拟南芥黏连蛋白RAD21对增强UV-B辐射后细胞分裂的响应

UV-B辐射对植物的影响体现在多个水平,其会引起植物DNA损伤,造成有丝分裂异常,最终影响植物的生长发育及生理生化过程。RAD21.3是黏连蛋白复合物的一个亚基,参与有丝分裂中染色体的分离。该研究以哥伦比亚生态型拟南芥(Arabidopsis thaliana)和atrad21.3突变体为材料,设置对照(CK)及UV-B处理组,对野生型(WT)、atrad21.3及过表达株系的根长、株高、抽薹时间和生理生化指标进行统计分析。利用碱性品红染色观察拟南芥根尖的有丝分裂现象,并统计畸变率。SPSS分析结果表明, UV-B处理后, WT UV-B和atrad21.3 CK的抽薹时间、株高及各项生理生化指标与WT CK相比无显著差异,但atrad21.3UV-B与之相比差异显著。通过烟草(Nicotianabenthamiana)的瞬时表达和亚细胞定位观察,发现RAD21.3集中在细胞核;进一步观察分裂期细胞发现落后染色体、染色体桥和游离染色体等异常现象。统计结果表明,与WT CK相比, WT UV-B和atrad21.3 CK的畸变率较高,但atrad21.3 UV-B的畸变率更高,表明RAD21.3可能响应UV-B辐射诱导的异常有丝分裂。     

UV-B辐射增强对拟南芥表皮蜡质的影响

以野生型拟南芥、蜡质不同程度缺失突变体CER1、CER3、CER4、CER6、CER10、CER20及KCS1为试验材料,通过施加50μW/cm2、长达10 d的UV-B辐射,研究了拟南芥表皮蜡质晶体结构、组分及蜡质基因对UV-B辐射的响应机制。结果表明:UVB辐射增强改变了拟南芥表皮蜡质晶体结构,表皮蜡质松针状(CER1)、柱状、杆状(CER3、CER10与KCS1)晶体结构显著减少,球状蜡质晶体类型出现在CER6表面,无规则片状、膜状结构覆盖在KCS1与CER10茎表面。野生型拟南芥蜡质晶体结构类型无明显变化,但在部分区域积累了大量水平杆状、管状结构,增加了蜡质层厚度。UV-B辐射增强也改变了拟南芥表皮蜡质组分的分泌量。野生型在UV-B处理后一级醇、酸、醛含量显著上升,烷、次级醇及酮含量显著下降,蜡质总量增加不显著。一级醇含量的增加及酮和次级醇含量的减少在拟南芥各材料响应UV-B辐射中具有普遍性。UV-B辐射增强诱导了野生型CER3、CER4、KCS1基因表达的上调,其中CER4大量表达,促进了蜡质组分中一级醇、酸和醛含量的积累;CER1在UV-B处理后表达量下调,可能导致烷合成下游分支途径相关产物(烷类、次级醇及酮类)的减少。WIN1表达量的下调对蜡质总量没有显著影响。UV-B辐射增强使蜡质前体从烷合成分支途径更多地转向一级醇分支途径。     

增强UV-B辐射对拟南芥叶肉细胞蛋白的影响

采用不同剂量的UV-B辐射处理4周龄的野生型拟南芥幼苗(Columbia-0),分别采用丙酮沉淀法和TCA-丙酮法提取其叶肉细胞中的蛋白质,进而研究分析拟南芥叶肉细胞中蛋白质的含量与组成对不同强度UV-B辐射的响应。结果显示,两种方法相比较,TCA-丙酮法所提取得到的蛋白含量相对较多,更适合于分析增强UV-B辐射对拟南芥叶肉细胞蛋白质的影响;而两种方法所提取得到的蛋白质含量的变化趋势相同,随着UV-B辐射剂量的增加,蛋白质含量呈先增加后减少的趋势,B₂组达到了最大。此外,蛋白条带的数目和表达量也都发生了显著变化,同样也是以中剂量处理组（B₂组）变化最为明显,既有新增条带,又有消失条带。这可能是由于拟南芥在受到低剂量的UV-B辐射时,可以激活自身一些抗性基因的表达而诱导产生抗性蛋白,进而抵御UV-B的伤害;而当受到高剂量的UV-B辐射时,损伤自身的蛋白质合成途径,影响蛋白的合成。     

