植物代谢途径的多样性

在对植物代谢的共性已有较深入的了解之后,现在人们对代谢的“多样性”表现了极大兴趣。这方面的研究工作是由我国植物生理学家汤佩松教授开创的。1956年,他在总结自己过去多年工作的基础上首次提出高等植物呼吸代谢的“多条路线观点”,并在1965年进一步发展了这个论点。随着研究的不断深入以及植物其它代谢过程研究的发展,现已发现在光合作用、氮代谢及脂类代谢方面也同样表现出“多样性”现象。关于代谢“多样性”的研究已经不只局限于基质水平,例如,呼吸代谢多样性的研究已深入到电子传递末端氧化过程,这里仅在基质水平上对代谢途径的多样性作一简述。     

高等植物的次级代谢

代谢是生物所共有的生命过程。从碳代谢流来看,植物、动物和微生物的过程是一样的。我们可以把植物的代谢分为初级代谢和次级代谢(Secondary metabolism)。从底物(如糖)开始,经糖酵解和三羧酸循环(EMP-TCA途径),包括戊糖支路(HMP)进行底物降解和末端氧化,这部分过程通常称之为初级代谢。从初级代谢关键中间产物出发,与蛋白质代谢、脂肪代谢、核酸代谢相联结(图1),其与植物的生长发育和繁     

优质稻米‘青香软粳’低直链淀粉含量形成分子机制的初步研究

Waxy（Wx）基因在调控直链淀粉含量形成过程中起着重要的作用,是稻米蒸煮食味品质的一个关键决定因素。在本项研究中,我们以直链淀粉含量为8.7%和10.2%的优质稻品种‘青香软粳’和‘南粳46’为主要研究对象,初步分析并探讨了这两个优质稻品种稻米低直链淀粉形成的分子调控机理。结果显示,虽然都为Wx-II型粳稻品种,‘南粳46’的Wx基因在启动子1773位置存在AA/CT的变异,‘南粳46’和‘青香软粳’的Wx基因在启动子＋693位置具有G/A位点多态性。转录水平分析表明,在‘南粳46’和‘青香软粳’稻米发育过程中,Wx基因的表达模式有较大的差异,可能与其启动子序列的多态性相关,AA/CT变异处于Wx基因的转录调控区。Wx基因启动子后＋693位点的多态性与已报道Wxmq多态性位点之一相同,引起Arg158/His158的变异;生物信息学软件分析表明,该位点处于底物进入Wx蛋白催化中心的袋口上,Arg158/His158位点的变异可能影响到底物进入Wx蛋白催化活性中心的速率,从而影响稻米直链淀粉的合成过程和含量。文章丰富了Wx基因多态性的研究,为进一步验证其核苷酸变异与稻米直链淀粉含量的相关性奠定了基础。     

末端氧化途径对小麦芽中的BADH基因表达的调节

KCN（2mol/L),antimycinA(2.7μmol/L),NaN3(6mmol/L)和SHAM（salicylhydroxamicacid,5m,mol/L)分别降低小麦芽中的BADH基因表达约40%,41%,46%和22.0%,而ATP,ADP分别增加BADH基因表达约33%和34%,DNP（2,4-dinitrophenol,1mmol/L)降低BADH基因表达约30%,这些结果表明,正常运转的末端氧化途径所形成的高能化合物对BADH基因表达是重要和必需的,细胞色素途径比交替途径对BADH基因表达有更大的影响。这是首次对“多条路线”假说关于呼吸代谢调节植物基因表达的观点提供直接的证据。     

D-精氨酸对低氧胁迫下黄瓜幼苗根系多胺含量和无氧呼吸代谢的影响

采用营养液水培法,研究了根际低氧胁迫下D-精氨酸（D-Arg）对两个抗低氧能力不同的黄瓜品种根系中多胺含量和无氧呼吸代谢的影响.结果表明,低氧处理下,黄瓜幼苗根系中多胺含量显著增加,无氧呼吸代谢能力提高;与抗低氧能力弱的‘中农八号’相比,抗低氧能力强的‘绿霸春四号’根系中乙醇发酵活性较高,乳酸发酵活性较低;低氧胁迫下,D-精氨酸能显著降低黄瓜幼苗根系中腐胺、亚精胺和精胺含量,根系中乙醇脱氢酶（ADH）和乳酸脱氢酶（LDH）活性增加,乙醇和乳酸含量升高,植株生长受到抑制,而外源腐胺能缓解D-精氨酸的这种作用.说明黄瓜幼苗根系中较高的多胺含量可能有利于缓解低氧胁迫对植株造成的伤害.     

