桑树磷脂酶MaPLA1-2D亚型4个基因的克隆与胁迫应答分析

磷脂酶(phospholipase)是一类在植物生长发育和胁迫应答中起重要调控作用的磷脂水解酶,也是一类重要的信号转导酶。而磷脂酶A1(PLA1)在植物应答生物胁迫和非生物胁迫中的功能研究鲜见报道。研究从桑树(Morus alba L.)中克隆了磷脂酶PLA1的1个亚型MaPLA1-2D基因,对其进行了序列分析、组织表达、胁迫诱导表达和蛋白亚细胞定位分析。结果表明,桑树PLA1-2D亚型基因包括4个成员,命名为MaPLA1-2D.1~MaPLA1-2D.4。4个基因在桑树根和叶中高水平表达,蛋白亚细胞定位在叶绿体。序列和进化分析表明MaPLA1-2D基因4个成员与拟南芥AtDAD1基因的保守结构域序列具有较高相似度且进化关系紧密。MaPLA1-2D基因4个成员的启动子含有多种胁迫应答顺式元件和激素响应元件;胁迫诱导表达模式分析表明MaPLA1-2D基因表达受干旱和脱落酸处理显著诱导。以上结果说明,MaPLA1-2D基因与拟南芥DAD同源,可能在桑树非生物胁迫应答中发挥重要功能。     

毛果杨nsLTP基因家族全基因组水平鉴定及其表达特性分析

植物非特异性脂质转移蛋白（non-specific lipid transfer proteins,nsLTP）是一类多基因家族编码碱性蛋白,负责脂肪酸体外结和与膜之间的磷脂转移,在植物生长发育和逆境胁迫响应中扮演着重要角色。目前为止,尚无模式植物毛果杨（Populus trichocarpa）nsLTP家族的研究报导。本研究从全基因组水平对PtrnsLTP家族成员的基因数量、亲缘关系、基因结构、编码蛋白保守基序等特性进行了分析,结果表明：PtrnsLTP家族共由39个基因组成,进化成5个亚家族,其中A亚族含有6个基因、B亚族含有2个、C亚族含有13个、D亚族含有3个、E亚族含有15个。PtrnsLTP家族包含7对旁系同源基因,其中1对大于1,6对Ka/Ks均远小于1,且这6对基因均处于同一个大的进化分支上,进化压力的不同导致基因间的功能出现了分化,编码蛋白均含有Motif 1和 Motif 2保守基序。利用qRT-PCR技术并结合杨树转录组数据对PtrnsLTP的组织表达与盐胁迫响应特性研究发现：各家族成员在毛果杨根、茎和叶中均有表达且经qRT-PCR技术验证后与网站预测结果基本吻合,有11、15和13个成员分别在根、茎和叶中有较高的表达,表明该基因家族参与了杨树不同组织的生长发育;NaCl胁迫下,该家族39个基因中分别有26个成员在根部、14个成员在叶部表达量随着胁迫时间的增加而升高,而32个基因在茎部表现为先升高后降低的趋势。本研究结果对于PtrnsLTP家族基因生物学功能的鉴定与盐胁迫响应基因资源的工作有着积极的推动作用。     

水稻SDG736抑制拟南芥FLC表达调控开花时间

130～150个氨基酸组成SET (Su (var) 3-9, Enhancer-of-zeste, Trithorax)结构域构成了组蛋白赖氨酸甲基转移酶特异性催化位点。SET结构域蛋白在进化上高度保守,广泛调控植物的生长发育。进化分析结果显示水稻SET结构域家族成员可分为7个不同的亚家族(KMT1, KMT2, KMT3, KMT6, KMT7, S-ET和RMT)。KMT3亚家族可能涉及开花调控或花的发育,其中包含5个拟南芥基因和5个水稻同源基因。拟南芥SDG4通过H3K4/K36甲基化的活性调控花发育,结果表明水稻同源基因SDG736超量表达,可促进拟南芥开花。对拟南芥开花途径相关的基因进行定量分析显示,超量表达的SDG736拟南芥植株中FLC基因表达量降低,而SCO1基因的表达量增加。     