拟南芥芥子酸酯对UV-B辐射的响应

芥子酸酯(sinapate esters)是拟南芥和其他十字花科植物中大量存在的一类具有紫外吸收作用的羟基肉桂酸衍生物,有研究表明其紫外吸收能力甚至强于类黄酮。以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料,通过施加低强度(40 μW/cm²)、相对长时间(7 d)的UV-B辐射,考察了拟南芥幼苗和成苗芥子酸酯组分(芥子酰葡萄糖、芥子酰苹果酸)和含量及合成途径关键酶编码基因表达水平对UV-B辐射的响应。经过7 d的UV-B辐射处理,拟南芥幼苗和成苗的芥子酰葡萄糖、芥子酰苹果酸含量均高于对照植株,芥子酸酯表现为响应UV-B辐射而积累。无论是幼苗还是成苗,叶片中芥子酰苹果酸的含量都要比芥子酰葡萄糖高出一个数量级,而且在UV-B处理过程中观察到芥子酰葡萄糖含量减少而芥子酰苹果酸含量增加,催化芥子酰葡萄糖生成芥子酰苹果酸的芥子酰葡萄糖苹果酸转移酶编码基因的表达水平也显著提高,说明芥子酰苹果酸在拟南芥叶片响应UV-B辐射过程中起重要作用并优先合成。另外,拟南芥幼苗中两种芥子酸酯的含量是成苗中的数十倍之多,芥子酸酯合成途径关键酶编码基因fah1和sng1的相对表达量也显著高于成苗。同时,在响应UV-B辐射的过程中,幼苗中芥子酰葡萄糖、芥子酰苹果酸含量的变化幅度(分别是7.01％、6.05％)远远低于成苗叶片中芥子酰葡萄糖、芥子酰苹果酸含量的变化幅度(分别是21.88％、70.63％),这可能意味着拟南芥叶片中芥子酸酯对于UV-B辐射的防护作用,幼苗属于组成型防御(constitutive defense),而到成苗则转变为诱导型防御(inducible defense)。     

增强UV-B辐射对拟南芥叶片微管蛋白的影响

以哥伦比亚生态型(Columbia-0)的野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)为实验材料,分别采用12.96KJ.m-2.d-1、17.28 KJ.m-2.d-1、21.60 KJ.m-2.d-1三种不同的UV-B剂量对9日龄拟南芥幼苗进行辐射处理,然后对微管蛋白进行纯化,通过紫外分光光度计和SDS-PAGE聚丙烯酰胺凝胶电泳初步研究了增强UV-B对不同处理组微管蛋白的影响,进一步用免疫印迹鉴定微管蛋白并比较不同处理组微管蛋白差异。结果表明,增强UV-B辐射对拟南芥叶片微管蛋白的含量有影响,与对照相比,不同剂量UV-B辐射处理组微管蛋白含量呈先增加后减少的变化趋势。     

不同时间的UV-B辐射对拟南芥幼苗生长的影响

以哥伦比亚野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料, 用辐射功率为16.67 μW·cm^-2但不同时间(0.5、1、1.5、2、2.5和3小时)的UV-B辐射对拟南芥幼苗进行处理, 观察叶片形态, 并测定其根长、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)浓度、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性及叶绿素荧光参数。结果显示, 短时间UV-B辐射可促进拟南芥根的伸长, 叶绿素和可溶性蛋白含量升高; 长时间UV-B辐射则抑制拟南芥根的生长, 使叶绿素含量、可溶性蛋白含量、叶绿素荧光参数F_v/F_m及qP逐渐降低, MDA浓度、SOD活性、CAT活性和qN值升高, 并随着时间的延长逐渐降低或升高。当辐射功率为16.67 μW·cm^-2时, 其最佳辐射时间为1.5小时。UV-B辐射作为一种环境胁迫, 其胁迫程度都是在一定的范围内, 当胁迫达到极限时, 植株都会对UV-B辐射产生一定的适应效应而使损伤降低。     

