干旱胁迫下植物体内活性氧的作用机制

环境胁迫是农业生产中面临的主要问题之一,其中干旱胁迫对植物的生长发育、农作物减产及环境恶化具有重要影响.面对自然环境危害,植物在形态学、生理学、生物化学、细胞和分子水平等方面已进化形成了一系列的适应性,如植物的避逆性、耐逆性及抗逆性等.因此,了解干旱胁迫对植物的影响以及植物对干旱信号的感知、传递和应答对解决和提高作物产量具有重要的意义.活性氧(ROS)作为植物有氧代谢的副产物,在植物的生长发育过程中发挥着双重的调节作用.正常环境条件下,植物细胞中ROS的产生和清除处于动态平衡,当植物遭遇干旱胁迫刺激后这种平衡被破坏,导致植物体内ROS的产生和代谢发生紊乱, ROS介导的氧化应激能够引起生物膜过氧化、细胞核受损、光合作用受阻、呼吸作用异常等多种有害的细胞学效应.另外, ROS作为重要的信号分子,与其他信号分子,如CaM, G蛋白, MAKP, miRNA及NO之间相互作用共同构成植物体庞大而复杂的信号网络,在植物的生长发育、生理生化反应、细胞程序性死亡(PCD)、激素代谢以及生物胁迫和非生物胁迫应答等方面起着重要的调控作用.此外,植物为防止ROS的过度积累导致的氧化应激对细胞造成氧化损伤,植物细胞已经进化出多种抗氧化机制,如酶促系统和非酶促系统,以清除ROS过度积累所带来的毒害.本文综述了干旱胁迫对植物生长发育、形态结构和生理生化等方面的影响以及植物对干旱胁迫应答之间的相互关系,系统地介绍了干旱胁迫下ROS的类型、产生部位及作用机制,讨论了ROS作为第二信使与其他信号分子之间可能存在的信号网络,旨在进一步为植物体内ROS的作用机制以及如何提高植物抗逆性研究提供理论依据.     

细胞壁连接的类受体激酶(WAK):植物细胞壁与细胞质联系的重要蛋白

细胞壁连接的类受体激酶(WAK)是一类特殊的植物类受体激酶, 与细胞壁中的果胶共价交联. 在结构上, WAK分为胞外域、跨膜域和胞内激酶结构域, 胞外域中存在保守的EGF重复序列. WAK以多基因家族形成存在, 其表达模式具有组织特异性, 主要在叶、茎中表达, 在功能上参与病原菌反应、细胞伸长调控、铝胁迫反应等. WAK1在细胞外与富含甘氨酸的蛋白质AtGRP3特异结合, 在胞内与蛋白磷酸酶KAPP结合并形成约500 kD的AtGRP3-WAK1-KAPP复合体. 植物中还存在与WAK结构相似的类WAK蛋白(WAKL)家族. 本文结合WAK结构特点和作用机制认为WAK/WAKL可能是植物细胞壁与细胞质进行联系和通讯的重要蛋白.     

渗透胁迫诱导的玉米叶片电信号功率谱的变化

为了定量描述植物电信号功率谱特征及其变化, 定义了植物电信号边缘频率(SEF)、重心频率(SCF)、功率指数(PI)和功率谱熵(PSE)并给出了计算方法, 研究了渗透胁迫下玉米叶片电信号功率谱的变化. 结果表明, 正常生长的玉米叶片电信号的SEF 约为0.2 Hz, SCF 约为0.1 Hz, 叶片电信号主要为0~0.1 Hz 的慢波; 在渗透胁迫2 h 时, 玉米叶片电信号的SEF 和SCF 向高频段移动, 0.1~0.2 Hz 的快波比重升高, 细胞活动受到激发, 与此同时, PSE 急剧增加, 讨论了渗透胁迫诱导的叶片电信号SCF 和PSE 升高的原因. 研究还发现, 在渗透胁迫过程中, PSE 与SCF 的变化之间有很强的关联性, 认为植物电信号功率谱PSE 或SCF 的变化可以作为渗透胁迫下叶片细胞开始对水分亏缺实施调控的灵敏信号, 通过对PSE 或SCF 的测量可以实现对植物需水状况的早期预警和诊断.     

