ABA、BA及DPI对高表达玉米C4pepc基因的水稻光合特性及叶绿素荧光特性的影响

为阐明水稻高表达玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(C4phosphoenolpyruvate carboxylase,C4pepc)出现高光效的分子机理,以盆栽转C4pepc水稻(PC)及野生型Kitaake(WT)为材料,花后7d茎吸入脱落酸(abscisic acid,ABA)、正丁醇(n-butanol,BA)及氯化二亚苯基碘(diphenyleneiodonium,DPI),考察其对叶片光合特性及酶活性等影响。结果表明:(1)与ABA处理不同,DPI和BA处理下PC的Pn均呈现先增加后下降的趋势,BA处理0.5h时Pn明显增加,原因主要是由于气孔导度的增加;(2)ABA、BA和DPI对Fv/Fm的影响不明显,与WT相比,PC的qP下降少;(3)BA处理后PC的PEPC活性降低了26%,而DPI处理则增加了48%。各处理并未对PEPC蛋白和基因的表达有影响。     

正丁醇和高光强下转玉米pepc基因水稻叶片超微结构的变化

以高光效高产的转玉米pepc基因水稻(PC)和野生型水稻(WT)为研究材料,在水稻苗期进行高光强处理(120 min,1 000 μmol·m-2·s-1)、高光强正丁醇复合处理(120 min,1 000 μmol·m-2·s-1+0.04%正丁醇)和正常光强处理(200 μmol·m-2·s-1,CK),运用透射电镜观察各处理材料叶肉细胞、维管束鞘、叶绿体、叶绿体片层以及线粒体等结构变化特点,并考察它们叶片的净光合速率(Pn)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性以及收获后的产量构成因子等.结果发现:PC植株具有较高Pn和PEPC活性,与其较高的有效穗数、穗长、千粒重和籽粒产量相对应;与野生型(WT)相比,高光强处理的PC植株叶肉细胞完整,维管束鞘细胞排列整齐,类囊体片层厚,排列有序,堆叠整齐,并且线粒体有序地在叶绿体周围聚集;但经正丁醇和高光强复合处理的PC叶绿体类囊体片层则降解,淀粉粒累积,表现出类似于高光强下WT植株被损坏的超微结构特征.研究表明,转玉米pepc基因水稻叶片的叶肉细胞、叶绿体和线粒体等具有高光效的超微结构特征;PEPC可能通过磷脂酶D(PLD)途径产生的磷脂酸(PA)参与PC在高光强下对类囊体片层稳定性的调节.     

外源Ca2+对PEG处理下转C4型PEPC基因水稻光合生理的调节

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)通过固定二氧化碳参与光合作用, 是关键的C₄植物光合作用酶。为了揭示高光效转C₄ PEPC基因水稻(Oryza sativa)对干旱胁迫的适应机理, 以高表达转C₄ PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake (WT)为供试材料, 在植株的4-5叶期, 使用不同浓度外源CaCl₂溶液处理, 测定在15%聚乙二醇6000 (polyethylene glycol-6000, PEG-6000)胁迫下叶片相对含水量、光合参数、内源钙总含量、叶片总蛋白激酶活性、PEPC酶活性以及相关基因表达和蛋白质含量。结果表明, 0.5 mmol∙L^-1 CaCl₂明显提高PC叶片相对含水量(P<0.05), 2 mmol∙L^-1和10 mmol∙L^-1 CaCl₂则作用不显著, 对WT则影响不显著。不同浓度钙处理对PEG处理PC的净光合速率影响不显著, 而通过维持气孔导度减少水分胁迫。内源总钙浓度的数据显示, 在PEG6000处理下, PC具有维持稳定内源Ca²⁺浓度的能力, 过高浓度(10 mmol∙L^-1 CaCl₂)钙处理反而降低了PEPC酶活性、PEPC基因表达和可溶性蛋白的含量。     