UV-B辐射对拟南芥种子萌发和幼苗生长的影响

以哥伦比亚生态型(Columbia-0)拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料, 人工模拟UV-B辐照处理拟南芥种子, 统计其发芽势和发芽率, 测定根长、株高、叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白以及丙二醛(MDA)含量, 研究UV-B辐照处理对拟南芥种子萌发和幼苗生长的影响。研究结果表明, 低剂量的UV-B辐照可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长, 并且最佳辐照剂量为1.0 kJ·m^–2(P<0.05), 此时的发芽势、发芽率、根长、株高、叶绿素、可溶性糖及可溶性蛋白的含量均达到最大, 而丙二醛的含量变化则不明显(P>0.05)。当辐照剂量大于1.0 kJ·m^–2时, 促进作用逐渐变小, 并且随着辐照剂量的增加, 表现出了抑制作用。实验结果表明, 适当剂量的UV-B辐照在一定程度上可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长, 而过高剂量的辐照则对其产生抑制或损伤作用。     

UV-B预处理诱导拟南芥耐旱性的提高

为了解UV-B提高拟南芥(Arabidopsis thaliana)耐旱性的生理机制,将2周龄的野生型拟南芥(WT)和sto突变体幼苗用不同剂量UV-B预处理1周,再用30%PEG模拟干旱处理24 h,对植株的表型进行统计,并测定类黄酮、脯氨酸和MDA含量。结果表明,低剂量UV-B预处理能够提高拟南芥的耐旱性,植株的类黄酮与脯氨酸含量分别提高了20%～40%和50%～65%,细胞膜受损程度降低,从而提高了保水性。低剂量UV-B提高拟南芥耐旱性的效应在sto突变体中消失,证明这种效应在分子机制上可能与STO蛋白相关。     

云杉幼苗对气候变暖和UV-B辐射增强的光合响应

采用开顶式有机玻璃罩(OTCs)及紫外灯分别模拟气候变暖和紫外辐射B(UV-B)增强,对位于气候变暖和UV-B增强突出的青藏高原东缘、高山峡谷地云杉(Picea asperata)幼苗的光合气体交换和叶绿素荧光参数进行测定分析,探讨云杉幼苗对气候变暖和UV-B增强的光合响应特性。结果显示:(1)UV-B辐射增强显著抑制了云杉幼苗茎和根的伸长生长以及生物量的累积,显著降低了云杉幼苗的净光合速率(Pn)、最大光合速率(Pmax)和表观量子产量(Φ),但是提高了光补偿点(LCP);UV-B辐射增强导致了云杉幼苗光合系统Ⅱ(PSⅡ)的光抑制,使PSⅡ有效量子产量(ΦPSⅡ)显著降低。(2)单纯OTC模拟增温显著提高了云杉幼苗的Pn和Pmax,而对气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和Φ无显著影响。(3)模拟增温缓解了UV-B增强对云杉幼苗光合作用的抑制作用,显著提高了UV-B胁迫下幼苗的Pn、Pmax、PSⅡ的潜在量子效率(Fv/Fm)和有效量子产量(ΦPSⅡ),并且提高了UV-B胁迫下幼苗茎、根的生长以及生物量的累积。研究表明,在未来气候变暖和UV-B辐射增强同时存在时,气候变暖能够在一定程度上缓解UV-B增强对云杉林光合作用的抑制作用。     