盐胁迫对沙漠公路防护林主要固沙植物叶绿素含量的影响

鉴于塔里木沙漠公路沿线必须用高矿化度咸水进行灌溉的实际,通过对3种主要固沙植物在6个盐分梯度下叶绿素含量的实验,研究了叶绿素含量与盐胁迫的关系.结果显示:(1)植物叶片中叶绿素含量随着盐胁迫强度的增加而减少;(2)从植物叶绿素含量在不同盐分区间的变化看,3种灌木叶绿素含量均出现2次明显的下降,表明这几种植物对盐分的增加有一个适应的过程;(3)结合实验结果和植物长势的调查,将每种不同植物在不同胁迫程度下的盐分水平进行了划分,为沙漠公路防护林体系建设和可持续管护提供理论支持.     

在线多参数分析光学生物传感技术的植物胁迫反应实时、无损监测

延迟荧光(delayed fluorescence, DF)是光合效率的灵敏探针. 基于定量化测量活性氧(reactive oxygen species, ROS)和DF, 发展了一植物胁迫反应监测的在线多参数分析光学生物传感技术. 利用这一生物传感器技术, 实践检测了热激蛋白101突变体(hsp101)与野生型(wild type, WT)拟南芥热激反应的差异性. 结果表明, WT拟南芥和hsp101突变体热激(40℃, 30 min)后, 其DF强度都和各自光合速率(net photosynthesis rate, Pn)表现出一致的变化趋势. 而且, WT拟南芥和hsp101突变体在热激下的DF光响应和恢复动力学特征都与各自Pn光响应和恢复动力学特征一致. hsp101突变体热激下表现出较差的光合性能, 其叶绿体发生严重的改变并生成较多的ROS. 过氧化氢酶减少ROS生成并能抑制DF强度下降, 表明光合作用性能下降可能是由热胁迫诱导的氧化损伤所致. 基于以上结果, 提出的光学传感方法有望是检测植物胁迫反应、鉴定植物抗性差异的一个有力工具.     

病原菌产生的植物毒素对不同抗病性寄主植物叶组织电阻的影响

病原菌侵染寄主植物或病原菌产生的植物毒素处理寄主植物组织,一般均致使寄主植物细胞渗透性发生变化。测定植物组织电阻变化以鉴定细胞透性的变化、植物受伤害的程度及植物抗性的强弱,较常用的离子外渗法有更多优点。本文首次报道我们应用祝宗岭等改进的在稳流下测量植物组织电阻的中段电压降法,     

植物再生的研究进展

再生不仅赋予植物修复受损组织的能力,更能使植物产生新器官,实现营养繁殖.再生能力是植物在严酷环境下能够生存的重要手段,也被广泛应用于生产实践中.组织培养、扦插和嫁接等都是基于植物再生能力而开发的农业技术.再生现象的本质是细胞在受伤或胁迫的环境下命运发生转变的过程.近年来,植物再生领域的研究取得了一系列突破性进展,不仅对植物再生过程中细胞命运转变的谱系有了初步认识,而且探讨了植物细胞高度可塑性的分子机制.伤口或胁迫信号、激素、转录因子和表观遗传途径因子形成有序协作的调控通路,控制着再生过程.本文将总结种子植物中器官从头发生和体细胞胚发生这两种再生方式的研究进展,以期为从事植物再生研究的工作者提供参考.     

Brassica chinensis L.体内络合钝化和抗氧化酶系统协同抵御镉胁迫的机制初探

以小白菜(Brassica chinensis L.)作为模型植物, 在不同浓度的Cd胁迫条件下, 研究小白菜富集Cd的能力以及可能的细胞抵御机制. 在200 mmol·L^-1 Cd胁迫下, 小白菜地上部分及根部Cd含量分别达到1348.3和3761.0 mg·kg^-1(干重); 小白菜体内Cd含量与植物络合素(phytochelatins, PCs)含量成正相关, Cd浓度越高PCs的含量也越高, 表明PCs络合Cd在小白菜体内Cd的解毒及耐受机制中起最主要的作用. 此外, 在研究Cd胁迫下小白菜地上部分丙二醛(MDA)的产生、H₂O₂的含量及抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、愈创木酚过氧化酶(POD)及抗坏血酸过氧化酶(APX)的活性变化的过程中发现, 在5~50 mmol·L^-1 Cd的胁迫下, 酶的活性成上升趋势, 有效地抵御氧化胁迫, 说明抗氧化系统在小白菜对Cd的解毒中发挥作用. 这些抵御机制降低了游离Cd的破坏作用, 提高了对Cd的耐受能力; 谷胱甘肽(GSH)在协调PCs络合钝化游离态Cd和抗氧化酶系统抵御Cd的氧化损伤过程中发挥了“枢纽”作用. 这些研究结果不但为植物体内PCs的络合钝化及抗氧化系统协同抵御Cd的诱导氧化胁迫提供了实验证据, 而且深化了对植物自身本能的抵御重金属污染损伤机制的理解.     

