虚拟专辑 | 干旱响应与适应 | 整合生物学期刊集群跨刊组建 本专辑由整合生物学期刊集群通过跨刊检索遴选而成,聚焦生物对干旱胁迫的响应机制、及对干旱环境的适应性特征这一核心主题。研究对象涵盖森林木本植物、苔藓、农作物及微生物等多样类群,研究尺度从微观的基因表达延伸至宏观的生态系统功能。所收录文章均发表于2025年。
CPSF家族蛋白是植物体内mRNA前体中多聚腺苷酸化信号识别、剪切和添加poly(A)的重要因子, 对开花时间调控、环境响应和种子发育等具有重要作用。目前, 甘蓝型油菜(Brassica napus) CPSF家族基因的功能尚不明确。为探究甘蓝型油菜CPSF家族基因的功能和表达模式, 从甘蓝型油菜品种中双11号中克隆得到BnaA02.CPSF6, 并对其进行生物信息学、编码蛋白质亚细胞定位、表达模式和基因功能分析。结果表明, BnaA02.CPSF6基因编码区全长1 938 bp, 编码646个氨基酸残基, 无内含子结构, 其在甘蓝型油菜中有6个同源基因; BnaA02.CPSF6启动子区存在多个参与光反应的顺式作用元件和MYB结合位点; BnaA02.CPSF6在根、茎、叶、花和不同发育时期种子中均有表达, 特别是在发育15-35天的种子中显著高表达, 其编码的蛋白定位于细胞核; BnaA02.CPSF6受盐和干旱胁迫诱导上调表达; 在ABA、IAA、GA3、SA和MeJA激素处理下, BnaA02.CPSF6基因表达先受到抑制再逐渐恢复至正常水平; 在正常条件下, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过表达BnaA02.CPSF6会出现提前抽薹开花的表型, 且莲座叶数量显著减少。综上所述, BnaA02.CPSF6参与非生物胁迫响应并受植物激素调控, 可能在开花调控中起促进作用。
ABF转录因子是能够特异识别并结合ABA响应元件(ABRE)的碱性亮氨酸拉链蛋白的统称, 参与ABA信号转导。通过对甘蓝型油菜(Brassica napus) BnaABF2基因编码蛋白进行分析, 亚细胞定位结果显示, BnaABF2蛋白定位于细胞核; 酵母系统转录活性分析表明, BnaABF2无转录激活活性; qRT-PCR检测发现, BnaABF2在叶中的表达量最高。此外, 还发现ABA处理、模拟干旱和盐胁迫能够诱导BnaABF2的表达; BiFC结果显示, BnaMPK1/2/6/7/9/12/13能与BnaABF2相互作用。Dual-LUC结果表明, BnaMPK7可能通过磷酸化增强BnaABF2对下游靶基因的转录调控。该研究初步探索了转录因子BnaABF2的基本特性与互作蛋白, 对理解其功能与机制具有一定的理论价值。
番茄(Solanum lycopersicum)在生长发育过程中常受到低温和干旱等多种非生物胁迫的影响。WRKY转录因子参与调控植物多种非生物胁迫响应过程, 而SlWRKY45在番茄非生物胁迫中的功能尚不清楚。基因表达分析发现, 低温、干旱和ABA处理均可显著诱导SlWRKY45的表达; 过表达SlWRKY45可提高番茄对干旱和低温的耐受性; 在干旱和低温处理下, 过表达株系的光合指标、抗氧化酶活性和脯氨酸(Pro)含量显著高于野生型(WT), 活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)含量显著低于WT。转录组数据分析显示, SlWRKY45主要通过调控抗氧化酶活性和胁迫响应途径介导番茄对低温胁迫的响应。双荧光素酶报告基因检测发现, SlWRKY45可直接激活SlPOD1的表达。酵母双杂交(Y2H)和双分子荧光互补(BiFC)试验结果表明, SlWRKY45与SlWRKY46存在相互作用。综上表明, SlWRKY45可能通过直接调控抗氧化酶途径增强转基因番茄的抗逆性, 为番茄的遗传改良提供了重要的候选基因资源。