增强UV-B辐射对芒果离体叶片染色体的损伤

以芒果‘台农一号’盆栽苗离体叶片为试材,采用单细胞凝胶电泳法研究增强UV-B辐射条件下芒果叶片细胞染色体的损伤。结果显示：幼叶在处理4h、老叶和成年叶在处理6h开始出现染色体彗星拖尾现象,其OTM值开始急剧上升,此后,各叶龄叶片的彗星拖尾密度和长度以及OTM值持续上升;自然光下的叶片则无明显彗星拖尾,其OTM值低于UV-B辐射处理的并无显著变化。在UV-B辐射下,幼叶彗星拖尾最明显,OTM值最高,成年叶彗星拖尾和OTM值分别比老叶的更明显和更高。     

增强UV-B辐射对小麦根尖分裂期细胞肌动蛋白的影响

以增强UV-B（10．08kJ·m^-2·d^-1）辐射后的小麦根尖细胞为材料,异硫氰酸荧光素标记的鬼笔环肽（FITC-Ph）为探针,利用激光共聚焦扫描显微镜,观察分析小麦根尖分裂期细胞肌动蛋白在分裂周期的分布及形态变化。结果表明：uV-B辐射处理后,问期细胞肌动蛋白纤丝排列紊乱;前期细胞周质中肌动蛋白纤丝变为短的片段,点状荧光随机分布在周质;中期细胞荧光强度明显减弱,明亮的肌动蛋白片段消失,点状荧光消失;有丝分裂后期到末期,成膜体区域肌动蛋白纤丝或成弥散状或完全消失,且出现落后染色体、染色体桥、不均等分裂及三束分裂等染色体畸变类型和异常分裂现象。     

蓝藻对UV-B增强的响应与适应

平流层臭氧破坏导致地球表面紫外辐射(主要是UV-B)增强逐渐受到人们重视。由于蓝藻在生态系统中的重要性和在生物进化过程中的特殊性,用于研究UV-B对生物体的影响具有诸多优势。目前国内关于UV-B与蓝藻的研究报道较少,所以本文介绍了近年来国外该领域的相关研究,主要包括UV-B对蓝藻生物量、光合机构以及固氮等方面的影响,同时着重介绍了蓝藻对UV-B的适应策略。     

多蒴灰藓对强紫外线照射的生理响应

将多蒴灰藓(Hypnum fertile)置于紫外辐射下照光3周,研究了紫外辐射对多蒴灰藓的损害及其生理响应。结果表明： 与对照(自然环境)相比,多蒴灰藓的叶绿素和类胡萝卜素含量均随紫外辐射时间的延长而减少,MDA含量却明显增加,SOD、POD和CAT活性也相应增加;增加紫外辐射量会引起多蒴灰藓的氧化胁迫,其能通过增加抗氧化酶的活性来减轻这种胁迫。     

Response of photosynthesis to high light and drought for Arabidopsis thaliana grown under a UV-B enhanced light regime

Arabidopsis thaliana grown in a light regime that included ultraviolet-B (UV-B) radiation (6 kJ m⁻² d⁻¹) had similar light-saturated photosynthetic rates but up to 50% lower stomatal conductance rates, as compared to plants grown without UV-B radiation. Growth responses of Arabidopsis to UV-B radiation included lower leaf area (25%) and biomass (10%) and higher UV-B absorbing compounds (30%) and chlorophyll content (52%). Lower stomatal conductance rates for plants grown with UV-B radiation were, in part, due to lower stomatal density on the adaxial surface. Plants grown with UV-B radiation had more capacity to down regulate photochemical efficiency of photosystem II (PSII) as shown by up to 25% lower φ_PSII and 30% higher non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence under saturating light. These contributed to a smaller reduction in the maximum photochemical efficiency of PSII (F _v/F _m), greater dark-recovery of F _v/F _m, and higher light-saturated carbon assimilation and stomatal conductance and transpiration rates after a four-hour high light treatment for plants grown with UV-B radiation. Plants grown with UV-B were more tolerant to a 12 day drought treatment than plants grown without UV-B as indicated by two times higher photosynthetic rates and 12% higher relative water content. UV-B-grown plants also had three times higher proline content. Higher tolerance to drought stress for Arabidopsis plants grown under UV-B radiation may be attributed to both increased proline content and decreased stomatal conductance. Growth of Arabidopsis in a UV-B-enhanced light regime increased tolerance to high light exposure and drought stress.     

