谷子MYB类转录因子SiMYB42提高转基因拟南芥低氮胁迫耐性

Myeloblastosis (MYB)类转录因子是高等植物中最大的转录因子家族之一,在植物发育及防御反应过程中发挥重要作用,还参与植物对干旱等非生物胁迫的响应。谷子(Setaria italica L.)起源于中国,具有抗旱、耐瘠薄的特性,是研究单子叶作物非生物胁迫抗性的理想材料。本研究对耐低氮胁迫谷子品种郑204经低氮处理后进行转录组分析,鉴定出一个在低氮胁迫条件下明显上调的MYB类转录因子SiMYB42。系统发育树结果表明,SiMYB42属于R2R3-MYB亚族,具有2个MYB保守域;表达模式分析显示,SiMYB42在低氮、高盐、干旱和ABA胁迫条件下表达量显著上调;亚细胞定位、quantitative real-time PCR及转录激活活性分析结果表明,SiMYB42蛋白定位于植物的细胞核和细胞膜中,主要在谷子的叶部或根部表达,具有转录激活活性;基因功能分析结果表明,在正常条件下,转SiMYB42基因拟南芥与野生型Columbia-0拟南芥(WT)无明显差异,但在低氮条件下,转SiMYB42基因拟南芥的主根长、根系表面积及鲜重均显著高于WT,结果证明SiMYB42基因可以提高转基因植物对低氮胁迫的耐性;下游基因表达分析结果显示,在转SiMYB42基因拟南芥中,参与植物氮素转运的硝酸盐转运基因NRT2.1、NRT2.4和NRT2.5的表达水平均高于WT,启动子分析结果显示NRT2.1、NRT2.4和NRT2.5基因启动子序列中均具有MYB结合位点。以上结果证明,SiMYB42可以通过调控下游硝酸盐转运体基因的表达提高植物在低氮条件下的耐性。本研究揭示了SiMYB42基因在低氮胁迫反应途径中的作用,为进一步了解谷子低氮胁迫响应的调控网络奠定了基础。     

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。     

大豆转录因子GmC2H2基因转化拟南芥效果分析

GmC2H2转录因子基因是本实验室获得的一个编码172个氨基酸携带516bp核苷酸的转录因子,属于经典C2H2型锌指蛋白.通过构建植物表达载体GmC2H2-pCAMBIA1304,借助优化的Floral-dip法转化模式植物拟南芥,经潮霉素Hygromycine( 45-50 mg/L)抗性筛选获得转基因拟南芥植株.GUS组织染色分析表明,GmC2H2基因在生长12d的转基因拟南芥幼苗中,表达部位主要集中在根部.对转基因拟南芥进行了低温(1℃)和脱落酸(200 μmol/L)胁迫处理,测定其生理生化指标,通过real-time qPCR确定目的基因在转基因拟南芥中的表达情况.结果表明,携带GmC2H2目的基因的转基因拟南芥中脯氨酸和可溶性糖水平要高于野生型植株,而丙二醛水平要低于野生型,在抗逆性方面明显优于野生型拟南芥植株;并且胁迫处理下的转基因拟南芥中GmC2H2基因的表达量要高于未胁迫处理的转基因植株,说明GmC2H2基因的表达受低温和ABA的诱导,初步明确了该转录因子基因的功能.     

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。     

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。     

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。     

沙冬青AmNAC3转录因子基因在抗旱性和抗寒性中的功能鉴定

为了研究强抗逆植物沙冬青Am NAC3转录因子基因在抗旱性和抗寒性中的功能,首先利用半定量RT-PCR方法对该基因进行了表达分析。结果表明,在室内培养的沙冬青幼苗中,Am NAC3有一定量的基础表达,在干旱胁迫下其转录水平明显上调,而在低温胁迫下其表达上调较弱。然后利用5'RACE技术获得该基因的5'端序列及全长cDNA序列,并利用RT-PCR方法克隆到其全长编码区(846bp)。将编码区片段构建到植物表达载体上,利用农杆菌介导法获得转基因拟南芥。进一步分析表明,转基因拟南芥对于干旱和低温胁迫的抗性表型与野生型无明显差异,但其离体叶片的失水率和气孔开度均大于野生型。此外,转基因幼苗中气孔开闭相关基因ABI1和ABI2的表达量降低。这些结果表明,Am NAC3可能主要在响应干旱胁迫和调节气孔开闭及叶片保水性中发挥功能,而在抵抗低温胁迫中无明显作用。     

