期刊閱讀：植物學報，2021年，第3期

2021年, 第3期刊出日期：2021-05-01

研究論文

被子植物小熱激蛋白家族的比較基因組學分析

小熱激蛋白（sHSP）是一類重要的響應外界環境變化以及調控植物生長髮育的蛋白家族。基於在睡蓮（

Nymphaea colorata

）、水稻（

Oryza sativa

）、擬南芥（

Arabidopsis thaliana

）和葡萄（

Vitis vinifera

）中分別鑑定到的33個NcsHSPs、24個OssHSPs、17個AtsHSPs和47個VvsHSPs， 表明sHSP家族可分為12個亞家族， 不同亞家族包含不同的sHSP成員數目、保守基序、基因結構以及複製基因數目。

在4種模式被子植物的sHSP成員中共鑑定到12個基因複製事件， 片段複製事件和串聯複製事件均與sHSP成員的擴增有關， 且片段複製事件發生的時間早於串聯複製事件。在所有sHSP成員中， 擬南芥和葡萄的sHSP成員的同源性最高， 其次為睡蓮和葡萄的sHSP成員。sHSP家族在被子植物中可能向更短的氨基酸長度、更小的分子量、更簡單的基因結構以及更集中的染色體分佈進化。

此外， 在睡蓮、水稻、擬南芥和葡萄中鑑定了一些可能與調控植物生長髮育相關的候選基因。研究結果為4種模式被子植物sHSP家族的比較基因組學研究奠定了重要基礎， 併為其它被子植物sHSP家族的研究提供重要參考

蛋白質N-糖基化在擬南芥生長週期中的變化規律及去糖基化對根發育的影響

蛋白質

N-

糖基化修飾在植物生長髮育中發揮重要作用。

為探究蛋白質

N-

糖基化在擬南芥（

Arabidopsis thaliana

）整個生長週期中的變化規律以及去

N-

糖基化對擬南芥生根發育的影響， 透過

N

-糖鏈酶解和HPLC與MALDI-TOF-MS分析解析了不同生長時期的擬南芥Col-0植株的

N-

糖鏈組成（結構和含量）變化。

以BSA溶液為陰性對照， 無菌去離子水為空白對照， 用

N-

糖醯胺酶（PNGase Rz）溶液處理擬南芥幼苗8小時； 然後繼續在MS培養基中培養5天、10天， 測量主根長度並檢測

N-

糖鏈組成的變化。

結果顯示， 從擬南芥中解析出12種

N-

糖鏈結構， 其中包括4個高甘露糖型和8個複雜型。在擬南芥整個生長週期中， 複雜型

N-

糖鏈含量始終高於高甘露糖型， 其中含木糖和巖藻糖的複雜型結構是

N-

糖鏈的主要組成， 而Man3XylFucGlcNAc2含量最高。高甘露糖型

N-

糖鏈含量由幼苗期的13。87%緩慢上升至抽薹期的19。02%， 盛花期回落至17。98%， 而在長角果成熟期快速下降至最低點2。36%， 衰老期再度小幅回升至5。23%。用高濃度糖醯胺酶液PNGase Rz處理後， 可觀察到幼苗主根生長受到顯著抑制， 且培養10天后仍然無法恢復正常； 而低濃度酶液處理組與陰性對照組差異不顯著， 根長和生長狀態基本正常。糖鏈分析結果顯示， 與對照組相比， 高、低濃度酶液處理組的

N-

糖鏈組成均發生顯著變化， 主要表現為高甘露糖型含量顯著低於空白對照組， 同時隨生長時間的延長該差異逐漸減小， 最終消失。研究表明， 擬南芥

N-

糖基化組成隨著生長髮育發生週期性變化， 且去糖基化酶處理能夠瞬時影響擬南芥蛋白質

N-

糖基化修飾， 進而抑制根的發育。

研究報告

水稻葉片水勢的QTL定位與候選基因分析

探究葉片水勢（LWP）相關基因在水稻（

Oryza sativa

）抗旱中的作用及其遺傳機制， 以熱研2號（Nekken2）和華佔（HZ）為親本以及構建的120個重組自交系（RILs）群體為實驗材料， 對水稻分櫱期葉片水勢進行檢測， 並利用前期基於高通量測序構建的分子遺傳連鎖圖譜進行數量性狀基因座（QTL）分析。結果表明， 共檢測到5個與水稻分櫱期葉片水勢相關的QTLs， 分別位於第2、3、4、11和12號染色體上， LOD值均達2。5以上， 其中位於4號染色體物理距離24 066 261- 30 847 136 bp內QTL的LOD值高達5。15。對這些QTL區間內與水勢相關的候選基因進行定量分析， 發現