粘球藻固氮作用与几种能量代谢过程的关系

本文以单细胞蓝藻（粘球藻）为材料,研究了固氮作用与光合作用,呼吸代谢以及氢代谢等能量代谢过程的关系,发现光照是固氮作用的主要限制因子,在光下的有氧分解过程和氧化磷酸化反应是推动固氮作用的能量来源,抑制光合磷酸化或氧化磷酸化反应都能导至固氮作用的显著降低,但用DCMU抑制光系统II电子传递过程却意外地能大幅度提高固氮活性,在暗中的粘球藻固氮主要靠有氧分解过程支持,粘球藻与其它固氮生物相似,在没有可利用的还原底物存在或正常固氮作用被特异性和抑制时,可以将固氮酶所截获能量的大部分用于释放分子氢和回收氢,但未发现通过吸氢反应来推动固氮作用。     

粘球藻固氮作用与几种能量代谢过程的关系

本文以单细胞蓝藻（粘球藻）为材料,研究了固氮作用与光合作用,呼吸代谢以及氢代谢等能量代谢过程的关系,发现光照是固氮作用的主要限制因子,在光下的有氧分解过程和氧化磷酸化反应是推动固氮作用的能量来源,抑制光合磷酸化或氧化磷酸化反应都能导至固氮作用的显著降低,但用DCMU抑制光系统II电子传递过程却意外地能大幅度提高固氮活性,在暗中的粘球藻固氮主要靠有氧分解过程支持,粘球藻与其它固氮生物相似,在没有可利用的还原底物存在或正常固氮作用被特异性和抑制时,可以将固氮酶所截获能量的大部分用于释放分子氢和回收氢,但未发现通过吸氢反应来推动固氮作用。     

水稻萌发过程的呼吸途径与器官生长关系

植物的生长发育受呼吸代谢途径的调节控制,而呼吸代谢反应的类型与速率又由于环境的改变而变化。据汤佩松和我们前段工作(未发表)的结果,证明了O_2和CO_2分压能有效地控制水稻种子萌发时器官生长。为此,本文应用不同的O_2和CO_2分压作为控制水稻萌发器官生长的手段,研究水稻萌发过程的呼吸代谢途径与器官生长关系。并以本实验结果,从一种植物材料的一个生长发育阶段,阐明呼吸代谢多条路线的重要     

基于全基因组重测序技术的‘红叶’杜仲SNP位点开发

为了挖掘与‘红叶’杜仲（Eucommia ulmoides ‘Hongye’）红叶性状紧密联系的SNP位点,进一步揭示红叶性状的遗传基础和分子机理。以‘红叶’杜仲和普通绿叶杜仲‘小叶’杜仲（Eucommia ulmoides ‘Xiaoye’）为研究材料,进行覆盖深度约为10x的全基因组重测序。使用SnpEff软件预测变异位点对蛋白编码的影响,结合花色苷的代谢通路和关键酶基因,筛选与‘红叶’杜仲叶色形成相关的差异位点。利用Sanger测序二代测序筛选的SNP位点,分子标记验证群体是‘红叶’杜仲和‘小叶’杜仲。结果表明,‘红叶’杜仲测序产生Clean data为14.16 Gb,‘小叶’杜仲产生Clean data为14.29 Gb。在‘红叶’杜仲中注释到严重影响蛋白质功能的有1 516个SNP,中度影响的41 328个SNP,在‘小叶’杜仲中存在严重影响蛋白质功能的SNP为1 640个,中度影响功能的SNP为47 192个。测得26 722条基因中有228条基因是与花色苷或类黄酮合成相关的酶基因。经过筛选,确定了12个特异性的SNP位点,均属于外显子区域的错义突变。利用一代测序验证,根据SNP位置设计了7对引物,SNP准确率达到100%。     

