植物非生物胁迫诱导启动子顺式元件及转录因子研究进展

顺式作用元件(cix-acting element)是与结构基因串联的特定DNA序列,是转录因子的结合位点,它们通过与转录因子结合调控基因转录的精确起始和转录效率,在植物基因表达调控过程中起着重要的作用.非生物胁迫诱导基因的表达受其上游启动子顺式作用元件及转录因子的调控,目前已发现了多种与非生物胁迫相关的顺势作用元件及转录因子,如DRE元件及DREB类转录因子、MYB元件及MYB类转录因子、GT-1元件及GT-1类转录因子等.顺式作用元件及转录因子的研究对研究植物非生物胁迫相关基因的表达调控具有重要意义,综述植物非生物胁迫诱导启动子功能元件及转录因子的研究进展.     

植物对非生物胁迫应答的转录因子及调控机制

植物对非生物胁迫的应答反应涉及到许多基因和生化分子机制,胁迫相关基因、蛋白质及代谢物构成了一个复杂的调控网络,其中转录控制具有举足轻重的作用。本文主要对近年来发现的几种在转录控制中起关键作用的转录因子CBF/DREB、bZIP、MYB/MYC和HSF及其调控机制进行介绍。这几种转录因子可以分别和胁迫应答顺式作用元件CRT/DRE、ABRE、MYB/MYC识别位点及HSE结合,在非生物胁迫条件下调控下游靶基因的表达,进而使一些胁迫保护物质如脯氨酸、可溶性糖类、自由基的清除剂、热休克蛋白和分子伴侣等的表达水平升高,最终增强植物对非生物胁迫的耐受能力。     

拟南芥AtUNE12基因的耐盐功能初探

bHLH转录因子家族成员在植物生长发育、生理代谢及非生物胁迫响应过程中起重要作用。本研究选取拟南芥抗逆相关bHLH转录因子家族中AtUNE12基因为研究对象,对其进行耐盐功能初探。首先构建AtUNE12基因的植物过表达载体（pROKⅡ-AtUNE12）,通过农杆菌介导的浸花法转化拟南芥,利用qRT-PCR技术检测获得T₃代AtUNE12过表达转基因植株。在盐胁迫下,分析过表达AtUNE12与野生型拟南芥长势、根长及鲜重;比较过表达AtUNE12与野生型植株的电解质渗透率、失水率、MDA含量、POD与SOD活性及H₂O₂含量,鉴定AtUNE12基因是否具有耐盐能力。结果表明：过表达AtUNE12基因降低了拟南芥植株的失水率、电解质渗透率及MDA含量,保护细胞膜结构的完整性;增强了POD与SOD活性,降低了拟南芥植株内的H₂O₂含量,进而增强拟南芥植株的ROS清除能力,从而提高拟南芥的耐盐能力。     

小黑杨转录因子PsnbHLH162基因在盐和低温胁迫下应答分析

为揭示小黑杨（Populus simonii × P.nigra）在面对非生物胁迫时,转录因子PsnbHLH162在植物体内发挥的作用,同时探究该基因在植物体内的信号转导过程,进而为未来获取优良的抗逆树种提供理论基础。以小黑杨为原材料,克隆获取PsnbHLH162基因,对目的基因和启动子进行生物信息学分析;之后用150 mmol·L^-1 NaCl、 4 ℃低温分别对野生型小黑杨进行胁迫处理,利用荧光定量PCR,分析基因响应非生物胁迫的功能。结果显示：PsnbHLH162 cDNA基因片段长537 bp,基因N端内含1个高度保守的HLH结构域。该基因表达蛋白是不含跨膜区域的稳定的亲水性蛋白,其定位在细胞核内且没有转录激活活性。启动子区域内含多种ABA应答、生长素应答、光应答和circadian元件,证实此基因参加非生物胁迫应答。荧光定量PCR结果表明在盐胁迫下,与茎、叶组织相比,基因在根组织的表达量最高;在低温胁迫下,与叶、根组织相比,基因在茎组织的表达量最高。发现野生植株内,PsnbHLH162能被盐、低温诱导表达。     

