植物PP2C蛋白磷酸酶ABA信号转导及逆境胁迫调控机制研究进展

蛋白磷酸酶(protein phosphatase,PP)是蛋白质可逆磷酸化调节机制中的关键酶,而PP2C磷酸酶是一类丝氨酸/苏氨酸残基蛋白磷酸酶,是高等植物中最大的蛋白磷酸酶家族,包含76个家族成员,广泛存在于生物体中。迄今为止,在植物体内已经发现了4种PP2C蛋白磷酸酶。蛋白激酶和蛋白磷酸酶协同催化蛋白质可逆磷酸化,在植物体内信号转导和生理代谢中起着重要的调节作用,蛋白质的磷酸化几乎存在于所有的信号转导途径中。大量研究表明,PP2Cs参与多条信号转导途径,包括PP2C参与ABA调控,对干旱、低温、高盐等逆境胁迫的响应,参与植物创伤和种子休眠或萌发等信号途径,其调控机制不同,但酶催化活性都依赖于Mg2+或Mn2+的浓度。植物PP2C蛋白的C端催化结构域高度保守,而N端功能各异。文中还综述了高等植物PP2C的分类、结构、ABA受体与PP2Cs蛋白互作、PP2C基因参与ABA信号途径以及其他逆境信号转导途径的研究进展。     

PYR/PYL/RCAR蛋白介导植物ABA的信号转导

脱落酸(ABA)在各个植物生长发育阶段以及植物对生物与非生物胁迫的响应过程中都发挥着重要的作用。最近研究表明,在ABA信号转导途径中有3种核心组份:ABA受体PYR/PYL/RCAR蛋白、负调控因子2C类蛋白磷酸酶(PP2C)和正调控因子SNF1相关的蛋白激酶2(SnRK2),它们共同组成了一个双重负调控系统——PYR/PYL/RCAR—|PP2C—|SnRK2来调控ABA信号转导及其下游反应,且3种核心组份在植物体内的结合方式受时空和生化等因素的影响,通过特定组合形成的ABA信号转导复合体介导特定的ABA信号反应。文章就PYR/PYL/RCAR蛋白介导的植物ABA信号识别与转导途径的分子基础及其调控机制,以及PYR/PYL/RCAR—PP2C—SnRK2参与的ABA信号调控网络等研究进展做一概述,并对该领域今后的研究进行了展望。     

PYR/PYL/RCAR蛋白介导植物ABA的信号转导

脱落酸(ABA)在各个植物生长发育阶段以及植物对生物与非生物胁迫的响应过程中都发挥着重要的作用。最近研究表明, 在ABA信号转导途径中有3种核心组份：ABA受体PYR/PYL/RCAR蛋白、负调控因子2C类蛋白磷酸酶(PP2C)和正调控因子SNF1相关的蛋白激酶2(SnRK2), 它们共同组成了一个双重负调控系统-- PYR/PYL/RCAR-| PP2C-| SnRK2来调控ABA信号转导及其下游反应, 且3种核心组份在植物体内的结合方式受时空和生化等因素的影响, 通过特定组合形成的ABA信号转导复合体介导特定的ABA信号反应。文章就PYR/PYL/RCAR蛋白介导的植物ABA信号识别与转导途径的分子基础及其调控机制, 以及PYR/PYL/RCAR-PP2C-SnRK2参与的ABA信号调控网络等研究进展做一概述, 并对该领域今后的研究进行了展望。     

逆境下拟南芥ABA信号途径负调控因子的研究进展

ABA信号途径的主要负调控因子蛋白磷酸酶2C(protein phosphatase 2C,PP2C)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(protein Ser/Thr phosphatases,PSP),为ABA信号传导途径下游的关键组分.拟南芥中PP2C主要包括ABI1、ABI2、HAB1、AHG3和PP2CA,它们通过改变ABA信号的强弱等调控植物的胁迫应答.该文主要对国内外有关PP2C家族的组成以及在逆境胁迫下负调控ABA信号途径中的调控机制和应答特征等方面的研究进展进行综述.     