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。     

过表达海洋微生物宏基因组MbCSP提高转基因拟南芥的抗旱和耐寒性

干旱和低温是影响农作物生长发育的重要因素,培育转基因作物是解决此问题的有效途径。冷激蛋白（Cold Shock Proteins,CSPs）是一类高度保守的核酸结合蛋白,参与非生物胁迫应答等细胞生理活动,转CSP基因可增强作物抗逆能力。以海洋微生物宏基因组DNA为模板,采用锚定PCR的方法克隆得到了MbCSP基因,其ORF为216 bp,编码一个由71个氨基酸构成的蛋白;对其进行同源性分析,显示该氨基酸序列与EcCSPG、EcCSPA（大肠杆菌 Escherichia coli）,BsCspB（枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis）和BcCspA（蜡样芽孢杆菌 Bacillus cereus）等冷休克蛋白氨基酸序列同源性在60%~90%;对该氨基酸序列进行多重序列比对和系统发育树分析,结果发现MbCSP蛋白包含RNP1（KGFGFI）和RNP2（VFVHF）等CSP蛋白经典的保守结构域,其与EcCspG（大肠杆菌）和CmCspG、CmCspB（堆肥宏基因组）等生物的冷休克蛋白亲缘关系较近。为进一步探讨冷休克蛋白MbCSP的功能,构建了植物表达载体pTF101-MbCSP,采用花序浸染法转化拟南芥,经过除草剂筛选和PCR检测,获得转基因植株。进行半定量RT-PCR分析,选择表达量最高的阳性株系进行后续的生理检测。结果表明：在干旱胁迫及低温胁迫下,转基因拟南芥的生长状况明显优于野生型,其生物量显著高于野生型植株;转基因拟南芥的叶片相对含水量、叶绿素含量和超氧化物歧化酶活性均高于野生型拟南芥,而丙二醛含量则低于野生型拟南芥。上述结果表明,过表达海洋微生物宏基因组MbCSP能够提高转基因拟南芥的抗旱和耐寒能力,为培育转基因作物新品种奠定了基础。     

构树转录因子BpbZIP1的鉴定及镉胁迫响应分析

重金属污染不仅影响土壤有效面积,限制植被分布,也会对食物链和人体健康造成危害,其中镉（Cd）污染尤为突出。选择重金属耐受性强的植物应用于尾矿区的土壤修复亟待进行。构树（Broussonetia papyrifera）是重金属污染土壤的先锋树种,为探明构树响应重金属胁迫的分子机制,本研究从构树中克隆获得1个碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper,bZIP）转录因子（命名为BpbZIP1）,对其基本生物信息、Cd胁迫响应及转化酵母的功能进行分析,预测BpbZIP1响应Cd的功能。结果显示,BpbZIP1基因开放阅读框长1 713 bp,编码的蛋白含570个氨基酸,分子量为62 902.38 Da,等电点为4.62。与拟南芥（Arabidopsis thaliana）AtbZIP1具有较近的进化关系。在150 μmol·L^-1 CdCl₂处理下,BpbZIP1基因能被不同程度的诱导表达,在3 h时BpbZIP1在根中的表达为对照的17.4倍。将BpbZIP1转入酵母能显著提高转基因酵母的抗Cd能力,当浓度高于0.6%时,转基因酵母的生长活力是对照的1.54~1.71倍。以上结果表明BpbZIP1基因能积极响应Cd胁迫,其表达可改善Cd胁迫耐受力,是构树Cd胁迫响应的重要基因。     