植物根系在生长发育过程中响应各种非生物胁迫, 包括干旱、重金属、盐、冷、热以及生理性缺素等, 其中土壤结构特别是土壤紧实度会影响根系的生长与形态, 进而影响作物产量。高尔基体通过囊泡分泌参与根系的生长以及响应非生物胁迫。然而, 高尔基体如何参与根系响应土壤紧实度的机制还不清楚。前期研究发现拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtFTCD-L定位在高尔基体反面(trans Golgi network, TGN)上, 参与囊泡的分选和/或分泌, 调节根冠外周细胞中的黏液成分。在前期研究的基础上, 模拟土壤高紧实度生长条件, 观察稳定表达PINs-GFP的纯合体拟南芥植株表型, 通过观察生长素相关荧光信号, 发现AtFTCD-L突变体根尖以及根尖细胞在纵向上短于野生型等材料, 而在横向上宽于野生型等材料, 并且细胞形态明显异常。通过对PINs相关材料进行荧光信号收集, 发现突变体植株中PIN7低表达或不表达。综上表明, AtFTCD-L在拟南芥植株根系中通过调节PIN7的分布或表达来响应土壤紧实度。研究结果为揭示植物根系响应土壤紧实度胁迫的适应机制提供了理论指导。
新疆盐碱地广阔,明晰新疆乡土抗旱耐盐碱的沙枣(Elaeagnusangustifolia)各器官-土壤间碳、氮、磷化学计量循环特征,对于促进塔里木河中下游荒漠盐碱地植被构建和生态修复具有重要意义。以塔里木河中下游胡颓子属沙枣林植物(大果沙枣(E.moorcroftii)、沙枣)为对象,分析林内2种树种不同器官(叶、枝、根)和土壤的化学计量特征及其相互关系。结果表明:(1)沙枣林植物(大果沙枣、沙枣)叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)的平均质量分数分别为424.36~484.40 g⋅kg-1、33.83~38.71 g⋅kg-1、1.50~2.20 g⋅kg-1,表现为C、N适中、P略低,且大果沙枣和沙枣的N∶P(17.64、22.82,质量比,下同)均大于16,受P限制。(2)沙枣林植物(大果沙枣、沙枣)各器官生态化学计量特征存在显著差异(P<0.05),N、P含量均为叶片最大。(3)沙枣林(大果沙枣、沙枣)土壤各元素含量受土层深度影响明显,表现为沿土壤剖面垂直递减,且呈现一定的表层(0~20 cm)富集现象。0~60 cm土层的C∶N(质量比)、C∶P(质量比)和N∶P分别为17.94、9.32、0.62,土壤N元素矿化能力较弱,氮素缺乏。(4)沙枣林(大果沙枣、沙枣)土壤N、P含量与根N、P含量呈显著正相关(P<0.05),沙枣叶N含量与0~20 cm土壤C、各层N含量呈显著负相关(P<0.05),与土壤P含量呈显著正相关,叶片P含量与各层土壤P含量呈显著正相关,叶片C与土壤C无显著相关(P>0.05)。总体来说,沙枣林植物面对贫瘠、盐碱较重的土壤时,其枝条和根系中贮存养分较少,通常会将养分优先提供给叶片,研究区沙枣林植物地上部主要受P限制,地下部主要受N限制。因此,沙枣林植物整体养分循环受N、P元素限制。
