叶绿体信号参与了拟南芥干旱胁迫响应

研究了50 μmol/L除草剂norflurazon (NF) 对自然干旱胁迫下拟南芥野生型植株和叶绿体信号突变体gun1和gun5的生理参数和一些抗性基因转录水平的影响.干旱胁迫与除草剂协同处理10 d时,叶片出现白化和萎蔫;叶片含水量明显下降;丙二醛含量大幅度升高;活性氧积累明显加重;Lhcb基因表达下调;POD,APX,GPX和Rd29a基因的转录水平显著上调.突变体gun1和gun5叶片白化比野生型严重;突变体生理指标的变化幅度比野生型大;突变体基因表达的变化幅度很小（甚至没有变化）,远小于野生型.这些结果表明,叶绿体信号的关键分子GUN1和GUN5蛋白可能参与了干旱信号传导和适应机制,尤其是GUN1蛋白的作用更为明显,暗示叶绿体信号转导途径可能与植物抗逆过程有交叉.     

植物抗氧化系统对逆境胁迫的动态响应

植物体内存在着一套抗氧化系统,植物正常生长的情况下该抗氧化系统使植物体内活性氧处于动态平衡、逆境胁迫是导致植物体内活性氧失衡,植物抗氧化能力下降的主要原因.在逆境条件下,植物体内活性氧过度积累,抗氧化系统清除活性氧的能力相对不足,植物组织受到氧化损伤.本文综述、分析和归纳了逆境胁迫对植物中活性氧积累的影响,重点论述了植物中酶类抗氧化系统和次生代谢产物对盐、紫外、高温等逆境胁迫的动态响应.     

植物活性氧信号与环境适应性研究团队简介

正植物活性氧信号与环境适应性研究团队由德国"洪堡学者"、上海高校"东方学者"特聘教授孙旭武博士为学术带头人.主要以模式植物拟南芥,以及重要农作物水稻、玉米等为研究材料,采用EMS诱变和自然诱变等手段,筛选特异影响植物对活性氧应答的突变体,利用全基因组测序和GWAS定位等分析手段定位关键的突变基因,通过CRISPR/Cas9和miRNA等技术进一步确认突变基因,综合运用细胞生物学、遗传学、分子生物学、生物化学等技术手段,深入解析在响应逆境胁迫时植物体内活性氧信号的感知、传递,下游目标基因的表达及其调控的分子机理.以此为基础,     

铜胁迫对蚕豆根尖细胞凋亡及线粒体功能的影响

为了揭示重金属铜对植物的伤害机制,对铜胁迫下蚕豆根尖细胞凋亡与线粒体功能关系进行了分析.用1.0mmol·L-1硫酸铜处理新萌发的蚕豆(Vicia faba)根尖4h,根系生长抑制率达60%,根尖细胞活力明显受到抑制.经荧光染料丫啶橙(AO)和溴化乙锭(EB)双染后,可见细胞凋亡特征,凋亡率达61.7%.同时,线粒体膜通透性明显增大,线粒体膜电位和线粒体内Cyt c/a吸光度比值下降,说明在铜胁迫下线粒体膜受到损伤.二氨基联苯胺(3,3′-diaminobenzidine,DAB)染色实验证明硫酸铜可以诱导蚕豆根尖活性氧的积累,根尖中H2O2的含量比对照组提高2.5倍.利用过氧化氢酶(catalase,CAT)预处理分解铜胁迫诱导的活性氧,可以降低细胞凋亡率和线粒体膜损伤.实验结果证明,活性氧可能介导铜胁迫造成的根尖生长抑制,是植物在遭受重金属铜胁迫时细胞凋亡和线粒体膜损伤的重要生理信号.     

