Ca2+在植物细胞对逆境反应和适应中的调节作用

钙离子(Ca2+ )信号在植物的生长发育及其对环境的反应和适应中起着十分重要的作用。本文对Ca2+在植物细胞对低温、干旱和盐渍化逆境的反应和适应中的调节功能作一概述, 论述的主要问题包括: (1)Ca2+的亚细胞定位与分布, 细胞内Ca2+相对低水平的稳态平衡是Ca2+信号发生的基础; (2)Ca2+信号的优越性及其发生与传递; (3)Ca2+充当低温信号的传递者诱导抗寒锻炼和基因表达; (4)细胞内高水平Ca2+持久性调控越冬木本植物的生理休眠; (5)Ca2+对干旱、盐渍化及其渗透胁迫的调节作用; (6)Ca2+参与气孔开关运动的调节; (7)Ca2+参与逆境中细胞壁加厚和加固的调节。     

钙信使在植物适应非生物逆境中的作用

综述了非生物逆境胁迫下植物体内钙信号的产生,特点及植物在适应逆境中钙信使系统的可能作用。     

Ca^2＋在细胞凋亡中的作用

本文探讨了Ca2＋在细胞凋亡中的作用。许多证据表明细胞内Ca2＋浓度的升高或下降都有可能引起细胞凋亡。Ca2＋通过对一些酶和基因的调控来传递死亡信号。细胞核中的Ca2＋一方面能使染色质DNA舒展开来便于核酸内切酶能靠近活动,另一方面Ca2＋依赖的核酸内切酶参与了将DNA降解为DNA片段的过程,从而使细胞呈现细胞凋亡的特征。     

miR398在植物逆境胁迫应答中的作用

MicroRNA (miRNA)是一类新型的调控基因表达的小分子RNA, 它作为基因表达的负调控因子, 在转录后水平调节靶基因的表达。miRNA参与调控植物的生长发育, 并在多种非生物与生物胁迫响应中发挥重要作用。miR398是第一个被报道的受氧化胁迫负调控的miRNA。它通过负调控其靶基因Cu/Zn过氧化物歧化酶(Cu/Zn-superoxide dismutase, CSD)的表达, 在多种逆境胁迫响应中扮演重要角色, 如调节铜代谢平衡, 应答重金属、蔗糖、臭氧等非生物胁迫, 以及参与应答生物胁迫等。文章综述了miR398在多种逆境胁迫响应中重要的调节作用及miR398自身的转录调控。     

非生物逆境胁迫下植物钙信号转导的分子机制

Ca2+作为植物细胞中最重要的第二信使, 参与植物对许多逆境信号的转导。在非生物逆境条件下, 植物细胞质内的钙离子在时间、空间及浓度上会出现特异性变化, 即诱发产生钙信号。钙信号再通过其下游的钙结合蛋白进行感受和转导, 进而在细胞内引起一系列的生物化学反应以适应或抵制各种逆境胁迫。目前在植物细胞中发现Ca2+/CDPK、Ca2+/CaM和Ca2+/CBL 3类钙信号系统, 研究表明它们与非生物逆境胁迫信号转导密切相关。本文通过从植物在非生物逆境条件下钙信号的感受、转导到产生适应性和抗性等方面, 介绍钙信号转导分子机制的一些研究进展。     

非生物逆境胁迫下植物钙信号转导的分子机制

Ca^2＋作为植物细胞中最重要的第二信使,参与植物对许多逆境信号的转导。在非生物逆境条件下,植物细胞质内的钙离子在时间、空间及浓度上会出现特异性变化,即诱发产生钙信号。钙信号再通过其下游的钙结合蛋白进行感受和转导,进而在细胞内引起一系列的生物化学反应以适应或抵制各种逆境胁迫。目前在植物细胞中发现Ca^2＋／CDPK、Ca^2＋／CaM和Ca^2＋／CBL3类钙信号系统,研究表明它们与非生物逆境胁迫信号转导密切相关。本文通过从植物在非生物逆境条件下钙信号的感受、转导到产生适应性和抗性等方面,介绍钙信号转导分子机制的一些研究进展。     

一氧化氮(NO)在植物逆境响应中的作用

简要介绍了有关一氧化氮(NO)在植物非生物胁迫响应中生理作用的研究现状,并对与这一问题相关的研究趋势作了分析和讨论.     