植物生殖的定量细胞学研究进展

当代植物胚胎学的主要任务在于揭示植物有性生殖过程——植物生殖细胞的产生、受精作用以及胚胎发育的基本规律.而植物生殖过程中的复杂问题,必将促使这门学科不断应用各种新的方法和技术来逐步解决.近年来,研究植物生殖的细胞生物学就是植物胚胎学与细胞生物学相互渗透和结合的产物,被认为是一个新的学科生长点.定量细胞学(Quantitative cytology)研究则是这个新的生长点上一个正在迅速发展的方向. 定量细胞学是应用电子计算机技术和数理方法通过对生物细胞的空间形态以及特征参数进行定量分析,从而揭示其结构与功能之间相互关系的一门边缘学科.随着细胞超微结构研     

大蒜金属硫蛋白家族新成员AsMT2b在镉离子胁迫下的功能分析

利用RACE方法, 从大蒜(Allium sativum)幼苗中克隆到一个MT基因家族的新成员, 命名为AsMT2b. AsMT2b全长520 bp, 编码80个氨基酸, 具有type 2 MT蛋白的结构特征, 但其Cys的位置和排列方式与其他type 2 MT蛋白具有明显差异. RT-PCR结果表明, 该基因与其他 type 2 MT的表达模式不同, 只有在CdCl₂的胁迫强度增加到一定程度时才增强表达. 将AsMT2b在酵母细胞中表达后可以提高转化子对Cd的抗性. 同时AsMT2b在拟南芥中过表达后, 转基因植株对Cd抗性显著增强, 同时Cd的积累量也增加. AsMT2b在镉离子胁迫下的特性表明, 其在Cd污染土壤的植物修复中具有应用前景.     

一个编码含VQ 模序蛋白的基因AtARVQ1 参与拟南芥对砷酸盐的响应调控

砷酸盐(As^Ⅴ)是一种对包括人类和植物在内大部分生物具有剧毒的重金属. 结果显示, 编码含植物特有VQ 模序蛋白基因AtARVQ1 (arsenate-repressed VQ motif-containing protein 1)参与拟南芥对As^Ⅴ应答和抗性调控. 结果表明, 砷酸盐胁迫强烈抑制AtARVQ1 基因在拟南芥中的转录表达.进一步利用组成型启动子CaMV 35S 驱动AtARVQ1 基因在拟南芥中的表达, 获得在砷酸盐处理条件下增强AtARVQ1 基因转录的超表达植株, 发现超表达AtARVQ1 可以明显提高拟南芥对砷酸盐的抗性水平. 系统进化分析发现, 含VQ 模序结构的AtARVQ1 同源基因为植物特有, 并进化出两大分支4 个子分支, 这类同源基因在双子叶植物和苔藓中分布于两大分支上, 而在单子叶植物中仅分布在同一子分支上. 这些结果表明, AtARVQ1 基因在拟南芥对砷酸盐的抗性应答上有着重要作用, 而其同源基因也可能在其他植物对砷胁迫应答中发挥作用.     

液泡定位的β-葡萄糖苷酶增强拟南芥的耐旱性

植物激素脱落酸(abscisic acid, ABA)在植物生长发育及适应多种胁迫环境过程中发挥重要作用, 植物在应对这些不断变化的生理需求及环境条件时细胞内ABA 水平也发生相应的变化. 迄今为止, 人们还未完全了解植物体内ABA 水平的精细调控机制. 本文中, 我们的研究表明拟南芥中β-葡萄糖苷酶家族成员之一BGLU10 参与了植物的耐旱性反应. T-DNA 插入纯合突变体bglu10 表现出干旱敏感的表型, 包括快速的水分丧失, 叶片表面温度较野生型低,ABA 含量、β-葡萄糖苷酶活性及ABA 和干旱响应基因的表达量均低于野生型. 与bglu10 突变体相比, BGLU10 的超表达转基因植物比野生型耐旱性更强, 表现为较低的失水速率, 较野生型更高的ABA 含量、β-葡萄糖苷酶活性及ABA 和干旱响应基因的表达水平. 拟南芥叶肉细胞原生质体瞬时表达结果证明BGLU10 蛋白定位于液泡中. 另外, BGLU10 基因在植物多种组织中均有表达, 且受多种非生物胁迫诱导表达, 这些结果暗示了BGLU10 可能在多种胁迫条件下水解ABA-葡萄糖苷(ABA-GE)释放自由ABA, 参与植物对这些胁迫的应答反应.     

