膨胀素(expansin,EXP)通过调控细胞壁的松弛在植物应对环境胁迫过程中起着重要作用.为研究EXP基因在大豆应对非生物胁迫过程中的作用,该文对大豆中的两个EXP基因(GmEXPB5 和GmEXPB7)及其蛋白序列进行生物信息学分析,通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测基因表达量.结果表明:(1)GmEXPB5 和GmEXPB7 分别位于大豆第 10 号和第 12 号染色体上,编码的蛋白序列长度分别为 272 和 267个氨基酸.GmEXPB5 蛋白分子量为 29.07 kD,理论等电点为 7.51;GmEXPB7 蛋白分子量为 29.09 kD,理论等电点为 8.66.GmEXPB5 和GmEXPB7 均为稳定的亲水蛋白且定位于细胞壁中.GmEXPB5 和GmEXPB7蛋白均含有一段信号肽序列和一个保守的DPBB_1 结构域.(2)GmEXPB5 蛋白与鹰嘴豆CaEXPB15 蛋白亲缘关系最近,GmEXPB7 蛋白与密花豆、赤豆和豇豆的EXPB3 蛋白有着较近的亲缘关系.(3)GmEXPB5和GmEXPB7 在大豆根、茎和叶中均有表达且它们在根和叶中的表达量均显著高于茎中的表达量.(4)GmEXPB5 和GmEXPB7 在大豆幼苗中可以响应盐、干旱和低温胁迫.(5)GmEXPB5 启动子区域含有 2 种与逆境相关的顺式作用元件(ABRE和ARE);GmEXPB7 启动子区域含有 5 种与逆境相关的顺式作用元件(ABRE、ARE、CGTCA-motif、TC-rich repeats和MBS).综上所述,GmEXPB5 和GmEXPB7 能够参与大豆对非生物胁迫的应答.

[目的]VQ蛋白是一类含有保守VQ基序(FxxhVQxhTG)的植物特异性蛋白,在植物生长发育和非生物胁迫应答中发挥重要作用.研究鉴定了荔枝VQ基因家族,并分析其在不同组织的表达模式及在低温、高温、干旱和盐胁迫下的应答,为后续研究其抗逆机制奠定了基础.[方法]用生物信息学方法在荔枝全基因组中鉴定LcVQ基因,并对其理化性质、亚细胞定位、基因结构和保守基序等进行分析;用MEGA 6.0软件构建系统发育树,分析荔枝、拟南芥和水稻VQ蛋白的系统发育关系;用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术验证LcVQs对多种非生物胁迫的响应情况.[结果]荔枝中共鉴定获得可聚类为9个亚族的18个VQ基因(LcVQ1-18),依次分布在荔枝的11条染色体上,其编码蛋白的氨基酸数介于111～427之间,分子质量为12.48～45.49 kD;除LcVQ15和LcVQ17定位于细胞质之外,其余LcVQ蛋白均定位于细胞核.LcVQs启动子区域包含大量植物生长发育响应元件、激素响应元件及逆境响应元件.LcVQs的表达量在不同组织中具有明显差异,总体上分为普遍性表达和特异性表达.LcVQs可快速响应非生物胁迫,在低温、高温、干旱和盐胁迫处理3 h内分别有4,3,3,4个LcVQs明显上调表达.[结论]荔枝全基因组中有18个VQ家族成员,具有典型VQ保守结构域,能差异化响应多种非生物胁迫.

褪黑素(melatonin,MT)与其他传统五大类激素相比,其鉴定仅有 20 多年的历史,是一种新兴植物激素,是有机体中具有多种生理功能的多效信号分子.在植物中,MT被称为植物褪黑素(phytomelatonin),它不仅调节种子萌发、根系构型、气孔运动、生物节律和开花与衰老,还通过激活抗氧化系统的活力,清除活性氧(reactive oxygen species,ROS),从而减轻胁迫造成的氧化胁迫、渗透胁迫、蛋白变性和细胞损伤,最终使植物应答生物和非生物胁迫.本文基于MT代谢及其在植物应答非生物胁迫中的最新研究进展,总结MT在植物中的合成与分解代谢,归纳逆境胁迫下MT通过直接清除ROS和/或触发信号转导途径,上调抗逆相关基因表达,继而激活渗透调节系统和抗氧化系统的活力,促进逆境蛋白和次生代谢物质的合成,稳定光合作用和碳代谢,减少ROS的积累和细胞氧化损伤,最终提高植物对高温、低温、干旱、盐渍、重金属、紫外辐射和水涝等非生物胁迫的抵抗能力.本文为理解MT的代谢、生理功能及细胞信号转导途径奠定了理论基础,并指出未来的研究方向.