高等植物中蛋白磷酸酶2C的结构与功能

蛋白质磷酸化／去磷酸化是生物信号级联传递的重要方式之一,主要通过生化性质互为对立的蛋白激酶和蛋白磷酸酶实现。蛋白磷酸酶2C(PP2C)是蛋白磷酸酶的一个分支,其生化性质、蛋白质组成与结构都和其他磷酸酶显著不同,但都在生物信号传递中扮演重要角色。高等植物中PP2C广泛参与脱落酸(ABA)的各种信号途径,包括ABA诱导的种子萌发／休眠、保卫细胞及离子通道调控和气孔关闭、逆境胁迫等。PP2C也多样地参与植物创伤反应、生长发育以及抗病性等各个途径。作为大多数信号途径的负调控因子,PP2C能直接与激酶结合,与其他调控蛋白结合,以及直接与DNA结合调控相关基因的表达。     

大豆类钙调磷酸酶B亚基GmCBL1互作候选蛋白的筛选

Ca2+是非生物胁迫信号转导途径中的重要信号分子,植物类钙调磷酸酶B亚基蛋白(CBL,calcineurin B-like proteins)是一类重要的钙信号受体蛋白,主要通过与其他蛋白的特异结合传递信号,使植物形成对非生物胁迫的响应。本实验室已经获得大豆Gm CBL1基因,功能鉴定显示Gm CBL1增强了转基因拟南芥对非生物胁迫的耐性。为了进一步研究Gm CBL1的作用机理,本研究构建诱饵载体p GBKT7::Gm CBL1,利用酵母双杂交技术筛选大豆Gm CBL1的互作蛋白。通过对筛选获得的106个蛋白基因测序和Blast比对分析,并根据其可能的生理功能对这些候选蛋白归类,整理得到4类蛋白:能量代谢相关蛋白、修饰蛋白、防御蛋白、钙信号转导相关蛋白。筛选得到候选蛋白的功能预测初步表明,大豆Gm CBL1参与多条信号途径,为进一步研究探索大豆CBL介导的抗逆信号转导途径奠定了基础。     

甘蓝型油菜BnFLA基因的克隆及表达分析

利用同源克隆法从甘蓝型油菜中获得了1个类成束阿拉伯半乳聚糖蛋白基因(FLA),命名为BnFLA。BnFLA基因开放阅读框长为1 200bp,编码399个氨基酸,分子量为42 885.9Da,等电点为6.37。预测的BnFLA蛋白包含N-端信号肽、2个AGP-like结构域、2个fasciclin-like结构域和C-端GPI-anchor序列。系统进化分析表明BnFLA氨基酸序列与BrFLA17和AtFLA2进化关系较近,一致性分别为98%和87%。qRT-PCR分析表明,BnFLA基因在油菜各组织均有表达,并以下胚轴中表达量最高,其次为子叶,茎秆中表达最少;BnFLA基因的表达受到GA3、BR、IAA、ABA和NaCl的诱导,但受6-BA、蔗糖、低温和PEG抑制。研究认为,油菜中BnFLA基因可能参与激素信号转导途径和非生物胁迫应答。     

甘蓝型油菜RPD3/HDA1基因家族鉴定及早熟相关基因挖掘

该研究运用生物信息学方法鉴定甘蓝型油菜RPD3/HDA1基因家族,检测了其在‘黔油早2号’和‘中双11’中的表达水平及2个品种在低温(4℃)和ABA胁迫下该家族基因的表达特征,以探讨RPD3/HDA1基因在甘蓝型油菜中的潜在功能,为早熟油菜抗逆性遗传改良提供理论基础和候选基因。结果表明:(1)在甘蓝型油菜全基因组中共鉴定到28个RPD3/HDA1基因,将其命名为BnHDA1~BnHDA28,聚类为4个亚家族,同一亚家族成员的基因结构较为相似;在该基因家族中共检测到16对复制基因,均为片段重复。(2)顺式作用元件预测统计中共发现675个元件与植物激素、环境胁迫和光响应有关。(3)qRT-PCR分析显示,RPD3/HDA1基因在‘黔油早2号’中的表达量均高于‘中双11’;低温胁迫下,‘黔油早2号’和‘中双11’中RPD3/HDA1基因呈差异表达,与‘中双11’相比,RPD3/HDA1基因在‘黔油早2号’中的下调幅度较大;ABA处理后,RPD3/HDA1基因在2个品种中表达模式不一致,‘黔油早2号’中大部分RPD3/HDA1基因表达量较‘中双11’下调幅度小。研究认为,RPD3/HDA1基因可能在油菜开花中发挥调节作用,而且可能通过激素信号通路和防御信号通路参与油菜的生长发育和防御反应的调节。     

