甘薯蔗糖转运蛋白的功能分析

甘薯(Ipomoea batatas)是重要的粮食和工业加工原料作物。蔗糖是植物体内碳水化合物长距离转运的主要形式,蔗糖转运蛋白(sucrose transporter,SUT)在植物的生长代谢中调控蔗糖的跨膜运输和分配,在韧皮部介导的源-库蔗糖运输和为库组织供应蔗糖的生理活动中起关键作用。本研究根据不同淀粉性状甘薯块根中差异表达的2个SUT基因转录本,进行cDNA末端快速扩增(rapid amplification of cDNA ends,RACE)克隆,获得IbSUT62788和IbSUT81616的全长cDNA序列;通过系统发育分析明确其分类;通过在本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中瞬时表达明确其亚细胞定位;通过酵母功能互补系统鉴定IbSUT62788和IbSUT81616是否具有吸收、转运蔗糖和己糖的能力。通过实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)分析IbSU62788和IbSUT81616在甘薯各器官中的表达特征;通过蘸花法得到外源表达IbSUT62788和IbSUT81616基因的拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株,比较与野生型拟南芥的淀粉和糖含量的差异。结果表明,IbSUT62788和IbSUT81616分别编码505个和521个氨基酸的SUT蛋白,均属于SUT1亚家族。IbSUT62788和IbSUT81616均定位于细胞膜,在酵母系统中具有转运蔗糖、葡萄糖和果糖的能力。此外,IbSUT62788还具有转运甘露糖的能力。IbSUT62788在甘薯叶片、侧枝和茎中的表达量更高,IbSUT81616在侧枝、茎和块根中表达量更高。IbSUT62788和IbSUT81616在拟南芥中异源表达后,植株可以正常生长,但生物量增加。IbSUT62788的异源表达增加了拟南芥植株叶片可溶性糖含量、叶片大小和种子千粒重;IbSUT81616的异源表达增加了拟南芥植株叶片、根尖的淀粉积累量和种子千粒重,但减少了可溶性糖含量。本研究结果表明,IbSUT62788和IbSUT81616可能是调控甘薯蔗糖和糖含量性状的重要基因,在细胞膜上进行着蔗糖的跨膜运输、蔗糖进出库组织、韧皮部蔗糖的运输与卸载等生理功能,在拟南芥中异源表达造成的性状改变说明其在提高其他植物或作物产量中的应用潜力。本研究为揭示甘薯淀粉和糖代谢及重要品质性状形成机制提供了重要信息。     

马克斯克鲁维酵母GX-UN120糖转运蛋白基因的克隆及表征

【背景】马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)具有完整的木糖代谢途径,可以高效利用木质纤维素中的木糖,因此对其糖转运蛋白基因的研究或可有效解决酵母木糖转运的相关问题。【目的】根据马克斯克鲁维酵母DMKU3-1042中KLMA＿70145和KLMA＿80101基因位点的功能预测,获得马克斯克鲁维酵母GX-UN120相应的糖转运蛋白基因序列并探究其功能。【方法】将转运蛋白基因分别克隆表达至酿酒酵母EBY.VW4000中考察重组菌株生长特性,以此间接评价对应转运蛋白的转运能力。【结果】Km＿SUT2基因编码的糖转运蛋白可有效提高宿主细胞转运木糖、阿拉伯糖、山梨糖、核糖、乳糖和葡萄糖的能力,但却不能转运甘露糖、果糖、蔗糖和半乳糖。类似地,Km＿SUT3基因编码的糖转运蛋白可提高细胞转运木糖、阿拉伯糖、山梨糖、半乳糖、核糖、乳糖和葡萄糖的能力,但却不能转运甘露糖和果糖。然而在葡萄糖存在的条件下,重组菌株对各种碳源的利用均受抑制,但Km＿SUT3转运木糖和核糖过程中受葡萄糖的抑制作用较小。【结论】马克斯克鲁维酵母GX-UN120中转运蛋白Km＿SUT2和Km＿SUT3可...     