LOC_Os02g56630

、

LOC_Os02g57720

、

LOC_Os02g57580

、

LOC_Os04g43730

、

LOC_Os04g46490

、

LOC_Os04g44570

和

LOC_Os04g44060

這7個基因在雙親間表達量差異顯著。位於4號染色體QTL區間內

LOC_Os04g46490

基因的表達在兩親本間存在顯著差異。對基因

LOC_Os04g46490

進行測序分析， 發現該基因在兩親本間共存在6處差異， 從而導致氨基酸序列的改變。透過QTL挖掘及相關基因表達分析， 發現這些基因與水稻葉片水勢調控相關， 可能間接影響水稻的抗旱性。檢測到的QTL位點對水勢相關基因精細定位和克隆具有重要參考價值， 有助於進一步理解水稻葉片水勢的遺傳基礎， 併為培育耐旱水稻新品種提供有利的基因資源。

水稻核不育系4個柱頭性狀的遺傳分析

為改良水稻（

Oryza sativa

）核不育系柱頭性狀提供遺傳資訊， 調查了粳型核不育系7001S、秈型核不育系Z913S及其雜交、自交獲得的F1、F2和F2：3群體的4個柱頭性狀， 分析了4個性狀間的相關性， 並利用主基因+多基因遺傳模型對2個世代4個性狀進行遺傳分析。結果表明， 4個性狀兩兩間呈極顯著正相關， 相關係數介於0。274-0。897之間。除F2：3群體中花柱長度和柱頭外露率分別表現出受2對加性-顯性主基因和1對負等效加性-顯性主基因+多基因控制外， F2和F2：3群體的柱頭長度、花柱長度、柱頭-花柱總長度以及柱頭外露率均表現出受2對主基因和多基因控制， 且F2：3群體中控制花柱長度的主基因表現出加性-顯性效應， 其餘均表現出加性-顯性-上位性效應。2個世代中4個性狀均以主基因遺傳為主。

外源海藻糖增強高表達轉玉米C4型PEPC水稻耐旱性的機制

為揭示海藻糖（Tre）調控轉玉米（

Zea mays

） C4型

PEPC

基因水稻（

Oryza sativa

） （PC）的耐旱性機制， 以PC及其野生型Kitaake （WT）為材料， 透過水培試驗， 研究了Tre和12% （m/v）聚乙二醇（PEG）單獨或聯合處理對水稻生理生化特性的影響。結果表明， Tre處理可促進PC和WT水稻幼苗生長， 緩解乾旱逆境導致的植株生長抑制， 但對PC的效應更顯著。與DS處理相比， Tre+DS聯合處理可維持功能葉較高的相對含水量、光化學效率和抗氧化酶活性。在DS處理下， 與WT相比， 外施Tre可使PC的內源Tre和蔗糖含量顯著增加， 而葡萄糖含量顯著降低， Tre代謝和SnRK1s相關基因表達量增加； 施用Tre也顯著促進了ABA合成、訊號轉導與乾旱響應基因的表達， 和維持較穩定的光合能力， 從而使PC表現更強的耐旱性。

辣椒R2R3-MYB轉錄因子家族的全基因組鑑定與比較進化分析

MYB轉錄因子作為植物中最大的轉錄因子家族之一， 參與植物的生長、代謝、抵禦生物和非生物脅迫等多種生理生化過程。R2R3-MYB是MYB轉錄因子家族的主要存在形式。辣椒是具有重要經濟價值的蔬菜作物， 其R2R3-MYB轉錄因子缺乏系統的研究。從一年生辣椒（

Capsicum annuum

）、漿果狀辣椒（

C。 baccatum

）和中國辣椒（

C。 chinense

）基因組中分別鑑定出94、92和94個

R2R3-MYB

基因， 基於系統發育關係將其分為28個亞族。共線性分析表明， 3種辣椒間存在73組直系同源

R2R3-MYB

基因， 一年生辣椒、漿果狀辣椒和中國辣椒分別存在5、4和2個特有的

R2R3-MYB

基因。鑑定出12對重複基因， 其中8對是串聯重複基因， 它們在3種辣椒分化前就已經存在。比較基因組學分析表明， 在辣椒進化過程中同源R2R3-MYB轉錄因子發生了功能分化。組織表達分析表明， 辣椒