NaHCO3胁迫下马铃薯根系代谢组差异分析

【目的】分析马铃薯根系对NaHCO3胁迫的代谢组学差异,揭示不同马铃薯品种响应NaHCO3胁迫的代谢分子机制,为优化马铃薯育种、栽培技术措施以及生产应用提供理论依据。【方法】以马铃薯‘V7’和‘康尼贝克’2个品种幼苗根系为研究对象,选用不同浓度梯度（CK、10 mmol/L、20 mmol/L、30 mmol/L、40 mmol/L、50 mmol/L）NaHCO3溶液模拟碱胁迫,胁迫7 d后,结合非靶向代谢组学检测方法,利用高效液相色谱（LC-MS）技术及多维统计学对2个马铃薯品种根系代谢产物进行检测分析。【结果】（1）NaHCO3胁迫下,‘V7’根系中检测到160种代谢物上调、91种代谢物下调,‘康尼贝克’根系中125种代谢物上调、52种代谢物下调。（2）KEGG通路富集分析表明,2个品种各筛选出10条差异代谢通路,其中植物次生代谢产物的生物合成、不饱和脂肪酸的生物合成、由组氨酸和嘌呤衍生的生物碱合成以及嘧啶代谢这4条差异代谢通路是马铃薯根系响应碱胁迫的关键代谢途径。（3）糖类、酰胺类化合物、胺类、含氧有机化合物、生物碱、酚酸类、菑体-皂苷元等差异代谢物均参与到了马铃薯响应NaHCO3胁迫的复杂的调控网络中。【结论】研究筛选出马铃薯根系响应NaHCO3胁迫的关键代谢产物以及代谢途径,耐碱性品种V7与碱敏感性品种‘康尼贝克’二者根系代谢组学存在差异性;同时,同一个品种不同胁迫程度下其根系代谢与CK也存在差异性。氨基酸及其衍生物、有机酸、尿囊素这3类差异代谢物含量的积累是‘V7’根系代谢过程活跃、耐碱性能力强于‘康尼贝克’的重要特征分子。     

悬钩子属植物的RAPD分析

用RAPD标记技术对13个黑莓（blackberry）、树莓（raspberry）品种和5个野生悬钩子种类（Rubus spp．）的26个居群的遗传多样性进行了分析。用15个寡聚核苷酸随机引物共扩增出条带131条,其中多态性条带118条,占扩增条带总数的90％,表明悬钩子属植物种间和品种间存在丰富的遗传多样性。通过聚类分析可将供试的26个居群分为4组,其中A组有粗叶悬钩子（R．alceaefolius Poir．）、山莓（R．corchorifolius L．）、插田泡（R．coreanus Miq．）、掌叶覆盆子（R．chingii Hu）、‘威廉姆特’、‘托拉咪’、‘泰勒’、‘金克维’、‘布里斯托’、‘宝森’7号、‘布莱兹’及其实生苗、‘基奥瓦’、‘萨尼’、‘黑布特’等15个居群;B组包括‘宝森’1号～‘宝森’6号和‘马林’、‘乔克多’等8个居群;C组包括‘赫尔’和‘切斯特’的2个居群;D组仅有蓬藁（R．hirsutus Thunb．）1种。这一聚类结果与传统形态学分类结果基本吻合。     