菜用大豆蔗糖转运蛋白基因家族的克隆及表达分析

蔗糖是高等植物体内碳水化合物长距离运输的主要甚至唯一的形式,蔗糖转运蛋白在蔗糖转运过程中起着极为重要的作用。该研究从菜用大豆闽豆6号中克隆到9个蔗糖转运蛋白基因,分别命名为Gm SUT-1~GmSUT-9,并对其进行生物信息学、系统发育和组织表达分析。结果表明,GmSUTs属于MFS超家族,根据SUT系统进化分析法将GmSUTs划分为SUT1、SUT2和SUT4三个亚族,其中GmSUT-1、GmSUT-2、GmSUT-4、GmSUT-5、GmSUT-6、GmSUT-7和GmSUT-8属于SUT1亚族, GmSUT-9属于SUT2亚族, GmSUT-3属于SUT4亚族。SUTs各亚族成员氨基酸序列的差异性可能导致它们在蔗糖的跨膜转运中扮演不同的角色,其表达模式和生理功能也不同。大豆SUT1亚族中7个基因总的表达趋势相似,花中表达量相对来说最高,而籽粒、叶片、茎和根等组织中表达量则相对较低; SUT2亚族中的GmSUT-9和SUT4亚族中的GmSUT-3在不同组织中的表达量相对来说都较低。该研究初步阐明了菜用大豆蔗糖转运蛋白家族基因的结构及组织表达特点,为进一步开展蔗糖转运蛋白基因调控菜用大豆籽粒发育中蔗糖的积累和分配的研究奠定了基础。     

复水对玉米干旱胁迫的缓解效应

为探讨在干旱胁迫下,复水的缓解效应及机制,本试验以玉米哲单为试材,在苗期进行干旱胁迫处理。由预实验可知浇水/3 d为周期玉米苗期生长状态最好,因此以浇水/3 d为对照组(CK),其他三组分别为浇水/5 d(T1)、浇水/7 d(T2)、浇水/9 d(T3),胁迫四周后进行形态及生理生化指标的测定。之后进行复水,三周后再次测定形态及生理生化指标。结果表明:(1)随着干旱胁迫天数的增加,植株高度、叶片长度、叶片宽度和叶绿素含量逐渐降低,即CKT1T2(p0.01)T3(p0.01);(2)脯氨酸含量、可溶性糖含量、丙二醛含量和相对电导率含量随胁迫天数增加逐渐增加:即CKT1T2T3;(3)复水后各处理组的形态指标及生理指标与对照组间差异均不显著(p0.05)。     

氮、磷、钾营养对冬小麦光合作用及水分利用的影响

在中国科学院封丘农业生态实验站长期肥料实验的基础上,选择氮磷(T1)、氮钾(T2)、磷钾(T3)和氮磷钾(T4)4个肥料处理,以不施肥为对照(CK),研究了长期施用氮、磷、钾肥对小麦抽穗期和灌浆期净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)日变化的影响.结果表明:小麦抽穗期和灌浆期T4处理的Pn日变化值显著高于CK,其他处理与CK未达到显著性差异,各处理Pn日积累量大小为T4＞T1＞T2＞T3＞CK;缺氮、缺磷和缺钾均降低了叶片Pn,影响大小依次为缺氮＞缺磷＞缺钾;小麦抽穗期和灌浆期Tr日变化曲线呈单峰型,处理间日变化值差异不显著;缺氮、缺磷和缺钾均降低了叶片WUE,抽穗期,T1、T4处理的WUE日变化值显著高于CK,而T3、T2与CK差异不显著,说明缺氮、缺磷对WUE的影响最大,灌浆期,T4处理的WUE日变化值显著高于CK;不同肥料处理仅改变了小麦光合日变化的幅度,而未改变其变化规律,氮、磷、钾复合施肥有效地提高了小麦的光合生产和水分利用效率.     

