拟南芥干旱相关突变体的远红外筛选及基因克隆

干旱胁迫是影响植物生长发育的主要限制因素之一。到目前为止, 许多研究都仅关注于植物对干旱反应的信号转导网络, 而对其中一些很重要的中间成分却知之甚少。保卫细胞定位于植物叶片的表皮中, 控制二氧化碳的吸收以及水分的散失, 已经成为一种高度特化的细胞体系, 可用来研究植物早期干旱信号转导机制。控制气孔的开度在提高植物的抗旱性方面具有重要意义。通过使用远红外热成像仪检测植物叶片表面温度的微小差异, 我们成功地筛选并获得了拟南芥(Arabidopsis thaliana)干旱敏感突变体doi1。在干旱胁迫条件下, 该突变体表现为叶面温度低于野生型, 且失水率比野生型高。利用TAIL-PCR技术成功克隆到该突变体基因NCED3, 并利用RT-PCR方法验证了TAIL-PCR结果的可靠性。     

拟南芥干旱突变体远红外成像技术的筛选和特性鉴定

利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)对模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)进行化学诱变获得突变体筛选群体。在干旱胁迫下,以叶片的温度差异为筛选指标,利用远红外成像技术进行突变体的筛选,获得了对干旱不敏感突变体dri1(drought-insensitive 1)和敏感突变体drs1(drought-sensitive 1)。实验结果表明dri1和drs1为单基因隐性突变,气孔密度同野生型无差异,而叶片温度、气孔开度和叶片失水率则有明显改变。在MS培养基上的种子萌发实验表明在ABA、甘露醇和NaCl胁迫下dri1萌发率要比野生型高,而drs1则比野生型低。对突变基因的研究有待进一步进行。     

DELLA蛋白缺失对拟南芥干旱胁迫耐受性的影响

为探索DELLA蛋白缺失对拟南芥耐旱能力的影响,对拟南芥野生型Ler和DELLA蛋白缺失突变体della进行干旱处理,测定存活率、萌发率、离体叶片的失水率、脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量,并对发挥植物细胞脱水保护功能的胚胎晚期丰富蛋白编码基因LEA和ABA应答基因LOX3、COR15b、COR413的表达量进行了检测。结果表明:(1)干旱21d后复水,della突变体的存活率明显高于野生型Ler;(2)della突变体在含甘露醇的固体培养基上的萌发率显著高于Ler;(3)della突变体离体叶片的失水速率明显低于Ler;(4)干旱胁迫后,della突变体脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量的积累低于Ler;(5)干旱胁迫后,della突变体的LEA基因上调表达程度高于Ler,而ABA应答基因上调表达程度低于Ler。研究表明,DELLA蛋白的缺失有助于提高植物抗旱能力。     

水稻中一个油菜素内酯不敏感突变体的图位克隆

油菜素内酯(brassinosteroid, BRs)是一类重要的植物激素,在植物的生长发育过程中发挥重要的调节作用。BRs的信号转导研究在双子叶植物拟南芥中已取得重大进展,但在单子叶植物水稻中,BRs的信号转导途径尚不很清楚。本研究从水稻T-DNA插入突变体库中筛选出一个叶片直立突变体el(erect leave mutant)。该突变体与野生型植株相比,叶夹角减小。遗传分析显示,el的突变性状由一对显性基因控制。该基因经图位克隆定位于水稻第5染色体引物InDel3和InDel4之间,物理距离为700 kb。本研究明确了一个水稻BRs不敏感突变体的表型特征及遗传规律,为进一步研究水稻BRs信号转导调控机制奠定基础。     

拟南芥ABA敏感突变体asm1的分离与鉴定

以拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究材料,从T-DNA突变体库中筛选分离得到1株脱落酸(ABA)敏感突变体asm1(ABA sensitive mutant 1,asm1),在含有ABA的培养基中,与野生型相比,asm1突变体的根伸长明显受到抑制,且其种子萌发结果显示asm1对ABA同样表现出敏感特性。在生长发育方面,asm1突变体抽苔时间提前,植株矮化,并且荚果长度明显小于野生型。利用远红外成像系统分析发现,在干旱胁迫下asm1突变体叶面温度高于野生型;失水率分析显示突变体失水率降低以及水分散失减少。遗传学分析表明,asm1是单基因隐性突变且与一个T-DNA插入共分离;通过图位克隆成功获得候选基因ASM1。RT-PCR结果显示,在突变体中ASM1的表达受到抑制,并且能够调控多种ABA信号通路和胁迫应答基因的表达水平。研究结果表明,ASM1可能参与调控ABA信号转导并应答干旱胁迫。     