‘砀山酥梨’及其褐皮芽变果皮中多胺类物质含量和相关基因表达分析

为研究多胺类物质在‘砀山酥梨’芽变品系‘锈酥’果皮褐色形成中的作用,以‘砀山酥梨’和‘锈酥’花后不同时期果皮为试材,采用HPLC方法测定果皮中多胺类物质的含量,利用RACE技术克隆多胺合成过程中的关键基因,通过Protparam网站与MEGA5.0软件分析相关基因蛋白的理化性质及其系统进化,用荧光定量qRT-PCR方法分析不同时期果皮中相关基因的相对表达量。结果表明:(1)除花后50和150d外,其它时期‘砀山酥梨’果皮中腐胺含量均显著高于‘锈酥’,花后50d、75d、150d时,‘锈酥’果皮中的亚精胺、精胺含量显著高于‘砀山酥梨’果皮。(2)克隆出多胺合成的基因ADC、SPDS和SPMS(GenBank登录号分别为KM923903、KM923905和KM923906),预测ADC和SPMS均为水溶性蛋白、SPDS为疏水性蛋白,它们与苹果的亲缘关系最近。(3)荧光定量PCR结果显示,花后50d,多胺合成中ADC、SPDS和SPMS在‘锈酥’果皮中表达量均显著高于‘砀山酥梨’。研究推测,‘锈酥’果皮中多胺代谢及相关基因的上调表达可能与‘锈酥’的果皮褐色形成有关。     

植物呼吸作用教学小议

植物的分解代谢作为一种异化过程 ,与植物的生长发育、开花结实、抗病免疫及农产品的储藏保鲜等众多生理过程有着密切的联系 ,是植物代谢研究的中心之一。分解代谢的主要方式是呼吸作用[1,2 ] 。在植物生理学教学过程中 ,呼吸作用一般被看作是生活细胞经某些代谢途径使有机物氧化分解 ,释放出能量的过程 ,并根据氧气参与与否 ,将呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。认为有氧呼吸是生活细胞在氧气的参与下 ,把有机物彻底氧化放出ＣＯ2 并形成Ｈ2 Ｏ ,同时释放能量的过程 ;而无氧呼吸是指在无氧的条件下 ,生活细胞的呼吸底物降解为不彻…     

RNA-Seq揭示Foc4在外源氧化胁迫(H_2O_2)下的基因表达及细胞代谢变化

尖孢镰刀菌古巴专化型4号小种(Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4,Foc4)是香蕉枯萎病的强致病性病原菌。Foc4在侵染香蕉植株早期必须面对寄主的活性氧迸发。【目的】了解Foc4应对外源氧化胁迫的分子机制。【方法】利用Illumina 2500 RNA-Seq测序平台分析了经外源氧化胁迫(H_2O_2)处理的Foc4与对照在转录组水平的基因表达差异。【结果】在外源氧化胁迫条件下,Foc4的生长受到抑制。转录组测序获得了超过2千万条clean reads。进一步的差异基因表达分析以差异倍数FC (fold change)≥2且FDA值≤0.001为选择标准,发现496个基因表达上调,298个基因表达下调。GO功能富集分析显示,429个基因比对到GO功能分析数据库,在这些差异表达基因中,许多与代谢过程、生物调节、细胞过程和刺激应答有关。KEGG通路富集分析显示,有141个表达差异显著基因比对到KEGG中的50条代谢途径。其中,主要是各类氨基酸代谢途径、脂肪酸代谢途径。同时也包括与抗氧化胁迫直接相关的代谢途径,包括DNA的损伤修复、类胡萝卜素的生物合成、过氧化物酶体、谷胱甘肽代谢等。【结论】这些结果暗示,为了在强氧化胁迫环境下生存,Foc4细胞从包括直接应对氧化胁迫的信号调控途径在内的物质代谢和能量代谢均发生改变以应对环境变化的胁迫。     

干旱胁迫下小麦幼苗根、叶多胺含量和多胺氧化酶活性的变化

 以抗旱性不同的两个小麦品种（‘晋麦33’和‘温麦8’）（Triticum aestivum cv. Jinmai 33 and Wenmai 8）为材料,研究了干旱胁迫下多胺含量和多胺氧化酶活性的变化。结果表明：旱过程中,幼苗根、叶中腐胺（Put）、亚精胺（Spd）、精胺（Spm）3种多胺含量和多胺氧化酶（PAO）活性先迅速升高,而后下降。与抗旱性弱的‘晋麦33’相比,抗旱性强的品种‘温麦8’幼苗根、叶中Spd、Spm 含量初期升高幅度大,之后下降速率减慢;PAO活性的变化与之相反,‘晋麦33’的PAO活性提高的幅度大于‘温麦8号’。多胺含量和PAO活性在小麦幼苗的根与叶之间呈极显著正相关。干旱初期,小麦根、叶中多胺迅速积累可能是干旱胁迫反应的一个信号,随后较高的Spd、Spm 水平有利于增强小麦幼苗的抗旱性。     