AtERF49在拟南芥应答盐碱胁迫中的作用

盐碱胁迫是造成作物减产的主要逆境因素之一。植物AP2/ERF（APELATA2/ethylene response factors）转录因子在植物生长发育及其响应非生物逆境胁迫过程中发挥重要作用。探究AtERF49在拟南芥中对盐碱胁迫的应答,为深入解析AtERF49参与植物对盐碱胁迫的分子机理奠定基础。选取拟南芥野生型Col-0、过表达AtERF49转基因拟南芥和CRISPR/Cas9突变体erf49为试验材料,用150 mmol/L混合盐碱（摩尔比NaHCO₃∶Na₂CO₃=9∶1）溶液进行处理,使用荧光定量PCR技术对该基因的基本特性、盐碱胁迫及光合响应基因表达模式等进行分析。结果表明,盐碱胁迫处理后,突变体erf49叶片萎蔫并发生白化,而过表达AtERF49植株叶片稍有变黄。此外,在盐碱胁迫条件下,过量表达AtERF49上调盐碱胁迫响应基因（RD29A和RAB18）以及光合响应基因rbcL的表达。拟南芥叶片叶绿素荧光参数测定结果表明,过表达AtERF49植株的光系统Ⅱ实际量子产能Y（Ⅱ）、光化学淬灭系数（qP）显著高于Col-0,光损伤程度（NO）和非光化学淬灭系数（qN）显著低于Col-0,而突变体erf49与之相反。因此,AtERF49通过调控下游盐碱胁迫响应基因的表达以及植物的光合作用效率,改变参与植物对盐碱胁迫的应答。     

转录因子网络与植物对环境胁迫的响应

转录因子所介导的基因表达调控网络在植物抵御各种环境胁迫的反应中具有重要功能.已鉴定的参与植物环境胁迫响应的转录因子及家族有APETALA2/EREBP、BZIP、WRKY和MYB等.这些转录因子组成调控网络,精细调控植物胁迫反应中各种相关基因的表达.转录因子及其调控网络的遗传修饰已成为从系统水平上探索胁迫生物学和提高植物胁迫耐性和抗性的有效工具.     

辣椒R2R3-MYB转录因子家族的全基因组鉴定与比较进化分析

MYB转录因子作为植物中最大的转录因子家族之一, 参与植物的生长、代谢、抵御生物和非生物胁迫等多种生理生化过程。R2R3-MYB是MYB转录因子家族的主要存在形式。辣椒是具有重要经济价值的蔬菜作物, 其R2R3-MYB转录因子缺乏系统的研究。从一年生辣椒(Capsicum annuum)、浆果状辣椒(C. baccatum)和中国辣椒(C. chinense)基因组中分别鉴定出94、92和94个R2R3-MYB基因, 基于系统发育关系将其分为28个亚族。共线性分析表明, 3种辣椒间存在73组直系同源R2R3-MYB基因, 一年生辣椒、浆果状辣椒和中国辣椒分别存在5、4和2个特有的R2R3-MYB基因。鉴定出12对重复基因, 其中8对是串联重复基因, 它们在3种辣椒分化前就已经存在。比较基因组学分析表明, 在辣椒进化过程中同源R2R3-MYB转录因子发生了功能分化。组织表达分析表明, 辣椒R2R3-MYB基因主要有3种表达特征: 在根、叶、茎和花中均高表达, 如CaMYB13/CbMYB12/CcMYB13; 仅在花中高表达, 如CaMYB93/CbMYB86/CcMYB12; 仅在根中高表达, 如CaMYB48/CbMYB47/CcMYB51。研究结果为深入揭示R2R3-MYB转录因子在辣椒生长发育中的生物学功能奠定了基础。     

