由于工业发展以及生活废弃物污染的不断加剧,作物中的重金属浓度超标,严重威胁人体的健康.铝激活苹果酸转运体编码一类阴离子通道蛋白,在植物有机酸的跨膜转运中发挥重要的作用.为研究GmALMT33基因在大豆应对镉胁迫中的功能,本研究以大豆黑农48的叶片cDNA为模板,利用RT-PCR克隆得到GmALMT33基因.该基因CDS区全长1622 bp,编码553个氨基酸,含有1个ALMT结构域.qRT-PCR结果表明,GmALMT33在大豆根部的表达水平最高;镉胁迫后,该基因表达量呈现先升高后降低的趋势.构建植物表达载体pCPB-GmALMT33并对烟草、大豆毛状根进行遗传转化,转基因植株抗逆表型与生理指标分析表明,镉(66pmol/LCdCl2)胁迫下,转基因烟草叶片黄化、褪绿,边缘褐化程度明显低于野生型烟草.转基因大豆毛状根复合体植株茎秆和叶脉呈现的红褐色毒害症状程度明显弱于转空载体植株.在镉胁迫处理7d后,转基因烟草叶片的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶活性及可溶性糖含量均高于野生型对照,丙二醛含量均低于对照.在镉胁迫处理0 d、1 d、3 d后,转基因大豆毛状根复合体根和叶的超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶活性、可溶性糖含量均高于转空载体对照,丙二醛含量均低于对照,表明GmALMT33基因提高了植株的耐镉能力.本研究为进一步探讨GmALMT33基因的作用机制提供了依据,并为大豆抗逆育种提供了新的基因.

MYB作为植物中最大的多功能转录因子(transcription factors,TFs)家族之一,在基因转录水平上广泛地参与调控植物生长发育、激素信号转导及逆境胁迫应答等过程.该类转录因子N端含有典型的MYB结构域,根据MYB结构域中R重复序列的数量分为不同的亚组;而C端结构域差异较大,因此功能上具有多样性.大量研究表明,在受到外界环境信号的激活后,MYB可单独或通过和其他蛋白互作后,与下游靶基因启动子区域的顺式作用元件MYBCORE和AC-box结合,参与调控下游胁迫应答相关基因的表达,从而调节植物对逆境胁迫的耐受性.另外,MYB也通过参与脱落酸(abscisic acid,ABA)、油菜素内酯(brassinolide,BR)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和活性氧(reactive oxygen species,ROS)等信号通路的方式,对非生物胁迫以及生物胁迫做出应答反应.论文对植物MYB家族的结构与分类及其作用方式进行了归纳,重点对植物MYB参与调控响应盐、干旱、极端温度、营养亏缺、重金属以及病原菌等非生物和生物逆境胁迫的作用机制进行了综述,并对未来重点研究方向提出了展望,为今后农作物的抗逆性遗传改良和生物育种提供优异基因资源和理论支持.

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)是球囊菌门真菌与植物根系组成的共生体系,71%的维管植物有AM.球囊菌门(Glomeromycota)现下设 1 纲 4 目 11 科 27 属,约有 300 种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF).AMF可以提高植物对干旱、盐度、重金属等非生物胁迫和由其他生物引起的生物胁迫的抵抗力以及调节植物次生代谢产物的合成.本文综述了AMF对植物逆境胁迫和次生代谢产物影响的研究进展.阐述了AMF对植物形态结构、生理生化、基因表达和次生代谢等生命活动的影响.总结了AMF提高植物逆境胁迫抗性和调节植物次生代谢产物合成方面的作用机理.旨在为深入研究AMF响应植物逆境胁迫和调节植物次生代谢产物合成的作用机理提供参考.