保卫细胞中ABA信号调控机制研究进展

脱落酸(ABA)具有调节植物快速响应逆境的重要功能。植物细胞中ABA核心信号通路由ABA受体PYR1/PYLs/ RCARs、A类碱性蛋白磷酸酶PP2Cs和Snf1相关蛋白激酶SnRK2s组成。活性氧(ROS)和Ca²⁺是保卫细胞中的重要第二信使, 调控ABA诱导的气孔关闭。该文对保卫细胞中核心ABA信号蛋白的调控以及ROS和Ca²⁺介导的ABA信号转导等最新研究成果进行综述, 旨在阐明保卫细胞中ABA信号调控机制。     

拟南芥中WRKY31转录因子的转录活性与互作蛋白分析

为深化对AtWRKY基因家族中功能尚未被报道成员的认识,探究拟南芥中WRKY转录因子基因在非生物逆境响应中的作用与可能的机制,通过对AtWRKY31进行亚细胞定位以及转录活性分析,并利用qRT-PCR检测AtWRKY31在不同逆境处理1、3和12 h后的表达变化,通过酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)对其互作蛋白进行了筛选与验证。发现AtWRKY31定位于细胞核,具有转录抑制作用,且表达受热害、低钾、低氮等处理显著的抑制。此外,发现WRKY31可以与WRKY31、WRKY6和WRKY42在体内发生互作。拟南芥WRKY31作为一个转录抑制子,可能通过与WRKY6和WRKY42转录因子互作来参与调控对一些非生物逆境的应答。     

拟南芥WRKY61转录因子的转录活性与互作蛋白分析

该研究采用双荧光素酶报告系统、酵母双杂交和双分子荧光互补实验,对拟南芥AtWRKY61的转录活性及与AtWRKY61转录因子的互作蛋白进行了分析,并用qRT-PCR方法分析AtWRKY61对多种非生物逆境的响应特征,为进一步揭示AtWRKY61的功能与分子调控机制奠定基础。绿色荧光蛋白介导的亚细胞定位分析显示,AtWRKY61定位于细胞核内;基于原生质体的双荧光素酶报告系统和酵母实验发现,AtWRKY61具有转录抑制活性。qRT-PCR分析表明,AtWRKY61对多种非生物逆境的处理具有明显的响应,可能是在多条信号通路中发挥作用。酵母双杂交与双分子荧光互补分析表明,AtWRKY61与自身以及同组的AtWRKY9和AtWRKY72存在互作关系,暗示可能通过形成WRKY复合物来行使特定的转录抑制功能。     

藜麦CqSAP8基因克隆及其在非生物胁迫下的表达分析

该研究根据NCBI公布的藜麦胁迫相关蛋白(SAP)基因CqSAP8序列进行克隆,利用生物信息学分析CqSAP8蛋白序列、理化性质和结构特点,并采用qRT PCR方法检测CqSAP8基因表达的组织特异性及在非生物胁迫下的相对表达。结果表明：(1)藜麦CqSAP8基因CDS全长528 bp,编码175个氨基酸;预测CqSAP8蛋白分子量为18.73 kD,理论等电点为7.46,属于稳定的亲水性蛋白质;CqSAP8蛋白在N端和C端分别含有A20和AN1保守域,是SAP蛋白最典型的类型。(2)序列比对与进化分析显示,藜麦CqSAP8与甜菜BvSAP8、菠菜SoSAP8亲缘关系最近,序列相似性分别为89.66%和89.47%。(3)qRT PCR分析表明,藜麦CqSAP8基因在根、茎、叶、花和种子中均有表达,且在种子中表达量最高;CqSAP8基因在干旱和高温胁迫12 h表达量达到最大值,分别是对照的13.09和17.47倍,高盐和低温胁迫下的最大表达量均为对照的3.91倍,说明藜麦CqSAP8基因响应多种非生物胁迫应答;另外,藜麦CqSAP8的表达量在ABA胁迫下24 h急剧升高,推测CqSAP8基因在非生物胁迫前期的响应不依赖ABA。该研究为进一步研究CqSAP8基因功能及抗逆分子机制奠定了基础。     

