在植物生长发育过程中,开花和应激反应是至关重要的事件.VOZ(vascular plant one-zinc finger)转录因子是存在于维管植物及苔藓植物中的一类植物转录因子.它于2004年在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中被鉴定出来,并已被证明在成花和逆境胁迫响应中发挥着重要作用.本文在介绍VOZ转录因子的结构特征及VOZ基因成员在不同物种中的分布情况的基础上,总结了VOZ基因在不同物种中的表达模式及其在植物生长发育过程中发挥的功能,包括促进植物成花诱导和果实发育、提高植物对生物胁迫的耐受力、降低植物对非生物胁迫的抵抗能力以及调控种子萌发等方面,并阐述了VOZ转录因子在不同调控途径中与相关蛋白发生相互作用,从而发挥功能的分子机制.本文总结了VOZ转录因子发挥不同功能时的分子机制,旨在为植物开花和逆境胁迫领域的研究人员提供帮助,为进一步研究奠定理论基础.

[目的]探究马铃薯磺肽素基因StPSK4特征及其在马铃薯抗病性中的功能分析,为马铃薯抗病育种提供理论依据.[方法]用生物信息学技术对StPSK4进行系统分析,转录组测序分析StPSK4的组织特异性、生物胁迫和非生物胁迫处理下的表达模式,检测StPSK4过表达植株对植物先天免疫反应情况和对青枯菌的敏感性.[结果]StPSK4基因的cDNA全长457 bp,编码100个氨基酸;StPSK4含有信号肽,其高级结构多由α-螺旋和无规则卷曲组成;PSK4的C端含有磺肽素序列DYIYTQ,StPSK4与茄科作物相似性均在80％以上;StPSK4在马铃薯芽和叶柄中高表达,对非生物胁迫(高温、盐)和生物胁迫(青枯菌、疮痂病菌)等响应剧烈;构建并获得过表达StPSK4的转基因马铃薯植株;过量表达StPSK4抑制马铃薯的ROS爆发、防御标记基因表达和对青枯病的抗病性.[结论]StPSK4可以响应高温和青枯病等多种逆境胁迫,过表达StPSK4抑制马铃薯的活性氧爆发、防御标记基因表达和对青枯病的抗性,证实StPSK4抑制马铃薯的抗病功能.

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C4光合关键酶,有助于植物在非生物胁迫下抵御逆境.异子蓬(Suaeda aralo-caspica)是一种无须Kranz结构即可在单细胞中高效执行C4光合作用的荒漠盐生植物,在C3作物遗传改良方面具有天然优势.以转异子蓬SaPEPC2基因烟草(Nicotiana tabacum)为材料,探讨了其抗旱功能和光合性能.结果表明,过表达SaPEPC2提高了烟草叶片持水能力,可保持叶绿素稳定;积累更多的渗透调节物质,增强了抗氧化酶活性,进而降低了植株体内的活性氧水平,减轻膜损伤程度;同时还增强了烟草抗旱相关基因和内源光合基因的表达,提高了PEPC活性和净光合速率,可能是促进了烟草体内的"类C4微循环"途径所致.研究结果为进一步利用异子蓬单细胞C4途径PEPC基因培育高光效抗逆农作物品种奠定了基础.

随着对线粒体研究的不断深入,新的发现逐渐打破了人们对线粒体的固有认知.线粒体除能通过中区分裂增加数量外,还能通过外周分裂抵抗逆境胁迫.细胞分裂时,线粒体被均匀分配到2个子代细胞中并非沿微丝运动实现,而是随微丝共迁移运动.线粒体的选择性遗传能调控有害突变的传递及干细胞的干性.线粒体并非严格遵循母系遗传,它会持续不断地将DNA插入细胞核DNA中.这些研究结果加深了人们对线粒体的认识.