H2S与Ca^2＋协同增强谷子对Cr^6＋胁迫的耐受

继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后,第三种气体信号分子硫化氢（H2S）对植物体生长发育和环境胁迫应答的调控正在受到越来越多的关注。钙离子（Ca2＋）是重要的第二信使,参与植物对多种胁迫的响应。该实验以谷子这种抗逆性较强的作物为材料,对其响应六价铬（Cr6＋）胁迫过程中H2S和Ca2＋45号的互作进行了研究。结果表明,Cr6＋胁迫显著激活谷子幼苗的H2s产生系统,外源H2S预处理能明显降低Cr6＋胁迫对谷子根尖细胞的损伤,而H2S的合成抑制剂羟胺（HA）预处理,使得Cr6＋对谷子的毒害增强;进一步实验发现,H2S能激活Ca2＋信号下游相关基因的表达,同时Ca＋能增强H2S的产生,表明在植物体内H2S和Ca＋信号存在复杂的联系。该研究也证明,H2S和ca2＋可以通过调节重金属离子转运蛋白增强谷子对Cr6＋的耐受。     

microRNA在植物逆境胁迫应答中的作用

逆境胁迫严重影响着全世界范围内的作物产量。为减少逆境胁迫损伤,植物在长期的进化过程中形成了多级别（转录、转录后和翻译、翻译后）的基因表达调控应答机制。最近研究发现,内源microRNA（miRNA）在植物逆境胁迫应答中具有重要的调节作用。在逆境胁迫发生时,一些miRNA会表达上调,而另一些miRNA会表达下调;miRNA正是通过下调胁迫应答过程的负调节子靶基因和上调胁迫应答过程中的正调节子靶基因,来执行生理调控功能。通过综述miRNA在植物逆境应答中的作用,以期全面的了解逆境胁迫调控网络。     

钙(Ca2+)在植物抗寒中的作用

Ca~(2+)作为植物细胞的第二信使对不同抗寒性植物起着不同的作用。冷敏感植物在冷胁迫下引起的Ca~(2+)流入不撤退,结果细胞内高浓度Ca~(2+)导致冷敏感植物的Ca~(2+)毒害。抗寒植物在冷胁迫中引起的细胞内Ca~(2+)水平的升高是短暂性的,它们在完成信使作用后即撤退。这种短暂性的高浓度Ca~(2+)可能通过激活某些有关的蛋白激酶,使某些相应的蛋白质磷酸化,从而诱发抗冻基因表达,使植物进入抗寒锻炼,发展各种抗寒特性。Ca~(2+)对抗寒特性的形成,除通过诱发抗冻基因表达发展抗寒特性外,Ca~(2+)也可能对某些抗寒特性的形成直接起作用,如Ca~(2+)对膜结构的稳定作用,刺激木质素和非纤维素多糖的合成及其在细胞壁内的沉积,以及直接调节胞间连丝孔道的开放与关闭等。     

拟南芥CBF1与植物对低温和干旱的抗性

对冷驯化过程中基因表达差异的认识,使抗冻基因(COR)的克隆及其功能的分析成为研究冷驯化过程的主要目标。在拟南芥和其他抗冻植物中,分离了许多COR基因,这些基因对植物抗冻起着非常重要的作用。在拟南芥COR调控的研究中,发现了CBF转录因子的基因家族,其中CBF1能调控一组COR基因的表达。近年来,在冷敏植物如番茄和玉米中也发现了CBF类似基因,拟南芥CBF1基因在转基因番茄中的过量表达提高了植株的抗寒和抗旱性。这一研究结果展示了拟南芥CBF1类似基因的应用可能为冷敏植物抗寒和抗旱性的品种改良提供一条新的途径。     

Molecular Aspects of MicroRNAs and Phytohormonal Signaling in Response to Drought Stress: A Review

Phytohormones play an essential role in plant growth and development in response to environmental stresses. However, plant hormones require a complex signaling network combined with other signaling pathways to perform their proper functions. Thus, multiple phytohormonal signaling pathways are a prerequisite for understanding plant defense mechanism against stressful conditions. MicroRNAs (miRNAs) are master regulators of eukaryotic gene expression and are also influenced by a wide range of plant development events by suppressing their target genes. In recent decades, the mechanisms of phytohormone biosynthesis, signaling, pathways of miRNA biosynthesis and regulation were profoundly characterized. Recent findings have shown that miRNAs and plant hormones are integrated with the regulation of environmental stress. miRNAs target several components of phytohormone pathways, and plant hormones also regulate the expression of miRNAs or their target genes inversely. In this article, recent developments related to molecular linkages between miRNAs and phytohormones were reviewed, focusing on drought stress.     

