水稻生殖发育期耐热性的分子遗传机制研究进展

水稻在生殖发育期对高温胁迫非常敏感,高温热害已经成为水稻生产最重要的限制因子之一。阐明水稻在生殖发育期耐热性的分子遗传机制,挖掘耐热关键基因,利用基因工程以及分子标记辅助选择的方法改良水稻品种的耐热性具有重要意义。从水稻生殖发育期耐热性的数量性状基因定位(QTL)、转录以及蛋白水平的高温应答、耐热转基因研究领域的进展进行了概述。     

水稻资源开花期耐热性的全基因组关联分析

水稻在开花期对高温非常敏感,挖掘耐热种质并解析耐热性的遗传机制,有助于水稻的耐热性遗传改良。本研究选取205份国内外种质资源,在抽穗开花期对遇高温的稻穗进行标记,以高温下标记穗的结实率作为耐热指标,结合高密度SNP标记进行全基因组关联分析并初步预测候选基因。结果表明:不同水稻种质的耐热性差异明显,高温下的结实率最低为19.0%,平均值为64.0%,中位值为65.9%,最高值为86.6%,其中06-32、剪刀齐、娄早籼5号等17份种质的耐热性较强;全基因组关联分析共筛选到130个与耐热性显著关联的SNP标记,并鉴定到18个耐热QTL,其中6个QTL与已报道的耐热相关QTL共定位;qHT4-6与耐热性的关联度最高,根据该区间lead SNP的单倍型分类,G单倍型材料的开花期耐热性显著强于A单倍型材料,该区间附近有7个基因可能受高温调控。     

植物耐热相关基因研究进展

植物受到高温胁迫时,会激活某些特定基因的表达,从而增强植物的耐热性。近年来,随着生物技术的不断发展,植物耐热相关基因被相继克隆并转化植物体。本文对植物耐热的分子机制、相关基因的克隆、耐热性基因工程研究进展进行了综述,并提出了植物耐热基因工程的研究方向。     

抽穗扬花期高温胁迫对水稻主要品质指标的影响

高温热害对水稻生产造成了巨大的损失。利用国际水稻研究所耐热圃材料,在抽穗扬花期进行高温处理,研究了该时期高温胁迫对水稻主要品质评价指标的影响,结果如下：水稻耐热圃材料的耐热性有较大的差别,依然存在高温相对敏感材料;抽穗扬花期高温胁迫对水稻主要品质评价指标影响较大;高温胁迫对水稻籽粒的透明度、长宽比、垩白率、糊化温度和蛋白质含量等品质指标与品种的耐热性相关关系不大;高温胁迫下直链淀粉含量变化与品种耐热系数表现出显著的正相关关系（r=0.659 78）;高温胁迫下胶稠度变化与不同水稻品种的耐热系数呈显著的负相关关系（r=-0.516 70）。     

植物耐热性及热激信号转导机制研究进展

随着温室效应的加剧,全球气候变暖已经成为现代农业生产体系所面临的严峻挑战．高温灾害性气候是影响作物产量的一种主要的非生物胁迫．因此,对于农作物生产而言,研究植物耐热信号转导机制不仅有重要的科学意义,而且有现实的紧迫性．最近几年,在阐明植物耐热信号转导机制的研究方面取得了很多重要的进展,这些进展涵盖植物高温胁迫的感受机制、热激转录因子和热激蛋白的表达调控、热激转录因子结合蛋白参与耐热性调控的分子机制等几个主要的方面．热胁迫影响细胞膜系统、RNA、蛋白质的稳定性,同时改变酶的活性和细胞骨架系统．当热胁迫来临时,植物的转录组会发生显著变化,所涉及的基因大约占基因组的2％．这些高温胁迫响应基因构成了热激响应网络,是植物抵御热胁迫的第一道防线．植物的耐热性分为基础耐热性和获得性耐热性．基础耐热性是植物固有的耐热性．获得性耐热性是温和的热驯化诱导的耐热性．获得性耐热性状的形成反映了植物在自然生长环境下适应高温胁迫的生理机制．     