菜用大豆CIPK基因对逆境胁迫及激素的响应特征

CIPK(calcineurin B-like-interacting protein kinase)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,在植物响应逆境胁迫和激素信号转导中发挥重要作用。本研究利用大豆基因组数据库,在全基因组水平鉴定获得52个CIPK蛋白激酶。蛋白比对分析发现所有Gm CIPK含有高度保守特征性的N端激酶区、连接区和C端调控区。系统进化树分析发现大豆Gm CIPK与拟南芥、水稻CIPK分类一致,分为4个亚家族,且每个亚家族含有3个不同物种的成员,表明Gm CIPK基因的分化早于物种的分化。启动子分析表明,多数Gm CIPK基因的启动子区含有逆境和激素应答元件。组织表达分析发现,Gm CIPK基因呈现多样化的组织表达特性。进一步选取组织表达量相对较高的14个Gm CIPK进行荧光定量PCR分析,结果表明这些菜用大豆CIPK基因在不同程度上均受高温、干旱、高盐胁迫以及ABA、ACC、SA、Me JA激素的诱导表达。采用蛋白同源比对和蛋白互作在线数据库对拟南芥及大豆同源CIPK蛋白激酶与其他蛋白的互作关系进行了预测分析,发现17对同源CIPK与其他蛋白(激酶、磷酸酶、转录因子等)存在互作。本研究为菜用大豆CIPK基因的功能研究与利用奠定了基础。     

甜瓜乙烯信号转导途径关键因子基因CTR1的克隆及表达特性分析

在拟南芥中,CTR1在乙烯信号转导途径中发挥重要的负调控作用.目前的研究表明,在拟南芥中只存在一个CTR1基因.利用RT-PCR技术从甜瓜果实中克隆得到CTR1基因cDNA(Cm-CTR1).Cm-CTR1cDNA全长2 613 bp,编码870个氨基酸.氨基酸序列比对和同源性分析表明,所克隆的甜瓜CTR1基因与拟南芥CTR1基因相似度为53.69％.Cm-CTR1的C-末端具有明显的类似于哺乳动物和果蝇中的Raf( retro-viral protein,V-raf)蛋白激酶家族的丝/苏氨酸蛋白激酶(Serine/threonine protein kinase)的特征.该结构具有所有已知蛋白激酶所共有的11个亚结构域,其中包括ATP结合位点和丝/苏氨酸蛋白激酶位点结构域,说明CmCTR1与其他植物CTR1相似.实时荧光定量PCR分析结果表明,从授粉后第15天到第20天,甜瓜果实Cm-CTR1基因表达量显著增加,第20天的表达量是第15天的2.5倍,之后表达水平趋于稳定,第40天到第45天表达量有所下降.     

甘蓝型油菜RPD3/HDA1基因家族鉴定及早熟相关基因挖掘

该研究运用生物信息学方法鉴定甘蓝型油菜RPD3/HDA1基因家族,检测了其在‘黔油早2号’和‘中双11’中的表达水平及2个品种在低温(4℃)和ABA胁迫下该家族基因的表达特征,以探讨RPD3/HDA1基因在甘蓝型油菜中的潜在功能,为早熟油菜抗逆性遗传改良提供理论基础和候选基因。结果表明:(1)在甘蓝型油菜全基因组中共鉴定到28个RPD3/HDA1基因,将其命名为BnHDA1~BnHDA28,聚类为4个亚家族,同一亚家族成员的基因结构较为相似;在该基因家族中共检测到16对复制基因,均为片段重复。(2)顺式作用元件预测统计中共发现675个元件与植物激素、环境胁迫和光响应有关。(3)qRT-PCR分析显示,RPD3/HDA1基因在‘黔油早2号’中的表达量均高于‘中双11’;低温胁迫下,‘黔油早2号’和‘中双11’中RPD3/HDA1基因呈差异表达,与‘中双11’相比,RPD3/HDA1基因在‘黔油早2号’中的下调幅度较大;ABA处理后,RPD3/HDA1基因在2个品种中表达模式不一致,‘黔油早2号’中大部分RPD3/HDA1基因表达量较‘中双11’下调幅度小。研究认为,RPD3/HDA1基因可能在油菜开花中发挥调节作用,而且可能通过激素信号通路和防御信号通路参与油菜的生长发育和防御反应的调节。     