PLD途径合成的PA增强高表达转玉米C4型pepc水稻悬浮细胞中PEPC酶活性

为了研究外源信号分子对高表达玉米C₄型pepc酶活性的调节机制,本实验以高表达玉米C₄型pepc水稻（PC）和原种水稻Kitaake（WT）的悬浮细胞系为材料,研究葡萄糖、胡蜂蜂毒肽（mastoparan,Mas）及其磷脂酸（phosphatidicacid,PA）的两个合成途径的专一性抑制剂（磷脂酶D（phospholipaseD,PLD）的专一性抑制剂正丁醇和磷脂酶C（phospholipaseC,PLC）的专一性抑制剂新霉素）对供试材料PEPC活性的影响。结果表明,3%葡萄糖处理0.5h对WT的PEPC酶活性抑制最明显;相对于PC,则5%的葡萄糖处理5h时,对其PEPC酶活性抑制的最明显。5mmol/L的Mas对WT和PC悬浮细胞的PEPC酶活性分别抑制了约60%和40%。0.01mmol/L、0.1mmol/L和1mmol/L新霉素处理对WT的PEPC酶活性影响不明显,且无时间效应;与WT相比较,不同浓度的新霉素均增强了PC的PEPC酶活性,其中0.1mmol/L新霉素处理增加为对照的约7倍。正丁醇处理明显抑制了WT的PEPC酶活性,但不同浓度处理之间却没有显著差异;而对于PC,0.02%、0.04%正丁醇处理使得PEPC酶活性显著下降,且比WT的更显著。同时0.04%的正丁醇的抑制效应具有明显的时间效应。以上结果表明,对PC的PEPC酶活性的调节主要依赖于由PLD途径产生的PA的参与。     

干旱胁迫下表观遗传机制对转C4型PEPC基因水稻种子萌发的影响

为探究干旱胁迫下表观遗传机制对高表达玉米(Zea mays) C₄型PEPC转基因水稻(Oryza sativa)种子萌发的影响, 以转C₄型PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake (WT)为试材, 采用10% (m/v)聚乙二醇6000 (PEG6000)模拟干旱条件, 通过单独和联合施用PEG6000、DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5azaC)和可变剪接抑制剂大环内酯类(PB)进行种子发芽实验, 测定种子活力、萌发过程中可溶性糖和可溶性蛋白含量、α-淀粉酶活性以及PEPC、糖信号相关基因和部分剪接因子基因的表达。结果表明, 0.25 µmol·L^-1PB处理对2种供试水稻在干旱条件下种子萌发均表现出显著抑制作用, 使干旱条件下种子萌发过程中可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖和果糖含量以及可溶性蛋白含量均有所下降, PB也抑制糖信号-蔗糖非发酵1 (SNF1)相关蛋白激酶(SnRKs)家族和剪接因子丝氨酸/精氨酸富集蛋白家族(SR proteins)相关基因的表达以及α-淀粉酶的活性, 但对PC的抑制作用小于WT。5 µmol·L^-15azaC处理对干旱条件下种子萌发的效果与可变剪接抑制剂相反。5 µmol·L ^-1 5azaC联合PEG6000干旱处理部分减缓了干旱对水稻种子发芽率的抑制作用, 使供试材料发芽率升高, 表明DNA甲基化和可变剪接机制参与了水稻芽期干旱耐性, 其中对PC的作用更大。     

ABA、BA及DPI对高表达玉米C4pepc基因的水稻光合特性及叶绿素荧光特性的影响

为阐明水稻高表达玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因（C4 phosphoenolpyruvate carboxylase,C4pepc）出现高光效的分子机理,以盆栽转C4pepc水稻（PC）及野生型Kitaake（WT）为材料,花后7d茎吸入脱落酸（abscisic acid,ABA）、正丁醇（n-butanol,BA）及氯化二亚苯基碘（diphenyleneiodonium,DPI）,考察其对叶片光合特性及酶活性等影响。结果表明：（1）与ABA处理不同,DPI和BA处理下PC的只均呈现先增加后下降的趋势,BA处理0．5h时只明显增加,原因主要是由于气孔导度的增加;（2）ABA、BA和DPI对只／R的影响不明显,与WT相比,PC的qP下降少;（3）BA处理后PC的PEPC活性降低了26％,而DPI处理则增加了48％。各处理并未对PEPC蛋白和基因的表达有影响。     

