DREB转录因子与植物非生物胁迫抗性研究进展

干旱、高盐、低温等非生物逆境胁迫严重影响植物的生长发育和作物产量。转录因子在调节植物生长发育以及对外界环境胁迫的响应方面起着重要作用。DREB类转录因子即干旱应答元件结合蛋白是AP2/EREBP转录因子家族的一个亚家族,拥有保守的AP2结构域,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异结合,在非生物逆境胁迫条件下调节一系列下游胁迫诱导逆境应答基因的表达,从而提高植物耐逆性。就DREB转录因子的结构特点、表达调控以及提高转基因植株胁迫耐受性的最新研究成果进行了评述。     

枣AP2/EREBP转录因子的全基因组鉴定及生物信息学分析

AP2/EREBP类转录因子为植物所特有的一类转录因子,参与了植物的发育和胁迫途径。本研究利用枣的全基因组数据库,通过生物信息学手段鉴定枣的AP2/EREBP家族的全部成员,并分析AP2/EREBP转录因子家族保守域特点与功能及表达情况,为枣的遗传改良抗性育种提供理论依据。利用在线软件EBI、TAIR、Hmmer3.0、SMART、Pfam、MEME、ProtParam、SOPMA、SignalP4.1Sever和String网站,以及ClustalX2、BioEdit、MEGA6.0、MapInspect软件,对枣的AP2/EREBP转录因子家族的类型、结构域、系谱进化、序列元件、蛋白理化性质及二级结构、信号肽分析、基因定位、基因芯片表达和蛋白功能联系预测进行了分析。分析表明,枣全基因组中有127条AP2/EREBP转录因子,根据其结构域划分为4个亚家族:AP2、RAV、DREB及ERF,各家族成员数分别为:17、6、50及54。进行多序列比对和系谱进化分析,发现2个亚家族各分为6个亚族。生物信息学分析表明,AP2/EREBP家族蛋白均为亲水性蛋白、非分泌型蛋白,且该家族蛋白富含酸性氨基酸;基因定位表明,该家族基因在12条染色体上呈不均匀分布,有染色存在串联复制现象;对127个枣AP2/EREBP蛋白之间的功能联系网络进行了系统预测,分析预测了相关基因的功能和多个基因间的联系;基因芯片表达表明,AP2/EREBP转录因子在低温、高温、光照、遮阴、紫外线、UV敏感处理及外源ABA处理条件下均能被诱导表达,且在根、叶、花和果4个器官中均有显著性表达。枣AP2/EREBP基因家族结构高度保守,对外界胁迫有显著性表达,可能在枣的生长发育及其在枣的多种生理反应信号转导中发挥着重要作用,且各家族成员之间在植物生长发育过程和胁迫响应及激素信号转导途径具有交叉作用。     

苹果DREB转录因子家族全基因组鉴定与分析

DREB转录因子属于AP2/ERF转录因子家族,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异性结合,调控与逆境应答基因的表达,因而在植物应对低温、干旱、高盐等逆境胁迫中发挥重要作用。该研究利用苹果全基因组数据,通过生物信息学手段鉴定苹果DREB转录因子家族成员,并分析DREB转录因子家族保守域特点与功能及表达情况。结果表明:从苹果全基因组中共鉴定出60个DREB转录因子家族成员,与拟南芥和水稻相比基本一致,通过引入拟南芥DREB基因进行系统发生分析,进一步可以将其细分为6个亚组;结构域和保守元件分析表明,DREB基因家族含有一个AP2保守结构域;染色体定位表明,苹果DREB基因分布于11条染色体上,部分基因存在串联复制现象;基因结构分析显示,该亚家族基因不含内含子。利用同源拟南芥RNA-Seq数据分析结果表明,DREB转录因子家族对低温、ABA调节等非生物胁迫具有调控作用,同时在DREB亚家族中每个亚组响应不同的非生物胁迫;通过分析DREB基因在不同组织中的表达情况,结果显示DREB基因在植物根部中的表达量最强,其次是叶。     