[目的]14-3-3 蛋白,亦称通用调节因子(GRF),由多基因家族编码,在植物生长发育和逆境应答发挥关键的作用.鉴定铁皮石斛(Dendrobium officinale)GRF基因家族,为铁皮石斛GRF基因功能研究及遗传改良提供理论依据.[方法]通过生物信息学的方法鉴定铁皮石斛 14-3-3家族成员,分析其理化性质、染色体定位、系统进化发育、基因结构和启动子顺式作用元件等,同时通过荧光定量PCR技术检测它们在不同组织、低温处理及盐胁迫处理后的表达量.[结果]铁皮石斛有 17 个GRF家族成员,分为ε类和非ε类亚族,不均匀地分布在 7 条染色体上,且存在 7 对串联复制基因.同一亚族成员基因结构、保守基序和蛋白质二级结构相类似.DoGRF家族基因的启动子区域存在大量激素和环境胁迫应答相关的调控元件.DoGRF家族基因在铁皮石斛各组织中均有表达,具有组织表达特异性,大多数基因在花器官中表达最高,其次是茎和根.同时,在低温处理、盐胁迫处理下呈现差异化表达,可能受到低温和盐胁迫的调控,特别是DoGRF2 在铁皮石斛逆境应答过程中起着关键的作用.[结论]在全基因组水平从铁皮石斛中鉴定出 17 个DoGRF家族成员,不同基因对非生物胁迫响应不一,并具有器官表达特异性.DoGRF2对低温和盐胁迫呈现正向响应.

近年来,钩吻(Gelsemium elegans)的药用和饲用价值日益凸显,但钩吻在生长过程中不耐低温,挖掘其低温响应基因,为钩吻的抗寒育种研究奠定基础.植物中,脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)在种子老化、抗逆境胁迫等方面的生理生化过程中有重要影响.基于课题组构建的钩吻转录组数据库,挖掘响应低温胁迫的钩吻LOX基因,运用RT-PCR技术,从中克隆到一条GeLOX1 的cNDA全长序列,对其进行生物信息学、亚细胞定位、基因表达、原核表达及平板胁迫等分析.结果显示,GeLOX1 所编码蛋白的氨基酸长度为761 aa,蛋白相对分子质量为 87.00 kD,预测为不稳定的亲水性蛋白,含有 28 个丝氨酸磷酸化位点,22个苏氨酸磷酸化位点和9个酪氨酸磷酸化位点.进化树分析结果表明,GeLOX1属于9-LOX家族的成员.亚细胞定位检测结果显示,GeLOX1 蛋白定位于细胞质中.实时荧光定量PCR分析发现,GeLOX1 在钩吻的根中高表达,且其在 4℃低温胁迫下的表达量呈现下调的趋势.经原核表达诱导后,GeLOX1 的重组蛋白在约 111 kD处出现目标条带,且重组蛋白的积累量在诱导 8 h时达到峰值.此外,平板胁迫试验表明,GeLOX1的原核表达菌株相较于对照组对低温胁迫更敏感.钩吻GeLOX1能够应答低温胁迫.

天冬氨酸蛋白酶(AP)是一类重要的水解酶,在植物生长发育及抵御生物和非生物胁迫方面发挥着重要作用.谷子(Setaria italica)作为禾本科C4 植物抗逆研究的模式作物,目前关于天冬氨酸蛋白酶家族基因功能的研究较少.为深入探究AP基因家族在谷子中的功能作用,本研究基于AP保守Pfam序列全基因组筛选鉴定谷子AP基因家族的成员,并通过生物信息学方法对其理化性质、亚细胞定位、基因结构、保守结构域、系统进化发育、启动子顺式作用元件及共线性等分析,同时利用荧光定量PCR技术对其在非生物胁迫下的表达模式进行了研究.结果表明,谷子基因组中共有AP基因家族成员 58 个;系统进化树显示该基因家族可分为 5 个亚家族,其中Group B编码非典型天冬氨酸蛋白酶,其他亚家族编码类nucellin天冬氨酸蛋白酶;基因结构和保守基序分析表明,谷子AP家族同一亚家族成员具有较高的保守性;共线性分析结果显示,谷子AP基因家族与水稻(Oryza sativa)和玉米(Zea mays)AP基因家族成员之间存在大量的同源基因对;启动子顺式作用元件分析表明,SiAPs基因家族中大部分成员含有与非生物胁迫和生物激素响应相关的顺式元件,如响应干旱和低温胁迫的顺式作用元件、水杨酸有关的应答元件等.进一步RT-qPCR结果发现,SiAPs基因家族成员在谷子根、茎、叶、穗中差异表达;在低温胁迫下,SiAP3、SiAP9、SiAP48 基因表达量显著升高;在干旱胁迫和水杨酸处理下,部分基因表达的变化趋势基本一致.SiAPs对谷子响应非生物胁迫起重要的调控作用,本研究结果可为SiAPs的抗逆功能分析提供参考.