脱落酸和己糖激酶抑制剂对高表达C4-PEPC转基因稻苗耐旱性的影响

为了研究高表达转玉米C₄-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC）基因水稻（PC）的耐旱性机制,本研究以PC和未转基因野生型原种kitaake为材料,分别在光照和黑暗预处理24 h,其中光照处理中光强为600 μmol·m^-2·s^-1,预处理后稻苗再在15％聚乙二醇-6000模拟干旱胁迫下,同时使用药理学的方法,通过加入脱落酸和己糖激酶的专一性抑制剂100 μmol·L^-1去甲二氢愈创木酸和10 mmol·L^-1葡萄糖胺,观察两种水稻4~5叶期稻苗耐旱表现。结果发现,与WT水稻相比,在PEG-6000处理后,经过光预处理的PC水稻叶片相对含水量下降较少,始终比WT的高,而且丙二醛含量则较少,脯氨酸诱导增加,表现耐旱;而经过暗预处理后PC植株显著降低这个优势,表明光预处理有利于PC耐旱性的表现;黑暗预处理均显著下调了2供试材料植株叶片中可溶性糖的含量,而对可溶性蛋白的含量影响不显著;而光预处理后PC水稻叶片内可溶性糖含量比WT增加,而在黑暗预处理则PC的显著低于WT的,其中葡萄糖胺对光预处理下PC的可溶性糖含量的下调作用最显著;暗预处理逆转或消除了NO,H₂O₂和钙离子含量变化趋势,这些变化与暗预处理减少了两材料叶片蔗糖和葡萄糖含量变化同步;光暗预处理对两材料的PEPC酶活性的差异影响不大,表明外源玉米C₄-PEPC在水稻中是组成型表达。可见PC叶片可部分通过糖组分,参与内源糖介导ABA和HXK信号途径,缓解干旱处理对叶片的伤害,稳定光合能力。     

干旱条件下外源蔗糖对高表达玉米C4型pepc水稻种子萌发的影响

为揭示外源蔗糖参与干旱胁迫下高表达转玉米C₄ 型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC)基因(C₄ pepc)水稻(简称：PC)种子萌发的生理机制,该研究以 PC及其未转基因野生型受体‘Kitaake’(简称：WT)的种子为材料,研究外施不同浓度蔗糖联合模拟干旱(10% PEG 6000)处理下,其种子发芽参数、总可溶性糖及可溶性蛋白含量、蔗糖非发酵1 (sucrose nonfermenting 1, SNF1)相关蛋白激酶(SNF1 related protein kinase 1s, SnRK1s)基因以及PEPC基因表达等参数的变化。结果表明：(1)PEG 6000模拟干旱处理均显著抑制两材料发芽,但明显促进胚根的生长;外施蔗糖则呈现浓度效应,高浓度蔗糖(>150 mmol·L^-1)进一步加剧了干旱对发芽的抑制效应,而低浓度(<30 mmol·L^-1)则可缓解干旱的抑制,但与WT(<30 mmol·L^-1)相比,促进PC水稻萌发的外施蔗糖浓度(<6 mmol·L^-1)更低,且各处理的发芽表现与其α 淀粉酶活性的动态表现一致。(2)与WT相比,外施3 mmol·L^-1蔗糖联合干旱处理下,显著提高了PC种子的发芽率,且伴随PC内源蔗糖含量、总可溶糖和可溶性蛋白含量显著增加;且外施3 mmol·L^-1蔗糖使PC中内源C₃ pepc基因表达下调,而外源导入C₄ pepc基因表达显著增加。(3)与WT相比,干旱处理下外施3 mmol·L^-1蔗糖,PC的糖信号相关基因SnRKs亚家族基因(包括SnRK1s：OsK1a OsK24 OsK35和SnRK2s:SAPK6)的表达也显著增加。研究发现,外施低浓度蔗糖通过上调PC水稻种子中可溶性糖和可溶性蛋白含量,增强SnRK1s亚家族基因和外源C₄ pepc基因的表达,提高了α 淀粉酶活性,从而缓解了干旱胁迫对PC种子萌发的抑制。     