不同果色枸杞果实糖积累特征及其与蔗糖代谢酶活性的关系

以‘宁杞1号’（红色）、‘宁夏黄果’（黄色）和‘黑果’（黑色）3份不同果色枸杞为试材,测定枸杞果实发育过程中糖含量与蔗糖代谢酶活性的变化,并分析糖含量与蔗糖代谢酶活性的相关性,以探讨不同果色枸杞糖积累差异的生理基础,为进一步阐明枸杞品质形成及调控机理提供理论依据。结果显示：（1）气相色谱（GC）法检测结果为 ‘宁杞1号’果实含8种糖,‘宁夏黄果’含7种糖,‘黑果’仅检测到4种糖;且成熟期枸杞果实均以果糖、葡萄糖和蔗糖为主。（2）在枸杞果实发育过程中,各材料果实的果糖和葡萄糖含量呈现逐渐升高趋势,果实发育的后期升高幅度高于初期;而各材料蔗糖和赤藓糖含量却呈现出不同的变化趋势,不同发育时期材料间差异各异。（3）不同果色枸杞蔗糖代谢酶活性在枸杞果实发育过程中差异较大,其中酸性转化酶（AI）在果实发育的初期活性较低,材料间差别小,但在果实发育的后期活性高,材料间差异较大;从枸杞果实发育色变期到成熟期,供试材料AI和蔗糖合成酶（SS）活性高于中性转化酶（NI）和磷酸蔗糖合成酶（SPS）;在整个果实发育过程中‘黑果’保持着较低果糖含量和蔗糖代谢酶活性。（4）3种果色枸杞果糖含量均与AI活性达到显著相关关系,红色与黑色枸杞己糖（果糖和葡萄糖）含量与NI达到显著相关关系。研究表明,不同果色枸杞果实中的糖种类与含量、蔗糖代谢酶活性差异较大,AI活性升高有利于枸杞果糖的积累,转化酶在枸杞果实己糖积累过程中发挥着重要的作用。     

杨树根压昼夜周期性及其影响因子

为研究土壤盆栽和溶液培养的‘84K’(Populus alba×P.glandulosa)离体根系的根压及根压昼夜节律,系统探讨影响根压的因素及它们与根压的关系,深入了解根压的产生机制及其节律调控,采用压力转换器法对‘84K’离体根系的根压进行了研究。该研究采用不同时间取样、摘叶、环割等试验处理,不同土壤温度、昼夜温差/恒温等测定条件研究了离体根压的节律,并进一步运用化学抑制剂研究根系呼吸代谢、根系导水率对根压的影响,并测定伤流液的渗透强度及其无机离子和可溶性糖含量日变化以探讨它们和根压昼夜节律的关系。研究发现,‘84K’离体根系的根压具有昼高夜低的周期节律,在上午至正午达到峰值,在20:00达到谷值。不同取样时间、不同培养介质对根压周期性有一定的影响,但总体昼高夜低没有改变。摘叶、环割、呼吸抑制剂或细胞膜水导抑制剂影响根压峰值的大小,但对根压的昼夜节律没有明显影响。摘叶、环割或呼吸抑制剂显著地降低了根压峰值,而水导抑制剂对根压峰值影响不大,说明根压峰值的大小主要受呼吸作用,包括呼吸底物的影响,而根系水导率对根压峰值的影响不大。根压峰值随土壤温度下降而下降、土壤温度还改变根压的昼夜节律。随温度的变化,最大根压和呼吸速率同步变化,意味着根压随温度的变化也是呼吸代谢在起作用。根系伤流液渗透强度白天高晚上低。伤流液无机离子含量以及可溶性糖含量的日变化和渗透强度变化一致,其中无机离子扮演更主要的角色。昼夜温差条件下的根压峰值显著大于昼夜常温条件下的根压峰值。总之,‘84K’根压呈现较稳定的昼夜周期性,昼高夜低。根压峰值大小主要受呼吸代谢的调控,呼吸抑制剂、呼吸代谢底物、影响呼吸作用的温度等都影响‘84K’根压峰值的大小。根系导水率对根压有一定的影响,但不显著。     