辣椒锌指蛋白DnaJ-Like基因家族鉴定及对高温胁迫的表达响应

植物DnaJ-Like锌指蛋白（DNAJE）是近年来发现的一类具有重要功能的蛋白,在光合作用、质体发育与运动和植物抗逆及防御反应中发挥重要作用。基于辣椒全基因组数据,对辣椒DNAJE基因家族（CaDNAJE）进行鉴定,利用生物信息学方法对基因和蛋白特征、比较进化、共线性关系及高温胁迫下基因表达模式等进行分析。结果表明,CaDNAJE基因家族有28个成员,不均匀的分布在10条染色体和3个Scaffold上,氨基酸序列长度为99-470 aa,分子量为10.05-52.26 kD,理论等电点（pI）为4.75-9.64,其编码蛋白主要定位在叶绿体和细胞核中;辣椒、番茄和拟南芥的比较进化分析可将其分为GroupⅠ 和GroupⅡ 2个亚族,同一亚族具有类似的蛋白保守motif和基因结构;CaDNAJE基因启动子区包含大量光响应、激素响应和胁迫应答元件;辣椒与拟南芥DNAJE之间存在10对共线性基因,辣椒种内仅有1对;辣椒不同组织转录组分析发现,GroupⅠ 中多数成员在各组织中均有高表达,而GroupⅡ 中除CaDNAJE2、CaDNAJE9等基因存在高表达外,多数基因表达量都很低甚至不表达;高温胁迫下,辣椒叶片过氧化氢含量急速上升后降低,丙二醛含量持续升高,抗氧化物酶活性也有不同程度的提高。同时,高温诱导热激转录因子Hsf和热激蛋白HSP耐热相关基因及CaDNAJE基因高表达,在不同胁迫时期发挥调控作用。推测CaDNAJE基因家族可能参与辣椒响应高温胁迫,提高其耐受力,以降低细胞损伤。     

十字花科植物PEBP基因家族的分子进化

近年来植物基因组测序物种数量的指数增长, 为我们对植物环境适应性状的遗传和变异的全面理解提供了保障。磷脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidylethanolamine-binding protein, PEBP)在植物的开花转变和株型建立中起着重要作用, 一直是植物生物学研究关注的热点领域之一。然而对该家族并没有利用新近测序的基因组数据进行比较基因组分析, 制约了对其在分子水平上的进化研究。为了确定PEBP基因家族的分子进化机制, 本研究利用生物信息学方法开展了7种十字花科植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、琴叶拟南芥(A. lyrata)、小鼠耳芥(A. pumila)、亚麻荠(Camelina sativa)、甘蓝(Brassica oleracea)、白菜(B. rapa)和油菜(B. napus)的PEBP基因家族成员的全基因组鉴定、结构特征和比较进化分析。从7个物种中共鉴定出91个PEBP基因, 系统进化分析表明它们分属5个亚家族: MFT、FT/TSF、TFL1、CEN和BFT。基因结构分析发现甘蓝、白菜和油菜的CEN基因内含子明显比其余4个物种的内含子长。蛋白结构域分析表明MFT比其他4个亚家族成员少了一个motif 2, TFL1比其他亚家族多了motif 8。选择压力分析发现7个物种PEBP同源基因均受到较强的纯化选择, 其中TFL1亚家族受到的纯化选择最弱。共线性分析表明十字花科植物PEBP基因家族随古代多倍体事件发生不同程度的扩张, TSF在甘蓝、白菜和油菜中丢失。非生物胁迫下, 在拟南芥中过量表达小鼠耳芥的一个MFT基因, 转基因拟南芥种子的萌发率明显低于野生型, 暗示MFT基因在调控种子萌发上的功能保守。本研究为深入研究十字花科植物PEBP基因的进化特征和生物学功能奠定了基础。     

4种模式植物LRR Ⅷ-2亚家族基因的鉴定和进化历史分析

全基因组重复与串联重复是发生基因重复的重要机制,也是基因组和遗传系统多样化的重要动力。LRR-RLK编码富含亮氨酸重复的类受体蛋白激酶,是被子植物进化史上发生大规模扩张而形成的多基因家族。拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtLRR-RLK包含15个亚家族,AtLRRⅧ-2是其中发生串联重复比例最高的亚家族。通过分析拟南芥、杨树(Populustrichocarpa)、葡萄(Vitis vinifera)和番木瓜(Carica papaya) 4种模式植物中LRR Ⅷ-2亚家族基因的扩张及差异保留情况,结果显示, LRR Ⅷ-2在杨树中的扩张程度最高,在拟南芥和葡萄中的扩张程度居中,但在番木瓜中发生丢失。拟南芥、杨树和葡萄LRR Ⅷ-2亚家族具有旁系同源基因对,但在番木瓜中未发现旁系同源基因。除杨树中的1对旁系同源基因外, 4种模式植物中LRR Ⅷ-2亚家族的旁系和直系同源基因都受到较强的纯化选择作用。对LRR Ⅷ-2亚家族进化历史的深入分析有助于理解基因重复在植物进化中的作用和意义,可为预测同源基因功能及解析其它基因家族进化历史提供参考。     

