组蛋白修饰调控植物对胁迫的记忆与警备抗性的研究进展

植物扎根土壤,面对不利的环境胁迫无法逃避。然而,植物已经进化出对环境胁迫的记忆(stress memory)与警备抗性(或防御警备defense priming)等机制适应环境。环境胁迫在短时间内无法改变植物的DNA碱基序列,因此表观遗传被认为是植物对环境胁迫产生记忆和产生防御警备的主要机制,而组蛋白修饰被认为是最重要的机制,为胁迫记忆提供了可能。本文综述了非生物和生物胁迫下植物分别以胁迫记忆和防御警备机制为主导的组蛋白修饰参与抵御不良环境的最新进展,并提出该研究领域存在的问题和今后研究的重点与方向。深入探究组蛋白修饰与植物适应环境胁迫的关系,可为提高植物抗性、植物表型塑造、器官再生和作物改良等方面提供理论和技术指导。     

硅对植物抗虫性的影响及其机制

硅不是植物必需营养元素,但硅在提高植物对一系列非生物和生物胁迫的抗性方面都具有重要作用。综述了硅对植物抗虫性的影响及其机制。在多数植物中,增施硅肥可增强其抗虫性;所增强的抗性与硅肥种类和施用方式之间存在关系。植物组织中沉积的硅可增加其硬度和耐磨度,降低植物可消化性,从而增强植物组成性防御,包括延缓昆虫生长发育、降低繁殖力、减轻植物受害程度;植物体内的硅含量以及硅沉积的位点和排列方式影响组成性防御作用的强度。此外,硅可以调节植物诱导性防御,包括直接防御和间接防御,直接防御涉及增加有毒物质含量、产生局部过敏反应或系统获得抗性、产生有毒化合物和防御蛋白,从而延缓昆虫发育;间接防御主要通过释放挥发性化合物吸引植食性昆虫的捕食性和寄生性天敌而导致植食性昆虫种群下降。     

丛枝菌根网络介导的植物间信号交流研究进展及展望

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌是一类能够与绝大多数陆地植物形成共生关系的土壤真菌, 其根外菌丝可以侵染不同植物根系且可以进行菌丝融合, 从而形成丛枝菌根网络(arbuscular mycorrhizal networks, AMNs)。AMNs可以在植物之间转运水分及营养元素如碳(C)、氮(N)、磷(P)等, 最近研究表明AMNs还可以在植物遭受环境胁迫时向邻近植物传递防御信号, 对周围植物起到“预警”作用。目前, 关于环境胁迫条件下AMNs介导的信号物质传递研究仍处于起步阶段, 许多问题亟待回答。该文首先回顾了目前有关AMNs介导的信号物质传递研究进展, 继而梳理了这一研究领域值得进一步探究的科学问题, 包括AMNs在植物间传递防御信号的可能途径及相关机制, AMNs介导的信号传递对菌根共生体系的可能影响, 以及AMNs研究中常用的技术及其发展, 最后讨论了AMNs介导的信号物质传递在作物保护等方面的可能应用。     

AtEXD参与植物盐胁迫的作用研究

在植物的生长发育过程中,各种逆境胁迫作为环境因素对植物产生了很多不良反应,其中盐胁迫一直都是对植物的生长发育和作物产量影响最大的非生物胁迫之一。在对拟南芥盐胁迫的研究中,发现了1个盐胁迫应答基因AtEXD(At2g25910),通过对其进行基本特性分析了解到AtEXD是1个具有3’-5’外切酶结构域和KH结构域的蛋白,在进化关系上具有较高的保守性,但目前对其功能知之甚少。酵母双杂交实验筛选到了一些与AtEXD相互作用的转录因子,功能分析结果显示AtEXD很可能参与植物体内的逆境胁迫应答机制。种子萌发率统计实验结果显示,突变体exd-1和exd-2具有盐敏感表型,而AtEXD过表达时,拟南芥的耐盐性明显增强。研究结果表明AtEXD很可能正调控植物的耐盐性。     

入侵植物乌桕防御策略的适应性进化研究

生长于不同昆虫群落胁迫下的植物地理种群可能进化出不同的防御策略。入侵植物在原产地同时受到专食性昆虫和广食性昆虫的取食危害, 而在入侵地“逃逸”了专食性昆虫的取食危害。入侵植物对不同类型昆虫防御策略的演化可能在其成功入侵的过程中起着至关重要的作用。该文主要以原产中国入侵北美的木本植物乌桕(Triadica sebifera)为例, 并结合其他入侵植物防御策略演化的研究, 从抗性和耐受性、直接抗性和间接抗性、组成抗性和诱导抗性三个方面系统分析不同昆虫选择压力下入侵植物防御策略的演化, 同时探讨入侵植物防御策略演化对生物防治效果的影响, 指出未来的重点研究方向。     

植物激素ABA在水分胁迫下的功能及信号途径

植物根系感知外界水分胁迫刺激,诱导ABA生物合成。ABA既可诱导气孔关闭或抑制气孔开放,以降低植物的蒸腾失水,又可影响植物根系发育,以抵御水分胁迫。本文就植物激素ABA及其下游信号H2O2、NO以及Ca2＋等在植物生长调节方面的研究进展进行概述,以构建水分胁迫下植物生长自我调控的可能模式。     