响应盐胁迫调控的露地菊miR398a的克隆及功能研究

miRNAs在非生物胁迫中起着重要的作用。通过前期对露地菊Small RNA高通量测序数据测得到miR398a成熟体和前体序列,命名为cgr-miR398a和cgr-MIR398a。序列对比显示,cgr-miR398a与其他植物中已经鉴定的miR398a序列高度保守;利用前期露地菊降解组数据获得miR398a预测的靶基因,cgr-miR398a根和叶中的靶基因共有18个,其中有铜/锌超氧化物歧化酶（CSD2）、铜伴侣蛋白（CCS）、类A20/AN1-l锌指家族蛋白（SAP8）等与抗性相关的基因。qPCR结果显示盐胁迫下露地菊miR398a及靶基因在不同组织部位的表达水平存在显著的负相关性。为探究cgr-miR398a响应盐胁迫的功能,克隆cgr-MIR398a并构建过表达载体转化拟南芥。结果表明,拟南芥中过表达cgr-MIR398a降低了盐胁迫下种子发芽率以及成苗期的抗盐性,说明cgr-miR398a在拟南芥响应盐胁迫中起着负调控作用。这为进一步研究露地菊mi398a的功能和露地菊的抗盐机理奠定了基础。     

辣椒锌指蛋白DnaJ-Like基因家族鉴定及对高温胁迫的表达响应

植物DnaJ-Like锌指蛋白（DNAJE）是近年来发现的一类具有重要功能的蛋白,在光合作用、质体发育与运动和植物抗逆及防御反应中发挥重要作用。基于辣椒全基因组数据,对辣椒DNAJE基因家族（CaDNAJE）进行鉴定,利用生物信息学方法对基因和蛋白特征、比较进化、共线性关系及高温胁迫下基因表达模式等进行分析。结果表明,CaDNAJE基因家族有28个成员,不均匀的分布在10条染色体和3个Scaffold上,氨基酸序列长度为99-470 aa,分子量为10.05-52.26 kD,理论等电点（pI）为4.75-9.64,其编码蛋白主要定位在叶绿体和细胞核中;辣椒、番茄和拟南芥的比较进化分析可将其分为GroupⅠ 和GroupⅡ 2个亚族,同一亚族具有类似的蛋白保守motif和基因结构;CaDNAJE基因启动子区包含大量光响应、激素响应和胁迫应答元件;辣椒与拟南芥DNAJE之间存在10对共线性基因,辣椒种内仅有1对;辣椒不同组织转录组分析发现,GroupⅠ 中多数成员在各组织中均有高表达,而GroupⅡ 中除CaDNAJE2、CaDNAJE9等基因存在高表达外,多数基因表达量都很低甚至不表达;高温胁迫下,辣椒叶片过氧化氢含量急速上升后降低,丙二醛含量持续升高,抗氧化物酶活性也有不同程度的提高。同时,高温诱导热激转录因子Hsf和热激蛋白HSP耐热相关基因及CaDNAJE基因高表达,在不同胁迫时期发挥调控作用。推测CaDNAJE基因家族可能参与辣椒响应高温胁迫,提高其耐受力,以降低细胞损伤。     

萱草叶片响应低温胁迫的转录组分析

低温胁迫是萱草（Hemerocallis fulva）生长过程中经常会遭遇的一种非生物胁迫。比较了萱草叶片在低温处理（10、5、0 ℃）下转录组与对照（15 ℃）数据的差异,共筛选出差异表达基因2 457个,其中上调基因1 253个,下调基因1 204个。差异表达基因主要富集在细胞过程、代谢过程和催化活性等49个GO过程,代谢途径、次生代谢产物的生物合成、植物激素信号转导等42条KEGG代谢途径中。其中参与植物激素信号转导通路的差异表达基因发生了不同程度的变化,GH3.10基因上调至对照组的13.624倍,IAA1基因下调0.120倍;参与可溶性糖合成通路的差异基因发生了0.076~28.114倍不同程度的变化。随后对3个低温处理组共有的29个差异表达基因进行热图和网络调控分析,基于基因在网络调控中的位置,对ABCF5、OFPs和SWEETs等基因在冷应答的作用进行了分析。本研究结果为进一步挖掘萱草低温响应的关键基因及耐寒萱草种质开发、分子育种提供了一定的理论支撑。     