木薯MeMYC2.2基因耐低温功能研究

MYC2（MYeloCytomatosis）转录因子是植物应对逆境胁迫过程中茉莉酸信号传导相关的核心转录因子。本研究旨在初步分析木薯MeMYC2.2基因在低温胁迫响应中的功能。利用生物信息学分析木薯MeMYC2.1和MeMYC2.2基因的结构及其编码蛋白的理化性质;通过定量PCR分析了上述2个基因在木薯组培苗叶片中对低温胁迫的响应;通过转基因拟南芥研究MeMYC2.2的抗冻功能。木薯组培苗叶片中2个MeMYC2基因的表达均在低温胁迫早期被诱导,其中,与MeMYC2.1相比,MeMYC2.2差异表达更显著。MeMYC2.2蛋白主要定位于细胞核中,且在酵母中具有明显转录自激活功能,表明该蛋白具有转录因子特性。与野生型相比,过表达MeMYC2.2的转基因拟南芥抗冻能力显著提高。在低温处理下,CBF3基因在转基因拟南芥中的表达量要明显高于其在野生型的表达量,但另外3个CBF基因在转基因拟南芥中的表达量明显下降。木薯MeMYC2.2的表达受低温和茉莉酸调控,可以提高植物的抗冻性,且可能影响CBF基因对低温的响应。本研究为进一步利用MeMYC2基因改良木薯的低温耐受性奠定了理论基础。     

拟南芥基因芯片数据中非生物胁迫相关基因的挖掘

利用方差分析法从拟南芥芯片表达谱数据库挖掘非生物胁迫相关基因,并对这些基因进行GO注释分析,从而揭示非生物胁迫的生物学意义,发现非生物胁迫主要影响植物基因表达过程的转录调节和信号转导过程的磷酸化。同时对这些基因的上游启动子区域序列进行分析,挖掘非生物胁迫反应调控过程和适应过程的转录因子,发现植物非生物胁迫过程主要受bHLH—ZIP类和ZN—FINGER类C2H2型转录因子的调节。     

AtMYB77促进NO合成参与调控干旱胁迫下拟南芥侧根发育

转录因子MYB77与信号分子一氧化碳(NO)是侧根发育的重要调节因子, 但MYB77和NO在干旱胁迫下侧根发生中的作用及机制尚不明确。该文以拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型、AtMYB77缺失突变体Atmyb77-1及过表达株系AtOE77-1和AtOE77-3为材料, 研究了MYB77和NO在干旱胁迫下侧根发生中的作用。结果表明, AtMYB77受干旱胁迫诱导, AtMYB77缺失导致干旱胁迫下侧根发育相关基因CYCA2;1和CDKA;1表达下调, 同时Atmyb77-1的侧根数目和长度显著低于野生型, AtMYB77过表达则作用相反, 表明AtMYB77参与干旱胁迫下侧根发育的调控过程。干旱胁迫下, 拟南芥根系NO含量显著升高, NO合成关键酶NO合酶(NOS)和硝酸还原酶(NR)活性及基因表达上调, Atmyb77-1中NO含量、NOS和NR活性及基因表达量显著低于野生型, 而AtOE77-1和AtOE77-3根系NO含量及合成酶活性和基因表达量显著高于野生型。外施NO供体硝普钠(SNP)能缓解AtMYB77缺失对CYCA2;1和CDKA;1表达及侧根生长的抑制, NO清除剂或合成抑制剂则削弱AtMYB77过表达对侧根生长的促进作用。上述结果表明, AtMYB77通过促进NO合成参与干旱诱导的拟南芥侧根生长过程, 研究结果为深入解析干旱诱导侧根生长的信号转导机制和培育耐旱植物奠定了理论基础。     