H2S作为植物个体间交流的气体信号分子

植物遭受到昆虫取食、创伤及非生物胁迫时,会向环境中释放多种挥发性物质,直接或间接地帮助受胁迫植株抵抗伤害。同时,这些挥发性物质向附近的健康植株传递信息,以应对可能到来的侵害。硫化氢(H2S)作为细胞内气体信号分子提高植物对多种胁迫的抗性已有报道,本论文对H2S是否作为植物个体间传递信息的信号分子进行了研究。结果表明:40%PEG8000处理可以使谷子、白菜、番茄和拟南芥Col-0植株所在环境空气中H2S含量升高;谷子和拟南芥Col-0植株经PEG8000处理后,可以使邻近的非胁迫植株叶片的H2S含量升高和H2S响应基因表达变化,并诱导非胁迫植株气孔关闭;而拟南芥内源H2S产生酶基因LCD和DES1双基因突变体lcd/des1经PEG8000处理,不能引起空气中和邻近植物的H2S含量升高,不能诱导邻近植株气孔关闭。本论文表明,H2S可以作为植物个体间的信息传递分子;即受胁迫植物通过向周围环境中释放H2S,向邻近植株提供胁迫预警信息,可能对种群的生存有重要意义。     

生长素及其运输蛋白对植物铝胁迫的响应

铝对植物的毒害作用主要表现为抑制根尖生长,而根尖生长与生长素及其运输密切相关,铝可能影响了生长素及其代谢过程,但目前尚不清楚生长素及其运输蛋白如何参与植物应对铝胁迫响应。本文通过分析、总结前人研究,并结合自己的前期研究结果,初步阐述生长素或其运输蛋白对植物铝胁迫的响应,即铝影响生长素代谢的相关基因,干扰根尖生长素运输蛋白在细胞内分布及其囊泡运输,调控生长素的极性运榆,进而抑制根尖生长。另一方面,生长素或其运输蛋白又参与了植物应对铝胁迫过程,这主要体现在参与了植物铝毒信号传递、根系铝内置化过程和减缓铝诱导的氧化胁迫。最后,本文提出了生长素及其运输蛋白对植物铝胁迫响应的可能模型。     

利用转基因途径提高植物非生物胁迫耐受性的研究进展

包括干旱在内的非生物胁迫是农业生产中导致作物减产的主要因素。利用现代分子生物学技术阐明非生物胁迫耐受性的控制机理,以及工程化胁迫耐受性作物均基于特异胁迫相关基因的表达。因此,发展胁迫耐受性植物的基因工程可能是增强作物品种胁迫耐受性的一条捷径。但转基因品种产生不仅受限于转化过程的是否成功,而且受限于胁迫耐受性是否适当整合;仍需阐明胁迫条件下转基因植物的评价,以及转入基因在整体植株水平的生理效应。综述利用转基因技术提高植物非生物胁迫耐受性的研究进展,讨论在接近大田环境条件下的非生物胁迫响应的评估和转基因植物耐受性的检测标准。     

ERF转录因子在植物对生物和非生物胁迫反应中的作用

ERF（ethylene responsive factor）转录因子是植物AP2/ERF转录因子超家族的一个亚家族,其特征是蛋白序列中含有一个高度保守的58或59个氨基酸组成的ERF结构域,广泛参与植物生长发育及各种逆境胁迫反应的调控。文章简要介绍ERF转录因子在植物抗生物和非生物胁迫反应中的作用及其可能机制,并讨论了今后的研究重点。     

胁迫诱导型启动子在植物抗逆基因工程中的应用

在抗逆基因工程中,大多采用的是组成型表达启动子,组成型表达启动子驱动外源抗逆基因表达虽然可以提高转基因植物的抗逆性,但会导致转基因植株生长迟缓或不育;而胁迫诱导型启动子则可提高转基因植物的抗逆性,不影响其正常生长发育,所以,胁迫诱导型启动子已逐渐用于植物抗逆基因工程。本文介绍不同胁迫诱导型启动子在植物抗逆基因工程中的应用。     

植物对水淹胁迫的响应与适应

水淹是植物遭受的主要的非生物胁迫之一.水淹胁迫使植物处于周期或长期的厌氧或缺氧状态,限制植物的需氧呼吸和维持生命活动所需的能量产生,导致土壤还原势的降低和有毒物质的积累,从而对植物的生存构成严重威胁.在长期的进化过程中,一些植物能够忍耐短期或长期的水淹生境而存活下来.目前分析植物感知水淹胁迫的主要途径为感知体内氧浓度的降低和感知体内乙烯浓度的增加.淹水胁迫下植株的适应策略主要包括:1)茎的伸长生长、不定根和通气组织的形成等形态学方面的适应;2)代谢途径的改变,淹水植物主要通过厌氧代谢获得维持生命的能量;3)通过体内乙烯、赤霉素和脱落酸等激素含量水平的改变来调节生理活动或形态、解剖等方面的变化;4)抗氧化酶系统对厌氧胁迫植株体内有毒的活性氧自由基的清除.运用分子生物学和生物信息学等手段找出由水淹胁迫诱导的相关基因并对其进行克隆,繁殖与培育具有耐水淹能力强的植物种类、品种和生态型,将是从事植物抗水淹胁迫研究的科研人员的目标和方向.     