过氧化氢参与拟南芥根部避盐调控

已有研究发现植物通过调整根部向地性避开高浓度盐离子富集的区域,进而提高植物耐盐性(Halotropism),然而调控植物Halotropism机制尚不清楚。H_2O_2被认为是植物响应盐胁迫的关键信号分子,为探索H_2O_2在Halotropism中的潜在调控作用,文章采用2个H_2O_2水平增强突变体cat2和apx1作为遗传材料进行相关分析。发现与野生型相比,cat2和apx1突变体加速Halotropism现象的出现,暗示H_2O_2有利于根部避盐。进一步观察发现cat2体内的生长素信号明显低于Col-0水平,进一步证实H_2O_2可能是连接植物盐信号与Halotropism现象的中间介导子,并且可能与调控生长素信号有关。此外,文章还分析了重金属离子胁迫(汞和镉)对拟南芥根部向地性的影响,发现拟南芥在汞或镉处理的条件下不会发生像NaCl胁迫诱导的Halotropism现象。     

一氧化氮：植物细胞次生代谢信号转导网络可能的关键节点

细胞内部的信号转导系统是介导真菌诱导子等外界因子诱发植物次生代谢产物合成的桥梁和纽带.一氧化氮是近年来发现的一种新型植物信号分子.近年来的研究表明,一氧化氮(NO)、水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)、活性氧(ROS)等植物体内的主要信号分子(途径)不仅参与植物细胞次生代谢的信号调控,而且不同信号途径之间可以通过共催化、互抑制、共协调等作用相互交叉形成复杂的信号调控网络.文中简要介绍了国内外有关研究进展,重点结合本实验室的研究结果提出了以NO为关键节点的植物细胞次生代谢产物合成信号调控网络模型,提示了NO在植物细胞次生代谢信号调控网络中的潜在分子开关作用.     

细胞自噬在植物应答盐胁迫中的作用研究

本研究以模式植物拟南芥为材料,利用生理学和遗传学手段分析了盐胁迫下细胞自噬基因和活性氧(ROS)变化的相关性.结果表明野生型拟南芥Col-0在遭受盐胁迫处理3d表现了叶片漂白的症状并且会诱导ROS的产生和积累了大量的细胞死亡.荧光定量PCR实验表明盐胁迫会诱导细胞自噬相关基因的表达,细胞自噬参与了调控植物的防御机制来响应盐胁迫.进一步的实验表明拟南芥细胞自噬突变体atg2和atg5在遭受盐胁迫处理3d表现了更加严重的叶片漂白症状并且积累大量的细胞死亡和ROS.初步表明细胞自噬主要是通过调控ROS的产生来应答盐胁迫.     

镉胁迫对Fibrillins突变体的生理影响

以拟南芥Columbia(Col.)生态型和Fibrillins突变体(fib8和fib1a)为研究对象,对镉胁迫条件下植株的萌发、根长生长以及植物体内H2O2和MDA含量及CAT活性的变化进行了测定.本研究发现,30μmol/L Cd2+浓度胁迫条件下,Col、fib8和fib1a的萌发未受到抑制,但根长生长都受到了抑制,fib8和fib1a的抑制程度比Col更为明显,表明突变体比野生型对镉胁迫更敏感.进一步测定镉胁迫前后Col、fib8和fib1a体内的H2O2和MDA含量及CAT活性的变化,结果显示Col、fib8和fib1a体内的H2O2含量增加量分别为处理前的1倍、10倍、8倍,Col、fib8和fib1a体内的MDA含量增加量分别为处理之前的2倍、14倍、12倍,Col、fib8和fib1a体内的CAT活性下降程度相似约为20%.由实验结果推测Fibrillins可能通过影响植物体内H2O2和MDA含量的变化参与植物响应重金属镉胁迫.     

非生物胁迫处理后拟南芥过氧化氢含量变化的分析

干旱、低温、盐胁迫和重金属污染等非生物胁迫,对植物的生长发育会产生严重的抑制作用.在这些条件下,植物细胞内各种代谢过程会有一定程度的受损或不工作,将会导致活性氧(Reactive oxygen species,ROS)在植物体内过量积累.过氧化氢是植物体内中最稳定形式的活性氧之一,植物体内积累过量的过氧化氢会严重威胁植物细胞的膜系统.在本实验中,选取了野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana)为材料,分别进行低温处理、盐处理和干旱处理,并通过对未处理的和非生物胁迫处理的植物中过氧化氢含量变化进行比较分析.实验结果表明,胁迫处理后,拟南芥植物体内的过氧化氢含量不同程度地增加,为深入研究植物对逆境响应的分子机制奠定研究基础.     