转基因金叶银中杨叶色及生长变异分析

转PaGLK基因银中杨抑制表达株系叶绿素含量显著降低,叶片呈现黄色（命名为金叶银中杨）,以转PaGLK基因的银中杨为材料,测定其叶色参数和叶绿素含量的时序变化规律、分析生长特性。结果显示,转PaGLK基因的银中杨使叶片颜色发生改变,抑制表达株系整个生长期叶绿素含量显著低于WT（P<0.05）,叶色亮度显著高于WT（P<0.05）,并且在生长发育期叶片一直呈现深黄绿色。抑制表达株系中的Y2速生期内苗高日生长量（GD）高于对照株系,苗期株高不受影响。而过表达转基因银中杨的当年高生长都显著低于对照株系 （P<0.05）,其速生期内苗高日生长量均值（GD）也低于对照株系,其均值为对照株系的22.19%。PaGLK抑制表达株系在城市园林绿化具有潜在的应用价值。     

A molecular link between autophagy and circadian rhythm in plants

Extremely high or low autophagy levels disrupt plant survival under nutrient starvation. Recently, autophagy has been reported to display rhythms in animals. However, the mechanism of circadian regulation of autophagy is still unclear. Here, we observed that autophagy has a robust rhythm and that various autophagy-related genes (ATGs) are rhythmically expressed in Arabidopsis. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) and dual-luciferase (LUC) analyses showed that the core oscillator gene TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1) directly binds to the promoters of ATG (ATG1a, ATG2, and ATG8d) and negatively regulates autophagy activities under nutritional stress. Furthermore, autophagy defects might affect endogenous rhythms by reducing the rhythm amplitude of TOC1 and shortening the rhythm period of CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED 1 (CCA1). Autophagy is essential for the circadian clock pattern in seedling development and plant sensitivity to nutritional deficiencies. Taken together, our studies reveal a plant strategy in which the TOC1-ATG axis involved in autophagy-rhythm crosstalk to fine-tune the intensity of autophagy.     

H2S作为植物个体间交流的气体信号分子

植物遭受到昆虫取食、创伤及非生物胁迫时,会向环境中释放多种挥发性物质,直接或间接地帮助受胁迫植株抵抗伤害。同时,这些挥发性物质向附近的健康植株传递信息,以应对可能到来的侵害。硫化氢(H2S)作为细胞内气体信号分子提高植物对多种胁迫的抗性已有报道,本论文对H2S是否作为植物个体间传递信息的信号分子进行了研究。结果表明:40%PEG8000处理可以使谷子、白菜、番茄和拟南芥Col-0植株所在环境空气中H2S含量升高;谷子和拟南芥Col-0植株经PEG8000处理后,可以使邻近的非胁迫植株叶片的H2S含量升高和H2S响应基因表达变化,并诱导非胁迫植株气孔关闭;而拟南芥内源H2S产生酶基因LCD和DES1双基因突变体lcd/des1经PEG8000处理,不能引起空气中和邻近植物的H2S含量升高,不能诱导邻近植株气孔关闭。本论文表明,H2S可以作为植物个体间的信息传递分子;即受胁迫植物通过向周围环境中释放H2S,向邻近植株提供胁迫预警信息,可能对种群的生存有重要意义。     

干旱胁迫下拟南芥磷脂酶Dδ与一氧化氮在种子萌发中的信号关系

以拟南芥野生型（WT）、一氧化氮合酶（NOS）缺失型突变体（noa1）、硝酸还原酶（NR）缺失型突变体（nia1,nia2）及磷脂酶Dδ（PLDδ）缺失型突变体（pldδ）幼苗为材料,研究了0.3 mol·L^-1甘露醇模拟干旱胁迫响应过程中PLDδ和一氧化氮（NO）之间的信号转导关系。结果显示：干旱胁迫下NO含量,PLD和NR活性及基因相对表达量显著升高,pldδ和nia2较其他突变体对干旱胁迫更敏感;外源添加NO供体硝普钠（SNP）可以提高干旱胁迫下WT,nia2和pldδ的种子萌发,而外源添加磷脂酸（PA）可以促进WT和pldδ的种子萌发,但不能促进nia2的种子萌发;PA可以促进干旱胁迫下WT和pldδ的NO产生,但不能促进nia2中NO的产生。表明：干旱胁迫下PLDδ/PA位于NO信号的上游,且PLDδ/PA主要通过NR2途径产生的NO促进干旱胁迫下拟南芥的种子萌发。