过表达OsCatC基因水稻的获得及其耐盐性机理分析

过氧化氢酶C (Catalase C,CatC)作为重要的抗氧化酶,在水稻发育和胁迫响应方面起重要作用。为了探究CatC在盐胁迫响应中的功能及其作用机制,该研究构建了OsCatC过表达转基因水稻,并比较了其耐盐性和相关抗逆生理指标的变化。结果表明:(1)成功构建过量表达载体pCUbi1390-OsCatC-Flag,并经农杆菌介导的愈伤组织转化获得了30个独立转基因株系(T₀),Western blot鉴定T₁代幼苗共获得2个OsCatC过表达株系(OE-10、OE-18);qRT-PCR分析发现,OE-10和OE-18株系的OsCatC转录水平显著高于野生型(WT),证明OsCatC基因已成功过表达于转基因株系(OE-10、OE-18)中,且能正常翻译为融合蛋白CatC-Flag。(2)正常水培条件下,OE-10和OE-18与WT的水稻幼苗长势无明显差异,200 mmol·L^-1 NaCl处理7 d后再恢复水培10 d时,OE-10和OE-18幼苗的存活率为20%～25%,而WT幼苗绝大部分则干枯死亡,存活率仅为5%左...     

Effects of Epigenetic Mechanisms on C4 Phosphoenolpyruvate Carboxylase Transgenic Rice (Oryza sativa) Seed Germination Under Drought Stress

为探究干旱胁迫下表观遗传机制对高表达玉米(Zea mays) C₄型PEPC转基因水稻(Oryza sativa)种子萌发的影响, 以转C₄型PEPC水稻(PC)和野生型水稻Kitaake (WT)为试材, 采用10% (m/v)聚乙二醇6000 (PEG6000)模拟干旱条件, 通过单独和联合施用PEG6000、DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5azaC)和可变剪接抑制剂大环内酯类(PB)进行种子发芽实验, 测定种子活力、萌发过程中可溶性糖和可溶性蛋白含量、α-淀粉酶活性以及PEPC、糖信号相关基因和部分剪接因子基因的表达。结果表明, 0.25 μmol·L^-1PB处理对2种供试水稻在干旱条件下种子萌发均表现出显著抑制作用, 使干旱条件下种子萌发过程中可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖和果糖含量以及可溶性蛋白含量均有所下降, PB也抑制糖信号-蔗糖非发酵1 (SNF1)相关蛋白激酶(SnRKs)家族和剪接因子丝氨酸/精氨酸富集蛋白家族(SR proteins)相关基因的表达以及α-淀粉酶的活性, 但对PC的抑制作用小于WT。5 μmol·L^-15azaC处理对干旱条件下种子萌发的效果与可变剪接抑制剂相反。5 μmol·L ^-1 5azaC联合PEG6000干旱处理部分减缓了干旱对水稻种子发芽率的抑制作用, 使供试材料发芽率升高, 表明DNA甲基化和可变剪接机制参与了水稻芽期干旱耐性, 其中对PC的作用更大。     

Overexpression of OsHsp17.0 and OsHsp23.7 enhances drought and salt tolerance in rice

Heat shock proteins (Hsps) play an important role in plant stress tolerance. We previously reported that expression of OsHsp17.0 and OsHsp23.7 could be enhanced by heat shock treatment and/or other abiotic stresses. In this paper, stress tolerance assays of transgenic rice plants overexpressing OsHsp17.0 and OsHsp23.7 have been carried out. Both OsHsp17.0-OE and OsHsp23.7-OE transgenic lines demonstrated higher germination ability compared to wild-type (WT) plants when subjected to mannitol and NaCl. Phenotypic analysis showed that transgenic rice lines displayed a higher tolerance to drought and salt stress compared to WT plants. In addition, transgenic rice lines showed significantly lower REC, lower MDA content and higher free proline content than WT under drought and salt stresses. These results suggest that OsHsp17.0 and OsHsp23.7 play an important role in rice acclimation to salt and drought stresses and are useful for engineering drought and salt tolerance rice.     