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]脂肪酸脱氢酶(fatty acid desaturase,FAD)是一类催化植物不饱和脂肪酸合成的关键酶,在植物生长发育及逆境胁迫响应中起重要作用.鉴定番茄SlFAD基因家族,为番茄SlFAD基因家族功能研究及遗传改良提供理论依据.[方法]采用生物信息学方法,对其基因家族成员进行鉴定,并对其理化性质、基因结构、系统发育树和表达模式等方面进行研究.[结果]在番茄基因组中共鉴定出 26 个SlFAD基因,可分为 4 个亚族;理化性质分析显示SlFAD蛋白的氨基酸个数在 119-912 个之间,分子量介于 13 288.27-102 522.25 Da,SlFAD蛋白在番茄中主要以碱性蛋白的性质存在,大部分SlFAD家族成员为稳定蛋白和亲水性蛋白;亚细胞定位预测SlFAD基因家族成员主要存在于内质网;基因特征分析显示同一亚族间的成员具有较为相似的基因结构和保守基序;启动子顺式作用元件分析显示数量最多的是光响应与激素响应相关的元件;染色体定位显示 26 个SlFAD家族成员共分布在 10 条染色体上,6 号和 12 号染色体上成员最多;二级结构预测显示 26 个SlFADs家族成员均以α-螺旋和β-转角为主;转录组数据及RT-qPCR分析表明SlFAD1、SlFAD4 和SlFAD18 基因在成熟花药中高度表达,SlFAD23 在根尖中高度表达,说明SlFAD1、SlFAD4 和SlFAD18可能参与花药发育,SlFAD23可能参与根尖发育;低温胁迫下,SlFAD6和SlFAD21表达量被抑制,说明SlFAD6 和SlFAD21 可能与低温响应有关系,SlFAD1 和SlFAD14 在低温胁迫初期显著上调,随后又被抑制,说明该基因在低温胁迫初期发挥重要作用.[结论]SlFAD基因家族在番茄根尖、叶片、花药的生长发育过程及低温胁迫中发挥重要作用.

[目的]异戊烯基转移酶(isopentenyl transferases,IPT)参与反式玉米素(trans-zeatin,tZ)的生物合成.tZ是调节植物生长发育和抵抗逆境胁迫的一种细胞分裂素类型,在促进芽生长和调控植物侧枝发育方面具有重要作用.探索IPT的功能,为后续新麦草产量性状改良提供了理论依据.[方法]通过对新麦草IPT进行系统发育和多序列比对,探究其编码氨基酸序列的特征和同源性.通过花粉管通道法获得过表达PjIPT拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株,并运用逆转录PCR(RT-PCR)和蛋白质印迹(Western blot,WB)对转基因植株进行验证,利用实时荧光定量逆转录PCR(RT-qPCR)对其组织表达模式进行分析,使用液质联用系统测定反式玉米素.[结果]IPT在新麦草(Psathyrostachys juncea)和二粒小麦(Triticum dicoccoides)等麦类作物中具有高度同源性,且AtIPT9 是PjIPT的同源蛋白.通过花粉管通道法获得过表达PjIPT拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株,证明PjIPT上调植株分枝数.RT-PCR和蛋白质印迹分析显示,PjIPT在转录水平和蛋白水平均能够正常表达.利用不同部位组织RT-qPCR分析PjIPT的空间特异性表达,结果显示,PjIPT在拟南芥的分蘖节和叶中特异性表达.此外,反式玉米素的定量分析表明PjIPT通过参与tZ的生物合成去调控拟南芥植株分枝数.[结论]PjIPT是上调植株分枝数的关键基因.

