植物中棉子糖系列寡糖代谢及其调控关键酶研究进展

棉子糖系列寡糖代谢与植物生长发育、逆境胁迫、种子耐贮性及脱水耐性等关系密切.棉子糖系列寡糖的合成从棉子糖的合成开始,由半乳糖苷肌醇上的半乳糖基的转移依次生成棉子糖、水苏糖、毛蕊花糖等.寡糖代谢是一个复杂的调控体系,其中肌醇-1-磷酸合成酶、肌醇半乳糖苷合成酶、蔗糖合成酶、棉子糖合成酶、水苏糖合成酶和毛蕊花糖合成酶等参与了棉子糖系列寡糖的生物合成过程.本文对植物中棉子糖系列寡糖的代谢及其重要调控酶的特性、功能及分子生物学研究进展进行综述.     

植物肌醇半乳糖苷合酶的生理功能和调控机制

植物肌醇半乳糖苷合酶（galactinol synthase, GolS）是高等植物棉子糖类寡糖合成途径中的关键酶,为棉子糖系列寡糖提供活化的半乳糖基,调控植物体内棉子糖（raffinose, RFO）系列寡糖的生物合成与积累。编码该酶的基因属于糖基转移酶（glycosyltransferases, GTs）GT8基因家族的亚家族。GolS参与合成的最终产物棉子糖家族低聚糖（raffinose family oligosaccharides,RFOs）是植物中重要的碳水化合物存在形式,在细胞内可溶性强,可作为脱水保护剂;还能发挥稳定膜结构的作用。同时,GolS催化合成的直接产物肌醇半乳糖苷（galactinol）和RFOs都能作为羟基自由基捕获分子参与活性氧的清除。因此,GolS参与的代谢途径在植物碳同化物的贮存与运输、生物和非生物逆境响应、种子的脱水效应等生命过程中均发挥了重要作用。GolS基因结构差异与表达模式不同,导致不同GolS基因参与的生物学功能具有很大的差异。研究植物中不同GolS基因的结构特征,组织特异性表达特性及它们响应不同生长发育阶段、环境变化的表达特性,对了解GolS参与的生物学功能具有重要意义。同时,在分子生物学水平上,深入了解调控植物GolS基因的分子调控机制,为通过遗传工程或分子辅助育种等手段,利用GolS改良农林作物的经济性状提供理论支持。本文针对近年来植物中GolS基因的生理功能和调控机制的研究进行了综述。     

植物肌醇半乳糖苷合酶的生理功能和调控机制

植物肌醇半乳糖苷合酶（galactinol synthase, GolS）是高等植物棉子糖类寡糖合成途径中的关键酶,为棉子糖系列寡糖提供活化的半乳糖基,调控植物体内棉子糖（raffinose, RFO）系列寡糖的生物合成与积累。编码该酶的基因属于糖基转移酶（glycosyltransferases, GTs）GT8基因家族的亚家族。GolS参与合成的最终产物棉子糖家族低聚糖（raffinose family oligosaccharides,RFOs）是植物中重要的碳水化合物存在形式,在细胞内可溶性强,可作为脱水保护剂;还能发挥稳定膜结构的作用。同时,GolS催化合成的直接产物肌醇半乳糖苷（galactinol）和RFOs都能作为羟基自由基捕获分子参与活性氧的清除。因此,GolS参与的代谢途径在植物碳同化物的贮存与运输、生物和非生物逆境响应、种子的脱水效应等生命过程中均发挥了重要作用。GolS基因结构差异与表达模式不同,导致不同GolS基因参与的生物学功能具有很大的差异。研究植物中不同GolS基因的结构特征,组织特异性表达特性及它们响应不同生长发育阶段、环境变化的表达特性,对了解GolS参与的生物学功能具有重要意义。同时,在分子生物学水平上,深入了解调控植物GolS基因的分子调控机制,为通过遗传工程或分子辅助育种等手段,利用GolS改良农林作物的经济性状提供理论支持。本文针对近年来植物中GolS基因的生理功能和调控机制的研究进行了综述。     