独行菜LaAP2基因克隆、生物信息学分析及表达分析

AP2/ERF是广泛存在于植物中一类重要的转录因子,调控一些参与非生物胁迫相关基因的表达,帮助植物提高逆境胁迫能力。为了深入探讨LaAP2在独行菜耐受低温萌发及幼苗耐受低温生长中的功能,该研究基于前期对独行菜(Lepidium apetalum)转录组数据库分析,克隆获得一个显著上调表达的AP2/ERF家族序列LaAP2。该基因cDNA全长为1 005 bp,编码氨基酸序列包含一个AP2和一个B3结构域,属于AP2/ERF转录因子RAV亚家族。推定的LaAP2蛋白分子量为37.744 67 kD,等电点为9.49。该蛋白氨基酸序列同亚麻荠、拟南芥、油菜等物种显示出较高同源性,系统进化分析结果表明与拟南芥亲缘关系较近。氨基酸序列分析预测表明,LaAP2基因所编码的蛋白不具备信号肽区段,无跨膜区,不属于分泌蛋白,可能为亲水性蛋白;定位于细胞质的可能性为56.5%,定位于细胞核的可能性为21.7%;其主要二级结构元件为无规则卷曲、延伸链、α-螺旋。Real-time PCR分析独行菜幼苗中LaAP2在低温4℃处理下的表达,显示LaAP2表达受低温胁迫呈先下降后升高趋势。这表明LaAP2在独行菜幼苗抵抗低温胁迫中起调控作用。     

花烟草NaERF1基因的克隆及在非生物胁迫下的表达模式分析

AP2/ERF类转录因子,是植物所特有的最大的一类转录因子家族,在植物的生长发育过程中,扮演着重要的角色。探究花烟草ERF转录因子的生理功能,为花烟草抵御逆境的分子机制研究提供借鉴。采用同源克隆的方法进行基因克隆。通过对花烟草进行非生物胁迫,运用qPCR的方法进行基因表达模式分析。从花烟草(Nicotiana alata)中克隆了一个属于ERF家族的基因NaERF1。该基因的开放阅读框全长为819 bp,编码了272个氨基酸。生物信息学分析结果表明,该基因编码的蛋白分子量为30.7 kD,等电点为6.07;具有AP2/ERF类转录因子家族典型的保守结构域;该基因主要定位于细胞质内,并含有多个磷酸化位点。同源性分析的结果显示,NaERF1基因与茄科植物的ERF同源性较高,并且与普通烟草的ERF亲缘关系最近。NaERF1基因的表达具有组织表达特异性,花中表达量最高,茎中次之,根和叶中表达量较低。同时,在高盐、干旱、低温、ABA、低钾及H2O2等非生物胁迫下,NaERF1的表达呈现5种模式。其中,对低钾及ABA胁迫的响应强烈。NaERF1基因属于AP2/ERF类转录因子,可能广泛参与了花烟草包括非生物胁迫响应在内的众多生理过程。     

DREB1A类转录调控域中对转录激活功能起关键作用的氨基酸

从烟草品种k326中克隆到2个干旱应答元件结合蛋白类(DREB-Like)转录因子基因,命名为NtDREBI和NtDREB1A.序列分析发现,NtDREBI和NtDREB1A编码的蛋白质具有典型的AP2/EREBP转录因子家族EREBP亚族A类特征.酵母单杂交结果显示,NtDREBI具有激活功能, 而NtDREB1A不能激活下游基因,但可以与DRE元件结合.将NtDREBI、NtDREB1A与其它AP2/EREBP类转录因子序列比对,发现在C末端第148位氨基酸有显著差别.采用定点突变方法进一步研究表明,DREB1A类转录因子的第148位氨基酸残基与其邻近氨基酸残基的相互作用对调控转录激活功能起关键作用.     

烟草乙烯转录因子ERF基因NtTOE3的克隆、载体构建及表达分析

ERF（Ethylene-responsive factor）是一类具有AP2特征结构域的乙烯应答转录因子,在响应植物的逆境胁迫应答中起关键作用。为明确ERF家族成员TOE3在烟草中的生物学功能和调控机制,同源克隆普通烟草K326中NtTOE3基因cDNA全长,利用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）表征基因表达模式,结合生物信息学分析,对基因功能和调控机制进行初步预测。结果表明,该基因全长1 356 bp,编码451个氨基酸残基,预测分子量为49.84 ku。生物信息学分析表明,该蛋白是一个亲水蛋白,可能定位在细胞核,且与美花烟草（Nicotiana sylvestris）NsTOE3有96%的同源性,故命名为NtTOE3。组织表达分析发现,该基因在烟草根、茎、叶、花中均有表达,其中茎中表达量最高。逆境胁迫试验表明,该基因能快速响应低钾、高盐、干旱、H₂O₂、ABA和4℃等逆境处理。表明NtTOE3转录因子在烟草非生物胁迫中起着重要调节作用。     