利用TAIL-PCR方法克隆拟南芥干旱主效基因NCED3

利用远红外成像技术筛选得到一株T-DNA插入的干旱敏感突变体,并成功利用TAII,PCR技术克隆到该突变基因为NCED3,该基因编码植物体内ABA合成的关键限速酶,突变体在干旱胁迫下不能合成ABA而表现出不耐干旱的特性.最后通过PCR及RT PCR方法验证了TAIL-PCR结果的的靠性.     

拟南芥SnRK2.2/2.3激酶参与调节镉胁迫响应的机制探究

为探究拟南芥SnRK2.2和SnRK2.3基因对Cd胁迫响应的分子机制. 以野生型（WT）、双突变体SnRK2.2/2.3、过表达SnRK2.2和过表达SnRK2.3的转基因植物为材料,研究SnRK2.2和SnRK2.3基因与Cd胁迫响应的关系.发现过表达两个基因可以提高拟南芥对Cd的耐受性,表现为可以减少Cd、丙二醛（MDA）及活性氧（ROS）的累积量,增加抗氧化酶CAT、POD和SOD的活性. qRT PCR结果显示在Cd胁迫下,两种过表达植株中铁转运蛋白IRT1和转录因子FIT、bHLH038和bHLH039表达水平受到明显抑制,ABA合成相关基因AAO3和NCED3的表达量显著上调.在Cd胁迫下,两种过表达植株中ABA含量显著高于WT和双突变体. 以上结果表明：拟南芥遭受Cd胁迫时,SnRK2.2和SnRK2.3基因通过下调IRT1基因表达从而减少植物对Cd的吸收,同时通过增加内源ABA含量来缓解Cd对植物的毒害.     

植物谷胱甘肽与抗氧化胁迫

谷胱甘肽是植物中普遍存在的硫醇,在还原硫的贮存和运输、蛋白质和核酸合成方面均有重要作用,且在植物抗逆性方面的作用尤为重要.植物对环境胁迫的耐受能力与谷胱甘肽水平相关,且抗坏血酸和谷胱甘肽两者总是紧密联系.本文综述了近年来谷胱甘肽合成、运输、代谢及其在氧化胁迫中的作用等方面的研究,并以叶绿体中硫氧还蛋白为例介绍了蛋白质谷胱甘肽化的最新研究进展.     

拟南芥抗盐突变体的筛选

盐胁迫是影响植物生长发育的非生物胁迫因素之一,目前发现的盐胁迫信号途径的基因还非常有限.发掘新的耐盐相关基因对于了解植物的盐胁迫响应机制和改善作物的耐盐性具有非常重要的意义.从EMS突变体库中筛选突变体是一种经典的正向遗传学方法,有可能筛选到从T-DNA插入突变体库中无法发现的新基因.本实验用160mmol/L NaCl作为盐胁迫的筛选条件,以在含盐平板上长出绿色子叶作为筛选指标筛选抗盐(Salt Resistant,ST)的EMS突变体,初步筛选到了140株ST突变体,其中84株收到了种子,第二代进行抗盐表型确定后,得到了15株表型稳定的ST突变体,均表现出明显的抗盐表型,并对其中的一些突变体做了初步的表型及基因定位分析.     

研究查明植物耐高温逆向调控机制

植物在高温胁迫下会产生应激防御反应,启动体内大量热激转录因子（HSF）和热激蛋白（HSP）基因的转录,从而维护细胞和叶绿体的稳定性,但对于启动这些热激响应基因表达的信号来源并不清楚。最近,中科院上海生命科学研究院植物生理生态所的科研人员开展了植物高温胁迫响应蛋白的鉴定工作。     

拟南芥中一个参与热胁迫应答基因功能的初步研究

在拟南芥中发现了一个受热诱导的基因At4g19430,经Real time PCR分析表明该基因受热诱导后表达量显著升高.组织特性的分析发现其在拟南芥不同组织中均有表达,但在叶中表达量最高.亚细胞定位结果表明At4g19430蛋白定位在细胞质中.筛选并鉴定了该基因的突变体,并分析了其在热胁迫时的表型,结果表明该基因的突变体对热胁迫非常敏感,在热胁迫的条件下突变体存活率明显下降.     