磷脂酰肌醇类脂质在嗜肺军团菌发病机制中作用的研究进展北大核心

嗜肺军团菌(Legionella pneumophila)是一种能引起被称为“军团病”的严重肺炎的致病菌,其利用自身的IVB型分泌系统(type IVB secretion systems)将效应蛋白转运到宿主细胞中,作用于宿主蛋白质和脂质,以形成军团菌在宿主细胞内生长所需的吞噬泡(Legionella-containing vacuole,LCV)。磷酸酰肌醇(phosphatidylinositols,PIs)作为细胞的重要脂质组成,参与细胞信号转导及囊泡转运等过程。而大量的证据表明嗜肺军团菌利用其效应蛋白调控宿主磷酸酰肌醇类脂质代谢及其LCV膜的脂质组成,以促进LCV的成熟。本文主要从军团菌的致病机制、其效应蛋白对磷酸酰肌醇类脂质的代谢调控及对宿主磷脂酰肌醇代谢酶的招募等方面进行了综述分析,期望对进一步理解军团菌调控宿主脂质代谢分子机制和其致病机制提供参考。     

植物次生代谢基因簇研究进展

类似于原核生物的操纵子,在真核生物（如酵母、真菌、昆虫等）基因组中也出现了彼此功能相关的非同源基因成簇存在的现象。这些基因形成基因簇,可参与多种次生代谢途径。近年来,植物中也发现了越来越多的参与次生代谢产物合成的基因簇,它们已成为植物生物学研究的热点。本文总结并分析了植物中已鉴定的次生代谢基因簇。这些基因簇存在于玉米（Zea mays L.）、水稻（Oryza sativa L.）、拟南芥（Arabidopsis thaliana（L.） Heynh.）、番茄（Solanum lycopersicum L.）等植物的基因组中,分别参与合成苯并噁唑嗪酮类、萜类和生物碱类等次生代谢产物。本文通过解析这些基因簇的组成及结构特点,对其特征进行总结,探讨了基因簇形成的分子机理及其调控机制,对植物次生代谢基因簇在合成生物学及代谢工程学中的研究方向和应用前景进行了展望。     

植物磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的功能及其在基因工程中的应用

植物磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(Phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC,EC 4.1.1.31)是广泛存在的一种细胞质酶,催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和HCO3-生成草酰乙酸(OAA),后者可转化生成三羧酸循环的多种中间产物.PEPC在植物细胞中参与植物的光合碳同化等重要代谢途径,并且在不同组织中具有多种生理功能.PEPC同时也参与调控植物种子的营养物质合成与代谢过程,控制糖类物质流向脂肪酸合成或蛋白质合成途径.以下介绍了植物PEPC的种类、蛋白质结构特点及其在植物组织中的调控方式,并重点论述了PEPC在生物基因工程中的应用方面的进展,随着对其功能机制和应用研究的深入,将有助于植物PEPC在高产优质农作物育种、能源植物和工业微生物等的开发利用等方面得到更好的发展与应用.     

高等植物尿素代谢及转运的分子机理

尿素广泛存在于自然界中,是易于被许多生物（如植物）利用的生长氮源。该文通过概述尿素在不同生命系统中存在的基础生理意义及各类型尿素转运蛋白,讨论了植物细胞中尿素合成与分解的各种途径及尿素在植物氮营养、代谢和运输中的生理作用。迄今为止,在植物中已发现了2类转运尿素的膜蛋白,即MIPs和DUR3,它们分别在低亲和力、高亲和力尿素运输中发挥潜在作用。异源表达结果表明MIPs介导了尿素的被动迁移：而AtDUR3则参与拟南芥根系对尿素的吸收。对MIPs和DUR3转运尿素的酶学特征、亚细胞作用位点和表达调控状况等的研究表明：它们的分子生物学功能与植物的氮营养及氮素再分配和利用相关。     