UV-B辐射对拟南芥细胞周期G1/S期转变的影响

以同步化的拟南芥（Arabidopsis thaliana）根尖细胞为材料,研究了UV-B辐射对拟南芥细胞周期G1／S期转变的影响。细胞周期荧光显微图像分析表明,UV-B辐射延缓了拟南芥根尖细胞G1／S期的转变。基因表达的RT-PCR检测表明,在UV-B辐射下G1／S期转变的标志基因HistoneH4和E2Fa的表达受抑制,而G1／S期转变的抑制因子KRP2基因表达则受诱导上调。单细胞凝胶电泳检测结果表明,UV-B辐射引起拟南芥根尖细胞内积累大量的环丁烷嘧啶二聚体。以上结果表明,UV-B辐射抑制植物的生长可能受细胞周期和DNA损伤调控。     

蓝藻对UV-B增强的响应及其紫外屏蔽物质的研究

紫外线辐射对生物体危害日趋严重,逐渐引起了人们的重视.由于蓝藻在生物进化中的特殊性和在生态系统中的重要性,用于研究UV-B对生物体的影响具有诸多优势,目前国内关于UV-B对蓝藻的影响相关报道较少.本文介绍了近年来国外该领域的相关研究,主要包括UV-B对蓝藻生物量、生理效应,特别是光合作用等方面的影响,同时着重介绍了蓝藻中的紫外吸收物质的研究现状,并进一步探讨了其应用情况.     

Effect of ABA on the UV-B-Induced Ethylene Evolution by the etr and ctr Mutants of Arabidopsis thaliana

The responses of 14-day-old Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. plants to UV-B irradiation (280–320 nm) and ABA treatment were investigated. Wild-type plants as well as ethylene-insensitive etr1-1 and ctr1-1 mutants were used. Theetr1-1 mutant considerably differed from the ctr1-1 one in the fresh weight production after UV-B treatment (29.5 kJ/m²). The irradiated etr1-1 plants fell well behind the nonirradiated ones during the first two days after stress, but by the 8th day, their weight attained 70% of control plant weight. In contrast, Ctr1-1 mutant weight comprised 70% of control level after two days of stress but, by the 8th day, it was only 56% of the weight of control plants. In wild-type and ctr1-1 plants, ABA, in the 8 × 10^–6 to 2 × 10^–4 M concentration range, increased the difference between the weights of nonirradiated and irradiated plants, but in etr1-1 plants, ABA decreased this difference. The etr1-1, ctr1-1, and wild-type plants were very similar in the dynamics of ethylene evolution after UV-B treatment (7.4 kJ/m²). In wild-type, etr1-1, and ctr1-1 plants, ABA, in a concentration-dependent manner, inhibited UV-B-induced ethylene evolution to the same extent. The results obtained show that ABA exerted an opposite effect on UV-B-dependent growth in the plants with active (wild type and ctr1-1) and blocked (etr1-1) ethylene signal pathway, whereas the inhibition of ethylene synthesis by ABA was not related to ethylene signal transmission.     

Regulation of Cell Division in Arabidopsis

The study of cell cycle control in plants is expected to contribute to the understanding of plants' unique developmental features. The principal regulators of the eukaryotic cell cycle, namely, cyclin-dependent kinases (CDKs) and cyclins, are also conserved in plants. This review is concerned with our present knowledge on cell cycle regulation in Arabidopsis thaliana, which is widely accepted as a model plant for the study of a broad range of biological questions. Up to the present, 2 CDKs and 11 cyclins have been identified in Arabidopsis. While the expression of one of these CDKs has been found to be positively correlated with the competence of cells to divide, cyc1A1 expression of the cyclin has been almost exclusively confined to dividing cells. Although much remains to be studied concerning upstream regulators of these genes, the successful introduction of mutant CDKs into plants demonstrates the potential of using such an approach to intentionally modulate the plant cell cycle and development.