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。     

Oligochitosan induced Brassica napus L. production of NO and H2O2 and their physiological function

NO (nitric oxide) and H₂O₂ (hydrogen peroxide) are important signaling molecule in plants. Brassica napus L. was used to understand oligochitosan inducing production of NO (nitric oxide) and H₂O₂ (hydrogen peroxide) and their physiological function. The result showed that the production of NO and H₂O₂ in epidermal cells of B. napus L. was induced with oligochitosan by fluorescence microscope. And it was proved that there was an interaction between NO and H₂O₂ with L-NAME (N^G-nitro-l-arg-methyl eater), which is an inhibitor of NOS (NO synthase) in mammalian cells that also inhibits plant NO synthesis, and CAT (catalase), which is an important H₂O₂ scavenger, respectively. It was found that NO and H₂O₂ induced by oligochitosan took part in inducing reduction in stomatal aperture and LEA protein gene expression of leaves of B. napus L. All these results showed that oligochitosan have potential activities of improving resistance to water stress.     

互花米草NHX2基因的克隆与功能鉴定

NHX2属于CPA1基因家族,编码Na~+/H~+逆向转运蛋白,控制液泡膜中活性K~+的摄取,同时调节气孔的关闭。该研究以耐盐植物互花米草为材料,采用PCR技术克隆NHX2基因,并将其转入拟南芥进行相关功能鉴定。结果显示:(1)成功克隆获得互花米草NHX2基因CDS序列(1 602 bp),命名为SaNHX2,该基因编码533个氨基酸,SaNHX2蛋白的分子量约为58.65 kD,定位于细胞核和细胞膜,表明SaNHX2基因可能发挥转录调控的功能。(2) qRT-PCR结果显示,在ABA、NaCl和干旱胁迫处理下,互花米草叶和根中SaNHX2基因的表达量均上调。(3)为进一步鉴定其功能,成功构建植物表达载体,将SaNHX2基因转入拟南芥;经RT-PCR检测结果显示,SaNHX2基因在转基因植株中过表达;高盐胁迫处理后,转SaNHX2基因拟南芥的主根长度、叶绿素总量和相关胁迫应答基因表达量均高于转空载拟南芥,表明转SaNHX2基因拟南芥的耐盐能力显著增强。研究表明,SaNHX2基因可能在盐胁迫调节机制中发挥调控作用,可作为改良农作物耐盐的重要候选基因。     

青花菜BoSCL3基因的克隆和渍水胁迫下的表达特征分析

为了解SCL3 (scarecrow-like 3)基因的功能,从青花菜(Brassica olreacea var. italica)中克隆得到1个SCL3基因,命名为BoSCL3,其cDNA全长1 355 bp,编码446个氨基酸。BoSCL3分子量为49.96 kD,为疏水性蛋白,与油菜(B. napus)、芜菁(B. rapa)中SCL3蛋白的亲缘关系最近,同科植物的SCL3具有较高的同源性。荧光定量PCR分析结果表明,青花菜BoSCL3基因表达量随渍水胁迫时间延长先下降后上升,推测其可能参与渍水胁迫响应。这为探讨青花菜BoSCL3基因响应渍水胁迫的分子机制提供理论依据。     