植物蔗糖转运蛋白的基因与功能

蔗糖是植物体内碳水化合物长距离转运的主要( 甚至唯一) 形式, 为植物生长发育提供碳架与能量。蔗糖转运蛋白(sucrose transporter, SUT)负责蔗糖的跨膜运输, 在韧皮部介导的源-库蔗糖运输, 以及库组织的蔗糖供给中起关键作用。自从菠菜中克隆到第一个SUT基因以来, 已先后有多个SUT基因的cDNA得到克隆与功能分析, 涉及34种双子叶与单子叶植物。每种植物都有一个中等规模 的SUT基因家族, 其不同成员之间具有较高的氨基酸序列同源性, 但在蔗糖吸收的动力学特性、转运底物的特异性和表达谱等方面存在差异。本文系统介绍国内外(主要是国外)在植物SUT基因的克隆、分类与进化、细胞定位与功能, 以及研究方法等方面的研究进展, 并简要介绍我们在橡胶树SUT基因研究上的初步结果。     

不同水分管理下优质稻花后植株碳氮流转与籽粒生长及品质的相关性

以桂华占、八桂香为材料,在干湿交替灌溉、亏缺灌溉、淹水灌溉3种水分条件下,研究优质稻花后植株碳氮流转与籽粒生长及品质的相关性。结果表明:不同水分管理下,桂华占和八桂香花后碳氮流转与籽粒的生长间存在密切相关。主要表现在:(1)茎鞘和叶片干物质转运对籽粒干物质积累的贡献率为16.86%～25.68%,花后茎叶干物质运转速度和运转率与籽粒起始灌浆势呈显著甚至极显著正相关;籽粒最大灌浆速率、活跃灌浆期、持续灌浆时间与叶片干物质运转速度和运转率呈极显著正相关,与茎鞘干物质运转速度和运转率呈极显著负相关;(2)茎鞘碳同化物转运对籽粒的产量和淀粉产量的贡献率则为干湿交替灌溉>亏缺灌溉>淹水灌溉;但叶片碳同化物转运对籽粒的产量和淀粉产量的贡献率则为淹水灌溉>亏缺灌溉>干湿交替灌溉;茎叶可溶性糖积累量的减少和籽粒直链淀粉含量和积累量增加是同步的,且茎叶可溶性糖积累量快速递减期(花后3～12d)与直链淀粉含量和积累量快速递增期(花后6～12d)同步;(3)茎鞘和叶片氮素转运对籽粒氮素积累的贡献率为44.05%～117.66%,叶片总氮转运对籽粒氮素积累的贡献率大于茎鞘,茎鞘和叶片氮同化物对籽粒氮素的贡献率以淹水灌溉处理的最大,亏缺灌溉处理的次之,干湿交替灌溉处理的最小。     

马铃薯AGPase活力反馈调控光合速率定量分析

为了揭示ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)改变对叶片光合作用的反馈调控,以改变AGPase活力的马铃薯转化株系为材料,测定了其AGPase活力(AA)、块茎淀粉积累量(SC)、叶片光合速率(PR)、叶绿素(CC)和蔗糖含量(SUC)等;测定结果分析显示,各株系的AGPase活力(AA)、块茎淀粉积累量(SC)和叶片光合速率(PR)间存在显著差异,且均显著高于对照;株系间AGPase活力、块茎淀粉含量和叶片光合速率呈显著正相关性;每单位AGPase活力上升可贡献贮藏器官淀粉积累增加2.5%,且是影响叶片光合速率的重要因素;结果表明,AGPase不仅是下游淀粉积累的限速酶,而且可向上游反馈调控光合速率。     

植物的糖信号及其对碳氮代谢基因的调控

介绍了植物蔗糖和已糖转运蛋白（SUT,HXT）及各自糖转运功能与调控,总结了不同糖类的胞内信号转过程及其对碳,氮代谢基因表达调控的最新研究进展,同时分析了蛋白激酶如已糖激酶（HXK）,SNF1相关激酶（SnRK1)等在植物糖信号转导中的作用,以及糖信号与氮信号的互作及对同化物分配的调控。     