高等植物尿素代谢及转运的分子机理

尿素广泛存在于自然界中, 是易于被许多生物(如植物)利用的生长氮源。该文通过概述尿素在不同生命系统中存在的基础生理意义及各类型尿素转运蛋白, 讨论了植物细胞中尿素合成与分解的各种途径及尿素在植物氮营养、代谢和运输中的生理作用。迄今为止, 在植物中已发现了2类转运尿素的膜蛋白, 即MIPs和DUR3, 它们分别在低亲和力、高亲和力尿素运输中发挥潜在作用。异源表达结果表明, MIPs介导了尿素的被动迁移; 而AtDUR3则参与拟南芥根系对尿素的吸收。对MIPs和DUR3转运尿素的酶学特征、亚细胞作用位点和表达调控状况等的研究表明: 它们的分子生物学功能与植物的氮营养及氮素再分配和利用相关。     

高等植物硝酸盐转运蛋白的功能及其调控机制

硝酸盐是植物从土壤中吸收的重要无机氮素形态。植物为适应含有不同浓度NO3-的土壤环境,进化出了高亲和硝酸盐转运系统(HATS)和低亲和硝酸盐转运系统(LATS),两个基因家族NRT1和NRT2家族分别参与了LATS和HATS的NO3-的吸收和转运。近年来,随着分子生物学技术和植物基因组学的快速发展,研究人员克隆出了大量参与硝酸盐吸收和转运的基因,并对这些基因的功能进行了深入研究,逐渐形成了复杂的硝酸盐调控网络。综述了植物中硝酸盐转运蛋白基因的克隆、表达及调控,并对进一步的研究作了展望,这些结果对于理解植物硝酸盐吸收的调控机制具有重要作用。     

6_m2细胞转化与肌醇磷脂代谢相关性研究

肌醇磷脂代谢与V-mos癌基因转化细胞的相关性,迄今为止未见报导。本文用6m2细胞(Moloney鼠类肉瘤病毒(含V-mos)温度敏感突变株(MoMuSVts110)转化的NRK细胞)为模型,探讨了肌醇磷脂代谢与细胞转化的相关性。在33℃ (转化型温度)时,细胞内PIP(磷脂酰肌醇-4-磷酸)含量明显高于39℃(正常型温度),显示出转化型6m2细胞中存在一个提高的PI激酶活性。同时可见DG(二酰甘油)和IP_3(肌醇三磷酸)含量和蛋白激酶C(PKC)活性均明显高于正常型细胞。当细胞由39℃转至33℃10min,PIP、DG、IP_3含量和PKC活性均明显增加,并伴随有PKC活性由胞质向质膜上的转移。实验结果表明肌醇磷脂代谢参与了6m2细胞转化过程。文中对其作用机理进行了讨论。     

拟南芥与大豆疫霉菌的非寄主互作及一个感病突变体的遗传分析

非寄主抗病性是一种普遍的自然现象, 该文通过建立拟南芥-大豆疫霉菌(Arabidopsis thaliana-Phytophthora sojae)非寄主互作系统, 筛选对大豆疫霉菌感病的拟南芥突变体, 为研究植物对卵菌的非寄主抗病性遗传机制奠定基础。以大豆疫霉菌游动孢子接种拟南芥T-DNA插入突变体离体叶片, 从代表12 000个独立转化株系的40 000株T₃代T-DNA插入拟南芥突变体中获得一系列对大豆疫霉菌感病的突变体。其中突变体581-51感病性状表现稳定, 离体叶片接菌后3天内出现明显的水渍状病斑, 4–5天后产生大量卵孢子和/或孢子囊。细胞学观察发现有典型的吸器形成。Southern杂交和遗传分析结果表明, 581-51突变体含有4个T-DNA插入事件, 其感病性状可能由隐性单基因控制。     