低温胁迫是影响植物生长、发育及作物产量的重要环境胁迫之一.植物通过感知低温信号并快速启动低温应答,以降低低温胁迫对其损伤.近年来,低温潜在感受器和低温调控网络逐渐被解析.植物可以在多个层面感知低温信号,但具体机制依然不清楚.当植物感知低温信号后,一些低温诱导的次级信号分子(如钙离子和活性氧)被植物解码并传递,以激活下游低温应答基因表达.同时,蛋白翻译后修饰可调控蛋白活性和稳定性,在植物早期低温信号传递中起关键作用.本文重点阐述植物感知和传递低温早期信号的分子机制,并讨论和展望低温胁迫领域面临的挑战及研究方向.

番茄转录因子S1NAC1调控多种生物和非生物胁迫应答,但其上游转录调控因子至今不明,限制了对其胁迫应答机制的理解.构建了系列5'-缺失的SlNAC1启动子(起始密码子上游2 039 bp、1 508 bp、1 373 bp和777 bp)驱动的GUS转基因烟草,并定量分析了其在低温、高温和ABA诱导下的GUS酶活,以鉴定SlNAC1启动子中的低温、高温和ABA应答顺式元件.结果显示,低温和高温诱导后,2 039 bp启动子转基因烟草GUS酶活的增长显著高于其他转基因烟草和野生型烟草;而ABA诱导后,1 508 bp启动子转基因烟草GUS酶活的增长显著高于其他转基因烟草和野生型烟草.这些结果说明低温和高温应答顺式元件位于-2 039～-1 508 bp区间,而ABA应答顺式元件位于-1 508～-1 373 bp区间.启动子顺式元件预测分析显示,-2 039 bp～-1 508 bp区间只有1个低温/高温/干旱/盐应答顺式元件DRE/CRT,而-1 508 bp～-1 373 bp区间只有1个ABA应答顺式元件ABRE.因此,这两个顺式元件将作为候选元件用于后续SlNAC1上游调控转录因子的筛选.

油菜素内酯(brassinosteroids,BRs)是一种广泛分布于多种植物体内的激素.Brassinosteroid insensitive 1(BRI1)是BR信号通路的主要信号受体,在植物生长发育和胁迫应答中起着至关重要的作用.研究以番茄品种Micro-Tom(MT)和SlBRI1过表达株系(Atrd29A:SlBRI1)为试验材料,探讨低温对光合特性、叶绿素荧光参数以及抗寒基因的影响,旨在揭示Atrd29A启动子驱动SlBRI1基因对低温胁迫的响应规律.结果表明,(1)低温胁迫提高了 MT植株SlBRI1的表达量,而Atrd29A:SlBRI1植株SlBRI1表达量更高.低温胁迫5 d导致所有植株出现萎蔫,而且Atrd29A:SlBRI1植株萎蔫程度更轻,恢复得更好.(2)低温胁迫导致所有番茄幼苗的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(T,)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光能捕获效率(Fv'/Fm')和光化学荧光猝灭系数(qP)都较大幅度地下降;在低温胁迫第5天,SlBRI1过表达株系这些指标均显著性高于MT植株.同时,SlBRI1过表达株系的细胞间CO2浓度(Ci)显著低于MT.(3)同等条件下SlICE1、SlCBF1、SlCBF3和SlDRCI7基因表达水平显著上升,并且通过低温处理后的SlBRI1转基因植株中SlICE1、SlCBF1、SlCBF3和SlDRCI7基因表达水平均显著高于MT植株.表明Atrd29A诱导SlBRI1表达能够提高Sl-BRI1表达水平,缓解低温胁迫对植株光合作用和叶绿素荧光参数的影响,增强番茄植株抗寒能力.

为探究蓖麻bZIP(basic leucine zipper)基因在响应非生物胁迫应答过程中的作用,研究基于蓖麻转录组数据,克隆到1条在低温胁迫下显著上调表达的bZIP基因,并将其命名为RcbZIP11(GenBank No.OQ506490).RcbZIP11基因的编码区序列全长492 bp,其推导163个氨基酸,预测是1个亲水性蛋白质,具有保守的bZIP_plant_GBF1结构域.蛋白质的多序列对比显示,RcbZIP11蛋白质在进化过程中相对保守,进化树分析显示RcbZIP11与麻风树JcbZIP11蛋白质亲缘关系最近.亚细胞定位显示RcbZIP11蛋白质定位于细胞核,并 成功克隆出RcbZ-IP11启动子序列,预测结果显示,该区域拥有光响应元件、逆境响应类元件和激素诱导类元件.RcbZIP11基因在蓖麻不同组织(真叶、子叶、茎和根)中均有表达,在子叶中相对表达量最高;且该基因在逆境胁迫下(干旱、盐、低温和ABA)的根和真叶中其相对表达量均高于0h,说明RcbZIP1,基因积极地参与蓖麻的非生物胁迫响应.综上,研究为进一步探究RcbZIP11基因在蓖麻逆境条件生长过程中的功能奠定基础.