钾水平对富士苹果果实膨大期13C同化物向果实转运的影响

以6年生‘烟富3’/M26/平邑甜茶为试材,采用¹³C同位素标记技术,在果实膨大期用不同浓度钾素水溶液(K₂O浓度分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,分别用CK、K₁、K₂、K₃、K₄表示)涂抹果实周围20 cm范围内叶片,研究其对叶片叶绿素荧光参数、光合性能、糖转运蛋白基因表达、¹³C同化能力及¹³C同化物向果实转运的影响。结果表明: 与其他处理相比,K₃处理显著提高了叶片Rubisco酶活性、净光合速率、PSII原初光能转化效率、PSII实际光化学效率、光化学淬灭系数、山梨醇和蔗糖含量、6-磷酸山梨醇脱氢酶(S6PDH)和蔗糖磷酸合酶(SPS)活性及¹³C同化能力;提高了果柄组织山梨醇转运蛋白基因MdSOT1、MdSOT2和蔗糖转运蛋白基因MdSUT4的表达,促进了糖在果实中的卸载。¹³C自留量(自身叶片+自身新梢)以CK最高,为82.6%,K₃处理最低,为60.5%。果实¹³C吸收量随钾素浓度增加呈先升后降趋势,以K₃处理最高(1.31 mg·g^-1),CK最低(0.57 mg·g^-1)。表明叶施钾素水溶液不同程度提高了叶片PSII光化学效率和碳同化关键酶活性,进一步提高了叶片同化物的合成能力和向外输送能力,促进了糖向果实的定向转运。同化物向果实转运数量以1.5% K₂O涂抹叶片处理(K₃)最多。     

Nitrogen Productivity Depends on Photosynthetic Nitrogen Use Efficiency and on Nitrogen Allocation Within the Plant

The concept of plant nitrogen productivity was introduced atthe end of the 1970s to interpret the dependency of plant growthon internal nitrogen. It is defined as the increase in plantdry matter per unit time and per unit plant nitrogen content.Recently, plant nitrogen productivity has been expressed asthe product of two terms: the leaf nitrogen ratio, which isthe proportion of the plant's nitrogen present in the leaves,and the leaf nitrogen productivity, which is defined as theincrease in plant dry matter per unit time and leaf nitrogencontent. In the present paper we use two data sets obtainedfrom C₃ herbaceous species to evaluate the relative importanceof variation in leaf nitrogen ratio and leaf nitrogen productivityin determining interspecific variation in plant nitrogen productivity.Further, we analyse to what extent leaf and plant nitrogen productivitiesdepend on photosynthetic nitrogen use efficiency. Results showthat in all cases, photosynthetic nitrogen use efficiency isa major determinant of both plant and leaf nitrogen productivities.A positive relationship between leaf nitrogen ratio and plantnitrogen productivity was found only when comparisons were madeover broad taxonomic groups.Copyright 1995, 1999 Academic Press Interspecific variation, leaf nitrogen ratio, nitrogen productivity, photosynthetic nitrogen use efficiency     

有机物料和氮肥相互作用对微生物体氮的影响*

培养和田间试验表明,有机物料（作物茎叶和有机肥）和氮肥对土壤微生物体氮的影响有着显著的交互作用。交互作用的大小与有机物料和氮肥的种类有关,因面也与有效碳源和矿质氮的比例有关。有机物料与硝态氮的交互作用大,而与铵态氮的交互作用小,交者是后者的２．７倍,这种８差异与微生物对两种形态氮的固定不同有关,有机物料Ｃ／Ｎ比的影响表现为随着Ｃ／Ｎ比增大,交互作用增加,并且在有机物料分解前期的交互作用大于中、后期     

氮肥对杂交小麦组织氮转运及其杂种优势的影响

研究了施氮和不施氮条件下6个杂交小麦及其7个亲本不同器官的氮转运,结果表明:施氮时叶中的氮转运受到极显著的促进,其氮转运量为不施氮的4倍,总麦草90%以上的氮转运来自叶片;无论施氮与否,叶中氮的转运率和贡献率最大,穗壳次之,施氮与否的同一器官并无显著差异;不施氮的各器官氮的转运量、转运率和贡献率多表现正的杂种优势,施氮的多呈负向优势.     