胡杨种子萌发对温光条件和盐旱胁迫的响应特征

以胡杨(Populus euphratica)种子为材料,分别设置光照(连续光照、12h光照/12h黑暗、连续黑暗)温度(10/15℃、15/20℃、20/25℃、25/30℃、30/35℃和35/40℃)试验、PEG6000渗透胁迫(0、-0.1、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2、-1.4和-1.6MPa)试验和NaCl胁迫(0、0.05、0.10、0.20、0.30、0.40、0.60和0.80mol/L)试验,考察室内种子萌发对温度、光照和盐旱胁迫的敏感性,揭示胡杨种子萌发阶段对生境资源的适应策略。结果显示:(1)胡杨种子在温度(10℃/15℃~35℃/40℃)与连续光照、连续黑暗和12h光照/12h黑暗组合处理条件下均能萌发,且最终种子萌发率均能达到77%以上;3种光照条件下,种子萌发的最适温度范围均为25℃/30℃~30℃/35℃,在该温度范围种子萌发表现出快速、集中的特点,且3种光照条件对种子萌发的影响无显著差异。(2)胡杨种子可以在-1.4~0 MPa渗透势溶液中萌发,而在-1.0~0 MPa间最终萌发率均达到90%以上,且相互之间无显著差异;但当渗透势低于-0.4 MPa时胡杨种子萌发进程和萌发速率受到显著影响,当溶液渗透势低于-1.2 MPa时种子萌发受到显著抑制。(3)胡杨种子可以在0~0.80mol/L NaCl溶液中萌发,而最终萌发率、萌发速率均随着NaCl溶液浓度的增高逐渐降低,但在0~0.20mol/L范围内无显著差异;当NaCl溶液浓度大于0.20mol/L时,种子最终萌发率、种子萌发进程和萌发速率均受到显著抑制,萌发高峰期逐渐向后推移。研究结果表明,胡杨种子萌发时温度比较宽泛,对光照无严格要求,适宜温度下萌发快速集中,且萌发时对盐旱胁迫具有一定程度的忍耐性。这些特性有助于胡杨种子充分利用有限的水分条件而快速完成萌发,是胡杨种子萌发对干旱荒漠地区干旱少雨环境的一种生态适应策略。     

白桦MYB基因响应激素及盐旱处理的表达研究

转录因子参与到植物激素不同的信号通路中及非生物胁迫的调控中，为研究白桦MYB转录因子家族基因对不同激素信号及非生物胁迫的响应，本研究以野生型白桦（Betula platyphylla）种子为材料，分别用10 μmol·L^-1的茉莉酸甲酯（MeJA）、100 μmol·L^-1的乙烯利（ETH）、20 μmol·L^-1的脱落酸（ABA）、50 μmol·L^-1的细胞激动素（KT）、200 mmol·L^-1 NaCl、100 mmol·L^-1 Mannitol以及水为对照进行处理，对激素处理4周的白桦下胚轴进行表型观察及基因表达分析，结果显示：激素处理能够影响白桦下胚轴及胚根的生长，经过ETH处理的白桦下胚轴和根短于水处理的对照，KT处理过的白桦下胚轴和根长于水处理的对照；MeJA、Ethylene及ABA处理对大部分BpMYBs的表达存在负调控，而BpMYB2，8，12基因上调表达；KT处理后，只有BpMYB11下调表达，其他的BpMYBs基因上调表达；NaCl处理后，大部分基因表现出先下调后上调的表达模式，在48 h被高度诱导；Mannitol模拟干旱处理条件下，大部分基因表现出先微弱上调后下调的表达模式。这些结果说明白桦MYB家族基因能够响应激素、盐和旱的处理，在调控白桦下胚轴及胚根应答外界信号的发育中起作用。本研究为探索激素调控木本植物生长发育的分子机制研究提供了数据和材料。     