R2R3-MYB

基因主要有3種表達特徵： 在根、葉、莖和花中均高表達， 如

CaMYB13

/

CbMYB12

/

CcMYB13

； 僅在花中高表達， 如

CaMYB93

/

CbMYB86

/

CcMYB12

； 僅在根中高表達， 如

CaMYB48

/

CbMYB47

/

CcMYB51

。研究結果為深入揭示R2R3-MYB轉錄因子在辣椒生長髮育中的生物學功能奠定了基礎。

特邀專家方法

植物小RNA熒光原位雜交實驗方法

小RNA是對植物生長髮育十分重要的一類小分子核苷酸， 在多種生命過程以及脅迫響應中發揮重要調控作用。對小RNA的定位研究有助於揭示它們的功能， 而小RNA熒光原位雜交（sRNA-FISH）是一種透過熒光檢測技術對生物體內小 RNA進行定性或半定量分析的技術， 目前該技術已經在動物體內被廣泛應用， 而在植物體內的應用還比較少。該文詳細介紹了基於超高解析度顯微鏡的sRNA-FISH的具體操作流程以及注意事項， 該技術可用於探究植物組織內小RNA的表達與定位。

圖1

小RNA熒光原位雜交實驗流程圖 （A） 探針設計； （B） 石蠟切片； （C） 探針雜交； （D） 一抗孵育； （E） 二抗孵育； （F） 光譜拆分以及鐳射共聚焦顯微成像

Figure 1

Outlines of small RNA fluorescent in situ hybridization （A） Probe design； （B） Paraffin sectioning； （C） Probe hybridization； （D） Primary antibody incubation； （E） Secondary antibody incubation； （F） Spectral unmixing and imaging by confocal microscope

圖2

小RNA FISH效果示例 （A） miR165/166反義寡核苷酸探針； （B） 陰性對照： miR165/ 166順義寡核苷酸探針。Bars=50 μm

Figure 2

Schematic diagram of sRNA FISH （A） Antisense probe of miR165/166； （B） Negative control： Sense probe of miR165/166。 Bars=50 μm

專題論壇

類受體激酶FER調節植物與病原菌相互作用的分子機制

植物細胞依賴細胞質膜上的受體感知並傳遞環境訊號， 而受體透過與配體特異結合啟動一系列下游訊號轉導途徑， 維持植物正常的生命活動及其對外界環境變化的適應。

類受體激酶

是其中一類重要受體， 通常由胞外結合結構域、跨膜結構域和胞內激酶結構域3部分組成， 是植物適應外界環境變化的重要調節樞紐。FER屬於

Cr

RLK1L類受體蛋白激酶家族， 最早被發現在高等植物雌雄配子體識別過程中發揮作用。隨後， 眾多研究表明， FER在植物生長髮育、激素間互動作用、植物與病原菌互作和逆境響應等多種生物學過程中扮演重要角色， 是近年來植物訊號通路研究領域的“明星蛋白”。隨著植物病理學研究的不斷深入， FER在植物與病原菌互作過程中的功能備受關注。該文主要綜述FER調節植物與病原菌互作的研究進展， 旨在為進一步解析類受體蛋白激酶在植物細胞響應病原菌侵染過程中的訊號轉導機制提供參考。

圖1

FER介導的抗病相關途徑示意圖 FER定位於質膜微區， 能夠識別尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporium）分泌的F-RALF， 阻斷AHA2介導的H+外流， 從而誘導根系胞外環境鹼化， 增強真菌對植物的致病力。在此過程中， 尖孢鐮刀菌細胞中絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑中的Fmk1對其侵染至關重要。FER與RALF23相互作用， 負向調控茉莉酸和冠菌素訊號， 正向促進植物免疫； 擬南芥（Arabidopsis thaliana） SITE-1蛋白酶（S1P）剪下內源快速鹼化因子（RALF）前體肽， 而RALF與擬南芥FER相互作用抑制FLS2、BAK1和EFR免疫複合物的形成， 抑制植物免疫。FER可能調節細胞內活性氧的積累和MAPK活性。F-RALF： 尖孢鐮刀菌分泌的快速鹼化因子； AHA2： H+-ATPase 2； RIPK： RESISTANCE TO Pseudomonas syringae pv。 maculicola 1-INDUCED PROTEIN KINASE； Fmk1： 一種保守的真菌絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）； flg22： 鞭毛蛋白抗原表位22； RALF23： 內源性肽快速鹼化因子23； MYC2： MYELOCYTOMATOSIS PRO- TEINS 2； EFR： ELONGATION FACTOR THERMO UNSTABLE RECEPTOR； FLS2： FLAGELLIN-SENSING 2； BAK1： BRAS- SINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1； RLCK： 類受體胞質激酶； MAPK： 絲裂原活化蛋白激酶； NADPH： 煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