[目的]细胞色素P450 单氧化酶 98(Cytochrome P450 monooxygenase 98,CYP98)是苯丙烷途径中的关键限速酶,拟探究其在角苔植物中是否参与苯丙烷途径中生物合成及抗病功能,为今后研究早期陆生植物的进化和适应逆境胁迫的生理机制提供参考.[方法]利用RACE技术从褐角苔中克隆 FfCYP98 cDNA全长序列,对其进行生物信息学和亚细胞定位分析,并通过构建过表达载体转化拟南芥突变体 FfCYP98-OE1 进行功能验证.[结果]FfCYP98 cDNA序列开放阅读框 1 305 bp,与苔藓植物芽孢角苔和小立碗藓CYP98 在进化关系上最近,亚细胞定位结果显示FfCYP98 定位于细胞核和细胞质.过表达FfCYP98 基因后发现FfCYP98-OE1 植株总酚、总黄酮和苯丙烷合成途径中C4H、4CL和C3H的表达量均显著高于拟南芥WT植株.另外,用灰霉菌侵染褐角苔和拟南芥FfCYP98-OE1 植株后发现FfCYP98 表达量显著上调,FfCYP98-OE1 植株枯死的速度明显比WT植株慢,且拟南芥FfCYP98-OE1 植株中总酚、总黄酮和苯丙烷合成途径中C4H、HCT、C3H和CAD四个基因的表达量均显著高于WT植株.[结论]褐角苔FfCYP98 可能通过调控苯丙烷途径合成相关基因的表达,参与了苯丙烷途径中酚类和黄酮类化合物的生物合成,并与植物的抗病性有关.

[目的]油菜素唑抗性因子(brassinazole-resistant,BZR)是植物特有的转录因子,对植物的生长发育起着至关重要的作用.从甜瓜全基因组范围内鉴定CmBZR基因家族成员,分析其相关基因的表达模式,为进一步探究甜瓜BZR基因家族的生物学功能提供基础.[方法]基于甜瓜全基因组数据,通过BLAST对甜瓜BZR家族基因进行鉴定,利用生物信息学的方法分析了该家族蛋白的理化性质、基因染色体分布、基因结构、蛋白质结构域、系统进化以及启动子顺式作用元件,并利用荧光定量PCR验证BZR家族基因在甜瓜不同组织及不同生长发育时期果实中的表达情况.[结果]甜瓜中共鉴定到 6 个BZR基因,系统进化分析可将其分为 5 个亚家族,CmBZR基因分布于第 3、7、8、11 和 12 染色体上.所有的BZR蛋白质都具有保守的结构域.CmBZR基因启动子区域显著富集与生长发育、激素信号转导和非生物逆境胁迫相关的顺式作用元件.CmBEH1-4 在茎、两性花以及子房中高表达,在生长期、成熟期、呼吸跃变期和呼吸跃变后期果实中也均有表达.[结论]在全基因组范围内从甜瓜中系统鉴定出6个甜瓜CmBZR基因家族成员,不同基因在甜瓜的各个组织和不同的生长发育时期均有表达,且表达模式存在差异.

凝集素类受体蛋白激酶(lectin receptor-like kinase,LecRLK)是一类带有凝集素保守域的植物激酶,在植物抵抗生物胁迫和非生物胁迫过程中起着重要作用,同时也参与植物生长发育过程.工业大麻Cannabis sativa是一种重要的多用途植株,广泛应用于食品、纺织、医药等领域.对工业大麻LecRLK家族进行全基因组水平筛选以及表达分析,为工业大麻LecRLK家族功能分析提供科学参考.因此,该研究基于BLAST和HMM方法最终在工业大麻全基因组上共鉴定到93个LecRLKs,其中包括69个G型,23个L型和1个C型.随后对家族成员进行一系列生物信息学分析,初步揭示了工业大麻LecRLKs家族成员的蛋白理化性质,对家族成员启动子顺式作用元件预测结果显示家族成员受到激素和逆境响应的调控.表达分析则显示部分家族成员在根中有较高表达,可能参与抗逆过程;另一些成员在雌花中高表达,可能参与雌花发育.该研究为LecRLKs基因功能的深入研究提供一定的理论基础.同时通过表达分析筛选了可能参与工业大麻抗逆候选LecRLKs成员,为将来工业大麻抗逆品种筛选提供理论依据.