干旱胁迫下H_2S信号增强植物叶片的光合作用

干旱胁迫是影响农作物产量最重要的环境因素之一。硫化氢(H_2S)作为第三种气体信号分子在植物体内具有多样且积极的生理功能。目前已了解,H_2S在响应植物干旱胁迫应答以及增强植物光合作用的过程中发挥重要作用,但关于内源性H_2S对干旱胁迫下植物光合作用的调节机制未见报道。该研究以拟南芥哥伦比亚野生型(wild type Col-0,WT)、H_2S产生酶编码基因DES缺失突变体des以及H_2S产生酶编码基因DES过表达突变体OE-DES为实验材料,研究内源性H_2S对干旱胁迫下拟南芥光合作用的调节机制。研究结果显示,植株在正常生长条件下,内源性H_2S促使叶片净光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量显著升高;植株遭受干旱胁迫时,内源性H_2S可以显著上调Rubisco和Rubisco活化酶(Rubisco activase,RCA)的表达水平,保护叶绿体结构的完整性,促使叶片净光合速率显著上升,维持叶片相应的蒸腾速率,并且引起叶片气孔关闭和胞间CO_2浓度显著升高。     

一个玉米旱敏感突变体的遗传分析与基因定位

玉米干旱胁迫相关突变体在发掘玉米耐旱关键基因研究中具有重要利用价值。在玉米自交系综31的田间扩繁过程中,发现一个玉米干旱胁迫敏感的自然突变体,该突变体在轻度干旱条件下叶片发生卷曲,严重干旱时叶尖变黄,衰老坏死。遗传分析表明突变性状受1对主效单基因控制,表现为隐性遗传,将突变基因命名为DS。利用B73与突变体ds组配F2分离群体,以干旱条件下叶片是否卷曲为指标,将DS基因初定位在第3号染色体SSR标记umc1772和umc2158之间,物理距离为5 Mb。以上研究结果为该基因的克隆及功能分析奠定了基础。     

ATHKl基因调节拟南芥渗透胁迫信号转导过程

以拟南芥ATHKl基因T-DNA插入所产生的缺失突变体和野生型ws(wassilewskija)生态型为材料,分析了它们在生理和基因表达方面的差异.结果表明突变体的离体叶片失水率明显大于野生型;在30%PEG-6000胁迫后,野生型和ATHKJ突变体的细胞膜离子外渗率比胁迫前分别增加了50%和80%.PEG胁迫48 h时突变体的萎蔫程度明显大于野生型ws.以上结果说明ATHKl突变体的抗渗透胁迫能力低于野生型,即ATHKl基因参与了拟南芥适应逆境的调节反应.利用DDRT-PCR技术研究二者在PEG胁迫36h后的基因表达差异,分离到9个在野生型中被PEG诱导表达而在突变体中未被诱导的参与逆境应答的基因片段,其中包括MAPKKKl8和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因,即ATHKJ基因失活引起下游基因响应渗透胁迫的能力减弱,进一步说明ATHKJ基因参与拟南芥适应逆境的调节反应,并且ATHKl可能在逆境信号转导组分MAPK的上游起作用,很可能是植物体中的渗透感受器.     

过表达胡杨XTH基因能够提高烟草抗旱性

胡杨是典型的抗旱树种。挖掘和鉴定胡杨的耐旱基因对于提高植物抗旱性具有重要意义。木葡聚糖内转糖苷酶/水解酶（XTH）是植物细胞壁重构过程中的关键酶,在植物逆境胁迫响应中发挥重要作用。我们前期已从胡杨叶片中克隆了PeXTH基因。本文利用Real-time PCR检测PeXTH基因在干旱胁迫下的表达水平。在此基础上,构建植物表达载体pMDC85-PeXTH,通过农杆菌介导法将PeXTH基因转入烟草,分析过表达PeXTH基因烟草的抗旱性。研究发现,胡杨叶片中PeXTH基因的表达受干旱胁迫诱导。干旱处理后,转PeXTH基因烟草的萌发率明显高于野生型烟草;与野生型植株相比,转基因植株的叶片失水速率明显降低。干旱胁迫下,转基因烟草的气孔开度仅为野生型烟草的51.2%～53.6%。结果表明,过表达PeXTH基因能够提高烟草的抗旱性。本研究丰富了对胡杨PeXTH基因功能的认识,为植物抗旱分子育种提供了重要的基因资源。     

NaCl 胁迫下小麦突变体和野生型叶片中一些有机溶质累积和基因表达差异

盐胁迫下突变体和野生型叶片中的脯氨酸累积量均有显著的增加,野生型的增加幅度不及突变体。至９６ ｈ ,两者含量均下降,但突变体的脯氨酸含量仍高于野生型。１００ｍ ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＣｌ 胁迫７２ ｈ ,突变体叶片中可溶性糖的含量有显著的增加,增加量随盐浓度增加而降低。至９６ ｈ,各个盐浓度处理的突变体可溶性糖的含量基本恢复到其对照的水平;除１００ ｍｍｏｌ／Ｌ 盐胁迫处理组外,野生型叶片中可溶性糖含量均大幅度下降。盐胁迫下突变体和野生型叶片细胞可溶性蛋白组分有明显的差异。ｍＲＮＡ 差异显示结果表明,突变体有６ 个差异性的ｃＤＮＡ 片段     