植物響應鎘脅迫的生理生化機制研究進展

鎘（Cd）是一種分佈廣泛且汙染嚴重的重金屬； 其毒性大， 不僅影響植物的生長髮育， 而且危害人類健康。該文對植物Cd脅迫的生理生化響應方面的最新研究進展進行了總結概括。從植物光合系統、活性氧、活性氮、抗氧化防禦系統、激素、鈣訊號、蛋白和基因等方面， 概述了植物對Cd脅迫的響應及應答機制， 探討了植物對Cd脅迫響應機制的研究方向， 旨在為今後開展植物響應Cd脅迫的生理生化及分子機制研究提供理論依據。

圖1

Cd脅迫下植物體內主要生理生化代謝的響應機制 ABA： 脫落酸； IAA： 吲哚乙酸； SA： 水楊酸； JA： 茉莉酸； SOD： 超氧化物歧化酶； CAT： 過氧化氫酶； APX： 抗壞血酸過氧化物酶； GPX： 谷胱甘肽過氧化物酶； DHAR： 脫氫抗壞血酸還原酶； GR： 谷胱甘肽還原酶； GSH： 谷胱甘肽； CBS： 胱硫醚β-合酶； ATPS： ATP硫酸化酶

植物微管骨架參與下胚軸伸長調節機制研究進展

微管作為細胞骨架的重要成員， 在植物生長髮育過程中起重要作用。下胚軸作為研究細胞伸長的模式系統之一， 其伸長受到多種訊號的調節。該文綜述了微管骨架在響應環境和生長髮育訊號調節下胚軸伸長過程中的作用及機制， 旨在幫助讀者深入理解微管骨架響應上游訊號在植物下胚軸伸長中的作用機理。

圖1

響應光和激素訊號調控下胚軸伸長的微管相關蛋白 COP1： 持續光形態建成1； EIN3/EIL1： 乙烯不敏感3/乙烯不敏感3類似1。 CLASP、MDP25、WDL3、MDP60、SPR1、WDL5、MDP40、PIF3、EIN3和BZR1同表1。

禾本科三倍體： 形成、鑑定與利用

禾本科三倍體的形成途徑包括2

n

配子融合、倍性間雜交、多精受精和胚乳培養。其中， 2

n

配子融合和倍性間雜交分別為自然界和人工合成三倍體的主要途徑。該文介紹了形態學觀測、染色體分析、流式細胞術和分子標記等倍性鑑定方法在禾本科三倍體中的應用及其優缺點。目前， 三倍體在禾穀類作物中無直接應用價值， 但可作為通往多倍體、非整倍體和轉移異源基因的遺傳橋樑。多年生禾本科三倍體（特別是異源三倍體）在飼草或能源作物中已得到廣泛應用， 在該型別禾本科作物中均可直接嘗試三倍體育種。多倍體的三倍體育種和無融合生殖三倍體育種可作為未來禾本科三倍體的研究方向。三倍性胚乳培養可以一步合成三倍體， 多精受精可以實現遺傳上3個不同基因組的一步融合， 在三倍體研究中應予以重視。鑑於2

n

配子融合、多精受精的稀有特性和倍性間雜交、胚乳培養頻繁的染色體變異， 高通量三倍體鑑定技術的發展將是三倍體研究實現突破的關鍵。

圖3

禾本科三倍體的利用 （A） 三倍體作為品種直接利用； （B） 透過輻射、轉基因或組織培養等技術改良三倍體品種； （C） 作為通往更高倍性的“三倍體橋”； （D） 轉移異源基因； （E） 透過3x/2x合成非整倍體