拟南芥液泡膜水孔蛋白的互作蛋白AtSM34 参与种子萌发的渗透胁迫响应

水孔蛋白(aquaporin, AQP)广泛参与植物的各种生理活动, 但还有许多调控机制未被发现. 为进一步对其调控因子进行研究, 运用酵母双杂交筛选拟南芥液泡膜水孔蛋白TIP1;1(tonoplast intrinsic protein, TIP)的互作子, 这是拟南芥中第一个被发现的液泡膜上具有高度水转运活性的蛋白. 以AtTIP1;1 为诱饵, 筛选得到一个新的TIPs 结合蛋白, 并在酵母和植物细胞中验证了这种结合. 该蛋白被命名为AtSM34, 编码一个含309 个氨基酸的多肽, 预测分子量为34 kD, 具有1 个单独的MYB/SANT 样结构域. AtSM34 启动子融合GUS 组织化学染色分析显示, 其表达主要位于花、茎和叶中, 尤其是维管束组织, 并且响应渗透胁迫. AtSM34 定位于内质网, 截断分析显示其N 端(1~83 位氨基酸)对于其定位至关重要. 过表达AtSM34 导致转基因植物对外源甘露醇、山梨醇及脱落酸更加敏感, 表现为萌发延迟. 进一步研究发现,AtSM34 也可与AtTIP1;2 和AtTIP2;1 结合, 这2 个TIP 蛋白对液泡渗透调节发挥着重要作用,并在种子萌发阶段大量表达. 这暗示着AtSM34 可能通过影响水孔蛋白基因的表达, 参与种子萌发早期阶段的渗透胁迫响应.     

植物果糖激酶研究进展

植物糖代谢是植物科学研究领域的前沿和热点.果糖是植物糖代谢的重要参与者,果糖磷酸化则是果糖进入代谢途径的第一道生化反应.植物果糖激酶是果糖磷酸化的高效酶,调节细胞中的果糖浓度以及有机碳在细胞中的分配及流向,在调控植物生长发育、代谢和响应环境胁迫中发挥了非常重要的作用.近年来,有关植物果糖激酶的研究越来越多,其参与生理和代谢功能的重要性也逐渐凸显,但果糖激酶参与调控的生理代谢功能和分子机制仍有待进一步深入研究.为系统地总结植物果糖激酶的特点及其在生命活动中的重要功能,本文综述了果糖激酶在调控植物生长发育、响应逆境胁迫、光合作用及代谢通路中的重要作用,并提出了今后的研究趋势,以期为植物果糖激酶研究提供参考.     

稀土环境植物学效应

稀土农用是中国科学家首创、居世界领先水平、经济效益显的一项成果。近年来的研究发现。适当与适量的稀土具有诱导植物抗性。增强植物抗污染胁迫作用，本综述了近年来应用稀土减轻酸雨、臭氧、农药、重金属等环境污染伤害植物的研究进展。初步探讨了稀土抗污染胁迫伤害机制。并在此基础上分析了研究中存在的问题。     

OH胁迫下稻苗体内脯氨酸积累及其抗氧化作用

脯氨酸(Pro)是植物蛋白质的组分之一,并可以游离状态广泛存在于植物体中.在干旱、盐渍等胁迫条件下,许多植物体内脯氨酸大量积累.积累的脯氨酸除了作为植物细胞质内渗透调节物质外,还在稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒以及作为能量库调节细胞氧化还原势等方面起重要作用最近,Smirnoff等根据体外脯氨酸抑制OH作用下的水杨酸羟基化速率及外源脯氨酸降低强光下芥菜子叶类囊体膜脂过氧化作用而增强其光化学活性的实验,认为脯氨酸具有清除OH的作用 然而,植物内源脯氨酸是否具有清除OH的作用,尚缺乏证据.本文以Fenton 反应(Fe~(2 ) H_2O_2)作为OH源,研究了不同浓度OH源对杂交稻内源脯氨酸含量的影响,同时研究了外源脯氨酸对OH启动的稻苗膜脂过氧化作用的抑制效应,旨在为氧化胁迫下脯氨酸作为植物内源OH清除剂的论点提供实验证据     