末端氧化途径对小麦芽中的BADH基因表达的调节

KCN(2mol/L),antimycinA(2.7μmol/L),NaN3(6mmol/L)和SHAM(salicylhydroxamicacid,5mmol/L)分别降低小麦芽中的BADH基因表达约40%,41%,46%和22.0%,而ATP,ADP分别增加BADH基因表达约33%和34%,DNP(2,4-dinitrophenol,1mmol/L)降低BADH基因表达约30%。这些结果表明,正常运转的末端氧化途径所形成的高能化合物对BADH基因表达是重要和必需的,细胞色素途径比交替途径对BADH基因表达有更大的影响。这是首次对“多条路线”假说关于呼吸代谢调节植物基因表达的观点提供直接的证据。     

葡萄抗白粉病相关基因γVPE的克隆与表达分析

该研究采用RT-PCR技术,从抗病的中国野生华东葡萄‘白河-35-1’和感病的欧洲葡萄‘佳丽酿’中克隆了液泡加工酶基因(γVPE),分别命名为VpγVPE和VvCγVPE。克隆的2个γVPE基因cDNA长度均为1 624bp,ORF为1 482bp,编码493个氨基酸。氨基酸多序列对比分析发现,‘白河-35-1’、‘佳丽酿’、‘无核白’和‘黑比诺’葡萄中的γVPE基因底物结合口袋域的3个关键氨基酸之一的丝氨酸(Ser395)均变为丙氨酸(Ala),与其他植物的VPE基因底物口袋结合域有所不同。实时荧光定量PCR表明,在白粉菌诱导后的不同时期内,γVPE基因在感病葡萄和抗病葡萄中的表达模式不同,抗病株系中VpγVPE基因的表达量在诱导后的前期(4h和48h)和后期(168h)均有所增加,而感病株系中VvCγVPE基因在诱导后4h表达量最高,随后降低。γVPE基因在白粉菌诱导后不同时期内表达量的变化,表明γVPE基因在一定程度上与葡萄的抗性相关。研究结果为进一步揭示γVPE基因在抗病过程中的分子机理奠定了基础。     

力竭性运动对大鼠肝脏线粒体氧化磷酸化偶联的影晌

本文以ＳＤ大鼠三级递增负荷力竭性跑台运动为疲劳模型,分别测定了运动后即刻肝脏线粒体：１．呼吸链复合体Ⅰ＋Ⅲ和Ⅱ＋Ⅲ电子传递与质子泵出比值（Ｈ＋／２ｅ）;２．以苹果酸＋谷氨酸（Ｍ＋Ｇ）和琥珀酸（Ｓ）为底物的呼吸控制：态３呼吸速率（Ｒ３）、态４呼吸速率（Ｒ４）、呼吸控制率（ＲＣＲ）和磷／氧比（Ｐ／Ｏ）。结果表明：两种呼吸底物启动的线粒体态４呼吸速率分别升高６４．４６和２３．５４％（Ｐ＜０．００１和Ｐ＜０．０５）;呼吸链复合体Ⅰ＋Ⅲ和Ⅱ＋Ⅲ的总Ｈ＋／２ｅ分别降低１８．６３和１５．８９％（均Ｐ＜０．０１）。两种呼吸底物的ＲＣＲ和Ｐ／Ｏ呈显著降低（均Ｐ＜０．０５）;Ｍ＋Ｇ为呼吸底物的态３呼吸速率也呈显著增加（Ｐ＜０．０１）,Ｓ为呼吸底物的态３呼吸速率略有增高（Ｐ＞０．０５）。提示,线粒体质子漏增加,呼吸链电子传递与质子泵出偶联程度下降,氧化磷酸化脱偶联导致无效氧耗增多,可能是运动性疲劳状态下线粒体氧利用率下降的重要机制。