[目的]NRAMP(natural resistance-associated macrophage protein)基因家族是一类广泛存在于植物中的天然抗性相关巨噬蛋白,对植物中二价金属离子的细胞转运具有关键作用.为挖掘沙棘NRAMP基因家族响应重金属铅胁迫的关键基因,阐明沙棘响应重金属铅胁迫的分子机制.[方法]利用生物信息学技术鉴定沙棘NRAMP家族成员,对编码该家族蛋白的理化性质、系统进化、基因结构、保守基序、顺式作用元件、不同浓度铅胁迫下的NRAMP基因表达谱、种内种间共线性、蛋白互作网络进行综合分析.[结果]NRAMP基因家族的 11 个成员不均匀分布于 7 个染色体上,被分为Group1-Group3 三大类群.NRAMP基因家族成员的启动子具有丰富的激素应答、分生组织表达和环境应激响应元件.转录组分析表明,沙棘NRAMP基因家族的 11 个成员在不同浓度的铅离子胁迫下呈现差异表达,其中 8 个基因在 1 000 mg/kg的铅胁迫下显著下调,7 个基因在高浓度铅胁迫(5 000 mg/kg)下表达上调,并对选定的 6 个沙棘NRAMP基因进行了RT-qPCR验证.沙棘与单子叶植物小麦NRAMP基因家族的种间共线性比率高于双子叶植物拟南芥.蛋白质互作网络分析表明,沙棘NRAMP基因家族成员HrLNRAMP8 可能主要通过乙烯途径调控重金属的吸收转运.[结论]在全基因组范围内从沙棘中系统鉴定得到 11 个HrLNRAMP家族成员.Group2 亚族成员基因结构最复杂且一致性较低;所有的沙棘NRAMP成员都含有NRAMP家族特有的转运基序motif1.不同基因家族成员在铅胁迫条件下的表达具有偏好性,该基因家族通过响应重金属铅离子胁迫来调控基因表达水平,从而降低重金属胁迫带来的伤害.

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.

植物蜡酯合成酶催化长链醇和长链脂肪酸合成蜡酯,对植物蜡质合成及其抗旱、抗致病菌袭击和紫外辐射、抗寒和昆虫侵害等环境胁迫具有非常重要的作用;镉是环境中含量最高的有毒重金属之一,严重威胁植物的生长发育、质量、产量和食用安全.为研究地黄蜡酯合成酶基因镉胁迫表达,该文从地黄全长转录组测序数据中鉴定其成员,并用生物信息学技术与qRT-PCR对其编码蛋白质的理化性质、系统进化和保守结构域及其组织表达与镉胁迫表达进行分析.结果表明:(1)鉴定出两个蜡酯合成酶基因RgOATWSD1 与RgOATWSD2,其编码蛋白质的长度、理论等电点和相对分子量依次为 463 aa与 473 aa、8.86 与 9.34、51.31 kD与 52.49 kD,均为不稳定蛋白.(2)二者均具有acyl_WS_DGAT保守域与DUF1298 超家族,前者占其氨基酸序列的 92.65%～94.50%.(3)二者均定位于内质网中,二级结构以无规卷曲与 α 螺旋为主;RgOATWSD1 为跨膜蛋白,而RgOATWSD2 不是.(4)二者均在地黄根、茎、叶中差异表达.(5)二者表达均受镉胁迫诱导,但其表达变化趋势不同.该研究鉴定了两个镉胁迫应答反应的蜡酯合成酶基因,为地黄RgOATWSD的镉胁迫表达及功能研究奠定了基础.

[目的]Heavy metal ATPase(HMA)基因家族广泛参与植物对金属元素的吸收和转运,系统鉴定番茄HMA基因家族成员及其特征,并研究其在应对镉胁迫过程中的功能,为解析番茄重金属转运机制及番茄低镉积累种质创新提供理论依据.[方法]通过生物信息学鉴定番茄HMA基因家族成员,并分析其系统进化树、蛋白理化性质、基因结构、顺式作用元件、基因表达模式等,通过酵母功能互补试验研究SlHMA1 的镉转运活性.[结果]番茄基因组中存在 8 个SlHMAs,分属 2 个亚组.在基因结构方面,各SlHMAs间及与拟南芥和水稻的同源基因之间都存在显著差异.SlHMAs成员启动子区域含有较多逆境响应相关的顺式作用元件,RT-qPCR结果也揭示大多数SlHMAs表达对镉胁迫有不同程度的组织特异性响应.酵母功能互补试验表明SlHMA1 蛋白具有镉转运活性,进化分析表明HMA1广泛存在于植物界,且其ATP水解酶活性相关的氨基酸保守基序DKTGT也在植物界高度保守.[结论]番茄SlHMAs具有HMA家族基因的典型特征,同时也存在功能多样性.SlHMAs及其氨基酸保守基序DKTGT与金属离子转运及镉胁迫响应密切相关,在低镉作物育种方面具有重要应用潜力.