Effect of Nitrogen Fertilization and Residual Nitrogen on Biomass Yield of Switchgrass

Switchgrass, Panicum virgatum L., grown for biomass has been extensively researched where the annual precipitation >760 mm and the climate varies from humid to moist-subhumid. Research is needed for areas that receive <700 mm of precipitation, where the climate varies from dry-subhumid to semiarid. The objectives were to determine (1) the effect of nitrogen fertilization on biomass production, (2) the effect of residual nitrogen on biomass production, (3) the nitrogen yield from harvested biomass, and (4) the concentration of soil organic carbon (SOC) from switchgrass plots. Plots were fertilized annually with nitrogen at the rates of 0, 40, 80, and 120 kg ha^?1 from 2008 to 2011 and unfertilized from 2012 to 2015. The biomass yield varied with N rate × production year interactions (P < 0.05), and biomass yield as a function of N rate was either linear or curvilinear depending upon production year. When fertilized, the biomass yield averaged 4.4, 9.4, 11.6, and 13.2 ± 0.4 Mg ha^?1 for the 0, 40, 80, and 120 kg ha^?1 N rates, respectively. Residual nitrogen sustained high biomass yields for 1 year after fertilization ceased. The nitrogen harvested in biomass varied with N rate × production year interactions (P < 0.05), and the harvested nitrogen yield as a function of N rate was linear each year. Fertilization increased the concentration of SOC an average of 1.0 ± 0.2 mg g^?1 of soil. The data suggest that producers could occasionally skip a year of nitrogen fertilization without detrimentally impacting the production of switchgrass biomass.     

Effect of Nitrogen and Water Stress on Photosynthesis and Nitrogen Content in Wheat

The relationships between photosynthesis, leaf nitrogen content and water stress were studied in ten genotypes of wheat differing in the presence of dwarfing genes. Net photosynthetic rate (P_N) was mostly higher at ear emergence stage than at anthesis stage. P_N decreased with water stress (leaf water potential from –2.0 to –2.5 MPa), and with reduced leaf N content in all genotypes studied. Among the various genotypes, single dwarf and wild types showed higher P_N rate and maintained higher leaf N content under different N doses and water supply as compared to the other types studied.     

氮处理对大豆根瘤固氮能力及GmLbs基因表达的影响

共生根瘤的固氮效率受外界氮素的严格调控。除固氮酶活性外, 豆血红蛋白(Lb)浓度亦是反应固氮能力的重要指标。为明确氮水平对生物固氮作用的影响, 以大豆(Glycine max)为材料, 在低氮(0.53 mmol·L^-1)条件下接种根瘤菌, 30天后再进行高氮(5.3、10、20、30和40 mmol·L^-1)处理7天, 分析Lb浓度、固氮酶活性及类菌体发育状态。结果表明, 随着外界氮浓度的增加, 根瘤由红变绿, 且红色Lb明显减少而绿色Lb急剧增加; 固氮酶活性显著被抑制, 类菌体中侵染细胞数目和面积显著下降, 表明高氮引起Lb形态的改变与固氮能力关系密切。利用生物信息学及公开表达谱等数据进行分析, 发现大豆根瘤中主要含有4个共生Lb基因, 即GmLb1、GmLb2、GmLb3和GmLb4。4个GmLbs亲缘关系很近且位于进化树的同一分支。进一步分析GmLb1-4转录水平对氮的响应, 结果表明, GmLb1-4的表达显著受高氮抑制。研究结果可为揭示氮介导根瘤衰老机制及生物固氮的应用提供依据。     

氮素营养水平对冬小麦碳氮运转的影响

在大田试验条件下,研究了不同施氮水平对2种穗型冬小麦品种花后干物质和氮素积累与运转的影响及其与产量和品质的关系,以探讨氮素营养水平对冬小麦碳氮运转的影响.结果显示,适宜的施氮量（180 kg·hm^-2）能够极显著增加2种穗型冬小麦品种叶片、茎鞘等营养器官花前贮藏物质及花前贮藏氮素的再运转量和运转率以及总再运转量和运转率,也能够极显著增加成熟期籽粒氮素含量和花前贮藏氮素总运转量对籽粒氮素含量的贡献率.各施氮处理对2种穗型小麦品种花后氮素积累量对籽粒氮素含量贡献率的影响效应不明显.结果表明,适宜的施氮量有利于小麦籽粒和蛋白质产量的提高.