Plant Molecular and Genomic Responses to Stresses in Projected Future CO2 Environment

The Earth has been undergoing climatic changes for centuries, driven by increasing concentration of atmospheric carbon dioxide (CO₂). The atmospheric CO₂ concentration has been predicted to reach 550–750 μmol mol^?1 by 2050, or twice as high as the current level. Much of the research in the last 20–30 years concerning elevated CO₂ (eCO₂) has been about how plants would respond to the eCO₂ at physiological levels. As eCO₂ can lead to more frequent drought or extreme high or low temperature, increasingly more research has focused on the interactions between eCO₂ and other abiotic stresses. How stresses may affect plant growth and development and productivity, as well as how agricultural practices may be altered to cope with these changes must be determined. These concerns have been the subject of numerous reviews. However, it is only in the last several years that data at the “omics” levels has been available to explore how necessary physiological changes may be brought about in a future complex environment. The systems biology approaches provide us an insight into the mechanism of plant responses to climatic changes at the genomics level. In this review, we present an overview of physiological effects of eCO₂ on plants, but focus on the interactions of eCO₂ with drought, high temperature, O₃, and multiple abiotic stresses, with particular emphasis at the molecular and genomics levels. We also provide perspectives on future research and emphasize the importance of integrated research on eCO₂ and multiple environmental stresses using systems biology approaches.     

Plant protein phosphatases 2C: from genomic diversity to functional multiplicity and importance in stress management

Protein phosphatases (PPs) counteract kinases in reversible phosphorylation events during numerous signal transduction pathways in eukaryotes. Type 2C PPs (PP2Cs) represent the major group of PPs in plants, and recent discovery of novel abscisic acid (ABA) receptors (ABARs) has placed the PP2Cs at the center stage of the major signaling pathway regulating plant responses to stresses and plant development. Several studies have provided deep insight into vital roles of the PP2Cs in various plant processes. Global analyses of the PP2C gene family in model plants have contributed to our understanding of their genomic diversity and conservation, across plant species. In this review, we discuss the genomic and structural accounts of PP2Cs in plants. Recent advancements in their interaction paradigm with ABARs and sucrose nonfermenting related kinases 2 (SnRK2s) in ABA signaling are also highlighted. In addition, expression analyses and important roles of PP2Cs in the regulation of biotic and abiotic stress responses, potassium (K⁺) deficiency signaling, plant immunity and development are elaborated. Knowledge of functional roles of specific PP2Cs could be exploited for the genetic manipulation of crop plants. Genetic engineering using PP2C genes could provide great impetus in the agricultural biotechnology sector in terms of imparting desired traits, including a higher degree of stress tolerance and productivity without a yield penalty.     

高温胁迫对花生幼苗光合速率、叶绿素含量、叶绿体Ca2+-ATPase、Mg2+-ATPase及Ca2+分布的影响

将水培后盆栽的花生幼苗,置于培养箱42℃高温培养,定时测定幼苗叶光合速率、叶绿素含量和叶绿体Ca2 -ATPase、Mg2 -ATPase的相对活性,并观察幼叶细胞内Ca2 分布的变化。试验结果表明:高温胁迫过程中,光合速率及叶绿素含量都随处理时间的延伸而下降,并呈显著正相关;叶绿体Ca2 -ATPase和Mg2 -ATPase高温胁迫过程中相对活性呈先升后降趋势,Ca2 -ATPase热敏性高于Mg2 -ATPase;高温胁迫过程中,Ca2 具有从胞外转运到胞质内和叶绿体中的趋势,Ca2 能够稳定高温胁迫下叶肉细胞膜和叶绿体的超微结构。     

Structures of EF-hand Ca 2+-binding proteins: Diversity in the organization, packing and response to Ca 2+ Binding

The growing database of three-dimensional structures of EF-hand calcium-binding proteins is revealing a previously unrecognized variability in the coformations and organizations of EF-hand binding motifs. The structures of twelve different EF-hand proteins for which coordinates are publicly available are discussed and related to their respective biological and biophysical properties. The classical picture of calcium sensors and calcium signal modulators is presented, along with variants on the basic theme and new structural paradigms.© Kluwer Academic Publishers