甘蓝型油菜BnMYC2基因克隆及对植物抗虫胁迫的研究

为了研究髓细胞组织增生蛋白(Myelocytomatosis protein,MYC2)基因与甘蓝型油菜抗虫性的关系,该研究从甘蓝型油菜恢复系R18中克隆获得BnMYC2基因的cDNA序列,并进行了基因表达及转化模式植物拟南芥的抗虫分析。生物信息学分析表明,BnMYC2基因gDNA不具有内含子结构,cDNA完整开放阅读框(ORF)为1 833 bp,编码610个氨基酸,推测BnMYC2基因位于甘蓝型油菜C6染色体上,具有bHLH型转录因子的保守结构域HLH。基因同源性分析结果表明,BnMYC2与拟南芥、甘蓝、萝卜的亲缘关系最近,氨基酸的相似度都在98%以上。组织特异性表达分析显示,BnMYC2在甘蓝型油菜的根、茎、叶、花、授粉后27 d的果荚和授粉后35 d的果荚中均有表达,且授粉后27 d的果荚中的表达水平最高。抗虫胁迫实验的结果显示,过表达BnMYC2拟南芥的抗虫基因VSP2的表达水平显著高于对照,推测甘蓝型油菜BnMYC2基因可能作为重要的调节因子参与虫害胁迫响应;MeJA诱导6 h后,VSP2基因在不同基因型拟南芥的表达量都明显增加,与诱导前相比差异显著,表明BnMYC2正向调...     

Identification and characterization of CBL and CIPK gene families in canola (Brassica napus L.)

Background

Canola (Brassica napus L.) is one of the most important oil-producing crops in China and worldwide. The yield and quality of canola is frequently threatened by environmental stresses including drought, cold and high salinity. Calcium is a ubiquitous intracellular secondary messenger in plants. Calcineurin B-like proteins (CBLs) are Ca²⁺ sensors and regulate a group of Ser/Thr protein kinases called CBL-interacting protein kinases (CIPKs). Although the CBL-CIPK network has been demonstrated to play crucial roles in plant development and responses to various environmental stresses in Arabidopsis, little is known about their function in canola.

Results

In the present study, we identified seven CBL and 23 CIPK genes from canola by database mining and cloning of cDNA sequences of six CBLs and 17 CIPKs. Phylogenetic analysis of CBL and CIPK gene families across a variety of species suggested genome duplication and diversification. The subcellular localization of three BnaCBLs and two BnaCIPKs were determined using green fluorescence protein (GFP) as the reporter. We also demonstrated interactions between six BnaCBLs and 17 BnaCIPKs using yeast two-hybrid assay, and a subset of interactions were further confirmed by bimolecular fluorescence complementation (BiFC). Furthermore, the expression levels of six selected BnaCBL and 12 BnaCIPK genes in response to salt, drought, cold, heat, ABA, methyl viologen (MV) and low potassium were examined by quantitative RT-PCR and these CBL or CIPK genes were found to respond to multiple stimuli, suggesting that the canola CBL-CIPK network may be a point of convergence for several different signaling pathways. We also performed a comparison of interaction patterns and expression profiles of CBL and CIPK in Arabidospsis, canola and rice, to examine the differences between orthologs, highlighting the importance of studying CBL-CIPK in canola as a prerequisite for improvement of this crop.

Conclusions

Our findings indicate that CBL and CIPK family members may form a dynamic complex to respond to different abiotic or hormone signaling. Our comparative analyses of the CBL-CIPK network between canola, Arabidopsis and rice highlight functional differences and the necessity to study CBL-CIPK gene functions in canola. Our data constitute a valuable resource for CBL and CPK genomics.     

黑胫病菌侵染过程中油菜响应基因的表达分析

油菜黑胫病是造成油菜产量损失的病害之一,致病菌为Leptosphaeria biglobosa。该研究采用形态学观察和转录组测序技术,分析油菜接种病原菌Leptosphaeria biglobosa 4、12、24、36、48和96 h后的表型及基因表达变化情况,以探讨响应死体营养型真菌L.biglobosa侵染时油菜的防御反应及抗病机理,为揭示油菜与L.biglobosa互作的分子机制提供理论依据,并为培育油菜抗病品种积累了基因资源信息。结果显示:(1)接种4~96 h,叶片病斑逐渐扩大,病原菌侵染48~96 h后形成菌丝网。(2)通过RNA-Seq测序,在L.biglobosa侵染油菜的不同时间点(4、12、24、36、48和96 h)分别得到3384、2270、3802、5811、6155和7153个差异表达基因。(3)15个油菜差异表达基因的qRT-PCR检测表达水平与转录组测序结果基本一致。(4)利用短时间序列聚类和KEGG富集分析差异表达基因,结果发现植物病原菌互作、蛋白激酶、茉莉酸/乙烯/水杨酸和芥子油苷合成途径中的基因被强烈诱导表达,而且基因表达呈动态变化趋势。