气候变化对6种荒漠植物分布的潜在影响

分析气候变化对植物分布的影响,对保护生物多样性具有重要意义。利用CART(分类和回归树)模型及A2和B2情景,分析了气候变化对短叶假木贼(Anabasis brevifolia)、裸果木(Gymnocarpos przewalskii)、梭梭(Haloxylon ammoden-dron)、膜果麻黄(Ephedra przewalskii)、驼绒藜(Ceratoides latens)和喀什膜果麻黄(Ephedra przewalskii var.kaschgarica)分布范围及空间格局的影响。结果表明:气候变化下,这些植物目前适宜分布范围减小;从新适宜及总适宜分布范围而言,短叶假木贼和梭梭从1991-2020年到2051-2080年时段增加,之后减小,其它植物从1991-2020年到2081-2100年时段减小;喀什膜果麻黄和驼绒藜适宜分布范围减小并破碎化,其它植物向目前适宜分布的西部、西北部(或青海西南部)、昆仑山、阿尔金山和祁连山区扩展;除驼绒藜和喀什膜果麻黄与年均气温变化具显著相关性外,其它植物分布范围与年均气温和降水量变化的相关性较弱(P0.05),除驼绒藜、喀什膜果麻黄和裸果木目前分布范围与年均气温和降水量变化的回归关系较强外,其它植物分布范围与年均气温和年降水量变化多元线性回归关系较弱。上述研究结果表明,气候变化下,这些植物空间分布格局改变,目前分布范围减少,新适宜及总适宜分布范围近期增加,随着气候变化程度的增强,又逐渐减小。     

多异瓢虫对瓜蚜为害后植物挥发物的行为反应及挥发物成分分析

为明确寄主植物挥发物在多异瓢虫Hippodamia variegata (Goeze)搜索猎物过程中的作用, 采用Y型嗅觉仪测定了多异瓢虫成虫对来自瓜蚜Aphis gossypii Glover、 健康植株、 有蚜植株及蚜害植株本身的挥发物的行为反应。结果表明： 高密度蚜虫（≥700头/L）、 有蚜植株以及密度≥400头/盆的蚜虫为害诱导的黄瓜挥发物和密度≥200头/盆的蚜虫为害诱导的搅瓜挥发物对多异瓢虫成虫具有明显的引诱作用, 而低密度蚜虫（≤500头/L）和健康植株挥发物没有引诱作用。应用动态顶空收集法提取健康植株、 有蚜植株及蚜害植株的挥发物, 进行气质联用仪分析鉴定。结果表明, 从黄瓜健康植株、 蚜害植株和有蚜植株中分别鉴定出8, 12和18种挥发物, 主要组分为十八烯、 E-5-二十碳烯、 正十六烷和正十七烷, 诱导出的新组分为对二甲苯、 邻二甲苯、 正十三烷、 α-法呢烯、 雪松醇、 正十八烷、 正二十六烷及7种未知种类; 从搅瓜健康植株、 蚜害植株和有蚜植株分别鉴定出11, 18和20种挥发物, 主要组分为石竹烯、 十八烯、 正十六烷和正十七烷, 诱导出的新组分为苯乙烷、 对二甲苯、 间二甲苯、 α-蒎烯、 正十四烷、 长叶烯、 α-石竹烯及2种未知种类。上述结果为进一步研究挥发物中引诱多异瓢虫的有效组分奠定了必要的基础。     

农杆菌介导巨桉Eg5高效遗传转化

以巨桉(Eucalyptus grandis)无性系Eg5叶片为外植体, 探讨了农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)侵染时间、共培养pH值和共培养时间对瞬时转化效率的影响, 分析了不同筛选策略对遗传转化植株筛选效果的影响。结果表明, 外植体侵染45分钟, 共培养pH值为5.8, 共培养3天所得到的瞬时转化效率最高; 逐步提高卡那霉素(Km)浓度筛选转基因植株有效, 筛选率达到15%, 转化率达到0.26%。经过GUS染色分析和PCR检测, 证实为转基因植株。     