高温对水稻叶片蛋白质表达的影响

为明确高温对耐热性不同水稻品种叶片蛋白质表达的影响,以耐热性不同的2个籼稻品种双桂1号(不耐热)和黄华占(耐热)为材料,分别于苗期、减数分裂期及抽穗(始穗后0—10d)和灌浆早期(始穗后11—20d)进行高温处理,之后取材并采用双向凝胶电泳技术研究高温对不同水稻品种叶片蛋白质表达的影响。结果表明,高温胁迫导致叶片中蛋白质的变化呈4种状况:新蛋白质的产生,一些蛋白质表达量上调,一些蛋白质的表达被抑制,一些蛋白质表达量下调。蛋白质表达变化在两品种以及4个处理时期的表现不同,总体表现为在热敏感品种中表达谱发生变化的蛋白质总数高于耐热品种。质谱分析表明,差异蛋白质主要涉及光合作用和信号转导,该类蛋白质在热敏感品种中表现为不表达或表达量下降,而在耐热品种则表现为有新诱导的蛋白质的产生或表达量上调,表明参与光合作用和信号转导的蛋白质在水稻耐热机制中发挥了重要作用。     

地方稻资源D43的开花期耐热特性研究

水稻在抽穗开花期对高温胁迫非常敏感,通过挖掘耐热资源,培育耐热水稻品种是应对高温热害最有效的方式。前期研究发现,地方稻资源D43在花期连续高温条件下能保持较高的结实率。本研究在大田和人工气候室不同高温处理下,分析了D43的开花时间与耐热性之间的相互关系。结果表明,高温能够使水稻的开花时间提前,D43表现出稳定的早花时特性,高温胁迫下的开花时间集中在8∶30~10∶00;在开花时间段恒定高温胁迫下,D43的结实率较低;但在大田高温和人工气候室模拟高温胁迫下,D43的开花时间避开了日高温段,从而表现出较高的结实率;花器官形态性状包括花药开裂率、柱头上的花粉附着数、花粉萌发数与结实率之间呈显著正相关,因此可用于评价水稻的花期耐热性。     

水稻孕穗期耐热种质资源的初步筛选

在人工气候室设定极端高温条件下,对来源于不同国家和地区的58份处于温度敏感期的水稻品种耐热性进行鉴定,以结实率下降的百分率为指标,通过方差分析,对水稻种质资源的耐热性进行评价。结果表明,种质间的耐热性存在显著差异,筛选出极端耐热品种2份（IRAT118和冷水白）。     

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。     

高温胁迫对水稻花粉粒性状及花药显微结构的影响

对两个耐热性不同的水稻品系进行高温处理(8:00～17:00,37℃,17:00～8:00,30℃),测定了高温胁迫对水稻花粉粒性状及花药显微结构的影响.结果表明,高温胁迫导致花药开裂、花粉活力、花粉萌发率和柱头上花粉粒数的显著下降,花粉粒直径增大.高温下耐热品系996的花药开裂、花粉活力、花粉萌发率和柱头上花粉粒数明显高于热敏感品系4628,这表明耐热品系996在高温胁迫条件下能保持较好地花粉散落特性和花粉萌发特性,是其耐热性的生理基础;高温下耐热品系996的花药壁的表皮细胞排列较整齐,细胞间隙小;药隔维管束较大,维管束鞘细胞排列整齐,簿壁细胞多且排列整齐,木质部和韧皮部清楚可见;而热敏感品系4628花药壁的表皮细胞形状不规则,排列疏松,细胞间隙大,药隔维管组织受到很大程度破坏,维管束鞘细胞形状异常,排列紊乱,木质部和韧皮部界限不清.     