基因芯片技术筛选转SlNAC1基因拟南芥差异表达基因

研究已表明植物特有的一些NAC(NAM,ATAF1/2,CUC2)转录因子可提高植物抗逆性,利用基因芯片技术筛选转SlNAC1基因拟南芥与野生型拟南芥间差异表达基因,能够为研究转基因拟南芥非生物胁迫抗性相关基因提供依据。结果显示,在转SlNAC1基因拟南芥43 604个基因中有3 046个差异表达2倍以上的基因。对差异表达5倍以上基因经过GO富集度统计学分析表明,细胞组分相关基因占33.05%;分子功能相关基因占33.95%;生物学过程相关基因占33.00%。对差异表达2倍以上基因进行KEGG信号通路分析,结果表明有2 431个基因涉及到88个不同的信号通路。通过筛选获得转基因拟南芥非生物胁迫抗性相关候选基因,为后续研究NAC转录因子的下游基因及其调控网络的构建提供方向和理论支撑。     

小黑杨转录因子PsnbZIP1应答盐胁迫功能分析

为揭示小黑杨（Populus simonii × P. nigra）在面对非生物胁迫时,转录因子PsnbZIP1在植物体内发挥的功能,以小黑杨为试验材料,克隆得到PsnbZIP1的ORF区序列长为432 bp,并初步分析PsnbZIP1盐胁迫下的分子机制。采用q-PCR分析PsnbZIP1在150 mmol·L^-1 NaCl处理小黑杨组培苗时的表达模式,发现该基因的表达量快速上升;通过生物信息学分析预测PsnbZIP1转录因子为无跨膜结构且具有信号肽的亲水性不稳定蛋白;用农杆菌（Agrobacterium）介导的烟草（Nicotiana）瞬时表达观察该基因的亚细胞定位情况,结果表明该基因为核定位蛋白;用酵母单杂交实验证明该基因编码的蛋白在酵母体内不具有转录激活功能。对PsnbZIP1基因的启动子序列进行分析,结果表明该启动子包含了生长素应答、脱落酸应答元件、光应答元件以及种子特异性调控的顺式作用调控元件,该基因可能在植物的生长发育与响应胁迫过程中发挥了重要作用;启动子还包括参与干旱诱导的MYB结合位点和MYBHv1结合位点,表明该基因有可能与一些干旱诱导相关MYB基因相互作用。     

大麦NF-YC基因鉴定及在盐胁迫下的表达分析

核因子Y (NF-Y)是由NF-YA、NF-YB和NF-YC三个亚基组成的一类真核细胞转录因子, 主要参与植物生长发育调控和非生物胁迫信号传递。该研究利用生物信息学方法解析了大麦(Hordeum vulgare) NF-YC基因家族功能。首先, 基于大麦基因组数据库鉴定出11个HvNF-YC成员, 分布在除第2号染色体以外的其余6条染色体上, 内含子0-5个。系统进化分析显示, 大麦、拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa) NF-YC基因家族成员可分为5个亚家族。基因复制分析显示, 6个HvNF-YC基因存在片段复制, 3个HvNF-YC基因存在串联复制。启动子顺式作用元件分析显示, 大多数HvNF-YC基因启动子含有与非生物胁迫及激素响应相关的顺式作用元件。对HvNF-YC家族成员在不同组织不同时期的表达模式分析表明, 不同成员的时空表达存在明显差异, 其中HvNF-YC9和HvNF-YC11可能在籽粒发育初期发挥重要作用。通过分析耐盐型和盐敏感型大麦品种根和叶中HvNF-YC表达量变化, 发现HvNF-YC3、HvNF-YC6和HvNF-YC10主要在盐胁迫初期的根中行使功能, HvNF-YC9主要在长期盐胁迫处理后期的根中起作用。综上所述, 推测HvNF-YC9、10、11三个基因可作为后续探究大麦NF-YC参与耐盐作用机制的候选基因。该研究结果为进一步解析HvNF-YC在大麦中的耐盐调控功能奠定了基础。     