利用阵列分析水稻AP2/EREBP 家族基因的表达特性

AP2/EREBP蛋白是广泛存在于高等植物中的且包含AP2/EREBP功能域的重要转录因子家族, 通常可分为包含单功能域的EREBP类蛋白和包含两个功能域的AP2类蛋白, 它们的功能涉及植物生长发育调控和对逆境应答等许多方面。据预测,水稻基因组编码150个左右的AP2/EREBP 家族成员, 但目前绝大多数蛋白的功能仍不清楚。为了解这些基因在水稻不同器官中的表达特性, 我们以AP2/EREBP功能域的氨基酸序列为基础, 从水稻基因组数据库中搜索到12个AP2类以及20个EREBP类预测基因, 利用PCR扩增的编码区序列制备了这些预测基因的macro-array。 以幼芽、幼根、幼叶、颖花和灌浆期成熟叶的 cDNA为探针, 杂交分析结果显示: 不同AP2类预测基因之间的表达量差别较大, 但同一个基因在不同器官中表达量基本一致; 与此不同的是, 大部分EREBP类预测基因在幼根和成熟叶片中表达量较高, 而在幼芽和幼叶中表达量较低。这些预测基因的表达模式可能与它们的功能密切相关。     

木薯MeASR基因克隆及表达分析

脱落酸-胁迫-成熟诱导蛋白(Abscisic acid-stress-ripening,ASR)在植物对非生物逆境胁迫的应答过程中发挥着重要作用。利用PCR技术从木薯中克隆了第一个ASR基因Me ASR,序列分析表明该基因开放阅读框(ORF)330 bp,编码109个氨基酸。多序列比对和进化树分析表明该基因所编码的蛋白具有ASR家族蛋白的保守结构域,与番茄ASR家族蛋白Sl ASR4具有较近的亲缘关系。亚细胞定位分析表明Me ASR定位在细胞核,实时荧光定量PCR分析表明该基因的表达显著受渗透胁迫和ABA诱导。结果表明,Me ASR可能作为转录因子参与木薯对干旱逆境胁迫应答及ABA信号调节。     

多年生黑麦草温度胁迫差异表达转录因子的比较转录组分析

多年生黑麦草是禾本科冷季型草种,温度胁迫严重影响其分布和产量。转录因子调控基因表达在植物响应逆境胁迫中发挥重要作用。该研究以多年生黑麦草品种雅晴为材料,采用高通量RNA-seq技术,对热(40℃)、冷冻(-10℃)和对照(22℃)处理的样本进行转录因子应答分析,以探索多年生黑麦草转录因子对温度胁迫的响应规律,并筛选抗逆转录因子候选基因。结果显示:(1)共鉴定了694个转录因子unigenes,分属于AP2/ERF、GTF、HSF、MYB、NAC、WRKY、bHLH和bZIP等32个家族。(2)在热和冷冻胁迫下,ERF(AP2/ERF)、MYB、NAC和bZIP家族基因均以上调为主,而WRKY家族则多数下调。HSF、GTF和DREB(AP2/ERF)家族成员大多数受热诱导上调,而多数bHLH家族成员受冷冻胁迫上调。(3)功能富集结果表明,多年生黑麦草差异表达的转录因子基因主要参与植物激素信号转导、昼夜节律和病原体互作等通路。研究表明,多年生黑麦草中与胁迫适应相关的转录因子基因普遍上调表达,而与生长和抗病相关的基因多数下调。该研究筛选到大量抗逆转录因子候选基因,为分子育种提供抗逆基因资源。     

利用阵列分析水稻AP2/EREBP家族基因的表达特性

AP2／EREBP蛋白是广泛存在于高等植物中的且包含AP2／EREBP功能域的重要转录因子家族,通常可分为包含单功能域的EREBP类蛋白和包含两个功能域的AP2类蛋白,它们的功能涉及植物生长发育调控和对逆境应答等许多方面。据预测．水稻基因组编码150个左右的AP2／EREBP家族成员,但目前绝大多数蛋白的功能仍不清楚。为了解这些基因在水稻不同器官中的表达特性,我们以AP2／EREBP功能域的氨基酸序列为基础,从水稻基因组数据库中搜索到12个AP2类以及20个EREBP类预测基因,利用PCR扩增的编码区序列制备了这些预测基因的macro—array。以幼芽、幼根、幼叶、颖花和灌浆期成熟叶的cDNA为探针,杂交分析结果显示：不同AP2类预测基因之间的表达量差别较大,但同一个基因在不同器官中表达量基本一致：与此不同的是,大部分EREBP类预测基因在幼根和成熟叶片中表达量较高,而在幼芽和幼叶中表达量较低。这些预测基因的表达模式可能与它们的功能密切相关。     

