, and cbf3 from Arabidopsis thaliana, and Bncbf5, Bncbf7, Bncbf16, and Bncbf17 from Brassica napus. A cold acclimation assay showed that Cbcbf25 was expressed immediately after cold triggering, but this expression was transient, suggesting that it concerns cold acclimation. Our study implies that Cbcbf25 is an analogue of other CBF genes and may participate in cold-response, by for example, controlling the expression of cold-regulated genes or increasing the freezing tolerance of plants.     

萝卜低温胁迫转录因子的克隆及遗传转化

采用RT-PCR和电子克隆技术从抗寒植物萝卜(Raphanus sativusL.)中分离了一个低温胁迫转录因子的cDNA全长序列,命名为RsICE1(GenBank登录号为HQ891287).序列分析显示,该基因全长1 375 bp,编码区为1266 bp,编码421个氨基酸.序列比对表明,该蛋白C端含有一个典型的bHLH结构域,与其他植物的ICE1蛋白具有较高的同源性.进化树分析表明,RsICE1编码的蛋白与油菜的ICE1编码蛋白亲缘关系最近,处在同一进化分枝.半定量RT-PCR分析表明,RsICE1是冷诱导条件下差异表达的基因.构建该基因的植物表达载体,利用农杆菌介导法转化粳稻品种龙粳24,经PCR和RT-PCR分子检测,证明RsICE1基因已经整合到水稻基因组中,并正常表达.与对照相比,低温处理后转基因株系存活率和脯氨酸含量明显增加,相对电导率积累速率明显下降,提高了抗低温胁迫能力.     

Expression of a sweet cherry DREB1/CBF ortholog in Arabidopsis confers salt and freezing tolerance

Dehydration responsive element binding protein 1 (DREB1)/C-repeat binding factor (CBF) induces the expression of many stress-inducible genes in Arabidopsis. We have previously reported the identification of three DREB1/ICBF homologs from sweet cherry (Prunus avium). To identify the function of these homologs, one of the genes, CIG-B, was transformed into Arabidopsis. In one of the transgenic plant lines, the DREB1/CBF target gene cor15a was induced in the absence of stress treatment. The cor15a-overexpressing transgenic plant exhibited mild growth retardation and had greater salt and freezing tolerance than did the wild-type and the transgenic lines in which cor15a was not induced. These results suggest that this sweet cherry DREB1/CBF homolog has a function similar to that of DREB1/CBF.