RNA 解旋酶调控rRNA内稳态: 水稻耐热 新机制、分子育种新资源

高温热害是影响水稻(Oryza sativa)产量形成的重要限制因子。DEAD-box RNA解旋酶在核糖体RNA前体加工及植物抗逆中扮演着重要角色。最近, 中国科学家在DEAD-box RNA解旋酶调控水稻耐热性分子机理研究方面取得了突破性进展。     

江西省早稻品种抽穗扬花期耐热性鉴定评价研究

在自然条件和人工温室模拟极端高温胁迫下对江西省生产上推广种植的37份早稻品种进行抽穗扬花期耐热性鉴定评价。以高温胁迫下结实率和结实率降低率为评价指标,对参试品种的耐热性进行综合评价。方差分析结果表明,杂交水稻组合间在自然条件和高温胁迫下结实率及结实率降低率接近显著水平,说明杂交水稻组合间耐热性存在一定的差异;而常规水稻品种间在自然条件和高温胁迫下结实率及结实率降低率差异不显著,说明常规水稻品种间耐热性的差异较小。2013年高温胁迫下平均最高气温(41.3℃)比2012年高0.9℃的情况下,杂交水稻平均结实率比2012年降低8.9%,而常规水稻平均结实率仅降低1.72%,常规水稻平均结实率的降低幅度明显低于杂交水稻;常规水稻品种的耐热性强于杂交水稻组合。2013年自然条件下最高气温(36.8℃)比2012年高1.3℃,但杂交水稻和常规水稻的平均结实率反而比2012年分别高5.6%和15.0%,这可能是由于2013年自然条件下相对湿度(81.4%)比2012年高(高14.4%)所致,说明气温高于适宜的生育温度时,相对湿度的增加有助于增强水稻品种的耐热性。五丰优623、陵两优611、株两优819、株两优312等4个杂交水稻组合和湘早籼7号、嘉育948、中早35、中早25等4个常规稻品种在高温胁迫下表现为较高的结实率且结实率降低率较低,认为可作为耐高温水稻品种在水稻生产和育种中加以利用。     

耐热黑曲霉3.316菌株全基因组测序及分析

黑曲霉3.316是一株耐热型丝状真菌,最高生长温度达47℃,在工业发酵中有着巨大的应用潜力。为了更加充分地在工业发酵中利用其耐热特性,需要对菌株信息进行全面了解。通过PacBio Sequel测序平台的CLR测序方式对黑曲霉3.316菌株进行全基因组测序。结果表明,基因组最后得到15个contigs,总长度为34 956 132bp,GC含量为49.21%,预测到10 032个编码基因,在GO、KOG、KEGG数据库分别有6 901、2 118和9 494个基因得到注释。通过分析比较得到黑曲霉耐热性与抗氧化相关基因超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）有密切关系,这为后续研究黑曲霉3.316耐热特性提供可靠信息,同时为应对工业发酵中的高能耗、高生产成本以及高温环境的现状提供优良菌株。     

水稻花器官特征决定以及数量控制的分子机制

继双子叶模式植物拟南芥之后,单子叶模式植物水稻的生殖发育研究受到广泛的重视。随着水稻正向和反向遗传学研究的不断深入,人们发现了一些调控水稻花器官特征以及花器官数量的重要基因,使得对水稻花器官发育的调控机制有了更多的了解。本文着重概述和讨论水稻花器官特征决定以及花器官数量控制分子机理研究的最新进展。     