过量表达棉花CBF2基因提高转基因拟南芥抗旱耐盐能力

CBF/DREB是一类植物中特有的转录因子,在植物抵抗逆境胁迫过程中发挥重要功能。本研究从陆地棉(Gossypium hirsutum L.)Coker 312中克隆获得1个棉花CBF/DREB基因,命名为Gh CBF2,该基因编码一个由216个氨基酸组成的CBF蛋白。序列分析结果显示,Gh CBF2与其他植物的CBF蛋白类似,含有AP2转录因子典型的保守结构域。干旱或高盐胁迫处理明显增加了Gh CBF2基因的表达量。亚细胞定位分析结果发现Gh CBF2定位在细胞核中。将Gh CBF2基因构建到由35S启动子调控的植物表达载体p MD上并转化拟南芥(Arabidopsis thaliana L.),结果表明,在干旱和盐胁迫条件下,过量表达Gh CBF2基因拟南芥的成活率显著高于野生型,并且游离脯氨酸和可溶性糖含量也高于野生型,说明转Gh CBF2基因提高了拟南芥的耐盐抗旱能力。采用实时荧光定量PCR方法分析胁迫相关标记基因COR15A、RD29A和ERD6的表达情况,结果显示转基因株系中的表达量显著高于野生型,说明Gh CBF2参与调控拟南芥干旱和盐胁迫相关基因的表达。     

镉胁迫下地钱转录组的性别特异性响应机制

地钱(Marchantia polymorpha)作为雌雄异株的苔纲植物, 具有对重金属胁迫敏感的特性, 且种群中雌雄比例差异较大, 是研究重金属环境下植物性二态的理想对象之一。为探究雌雄地钱转录组对重金属镉的响应机制差异, 利用高通量测序和加权基因共表达网络分析(WGCNA), 鉴定了在镉胁迫条件下与不同性别地钱有关的模块和基因。结果表明, 镉胁迫响应转录因子雌雄差异主要集中于bHLH、ERF和MYB家族。关键差异响应基因包括MARPO_0147s0038、MARPO_1326s0001和MARPO_0015s0058。差异响应通路雌性主要集中在信号转导通路, 雄性则集中于类黄酮生物合成。研究结果有助于揭示雌雄异株地钱对镉胁迫的反应过程和响应机制, 可为理解雌雄异株植物对重金属胁迫的性别特异性响应机制提供参考。     

异源过表达OsATG8b基因提高转基因拟南芥的 氮/碳胁迫耐受性和产量

氮素是参与植物生长发育的一种重要元素, 对植物的产量和品质具有重要作用。自噬是真核生物中一种保守的细胞组分降解-循环再利用途径, 在植物生长发育和籽粒形成期间的氮素再动员过程中发挥作用。我们鉴定到水稻(Oryza sativa)自噬核心基因OsATG8b, 并获得2个独立的35S-OsATG8b转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)纯合株系。研究表明OsATG8b基因响应低氮胁迫处理, 过表达OsATG8b基因促进转基因拟南芥的生长发育, 使莲座叶增大, 单株产量显著提高(15.16%)。进一步研究表明, 过表达OsATG8b能够显著增强缺氮胁迫下转基因拟南芥叶片中的自噬活性, 从而有效缓解氮胁迫和碳胁迫对转基因拟南芥造成的生长抑制。因此, OsATG8b是提高氮素利用效率和产量的候选基因。     

毛竹MYB转录因子PeMYB2的克隆与功能分析

MYB类转录因子在调控逆境应答基因的表达起着重要的作用, 是最大的植物转录因子之一。文章通过同源基因克隆方法和RACE(Rapid-amplification of cDNA ends)技术, 以毛竹幼苗为材料, 获得一个MYB类转录因子, 命名PeMYB2。氨基酸序列分析表明, PeMYB2具有典型的R2R3-MYB特征, N端含有两个串联重复保守结构域, C端含有一个膜蛋白DUF3651; 进化树分析表明, PeMYB2与水稻OsMYB18序列相似性最高, 达到85.98%; 酵母单杂实验表明, PeMYB2具有转录激活功能。将PeMYB2转化拟南芥对其功能进行分析, 获得7株转基因纯合体植株。比较转基因和野生型拟南芥表型发现, PeMYB2的过量表达使转基因拟南芥出现矮化、晚花的现象; 非生物胁迫处理(盐胁迫、干旱胁迫、低温胁迫)结果表明, 转基因拟南芥中PeMYB2的过量表达, 导致转基因植株对盐胁迫和低温胁迫有更高的耐性, 但是对低温胁迫的耐受性没有明显的变化; 进一步通过盐胁迫信号通路相关Marker基因(NXH1、SOS1、RD29A、COR15A)的定量PCR实验验证, 发现PeMYB2对下游这些抗逆基因的表达具有调控作用。上述实验结果表明, 毛竹PeMYB2可参与非生物胁迫调控, 对毛竹盐胁迫和低温胁迫的响应起着重要的作用。     