植被生理生态学数据表征的合理地下水位研究--以塔里木河下游生态恢复过程为例

结合对塔里木河下游不同断面地下水位变化和植物生理生态特性的分析测试,研究了塔里木河下游主要建群种胡杨和柽柳在不同地下水位条件下的生理响应和适应性,探讨了塔里木河下游干旱环境下胡杨、柽柳的合理生态水位问题．研究结果表明,胡杨和柽柳叶片的可溶性糖、游离脯氨酸、内源植物激素脱落酸以及细胞分裂素浓度等与地下水位埋深有着密切的关系．随地下水位埋深加大和植物受到的生理胁迫加强,植物叶片的细胞分裂素浓度逐渐减少,而可溶性糖、游离脯氨酸和脱落酸含量增加,在距河道最远处(500m)达到最高值;比较胡杨、柽柳对不同断面地下水位变化的响应可见,在地下水位埋深较浅的亚合浦马汗断面,胡杨、柽柳的各项生理指标变化较小,而在地下水位埋深较大的依干不及麻断面,随地下水位埋深加大,可溶性糖和内源植物激素脱落酸含量呈线性关系增加,其中游离脯氨酸含量在距河道300 m处出现异常积累,反映了植物生理受到强烈胁迫;同时还发现,在一定强度的水分胁迫下,柽柳的生理过程较胡杨强烈,对地下水位埋深变化更为敏感,胡杨的抗旱性较之为强;结合样地调查结果,推测塔里木河下游胡杨、柽柳的合理生态水位埋深在4 m以内,9 m以下为胡杨和柽柳死亡的临界地下水位．     

植物-病原物互作中的细胞程序化死亡(PCD)

生物整体的死亡是司空见惯的现象。多细胞生物的细胞也存在着死亡现象,细胞的死亡可以分为两种形式:一种是坏死性或意外性死亡(Necrosis或Accidental death),它一般是物理、化学损伤的结果,即细胞受到外界刺激,被动结束生命;另一种死亡方式称为程序化死亡(Programmed cell death,PCD),这是一种主动的、为了生物的自身发育及抵抗不良环境的需要而按照一定的程序结束细胞生命的过程。因此,PCD是生命活动不可缺少的组成部分。在PCD发生过程中,一般伴随有特定的形态、生化特征出现,此类细胞死亡被称为凋亡(Apoptosis)。当然,也有的细胞在PCD过程中并不表现凋亡的特征,这一类PCD被称为非凋亡的程序化细胞死亡(Non-apoptotic programmed celldeath)。     

多基因聚合改良杂交稻恢复系福恢676的稻瘟病抗性

福恢676是一个综合性状优良但稻瘟病抗性不强的杂交水稻恢复系,该父本已测配育成的18个杂交稻品种通过了省级以上品种审定.为了改良其稻瘟病抗性,延长该恢复系在生产上的应用期限.以携带3个稻瘟病抗性基因(Pi-1、Pi-9和Pi-k^h)的优质恢复系金恢1059为供体亲本,以福恢676为轮回亲本,通过回交导入、分子标记辅助选择及田间稻瘟病抗性鉴定相结合的方法,选育出5个抗病的稳定株系,其中3个株系聚合了Pi-1、Pi-9和Pi-kh.对这5个株系的综合农艺性状、品质和配合力等进行系统比较,并结合稻瘟病抗性鉴定.结果表明,与福恢676相比,改良株系及其与广8A、荃9311A和广占63-4S等不育系配制的杂种F1均表现出稻瘟病抗性明显增强,而其中株系6综合表现最优,遗传背景恢复率为97.1%,且其生育期、株高等主要农艺性状与福恢676测配组合无显著差异,但产量有所提高,品质得到改善.改良的株系6保留了福恢676产量高、恢复力强、配合力好等优良特点,品质有所提升,具有较好的应用前景.     

拟南芥SRO1调节植物重金属汞胁迫应答

环境中重金属过量会限制植物的正常生长发育.本研究分离鉴定了一个拟南芥T-DNA插入突变体,其幼苗表现出对HgCl2高度敏感.分子遗传学分析发现该突变表型是SRO1基因突变所致;蛋白序列分析展示SRO1含有介导蛋白与蛋白互作的WWE结构域.进一步研究表明,sro1-1植株在HgCl2处理下,生长受到严重抑制,突变株表现出黄化、真叶减少等生长缺陷特征.电导率检测表明,突变体的细胞膜破坏比野生型更严重.利用DAB染色和激光共聚焦显微镜成像技术研究证明,突变体在重金属胁迫下积累更多的H2O2.定量RT-PCR证实在氧化和重金属胁迫下,sro1-1中一些与非生物胁迫相关的基因如APX1的表达明显受到抑制.GFP::SRO1转基因植物证明SRO1蛋白定位于细胞核中.另外,SRO1基因在植物多种组织中均有表达,且生长比较旺盛的组织表达水平更高.以上结果表明,SRO1基因在拟南芥响应重金属汞胁迫中发挥重要作用.