观赏山楂耐热性及其叶片光合与叶绿素荧光特性研究

以引自国内外的15种观赏山楂苗木为材料,于上海夏季自然高温下对其叶片光合气体交换参数及叶绿素荧光参数进行测定,并观察它们的田间耐热性,以揭示其耐热的光合生理机制.结果显示,4种山楂表现出较强耐热性,6种较耐热,而5种耐热性较差;15种山楂叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、瞬时水分利用效率(WUE)的种间差异显著(P<0.05),且耐热性强的品种P_n、T_r、G_s、WUE值较高,高温下能够维持较高的光合固碳水平;各品种山楂叶片的PSⅡ最大光能转换效率F_v/F_m、电子传递效率ΦPSⅡ和光能捕获效率F_v'/F_m'差异显著,耐热性强品种F_v/F_m保持在0.8以上,且ΦPSⅡ值与F_v'/F_m'较高.研究表明,观赏山楂主要通过加大气孔蒸腾散热、降低叶表面温度以及维持较高光能电子传递与转化效率来减轻高温对光合机构伤害,以维持植株正常光合作用;山楂叶片PSⅡ原初光能转换效率及潜在活性与其耐热性密切相关,F_v/F_m值可作为山楂耐热性鉴定指标.     

水稻花器官特征决定以及数量控制的分子机制

继双子叶模式植物拟南芥之后, 单子叶模式植物水稻的生殖发育研究受到广泛的重视。随着水稻正向和反向遗传学研究的不断深入, 人们发现了一些调控水稻花器官特征以及花器官数量的重要基因, 使得对水稻花器官发育的调控机制有了更多的了解。本文着重概述和讨论水稻花器官特征决定以及花器官数量控制分子机理研究的最新进展。     

奶牛HSP70基因表达及其连锁微卫星标记与耐热性状的相关性

为了研究奶牛HSP70基因的mRNA表达规律和其紧密连锁的3个微卫星标记与耐热性状的相关性,文中在日平均温湿度指数(THI)为86.2(高温期)、70.9(临界高温期)和56.8(适温期)时分别采集10头处于同一泌乳阶段的同龄健康奶牛的尾静脉血,采用实时荧光定量RT-PCR技术分析不同条件下奶牛HSP70基因在外周血淋巴细胞的mRNA表达水平。结果表明:随THI升高,HSP70mRNA表达量呈上升趋势,高温期奶牛的外周血淋巴细胞HSP70mRNA表达丰度极显著高于临界高温期和适温期(P0.01),且与奶牛的耐热指标具有一定的遗传相关,表明HSP70基因可以作为奶牛热应激反应的候选基因。选取23号染色体上与HSP70紧密连锁的3个微卫星标记BMS468、BM1258和BM1815,用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分析其在160头荷斯坦奶牛的遗传变异情况,利用最小二乘法拟合线性模型初步探索了这3个微卫星座位与奶牛耐热指标的关系。相关分析表明:耐热系数、红细胞钾含量及高温期日产奶量下降率的最有利基因型在BMS468基因座和BM1815基因座上,分别为134bp/128bp(P0.05)和186bp/148bp(P0.05);BM1258基因座上,最有利基因型101bp/99bp的高温期日产奶量下降率最低(P0.05)。     

圆锥南芥适应高山环境极端高温的系统性耐热能力

高山生态系统的主要气候特征是温度变化幅度较大,目前研究主要集中于高山植物的抗冻机制,而很少关注其对极端高温（高于45℃）的适应性。本研究发现高山物种圆锥南芥跟拟南芥比,具有更强的基础耐热性和获得性耐热性。通过叶绿素荧光检测发现在极端高温下,圆锥南芥具有更稳定的光系统II和更有效的能量耗散机制来维持更高水平的光合效率。通过电导率和丙二醛含量的检测发现圆锥南芥的膜伤害更小,膜流动性与脂肪酸链的长度和不饱和度紧密相关,圆锥南芥脂肪酸具有更低的16∶3含量,更长的碳链,不饱和度没有明显的变化,这些可能有助于维持膜的稳定。另外,更高表达量的HSP101和HSP70可能为圆锥南芥提供了更好的保护作用。以上结果表明,圆锥南芥能利用生理生化活动的调整来适应高山环境中的极端高温,这种耐热策略与低地耐热植物相似,因此圆锥南芥具有系统性耐热能力,可以作为研究植物耐热分子机制的模式物种。