苦荞转录因子基因FtMYB21的克隆及其非生物胁迫下的表达分析

MYB转录因子是植物最大的转录因子家族之一,广泛参与植物各种生理生化过程。本研究根据苦荞花期转录组数据,筛选得到一条与拟南芥At MYB1同源性高的序列,采用RT-PCR技术克隆得到该基因,命名为Ft MYB21。生物信息分析表明,该基因编码蛋白含364个氨基酸,相对理论分子量40.0 k D,理论等电点p I 5.79。多重序列比对表明,其编码蛋白属于典型的R2R3型MYB转录因子。进化树分析表明,Ft MYB21蛋白与拟南芥参与抗逆的At MYB1聚为一簇。荧光定量PCR分析表明,Ft MYB21在高盐胁迫下表达量持续显著上升,72 h时达最大值,为对照组的3.35倍;在PEG干旱胁迫下该基因表达量迅速上调,6 h后趋于稳定,为对照组的1.8倍。因此,Ft MYB21基因可能参与苦荞抗高盐和干旱等非生物胁迫的应答反应,这为进一步理解苦荞的抗逆生理奠定了基础。     

白桦BpERF98基因的遗传转化及非生物胁迫应答反应

非生物胁迫严重影响植物的生长发育,植物通过内部的分子调控机制抵御这种伤害,其中转录因子发挥了至关重要的作用。从野生型白桦（Betula platyphylla）叶片克隆BpERF98基因,通过农杆菌介导法获得过表达BpERF98的转基因白桦植株。测量转基因白桦和野生型白桦在低温、冻害和盐胁迫下的生理指标并进行差异性分析。通过分析发现,在非生物胁迫下转基因白桦的丙二醛含量及相对电导率均低于野生型株系,且转基因株系SOD和POD活性的增长明显高于野生型株系。结果表明,过表达BpERF98基因可以提高白桦对非生物胁迫的抵御能力,这为研究白桦在非生物胁迫下形成的分子机制及白桦抗性分子育种提供了依据。     

蒙古冰草MwMYB4基因功能鉴定

MwMYB4基因是从蒙古冰草中克隆得到的MYB类转录因子家族成员之一。该研究以转MwMYB4基因的拟南芥后代为材料,通过在干旱和低温胁迫下对转基因植株进行表型分析、理化指标测试和分子鉴定,分析并验证MwMYB4基因的功能。结果显示:(1)蒙古冰草MwMYB4基因已成功整合到转基因拟南芥T_1代的基因组中并实现转录水平的表达。(2)转基因拟南芥T_2代植株在干旱胁迫条件下,转基因植株叶片枯黄程度较轻,相对电导率较野生型变化幅度低,脯氨酸含量明显高于野生型对照,且MwMYB4基因的表达量随干旱胁迫时间延长而增加。(3)在低温胁迫条件下,转基因拟南芥叶片的枯白程度明显低于野生型,且MwMYB4基因的表达量随低温胁迫时间增加而增加。研究表明,过量表达蒙古冰草MwMYB4基因能够提高转基因拟南芥对干旱和低温的耐受性,该基因可能在干旱胁迫和低温胁迫调控机制中发挥调控作用,可作为改良农作物和其他牧草抗旱、抗寒性的重要候选基因。