内蒙古半干旱地区空气和土壤加湿对幼龄樟子松生长的影响

干旱半干旱区约占全球陆地总面积的30%, 植物生长对于水分变化的响应在此区域更为敏感。大气干旱和土壤干旱都会对植物生长产生影响, 目前关于这两者对植物生长的影响已有不少实验研究, 但具体的影响机制尚不清楚。该研究以幼龄樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)为研究对象, 通过设计改变空气湿度与土壤湿度的野外控制实验, 探究空气加湿与土壤加湿对幼龄樟子松生长特性的影响。 结果表明: 1)与对照相比, 空气加湿使饱和水汽压亏缺(VPD)降低了20.5%, 空气加湿和土壤加湿使土壤湿度分别增加了23.4%和21.3%。2)空气加湿显著增加了叶片密度, 土壤加湿显著加粗了枝条直径, 空气与土壤共同加湿对叶片和枝条的生长均有显著的促进作用。3)结合加湿处理对径向生长的影响及结构方程模型的结果发现, 土壤加湿可直接促进树干的径向生长, 空气加湿对径向生长的显著促进作用一方面是由于VPD降低的直接影响, 另一方面是由于空气加湿显著提高了土壤湿度。该研究揭示了半干旱地区幼龄樟子松生长对大气水分和土壤水分改变的响应差异。     

Enhancement of abscisic acid sensitivity and reduction of water consumption in Arabidopsis by combined inactivation of the protein phosphatases type 2C ABI1 and HAB1

Abscisic acid (ABA) plays a key role in plant responses to abiotic stress, particularly drought stress. A wide number of ABA-hypersensitive mutants is known, however, only a few of them resist/avoid drought stress. In this work we have generated ABA-hypersensitive drought-avoidant mutants by simultaneous inactivation of two negative regulators of ABA signaling, i.e. the protein phosphatases type 2C (PP2Cs) ABA-INSENSITIVE1 (ABI1) and HYPERSENSITIVE TO ABA1 (HAB1). Two new recessive loss-of-function alleles of ABI1, abi1-2 and abi1-3, were identified in an Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) T-DNA collection. These mutants showed enhanced responses to ABA both in seed and vegetative tissues, but only a limited effect on plant drought avoidance. In contrast, generation of double hab1-1 abi1-2 and hab1-1 abi1-3 mutants strongly increased plant responsiveness to ABA. Thus, both hab1-1 abi1-2 and hab1-1 abi1-3 were particularly sensitive to ABA-mediated inhibition of seed germination. Additionally, vegetative responses to ABA were reinforced in the double mutants, which showed a strong hypersensitivity to ABA in growth assays, stomatal closure, and induction of ABA-responsive genes. Transpirational water loss under drought conditions was noticeably reduced in the double mutants as compared to single parental mutants, which resulted in reduced water consumption of whole plants. Taken together, these results reveal cooperative negative regulation of ABA signaling by ABI1 and HAB1 and suggest that fine tuning of ABA signaling can be attained through combined action of PP2Cs. Finally, these results suggest that combined inactivation of specific PP2Cs involved in ABA signaling could provide an approach for improving crop performance under drought stress conditions.     

Bioengineering plant resistance to abiotic stresses by the global calcium signal system

Considerable progresses have taken place both in the methodology available to study changes in intracellular cytosolic calcium and in our understanding of calcium signaling cascades. It is generally accepted that the global calcium signal system functions importantly in coping with plant abiotic stresses, especially drought stress, which has been proved further by the recent transgenic and molecular breeding reports under soil water deficits. In plant cells, calcium plays roles as a universal transducer coupling a wide range of extracellular stimuli with intracellular responses. Different extracellular stimuli trigger specific calcium signatures: dynamics, amplitude and duration of calcium transients specify the nature, implication and intensity of stimuli. Calcium-binding proteins (sensors) play a critical role in decoding calcium signatures and transducing signals by activating specific targets and corresponding metabolic pathways. Calmodulin (CAM) is a calcium sensor known to regulate the activity of many mammalian proteins, whose targets in plants are now being identified. Higher plants possess a rapidly growing list of CAM targets with a variety of cellular functions. Nevertheless, many targets appear to be unique to higher plant cells and remain characterized, calling for a concerted effort from plant and animal scientists to elucidate their functions. To date, three major classes of plant calcium signals encoding elements in the calcium signal system, including calcium-permeable ion channels,Ca(2)+/ H(+) antiporters and Ca(2)+-ATPases, are responsible for drought stress signal transduction directly or indirectly. This review summarizes the current knowledge of calcium signals involved in plant abiotic stresses and presents suggestions for future focus areas of study.