Cloning,Characterization and Functional Analysis of Two Type 1 diacylglycerol acyltransferases (DGAT1s) from Tetraena mongolica

Two cDNAs encoding putative type 1 acyl-CoA: diacylglycerol acyltransferases (DGAT1, EC 2.3.1.20), were cloned from Tetraena mongolica, an extreme xerophyte with high oil content in the stems. The 1 488-bp and 1 485-bp of the open reading frame (ORF) of the two cDNAs, designated as TmDGAT1a and TmDGAT1b, were both predicted to encode proteins of 495 and 494 amino acids, respectively. Southern blot analysis revealed that TmDGAT1a and TmDGAT1b both had low copy numbers in the T. mongolica genome. In addition to ubiquitous expression with different intensity in different tissues, including stems, leaves and roots, TmDGAT1a and TmDGAT1b, were found to be strongly induced by high salinity, drought and osmotic stress, resulting in a remarkable increase of triacylglycerol (TAG) accumulation in T. mongolica plantlets. TmDGAT1a and TmDGAT1b activities were confirmed in the yeast H1246 quadruple mutant (DGA1, LRO1, ARE1, ARE2) by restoring DGAT activity of the mutant host to produce TAG. Overexpression of TmDGAT1a and TmDGAT1b in soybean hairy roots as well as in T. mongolica calli both resulted in an increase in oil content (ranging from 37% to 108%), accompanied by altered fatty acid profiles.     

濒危种四合木与其近缘种霸王水分关系参数和光合特性的比较

运用压力室-容积技术(P-V技术)对西鄂尔多斯地区特有的濒危植物四合木(Tetraena mongolica Maxim.)和生长于同一生境的近缘种霸王(Zygophyllum xanthoxylon (Bunge) Maxim.)的7个水分关系参数饱和含水量时最大渗透势(Ψ_s^sat) 、初始质壁分离时的渗透势(Ψ_s^tlp) 、初始质壁分离时渗透水相对含量(ROWC^tlp) 、初始质壁分离时的相对含水量(RWC^tlp) 、质外体水的相对含量(AWC) 、束缚水与自由水的比值(V_a / V₀),以及细胞最大弹性模量(ε^max)进行了测定,同时利用Li-6400光合作用测定系统测定了二者叶片气体交换参数的日变化,从生理生态学角度探讨了二者生存力、适应力的差异。结果表明:1)四合木的ε^max、ROWC^tlp值和RWC^tlp值均显著低于霸王,而Ψ_s^sat值Ψ_s^tlp值、AWC和V_a / V₀高于霸王。二者保持膨压的能力和方式不同,四合木表现为较小的细胞体积和较强的持水能力,主要以高的组织弹性来保持膨压,而霸王主要以增加细胞质浓度的渗透调节来维持膨压,弹性调节较弱。且四合木保持最大膨压的能力和维持最低膨压的极限渗透势低于霸王,耐旱性弱于霸王。2)自然条件下,四合木和霸王叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)日进程均呈"双峰"曲线,主峰出现在11:00时,次峰出现在15:00时左右,光合作用的午间降低是由气孔导度(Gs)降低造成的。二者相比,四合木光合速率和水分利用效率(WUE)低于霸王,光合能力和对干旱环境适应能力弱于霸王。研究表明四合木在生理生态学方面的生存力、适应力弱于霸王。     

山菠菜EREBP/AP2类DNA结合蛋白基因的克隆及其耐逆性研究

EREBP/AP2类蛋白是一个仅存在于植物中的DNA结合蛋白(DBP)大家族.其中一些成员如APETALA2和AtDREB/CBF分别调控花的发育和植物对环境胁迫的反应.为了阐明在植物响应盐胁迫过程中所涉及的转录因子的特点,用高盐浓度处理盐生植物山菠菜,构建了cDNA文库,并从此文库中分离得到了一个编码EREBP/AP2类蛋白的基因.此cDNA包含一个723bp的开放读码框和一个长达655bp的3＇端非编码区,推导的氨基酸序列显示其有一个保守的EREBP/AP2的DNA结合域,此基因被命名为AhDREB1.将AhDREB1置于CaMV 35S启动子下转入烟草,获得9个独立的转基因株系,对其进行了长期的盐胁迫实验.结果显示,AhDREB1的组成性表达显著提高了转基因烟草的耐盐能力,这可能是由于其激活了一些具有抗盐效应的下游基因.通过与拟南芥的全基因组进行同源性比较得到了具有较高相似性的7个EREBP/AP2家族成员,二级结构预测显示了它们在DNA结合区段的α螺旋结构上具有相似性.