水稻spl5突变体类病变受光诱导的机理分析

为了研究光诱导植物类病变发生的机理,以水稻spl5突变体及野生型对照为材料,进行遮光和滤光处理,观察其类病变的发生情况.透射电镜观察叶绿体亚显微结构,分光光度法测定叶绿素含量,DAB染色法分析光照和遮光条件下叶片中H2O2的积累情况.结果表明:2种光合作用的主要光源(蓝光与红光)及紫外光能诱发spl5突变体产生类病变;在spl5突变体未出现类病斑的叶片中,其叶绿体发育异常、叶绿素含量显著降低; spl5突变体叶片经光照后大量积累H2O2,遮光后则无H2O2积累.推测spl5突变体在光照下叶绿体不能进行正常的光能转化,产生大量的活性氧,从而引发细胞坏死.     

抗坏血酸过氧化物酶在植物抵抗氧化胁迫中的作用

逆境使植物细胞代谢不协调,导致细胞内过氧化物过度积累,对植物造成氧化胁迫．植物体内过氧化物清除系统包括酶促清除系统和非酶系统两大类．本文介绍了抗坏血酸过氧化物酶在清除过氧化氢中的作用,重点论述了存在于叶绿体基质及类囊体膜的两种抗坏血酸过氧化物酶同工酶与植物抗氧化胁迫之间的关系．并对植物缺乏两种叶绿体抗坏血酸过氧化物酶时用于解毒过氧化氢的可能替代途径做了简述．     

硫化氢对拟南芥在干旱胁迫条件下的生理影响

以拟南芥野生型(WT)和H2S体内生成的关键酶编码基因LCD敲除突变体为实验材料,研究了内源H2S在干旱胁迫下对种子萌发和幼苗生长过程中抗氧化能力的影响.结果表明:lcd突变体与WT相比,干旱胁迫下种子的萌发受到显著抑制,萌发率下降约40％;幼苗体内的MDA含量显著增加,达到WT的1.56倍,差异极显著;同时幼苗体内的H2O2明显增加.正常条件下,lcd与WT相比各抗氧化酶活性均没有显著差异;干旱胁迫后,lcd的POD、CAT、SOD和APX的活性分别升高2.11、1.48、2.22和1.37倍,差异极显著;且与胁迫后的WT相比,这些指标也表现出显著性增高.以上结果表明内源H2S作为信号分子通过对抗氧化系统的调节,影响拟南芥种子萌发和幼苗生长发育.     

植物对重金属耐性机理的研究进展

从两方面综述了植物对重金属胁迫的耐性机理.（1）植物生理生化代谢途径对重金属胁迫的适应性反应,包括与重金属解毒螯合相关的硫代谢途径;与植物抗氧化相关的活性氧代谢途径;与酚类物质生成及植物木质化形成相关的次生代谢途径.（2）植物对重金属耐性的分子机理研究,包括对与重金属胁迫相关代谢途径中关键酶基因克隆和功能鉴定;金属硫蛋白（MT）和膜金属转运蛋白基因表达和调控;与重金属胁迫相关的植物逆境信号传导的研究.随着基因组学的发展,通过进化各异的模式生物基因组比较及通过使用一些如基因差异表达技术、表达序列高通量分析技术和功能获得或突变体互补等技术在植物重金属耐性机理的研究中也取得了一些进展.     

F-box基因FOF2在拟南芥盐和冷胁迫响应中的功能分析

FOF2为F-box蛋白家族成员,其生物学功能尚不清楚.采用实时荧光定量PCR和生理学实验相结合的方法,对FOF2基因的表达模式及其在拟南芥抗盐和冷胁迫响应中的作用进行了分析.研究发现,FOF2在拟南芥根、茎生叶和果荚中表达较高,并且其表达受盐和冷胁迫诱导.FOF2过表达株系对盐胁迫敏感,与野生型相比种子萌发率低、幼苗主根较短;相反,fof2突变体对盐胁迫的敏感性则减弱.FOF2过表达和缺失突变体种子萌发对冷胁迫无响应,但其主根在冷处理中分别比野生型短或者长.盐处理下,FOF2过表达株系中盐胁迫反应相关基因的表达量显著降低,fof2突变体中则升高;冷处理下,FOF2过表达株系中冷胁迫反应相关基因的表达量显著升高,fof2突变体中则降低.结果表明,FOF2在植物抗盐胁迫响应中起负调控作用,在抗冷胁迫响应中则可能起正调控作用.