[目的]探究山桐子叶片表皮微形态特征及其雌、雄株差异,为该种质资源的挖掘利用提供参考.[方法]利用扫描电镜对40份山桐子(雌、雄株各半)叶片进行微形态观察,测定12个气孔相关性状,并分析样品间的异同.[结果](1)山桐子雌、雄株叶片的表皮毛、细胞形态、气孔特征及蜡质式样相似,其下表皮密布的类锥形纤维体型蜡质纹饰,鲜见于其他植物类群.(2)山桐子雌株叶片的气孔大小(长度、宽度、面积及周长)及密度相关参数均略大于雄株;雄株叶片的气孔开口相关参数(孔隙宽度、开口面积及气孔开度)均略高于雌株;但所有差异均未达到统计学显著水平(P＞0.05).(3)多数气孔性状彼此显著相关,而气孔密度与其他性状关联较弱,可能受到相对独立的遗传调控.[结论]研究明确了山桐子叶片表皮的微形态特征,其类锥形纤维体型蜡质式样可作为种质评鉴的关键依据,其气孔性状参数可为童期种苗的性别判定提供重要参考.

[目的]作为一种喜温冷敏植物,低温严重影响小桐子的生长发育、地域分布与产量.前期工作发现12 ℃低温锻炼可显著提高小桐子的抗冷性,小桐子早期光诱导蛋白(ELIP)基因是低温高响应基因.为探究JcELIP在小桐子低温响应中的作用,全面了解JcELIP的结构、调控机制、进化关系及JcELIP与miRNAs的互作关系,也为后续小桐子抗冷分子育种提供一个重要的候选基因资源.[方法]通过RT-PCR克隆了小桐子JcELIP基因并对其进行系统的生物信息学分析,采用RT-qPCR分析JcELIP基因在根、茎、叶中及12 ℃低温锻炼过程中的表达变化,鉴定与JcELIP互作的miRNAs,进行了 12 ℃低温锻炼过程中的共表达分析.[结果]该基因完整的开放阅读框(ORF)为585 bp,编码194个氨基酸,蛋白的分子质量为2.04 kD,理论等电点为9.59,属于稳定的疏水碱性蛋白,具有3个疏水跨膜螺旋;三级结构主要由a-螺旋和无规则卷曲组成,具有叶绿素a/b结合位点.顺式作用元件预测显示JcELIP具有脱落酸等激素响应元件.进化分析显示:小桐子JcELIP与木薯MeELIP同源性最高.RT-qPCR分析显示:正常生长条件下小桐子JcELIP在根、茎、叶中的表达量无显著差异;12 ℃冷锻炼条件下JcELIP在叶中表达快速上调,48 h时其表达量达到对照组的64.8倍,表明JcELIP参与了小桐子对冷胁迫的响应与适应.基于小桐子降解组数据,鉴定到miR390-x、miR6476-x和novel-m0090-3p等8个miRNAs对JcELIP的表达具有调控作用;共表达分析结果表明在12 ℃低温锻炼过程中JcELIP的表达受miR390-x和novel-m0090-3p显著负调控.[结论]JcELIP高响应低温胁迫并与miRNAs互作,表明其在小桐子响应低温胁迫过程中发挥重要作用.

酪蛋白激酶(casein kinase,CK)作为一类普遍存在的Ser/Thr蛋白激酶,通过调节靶标蛋白的活性与稳定性,在植物整个生理过程及信号转导途径中发挥重要作用.基于同源序列比对,该研究对小桐子(Jatropha curcas)酪蛋白激酶基因家族进行鉴定与表达分析.结果表明,小桐子基因组中共鉴定到 7 个酪蛋白激酶 1 基因(CK1)、5 个植物特异性酪蛋白激酶 1 基因(PS-CK1)、3个酪蛋白激酶2α亚基基因(CK2-α)、2个酪蛋白激酶2β亚基基因(CK2-β),4个亚家族成员在氨基酸长度、等电点及外显子数目等都有其家族特异性.蛋白的氨基酸序列比对表明,小桐子酪蛋白激酶 1 都包含N端保守激酶结构域,同时其内部都鉴定到典型的激酶活性环基序、ATP结合核心基序、核定位信号肽.qRT-PCR表达分析表明,小桐子JcPS-CK1-5基因在叶片与根中都属于低温诱导基因,可能参与小桐子抗冷性过程.构建其原核表达载体 pET-32a-JcPS-CK1-5,并在BL21(DE3)中诱导表达,得到81.6 kD的条带,与理论融合蛋白的分子量一致.这可为小桐子CK基因的功能鉴定及逆境信号转导机制研究提供参考.