非生物胁迫相关NAC转录因子的结构及功能

NAC是植物特有的一类转录因子,参与植物多个生长发育过程,还参与植物对逆境胁迫的响应。本文对非生物胁迫相关NAC转录因子的结构特征、功能预测、表达特性、在转基因植物中的作用及调控路径进行综述。非生物胁迫相关NAC转录因子具有典型的NAc胁迫亚家族结构特征,根据这些结构特征可以预测其功能;非生物胁迫相关NAc转录因子能响应多种非生物胁迫,其转基因过表达大多能使转基因植物提高一种或几种胁迫耐受性;非生物胁迫相关NAc转录因子有着复杂的调控路径。这些NAc转录因子可用于提高转基因植物的逆境耐受性。     

植物有性生殖对温度胁迫反应的研究进展

开花植物的有性生殖阶段对温度胁迫高度敏感,高温热害和低温冷害都会对这一过程造成严重影响。本文全面总结了温度胁迫对作物有性生殖的影响,明确花粉发育过程是有性生殖过程中对温度胁迫最敏感的时期;转录组和蛋白质组的研究结果表明,蛋白激酶、热激转录因子、热休克蛋白等可能参与花粉发育期对热胁迫的信号转导。理解植物在有性生殖发育阶段如何适应温度胁迫的机理,为遗传育种实践中筛选对温度耐受的作物品种提供指导,也为基因工程选育对温度耐受的品种提供可能。     

脱落酸调节植物抵御水分胁迫的机制研究

干旱、盐渍、低温等均可导致植物可利用水分的亏缺,表现为水分胁迫。植物感受到水分胁迫,诱导脱落酸（abscisic acid,ABA）生物合成。ABA可通过促使气孔关闭或抑制气孔开放,使作物尽可能地降低蒸腾失水,以抵御水分胁迫。该文就植物激素ABA及其下游信号过氧化氢（hydrogenperoxide,H2O2）、一氧化氮（nitric oxide,NO）以及Ca2＋等在植物气孔运动调节方面的研究进展进行概述,以构建水分胁迫下ABA调节植物气孔运动的可能模式。     

植物光胁迫研究中的几个问题

结合作者的研究工作简要讨论了植物光胁迫研究中关于光合作用的光抑制、光合机构的光破坏和光破坏防御等几个问题.     

植物感应干旱信号的机制

干旱导致渗透胁迫，是造成作物减产的主要自然灾害。自达尔文时代，科学家开始探索植物感知和应答干旱胁迫的机制。现已阐明胁迫激素脱落酸信号途径，并逐步获得植物感知干旱和渗透胁迫的一些线索。本文总结了近年来干旱和渗透信号在植物中感知和传导的研究进展，对干旱胁迫可能的输入信号以及植物潜在的感知方式进行阐述，并提出了干旱胁迫信号研究中尚需解决的核心科学问题，期望为解析植物干旱信号感知和作物抗逆遗传改良提供线索。     

十字花目植物ER body的形成机制及其生物学功能

在长期进化过程中,为了应对外界环境胁迫,植物细胞形成了多种具有特殊功能的内质网衍生结构,其中大部分是物种所特有的,尤其是在十字花目植物中发现的ER body。在ER body上特异性聚积的β-葡萄糖苷酶(PYK10/BGLU21)、NAI2、膜蛋白MEB1/2以及转录因子NAI1在ER body形成过程中起重要作用。ER body主要富集在植物与外界环境相互接触的界面部位,损伤或植物激素处理能够诱导ER body形成。β-葡萄糖苷酶能够产生对害虫入侵具有抵御作用的物质,其活性在细胞破碎时增强。因此,ER body在植物免疫中发挥功能。本文将对十字花目植物(拟南芥)中ER body的形成机制进行阐述,并探讨其生物学功能。     

拟南芥SRO蛋白家族的结构及功能分析

许多生物及非生物胁迫都会引起植物的氧化胁迫, 参与植物氧化胁迫反应组分的鉴定备受人们的关注。拟南芥SRO家族成员包括AtRCD1、AtSRO1、AtSRO5等, 调节植物对氧化胁迫的反应。AtSROs参与植物正常的生长发育, 同时在植物应对干旱、盐、重金属等胁迫反应中扮演重要角色。AtSROs存在保守的PARP、RST等特殊功能区, 推测其可能具备蛋白的转录、调节、修饰等功能。文章就拟南芥SRO家族成员的基本状况, 在植物生长发育及应对非生物胁迫反应中的作用进行概述, 为进一步研究AtSROs的生物学功能提供理论基础。     

芥子油苷-黑芥子酶系统及其在植物防御和生长发育中的作用

本文对十字花科（Cruciferae）植物体内的芥子油苷-黑芥子酶系统在生物、非生物胁迫和生长发育中的研究进展作了介绍。