海南地区螺旋粉虱三类次级内共生菌的检测

螺旋粉虱Aleurodicus dispersus Russell是一种重要的农林害虫。本研究分别利用次级内共生菌Cardinium和Arsenophonus的16S rDNA和Wolbachia wsp基因对海南省16地区的螺旋粉虱的3种次级内共生菌Cardinium, Arsenophonus和Wolbachia感染情况及相关基因序列进行了测定和分析。3种次级内共生菌Cardinium, Arsenophonus和Wolbachia检测结果表明, Cardinium和Arsenophonus均可感染海南地区的螺旋粉虱, 其中乐东、 陵水和澄迈3个地区所有寄主上的螺旋粉虱的Arsenophonus感染率为100%, 三亚、 琼中和临高部分寄主上的螺旋粉虱的Arsenophonus感染率为66.7%, 而儋州、 五指山和万宁3个地区的螺旋粉虱未发现被Arsenophonus感染; 三亚的番石榴上的螺旋粉虱的Cardinium感染率为100%, 琼海白沙的印度紫檀上螺旋粉虱的Cardinium感染率为100%, 其他寄主上的感染率均小于66.7%; 在所检测的43个螺旋粉虱种群中, 40和31个种群中分别检测出有Arsenophonus 和Cardinium感染, 种群感染率分别为93.0%和72.1%; 在所有检测的个体中, 120个个体中有105个感染Arsenophonus, 93个个体中有70个感染Cardinium, 个体感染率分别为87.5% 和75.3%; 在检测的所有样本中, 只有三亚印度紫檀上的螺旋粉虱检测到Wolbachia, 种群感染率为2.3%, 个体感染率仅为0.8%。这些检测结果表明, 海南地区螺旋粉虱次级内共生菌Arsenophonus的感染率高于Cardinium的感染率, Wolbachia的感染率极低。序列分析表明, 海南不同螺旋粉虱种群的Cardinium的16S rDNA序列一致, 而且与烟粉虱的Cardinium 16S rDNA序列一致性很高, 为97.6%; 不同螺旋粉虱种群的Arsenophonus的16S rDNA序列也完全一致, 其与西班牙加那利群岛螺旋粉虱的Arsenophonus的16S rDNA序列一致性较高, 为85.1%。此外, Wolbachia wsp基因序列分析表明, 海南螺旋粉虱的Wolbachia为B组, 这是国内螺旋粉虱感染Wolbachia的首次报道。     

C3和C4植物光合途径的适应性变化和进化

 高等植物大多为C₃植物, C₄植物和景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism, CAM)植物是由C₃植物进化而来的。C₄途径的多源进化表明, 光合途径由C₃途径向C₄途径的转变相对简单。该文分析研究了植物光合途径的进化前景, 指出C₄植物是从C₃植物进化而来的高光效种类, 且地质时期以来降低的大气CO₂浓度和升高的大气温度以及干旱和盐渍化是C₄途径进化的外部动力。C₃植物的C₄途径的发现说明植物的光合途径并非是一成不变的, C₃和C₄植物的光合特征具有极大的可塑性, 某些环境的变化会引起植物光合途径在C₃和C₄途径之间转变。C₃植物具有的C₄途径是环境调控的产物, 是对逆境的适应性进化结果, 因而光合途径的转变也适用于干旱地区植被的适应性生存机理研究。该文还利用国外最新的C₄光合进化模型介绍了植物在进化C₄途径中所经历的7个重要时期(从分子基础到形态基础、结构基础, 再到物质代谢水平、光合酶活水平, 直到C3和C4途径协调运转时期, 最后达到形态与功能最优化阶段), 并结合全球气候变化的特点对国内外相关领域的研究进行了分析, 总结了植物光合途径的适应性转变和进化的研究成果, 为今后的相关工作提出建议。     

UV-B辐射对拟南芥种子萌发和幼苗生长的影响

以哥伦比亚生态型(Columbia-0)拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料, 人工模拟UV-B辐照处理拟南芥种子, 统计其发芽势和发芽率, 测定根长、株高、叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白以及丙二醛(MDA)含量, 研究UV-B辐照处理对拟南芥种子萌发和幼苗生长的影响。研究结果表明, 低剂量的UV-B辐照可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长, 并且最佳辐照剂量为1.0 kJ·m^–2(P<0.05), 此时的发芽势、发芽率、根长、株高、叶绿素、可溶性糖及可溶性蛋白的含量均达到最大, 而丙二醛的含量变化则不明显(P>0.05)。当辐照剂量大于1.0 kJ·m^–2时, 促进作用逐渐变小, 并且随着辐照剂量的增加, 表现出了抑制作用。实验结果表明, 适当剂量的UV-B辐照在一定程度上可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长, 而过高剂量的辐照则对其产生抑制或损伤作用。     