生物燃油树种是发展生物质能源,实现化石能源替代战略的重要物质基础,明确当前和未来气候变化下我国生物燃油树种适生区分布,对保护和利用生物燃油树种,促进林业生物能源产业发展,保障能源安全和实现"双碳"目标具有重要意义.基于我国10个主要生物燃油树种的1037条树种分布数据和20个环境变量,利用最大熵模型(MaxEnt)预测了各树种当前和未来气候情景下(2050年和2070年的RCP4.5情景)的潜在适生区,得到了影响各树种分布贡献率最大的环境因子,并对我国各区域主要种植树种进行了区划.结果表明:(1)MaxEent模型预测效果较好,各树种模拟结果AUC值均在0.9以上.(2)影响各种分布的贡献率较高的环境因子因树种而异,最暖季度降水量和温度季节性变化标准差的相对贡献率较高.(3)10个生物燃油树种极高适生区面积范围在43.38万km2-117.74万km2之间,可根据模拟结果将树种分布划分为北部、中东部、东南部和西南部4个亚区,北部亚区主要树种为文冠果(Xanthoceras sorbifolium)和欧李(Cerasus humilis),中东部亚区主要树种为盐肤木(Rhius chinensis)、山桐子(Idesia polycarpa)、无患子(Sapindussaponaria)、乌桕(Triadica sebifera)和黄连木(Pistacia chinensis),东南部亚区主要树种为光皮梾木(Cornus wilsoniana)和山鸡椒(Litsea cubeba),西南部亚区主要树种为小桐子(Jatropha curcas),各树种分布亚区与我国发布的林业生物质能发展规划一致性较高.(4)与当前相比,在未来2070年RCP4.5情景下,欧李和山鸡椒适生区面积表现出增加趋势,分别增加31.79万km2和5.61万km2,其他树种面积均减小,减小幅度范围在5.25万km2和38.63万km2之间;光皮梾木和山鸡椒的分布中心在未来向西北移动,盐肤木、乌桕和小桐子向东南移动,其他树种均向东北移动.

MYB转录因子家族参与植物生长发育及对环境胁迫的应答等过程.该实验基于小桐子基因组数据库,对MYB基因家族进行鉴定,克隆了小桐子JcMYB308基因,并对其功能结构域、系统进化、基因结构及低温表达特性进行了分析.结果表明,小桐子全基因组共鉴定到213个MYB基因家族成员,聚类为6个亚家族.克隆的JcMYB308基因片段长度为713 bp,基因结构具有较高的保守性,均含有两个外显子,进化树显示其与同属大戟科的蓖麻亲缘关系最近,序列一致性为62.7％.qRT-PCR表达分析表明,小桐子JcMYB308基因的表达存在组织表达特异性,在根中表达量较高,而在叶片中表达量相对较低,在根与茎中低温胁迫24 h时达到最大表达量.

以小桐子幼苗为材料,设置盐胁迫(200 mmol·L －1NaCl)和外源水杨酸处理(0～2 .0 mmol·L －1SA)水培试验,通过检测幼苗叶片脯氨酸含量、脯氨酸代谢关键酶活性及相关代谢酶基因的表达水平,研究了外源水杨酸对盐胁迫下小桐子幼苗脯氨酸代谢机理的影响.结果显示:(1)外源0 .9 mmol·L －1SA处理可显著提高盐胁迫下小桐子幼苗的脯氨酸含量,上调脯氨酸合成关键酶 Δ1-吡咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)和鸟氨酸转氨酶(OAT )活性,以及上调 JcP5CS和JcOA T基因的表达水平. (2)SA也显著抑制了脯氨酸降解酶ProDH的活性及 JcProDH基因的表达水平. (3)SA处理还显著提高了盐胁迫下小桐子幼苗的组织活力,降低了叶片电解质渗漏率和丙二醛(MDA )含量.研究发现,外源SA可通过活化脯氨酸合成的谷氨酸途径和鸟氨酸途径,以及抑制脯氨酸的降解途径来促进盐胁迫下小桐子幼苗脯氨酸的积累;外源SA处理也可提高小桐子幼苗的耐盐性,且这种提高可能与SA诱导脯氨酸的积累密切相关.