The mitogen-activated protein kinase cascade MKK3-MPK6 is an important part of the jasmonate signal transduction pathway in Arabidopsis

The plant hormone jasmonic acid (JA) plays a key role in the environmental stress responses and developmental processes of plants. Although ATMYC2/JASMONATE-INSENSITIVE1 (JIN1) is a major positive regulator of JA-inducible gene expression and essential for JA-dependent developmental processes in Arabidopsis thaliana, molecular mechanisms underlying the control of ATMYC2/JIN1 expression remain largely unknown. Here, we identify a mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade, MAPK KINASE 3 (MKK3)-MAPK 6 (MPK6), which is activated by JA in Arabidopsis. We also show that JA negatively controls ATMYC2/JIN1 expression, based on quantitative RT-PCR and genetic analyses using gain-of-function and loss-of-function mutants of the MKK3-MPK6 cascade. These results indicate that this kinase unit plays a key role in JA-dependent negative regulation of ATMYC2/JIN1 expression. Both positive and negative regulation by JA may be used to fine-tune ATMYC2/JIN1 expression to control JA signaling. Moreover, JA-regulated root growth inhibition is affected by mutations in the MKK3-MPK6 cascade, which indicates important roles in JA signaling. We provide a model explaining how MPK6 can convert three distinct signals - JA, pathogen, and cold/salt stress - into three different sets of responses in Arabidopsis.     

Overexpression of Arabidopsis MAP kinase kinase 7 leads to activation of plant basal and systemic acquired resistance

There is a growing body of evidence indicating that mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades are involved in plant defense responses. Analysis of the completed Arabidopsis thaliana genome sequence has revealed the existence of 20 MAPKs, 10 MAPKKs and 60 MAPKKKs, implying a high level of complexity in MAPK signaling pathways, and making the assignment of gene functions difficult. The MAP kinase kinase 7 (MKK7) gene of Arabidopsis has previously been shown to negatively regulate polar auxin transport. Here we provide evidence that MKK7 positively regulates plant basal and systemic acquired resistance (SAR). The activation-tagged bud1 mutant, in which the expression of MKK7 is increased, accumulates elevated levels of salicylic acid (SA), exhibits constitutive pathogenesis-related (PR) gene expression, and displays enhanced resistance to both Pseudomonas syringae pv. maculicola (Psm) ES4326 and Hyaloperonospora parasitica Noco2. Both PR gene expression and disease resistance of the bud1 plants depend on SA, and partially depend on NPR1. We demonstrate that the constitutive defense response in bud1 plants is a result of the increased expression of MKK7, and requires the kinase activity of the MKK7 protein. We found that expression of the MKK7 gene in wild-type plants is induced by pathogen infection. Reducing mRNA levels of MKK7 by antisense RNA expression not only compromises basal resistance, but also blocks the induction of SAR. Intriguingly, ectopic expression of MKK7 in local tissues induces PR gene expression and resistance to Psm ES4326 in systemic tissues, indicating that activation of MKK7 is sufficient for generating the mobile signal of SAR.     

The Arabidopsis mitogen-activated protein kinase kinase MKK3 is upstream of group C mitogen-activated protein kinases and participates in pathogen signaling

Although the Arabidopsis thaliana genome contains genes encoding 20 mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and 10 MAPK kinases (MAPKKs), most of them are still functionally uncharacterized. In this work, we analyzed the function of the group B MAPK kinase, MKK3. Transgenic ProMKK3:GUS lines showed basal expression in vascular tissues that was strongly induced by Pseudomonas syringae pv tomato strain DC3000 (Pst DC3000) infection but not by abiotic stresses. The growth of virulent Pst DC3000 was increased in mkk3 knockout plants and decreased in MKK3-overexpressing plants. Moreover, MKK3 overexpression lines showed increased expression of several PR genes. By yeast two-hybrid analysis, coimmunoprecipitation, and protein kinase assays, MKK3 was revealed to be an upstream activator of the group C MAPKs MPK1, MPK2, MPK7, and MPK14. Flagellin-derived flg22 peptide strongly activated MPK6 but resulted in poor activation of MPK7. By contrast, MPK6 and MPK7 were both activated by H(2)O(2), but only MPK7 activation was enhanced by MKK3. In agreement with the notion that MKK3 regulates the expression of PR genes, ProPR1:GUS expression was strongly enhanced by coexpression of MKK3-MPK7. Our results reveal that the MKK3 pathway plays a role in pathogen defense and further underscore the importance and complexity of MAPK signaling in plant stress responses.     