椒样薄荷、薄荷和苏格兰留兰香精油与抗生素的协同抑菌功能

以开花期的椒样薄荷(Mentha × piperita)、薄荷(M. haplocalyx)和苏格兰留兰香(M. × gentilis)叶片部位提取的精油为研究对象, 通过GC-MS分析, 并采用纸片扩散法研究了3种精油单独使用及与抗生素联合使用时对金黄色葡萄球菌、蜡状芽孢杆菌、大肠杆菌、绿脓杆菌和肺炎克雷伯氏菌的抑制情况。结果表明, (1) 椒样薄荷与薄荷精油中含量最高的成分为薄荷醇、薄荷酮和异薄荷酮, 苏格兰留兰香精油的主要成分为香芹酮和柠檬烯。薄荷和苏格兰留兰香精油符合欧洲药典与ISO标准, 椒样薄荷需要继续改良以提高其精油品质与抑菌功能。(2) 精油单独使用时, Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442对椒样薄荷精油和薄荷精油敏感; P. aeruginosa ATCC 27853对薄荷精油和苏格兰留兰香精油敏感。精油与抗生素联合使用时抑菌范围和强度均有所改变: 绿脓杆菌的2个菌株对精油与抗生素的组合最为敏感, 其中, 椒样薄荷精油与头孢他啶的组合对P. aeruginosa ATCC 15442显示出最强的增效作用, 薄荷精油与头孢他啶混合之后对P. aeruginosa ATCC 27853出现拮抗作用。Staphylococcus aureus ATCC 25923对所有精油以及精油与抗生素混合物均有抗性。(3) 椒样薄荷、薄荷和苏格兰留兰香精油的不同成分及其含量差异不仅对精油品质有影响, 而且影响精油对测试菌种的抑制作用, 可考虑将其作为薄荷属植物品质育种的参考指标。     

华北棉区第三代棉铃虫的经济阈值

1980—1982、1984—1985年在河北省饶阳县的不同土壤肥力水平、不同棉花品种上进行了模拟为害和自然为害试验,旨在确定第三代棉铃虫 Heliothis armigera(Hubner)虫口密度与棉花产量之间的关系.结果表明,棉花对于第三代棉铃虫为害的补偿能力较弱.较好的土壤肥力亦不能促使棉株完全补偿三代期间的受害损失.每亩皮棉减产斤数Y与第三代百株累计卵量E₃的关系为:Y=-0.2801+0.0643E₃.根据防治的直接收益与直接代价,算出了第三代棉铃虫的经济阈值为百株累计卵量35粒,这一阈值可适用于不同肥力水平的地块.     

小叶杨DREB同源基因内SSR的发现及群体结构分析

利用基因特异的PCR引物从小叶杨(Populus simonii)经干旱胁迫后构建的cDNA文库中扩增得到长度为671 bp的PsDREB cDNA克隆。该基因内部含有完整的且大小为543 bp的开放阅读框, 可编码181个氨基酸残基。在此基础上, 对36株小叶杨基因型个体的DREB基因进行了克隆和序列分析, 发现其内部存在以CAC为基本单位的4次(A)、5次(B)、7次(C)、8次(D)、9次(E)、10次(F)和11次(G)7种类型的简单重复序列(SSR)。以该重复序列为扩增对象设计引物, 对我国11个省16个群体528株小叶杨进行了群体遗传结构分析。结果表明, 在检测群体中各位点等位基因频率大小顺序依次为: D＞C＞F＞E＞A＞G＞B; 平均有效等位基因数为3.167 0, 平均观察和期望杂合度分别为0.468 5和0.531 5, 且在多数群体中存在一定程度的近交效应和显著偏离Hardy-Weinberg平衡; 而Ewens-Watterson中立性检验表明, 除山西宁武、辽宁朝阳和河南伊川外, 其它多数群体均属于中立性选择。研究结果将为利用候选基因内SSR标记来评价林木育种资源的遗传多样性以及保护和利用这些资源提供科学的理论依据。