LEA蛋白是一类跟抗逆性紧密相关的蛋白,在不同物种中都有大量发现.基于前期对小桐子叶片在干旱锻炼和干旱胁迫下的RNA-seq分析,本研究分离出一个LEA编码基因(XM_012232372.1),经序列分析可知该蛋白基因CDS序列全长为459 bp,编码蛋白由152个氨基酸组成.多重序列比对和进化分析显示该蛋白属于第四组典型亲水性LEA蛋白,暂命名为JcLEA4.荧光定量PCR分析发现,幼苗叶片中JcLEA4转录本的积累受到空气干旱胁迫和外源ABA处理的显著诱导.在酿酒酵母中异源表达分析显示,JcLEA4的过表达提高了转基因酵母对PEG模拟干旱胁迫的存活率和生长速率,表现出增强的耐受性.本研究初步证实了JcLEA4基因与抗旱性紧密相关,为以后小桐子的抗旱性遗传改良提供了良好的基因资源.

作为新兴的能源植物, 小桐子所具备的耐贫瘠、种子含油量高、油质优良等特性使其受到广泛关注.本研究对小桐子幼苗进行10％PEG模拟干旱锻炼与空气干旱胁迫处理, 以叶片样品进行RNA-Seq文库构建并基于Illumina Hiseq2000平台进行高通量测序, 对差异表达基因进行鉴定和通路富集分析, 发现糖代谢通路得到了显著富集.其中, 肌醇半乳糖苷合成酶 (inositol galactoside synthase, GS) 和棉子糖合成酶 (raffinose synthase, RS) 作为棉子糖系列寡糖合成途径的2类关键酶, 其家族成员的不同编码序列在干旱胁迫下呈现不同的表达模式.实时荧光定量 (RT-q PCR) 验证了两个酶基因家族关键成员对干旱处理的诱导响应, 暗示了棉子糖合成途径参与了干旱锻炼和胁迫耐受性的形成, 为进一步揭示小桐子抗旱性形成的分子机制及其基因工程改良奠定了坚实的理论基础.

小桐子是重要的能源植物,由于它是雌雄同株植物,雌花少,雄花多,雌雄花比例低,因而导致其种子产量很低,严重制约了其产业化进程.因此,了解与小桐子雌花形成、雌雄花比例提高相关影响因素的研究进展,不但对种植者进行小桐子大田种植采取必要的栽培措施具有指导意义,而且也为下一步开展相关的研究工作指明了方向.为此,综述了与小桐子单性花性别分化相关影响因素的研究进展,并对该领域未来的研究重点作了展望.与小桐子雌花形成、雌雄花比例提高相关的影响因素既有内因,也有外因,内因有开花习性、植物激素、遗传基因和结果枝的年龄与大小;外因包括植物生长调节剂、立地环境、CO2浓度、光照、水份、土壤厚度、所施肥料等环境因素.其中,最重要的影响因素是植物激素和遗传基因,二者协同作用共同调控小桐子的性别分化.

促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase,MAPKKKK)属Ser/Thr类蛋白激酶,参与典型MAPK级联系统与其它信号转导途径,从而调节植物光周期、花器官生长及抗逆性等生物学过程.本研究基于序列比对的方法,在全基因组水平对小桐子MAPKKKK基因家族进行鉴定,并对其基因结构、系统进化、表达特性及潜在功能进行了解析.结果 表明,小桐子基因组中共鉴定到6个MAPKKKK基因,主要定位细胞核,蛋白序列长度分布在513～812 aa,等电点分布在5.12～6.72.序列比对都发现激酶结构域及保守基序-TFVGTPxWMAPEV-,除JcMAPKKKK4激酶结构域位于序列中部外,其它成员都位于N端.与拟南芥、葡萄MAPKKKK共聚类与系统进化分析显示,MAPKKKK聚类为8个亚组,且各亚组内成员存在蛋白序列长度、外显子数量、等电点特异性.基因结构分析表明,除JcMAPKKKK仅含有1个外显子,其它5个小桐子MAPKKKK基因包含18～22个外显子.表达分析显示,JcMAPKKKK1、JcMAPKKKK2及cMAPKKKK5在叶片中表达量较高,而JcMAPKKKK3与JcMAPKKKK6在根中表达量较高.同时,JcMAPKKKK3与JcMAPKKKK6是响应小桐子抗冷性的主要基因.蛋白互作分析表明,小桐子MAPKKKK与WNK、Mo25及Mob家族蛋白具有广泛的互作关系,并可能参与植物极性生长、细胞分裂及ABA信号转导等过程.以上结果为开展小桐子MAPKKKK基因的功能鉴定与信号转导机制研究提供了参考.