水稻ECT基因家族的全基因组研究

真核生物mRNA转录后修饰可调控许多基因的遗传信息,植物m⁶A甲基化研究正成为关注的新热点。m⁶A结合蛋白 (m⁶A readers) 调节m⁶A修饰的特异性,通常具有YTH (YT521-B homology) 结构域,在拟南芥中被命名为ECT结构域 (evolutionarily conserved C-terminal region ECT domain) 。目前ECT基因已在拟南芥和水稻等植物中检测到,但该基因家族在水稻中的成员及生物学功能还缺乏研究。本研究通过水稻ECT基因家族的全基因组分析,鉴定出12个OsECT基因,具有1个保守的基序,多位于蛋白质氨基酸序列C-端。共线性分析表明,在水稻基因组内OsECT-c与OsECT-e发生了重复事件,在物种间ECT同源基因对可能是在双子叶和单子叶植物分化后形成。同源基因对OsECT的Ka/Ks < 1,表明OsECT基因家族在进化过程中可能经历了较强的纯化选择压力。表达模式分析显示,OsECT-b、OsECT-c、OsECT-e和OsECT-j在水稻生长初期各个组织均保持较高的表达水平,OsECT-g在干旱处理后表达量显著下调。因此,OsECT基因在水稻生长发育和逆境胁迫中可能发挥着重要作用。本研究为今后OsECT基因在水稻的节水抗旱机制研究和相关抗逆育种提供了重要的理论基础。     

干旱胁迫下拟南芥中H_2S与ABA信号关系研究

以野生型拟南芥(WT)、硫化氢(H_2S)合成酶缺失型突变体lcd、脱落酸(ABA)合成缺失型突变体aba1实生苗为材料,以0.3 mol·L^-1甘露醇模拟干旱胁迫,研究干旱胁迫对ABA含量、H_2S含量的影响,及其在拟南芥抵抗干旱胁迫中的作用及信号关系。结果显示:干旱胁迫显著提高LCD和ABA1基因相对表达以及H_2S含量,ABA含量;干旱胁迫显著抑制突变体lcd、aba1的种子萌发;干旱胁迫下,外施NaHS促进干旱胁迫下WT、lcd和aba1中內源H_2S的产生及上调LCD、ABA1基因相对表达,而外施ABA提高干旱胁迫下WT、aba1中H_2S含量及LCD、ABA1基因相对表达,但是对lcd中H_2S含量及LCD基因相对表达没有显著影响。研究结果表明,信号分子H_2S和ABA在拟南芥的干旱胁迫响应中发挥一定的作用,且H_2S位于ABA的下游参与调控拟南芥的信号过程。     

小麦TaLCD基因的克隆及其对渗透胁迫的调节作用

半胱氨酸脱巯基酶(CDes)可催化降解半胱氨酸(Cys)生成硫化氢(H₂S)。通过克隆小麦(Triticum aestivum)中的L-半胱氨酸脱巯基酶基因TaLCD, 并将其在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过表达, 探讨TaLCD对渗透胁迫条件下种子萌发和根系生长的影响, 并分析其对干旱胁迫的调节作用。结果显示, 盐胁迫条件下, TaLCD过表达植株种子萌发率显著高于野生型; 甘露醇处理条件下, TaLCD过表达植株的根长也显著高于野生型, 且TaLCD过表达显著提高植株抗旱性。此外, TaLCD过表达植株对ABA更加敏感, ABA处理下TaLCD过表达植株的种子萌发率及根长均显著低于野生型。干旱胁迫下, TaLCD过表达植株胁迫响应基因(COR47、RD29A、RAB18和RD22)及ABA信号途径相关基因(NCED3、HAB1、HAB2、ABI1、ABI2和ABF2)的表达水平均显著高于野生型。因此推测, TaLCD增强植株抗旱和抗盐能力可能依赖于ABA信号途径。