目的:克隆黄连重金属ATP酶基因CcHMA3,并对其编码蛋白进行生物信息学以及差异表达分析.方法:根据黄连基因组和转录组数据,利用PCR扩增CcHMA3 的全长cDNA并进行生物信息学分析.利用实时荧光定量PCR法(qRT-PCR)检测CcHMA3 基因在黄连植株中的表达差异.结果:克隆获得CcHMA3 基因,开放阅读框全长为 3 030 bp,编码1 009 个氨基酸;蛋白相对分子量为109.03 kD,理论等电点为6.7;蛋白序列中含有6 个跨膜结构域和 2 个保守结构域,亚细胞定位预测表明CcHMA3 位于质膜上,具有一定亲水性.qRT-PCR结果表明,CcH-MA3 基因在黄连不同组织中的相对表达量由高至低依次为须根、根茎、叶柄、叶片;当镉处理后,CcHMA3 基因在须根中的表达量显著高于其他组织(P<0.05),且对不同镉胁迫处理时间存在明显不同的响应表达.结论:该研究为进一步深入研究CcHMA3 基因在黄连重金属镉代谢过程中的调控机制,进而寻找可能的阻断方式奠定实验基础.

蓝细菌是唯一可进行放氧光合作用的原核微生物,基于光合蓝细菌构建"自养型细胞工厂"具有广阔前景.但以蓝细菌作为底盘进行生物燃料及化学品的合成仍存在细胞耐受能力差、产量低等问题,导致实现工业化生产的经济可行性还比较低,亟需通过合成生物学等技术手段构建新的藻株.近年来,实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution,ALE)已被用于底盘工程中,实现了优化生长速度、增加耐受性、加强底物利用和提高产品产量等目标.ALE 在提高蓝细菌鲁棒性方面取得了一定进展,已获得了耐受高光、重金属离子、高盐和高浓度有机溶剂胁迫的进化藻株.但是,蓝细菌中的 ALE 策略效率相对较低,耐受各胁迫的分子机制并未阐释完全.本文综述了ALE 相关技术策略及其在蓝细菌底盘工程中的应用,讨论了如何借鉴其他微生物中 ALE 手段,构建更大 ALE 突变文库、增加菌株的突变频率、缩短进化时间、探索多重胁迫耐受工程菌构建原则及研究策略等,高效解析进化菌株的突变体库,构建高产量、鲁棒性强的工程菌株等,以期未来促进蓝细菌底盘的改造及其工程菌的规模化应用.

我国矿产资源不合理开发导致的重金属污染较为严重,植物修复是解决土壤重金属污染问题的有效方式,因此亟需开展耐重金属胁迫植物筛选和尾矿堆积区重金属修复的研究.本研究以云南干热河谷地区广泛引种的辣木(Moringa oleifera)为对象,通过盆栽试验模拟不同浓度土壤复合重金属(Cd-Pb-Cu-Zn)胁迫,探讨了辣木叶片光合作用能力、植株生长特性和生物量分配对复合重金属胁迫的响应,揭示了辣木对复合重金属胁迫的适应机制和不同重金属的富集特征.结果表明,复合重金属胁迫对辣木叶片光合能力、植株生长特性、生物量分配特征均产生了显著影响.复合重金属胁迫对辣木叶片光合能力的影响整体表现为低促高抑;辣木株高、地径、根长、根粗的生长都受到显著抑制,且随着胁迫的加剧,抑制作用逐渐增强;随着胁迫的加剧,辣木将更多的生物量投入至地下部分.适应重金属胁迫过程中,辣木将更多的重金属储存在地下生物量中.此外,辣木对4种重金属元素的耐受性和富集能力不同,其中对Cu2+和Zn2+的耐受性较好,对Cd2+和Zn2+富集能力较强.综上,辣木对复合重金属胁迫有一定的耐受性,且生物量较大,生长较快,可考虑作为重金属污染较轻区域的辅助修复植物.