[目的]甜菜碱醛脱氢酶(betaine aldehyde dehydrogenase,BADH)是参与甘氨酸甜菜碱(glycine betaine,GB)合成的关键酶之一,在植物响应逆境胁迫过程中发挥重要作用.[方法]为探究甜菜(Beta vulgaris)BvBADH 基因家族成员生物学功能及基因表达模式,本研究采用生物信息学方法,分析了蛋白质的理化性质、系统进化、基因结构、染色体定位、保守基序、蛋白结构、启动子顺式作用调控元件,并通过RT-qPCR对其在盐胁迫下的表达模式进行分析.[结果]共鉴定出 9 个BvBADH 基因家族成员,含有 9-15 个外显子,8-14 个内含子,平均氨基酸个数为 516,平均分子量为 55.84 kD,等电点为 5.24-6.98.系统进化分析发现,高等植物BADH可分为 3 个簇,分别为簇Ⅰ 、Ⅱ 和Ⅲ,其中簇Ⅲ成员进一步分为簇Ⅲa和Ⅲb两个亚簇.BvBADH基因家族在 3 个簇中均有分布,分别含有 3、1 和 5 个成员.甜菜BvBADH基因家族主要含有胁迫响应元件、激素响应元件和生长发育响应元件,每个成员的顺式作用调控元件数量为 13-21 个.进一步对 BvBADH在盐处理下甜菜叶片中的表达模式分析发现,100和 150 mmol/L NaCl不同程度地诱导BvBADH基因家族成员的表达;但相比之下,它们在 100 mmol/L NaCl处理下的表达量高于 150 mmol/L NaCl.[结论]BvBADH基因家族在甜菜响应盐胁迫过程中扮演着重要角色,为我国北方地区农作物抗逆性遗传改良提供优异基因资源.

在嗜盐菌长期的盐适应或短期的盐胁迫过程中,甘氨酸甜菜碱(又名三甲基甘氨酸,N,N,N-trimethylglycine)发挥着极为重要的作用.甘氨酸甜菜碱在嗜盐菌中的生物合成有2种途径:胆碱氧化途径和甘氨酸甲基化途径.前者以胆碱为底物,由胆碱脱氢酶(choline dehydrogenase,BetA)和甜菜碱乙醛脱氢酶(betaine aldehyde dehydrogenase,BetB)经2次氧化生成甜菜碱;后者以甘氨酸作为底物,由甘氨酸肌醇甲基转移酶(glycine sarcosine N-methyltransferase,GSMT)和肌氨酸二甲基甘氨酸甲基转移酶(sarcosine dimethylglycine N-methyltransferase,SDMT)经3次N-甲基化生成甜菜碱.目前在JGI-IMG和EZBioCloud数据库中公布了134株嗜盐菌标准菌株的全基因组序列.其中,约56.0％的嗜盐细菌和约39.6％的嗜盐古菌拥有胆碱氧化途径所需的2个基因;约9.7％的嗜盐细菌和约0.7％的嗜盐古菌携带甲基化途径所需的2个基因.其中,8株嗜盐细菌同时拥有胆碱氧化途径和甘氨酸甲基化途径所需的全部基因.甘氨酸甜菜碱生物合成基因在典型微生物菌株或经济作物中的表达可以提高其耐盐抗逆能力,这种独特的优势已经引起科学家们强烈的兴趣,相信未来,嗜盐菌中甘氨酸甜菜碱生物合成领域内的科学理论和技术应用会有重大的突破.

[背景]六价铬[Cr(Ⅵ)]作为一种高毒性的重金属污染物,用微生物学方法还原Cr(Ⅵ)既经济又环保.[目的]探究耐铬菌株CM01中与耐受或还原铬Cr(Ⅵ)有关的蛋白或基因,从分子水平上阐述其耐铬Cr(Ⅵ)机制.[方法]运用同位素标记相对和绝对定量技术(isobaric tags for relative andabsolute quantitation techniques,iTRAQ)分析耐铬菌株CM01在有无铬Cr(Ⅵ)胁迫下的蛋白表达差异.运用RT-qPCR技术验证4种与代谢途径有关的上调蛋白的mRNA表达量.运用紫外分光光度计测定细胞表面疏水性.[结果]共鉴定到2 570个蛋白,其中存在显著差异的蛋白数为646个,上调蛋白数量343个,下调蛋白数量303个.CM01中的Fe/Mn超氧化物歧化酶、甜菜碱醛脱氢酶、磷酸戊糖途径、磷酸肌醇代谢途径、氨基酸代谢共同参与了菌株对于外源性Cr(Ⅵ)的响应机制.RT-qPCR实验结果表明,与代谢途径有关的4种蛋白其基因转录水平和蛋白水平一致.对照组CM01的细胞表面疏水性高于实验组.[结论]初步探索了耐铬菌的Cr(Ⅵ)响应机制,为利用微生物治理环境污染提供了理论支持和新的研究思路.

香稻拥有浓郁的香味和较高的营养价值,深得消费者的喜爱和育种专家的重视,挖掘和利用香稻基因资源为培育优质香稻品种奠定基础.水稻甜菜碱醛脱氢酶基因(OsBADH2)功能的丧失导致稻米具有香味.通过对10份香稻品种OsBADH2编码区进行测序分析,明确其变异类型.根据香稻OsBADH2第7外显子8 bp的缺失,设计功能标记E7,利用E7分别对测序的10份香稻品种和2个香稻/非香稻育种群体的OsBADH2基因型进行验证与检测.结果表明,象牙香占、花香B、农香24等9份香稻均在第7外显子发生8 bp的缺失和3 bp的替换,而香稻Xiao7在第14外显子有1个碱基(G)的插入突变.功能标记E7能快速准确地鉴定OsBADH2的纯合显性、纯合隐性和杂合基因型.

非生物胁迫(如高盐、干旱、高温和寒冷等)是制约植物生长和发育的主要环境因素.甜菜碱作为一种有效的小分子渗透调节物质,在植物体内大量积累不仅无危害,而且还可有效地提高植物的抗逆性.甜菜碱醛脱氢酶(betaine aldehyde dehydrogenase,BADH)是甜菜碱合成通路中的关键酶,在植物抗逆性中发挥着极其重要的作用.本文对BADH的结构、分类、生物学功能及其在植物响应非生物胁迫中的作用等方面的研究进展加以综述,并对其未来研究方向进行展望,为其在农作物抗逆性遗传改良中的应用提供一定依据.