小拟南芥ApZFP基因异源超表达促进拟南芥开花并提高耐逆性

锌指蛋白(ZFP)是一类重要的转录因子, 广泛参与植物的生长发育和非生物胁迫应答。新疆小拟南芥(Arabidopsispumila)又名无苞芥, 是十字花科短命植物, 具有高光效、繁殖力强和适应干旱等生物学特征, 而且比模式植物拟南芥(A.thaliana)更耐高盐胁迫。将前期克隆的小拟南芥锌指蛋白基因ApZFP通过花滴法转化到哥伦比亚生态型拟南芥(Col-0)中,获得了独立表达的转基因株系。表型观察发现, 过量表达ApZFP基因可促使拟南芥在长短日照下均提前开花。实时荧光定量PCR结果显示, 转基因拟南芥株系中, 光周期途径中的CO基因和年龄途径中的SPL基因表达上调; 春化、环境温度和自主途径中的FLC基因表达下调; 编码成花素的基因FT及下游开花相关基因AP1和LFY的表达量均升高。进一步通过盐、干旱和ABA胁迫处理ApZFP转基因株系的种子和幼苗, 发现在胁迫处理下, 与对照相比, 转基因拟南芥种子萌发率较高, 幼苗主根较长。因此推测, ApZFP在植物发育过程中具有多种功能, 可能既参与植物的开花转变过程, 又同其它植物的锌指蛋白基因一样, 参与植物的耐逆过程。     

水稻OsRPK2基因的克隆及功能初步鉴定

类受体蛋白激酶基因OsRPK1在水稻的抗逆信号传导中起着重要作用。本研究扩增获得与OsRPK1高度同源的OsRPK2基因,构建p1300:35S:OsRPK2过表达载体后转化拟南芥。对35S:OsRPK2纯合体拟南芥进行抗逆性分析表明,在盐、ABA、PEG胁迫下,OsRPK2过表达拟南芥萌发率都明显低于野生型拟南芥,其幼苗的根长生长和成株生长状况方面比野生型拟南芥表现出更为明显的受抑现象。生理检测表明,盐胁迫处理后,与野生型拟南芥相比,35S:OsRPK2转基因拟南芥中叶绿素含量下降更为明显,脯氨酸上升量较小,丙二醛含量上升更为明显,这些内在生理机制使得OsRPK2过表达拟南芥抗逆性明显下降。通过对35S:OsRPK2拟南芥的qRTPCR检测发现,OsRPK2的过量表达使拟南芥抗逆信号通路下游的SAD、SOS3和FRY基因表达明显受到抑制,OsRPK2基因可能通过SOS和CDPK信号通路影响拟南芥的抗逆性。     

Recent gene duplication and subfunctionalization produced a mitochondrial GrpE, the nucleotide exchange factor of the Hsp70 complex, specialized in thermotolerance to chronic heat stress in Arabidopsis

The duplication and divergence of heat stress (HS) response genes might help plants adapt to varied HS conditions, but little is known on the topic. Here, we examined the evolution and function of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) mitochondrial GrpE (Mge) proteins. GrpE acts as a nucleotide-exchange factor in the Hsp70/DnaK chaperone machinery. Genomic data show that AtMge1 and AtMge2 arose from a recent whole-genome duplication event. Phylogenetic analysis indicated that duplication and preservation of Mges occurred independently in many plant species, which suggests a common tendency in the evolution of the genes. Intron retention contributed to the divergence of the protein structure of Mge paralogs in higher plants. In both Arabidopsis and tomato (Solanum lycopersicum), Mge1 is induced by ultraviolet B light and Mge2 is induced by heat, which suggests regulatory divergence of the genes. Consistently, AtMge2 but not AtMge1 is under the control of HsfA1, the master regulator of the HS response. Heterologous expression of AtMge2 but not AtMge1 in the temperature-sensitive Escherichia coli grpE mutant restored its growth at 43°C. Arabidopsis T-DNA knockout lines under different HS regimes revealed that Mge2 is specifically required for tolerating prolonged exposure to moderately high temperature, as compared with the need of the heat shock protein 101 and the HS-associated 32-kD protein for short-term extreme heat. Therefore, with duplication and subfunctionalization, one copy of the Arabidopsis Mge genes became specialized in a distinct type of HS. We provide direct evidence supporting the connection between gene duplication and adaptation to environmental stress.