近年来,极端气候频发、雨水分布不均,造成党参(Codonopsis pilosula)关键生育期缺水,导致质量和产量下降。针对这一问题,该研究以党参为对象,从糖酵解(EMP)及三羧酸循环(TCA)角度探究硅对干旱胁迫下党参多糖合成的调控效应。设置正常水分(CK)、15% PEG-6000干旱(D)及施加硅后再15% PEG-6000干旱 (Si+D)3个处理组,Si+D组在干旱处理前第7天每盆施用200 mL 2 mmol⋅L-1硅酸钾溶液,干旱处理至7、14、21 d时取样,测定EMP及TCA相关代谢物含量、酶活性和基因相对表达量,同时测定党参多糖及其生物合成相关物质含量,综合分析硅对干旱胁迫下党参多糖合成的调控。结果表明:(1)干旱胁迫导致党参光合色素含量降低,加速蔗糖、果糖及葡萄糖等物质消耗,促进EMP和TCA途径中的能量消耗用于淀粉、多糖等物质的合成及积累,存在产量和质量消长的现象。(2)硅的施用提高了党参叶片相对含水量、光合色素含量、蔗糖及果糖含量,降低了淀粉合成相关酶活性、增强了淀粉分解相关酶活性,导致淀粉、多糖含量下降,但党参整体产量提高;硅促进干旱胁迫下党参EMP途径,阻止TCA过程,使得EMP终产物丙酮酸合成柠檬酸并积累。硅的施加通过影响党参光合作用、调控EMP及TCA途径能量生成及分配,增强党参抵御干旱的能力,整体上对党参多糖的合成及质量、产量起到了正向的调控作用。但随着干旱胁迫时间的延长,调控效应有逐渐减弱的趋势。
14-3-3蛋白广泛参与植物生长发育、代谢和非生物逆境信号转导过程。该研究克隆了小麦(Triticum aestivum) 14-3-3蛋白TaGRF3-D基因, TaGRF3-D基因编码261个氨基酸残基, 在单子叶植物中高度保守, 其与乌拉尔图小麦(T. urartu)的TuGF14d和大麦(Hordeum vulgare)的HvGF14a氨基酸序列完全相同; TaGRF3-D启动子区含有脱落酸等激素响应元件和多个非生物胁迫响应元件。亚细胞定位结果显示, TaGRF3-D蛋白主要定位于细胞膜与细胞核。对过表达TaGRF3-D基因的拟南芥(Arabidopsis thaliana)转基因株系ABA敏感性及干旱胁迫耐受性分析发现, TaGRF3-D过表达拟南芥在PEG和ABA处理下根长显著大于野生型, 干旱胁迫后存活率显著高于野生型。进一步利用酵母双杂交(yeast two-hybrid, Y2H)实验对TaGRF3-D蛋白与小麦AREBs/ABFs (ABA-responsive element binding proteins/ABA-responsive element binding factors)蛋白进行互作分析, 结果表明TaGRF3-D蛋白与TaABF3-B、TaABF4-A、TaABF15-D、TaABF16-B、TaABF17-D和 TaABF18-B存在相互作用; 而与TaABF1-D、TaABF2-A和TabABF19-A不互作。综上表明, TaABF3-D可能通过与TaABFs蛋白互作响应ABA信号, 从而提高转基因植株对干旱胁迫的耐受性。研究结果为小麦TaGRF3-D基因逆境胁迫响应功能研究奠定了基础。
该研究通过分析不同居群表型变异及其与环境因子的关系,探究铃铛刺(Caragana halodendron)叶性状的环境适应机制,以期为铃铛刺优良品种选育、荒漠地区物种多样性保护,以及荒漠绿化、水土保持的本土树种应用提供理论依据。该研究以18个铃铛刺天然居群的108个个体为研究材料,收集11个叶相关性状和28个环境因子,利用皮尔逊相关分析和主成分分析,探究铃铛刺叶性状的变异规律及其与环境因子的相关性。结果表明:(1)不同居群铃铛刺叶性状存在较大差异,居群间的变异系数为9.42%~83.12%,居群内变异系数为1.58%~59.07%。对比居群内和居群间的性状变异系数可知,所有性状居群间平均变异系数(31.17%)高于居群内变异系数(21.86%)。(2)叶性状相关性分析发现,铃铛刺叶形状相关性状(叶长、叶宽、叶面积、比叶面积)之间呈显著正相关(P<0.05),叶片含水量与叶形状显著正相关(P<0.05)。(3)性状主成分分析提取的4个主成分累计贡献率高达91.13%。(4)叶性状与环境因子相关性分析显示,叶片形状、叶轴长度、托叶刺长度、小叶数量与干旱、降水、温度、土壤等多个环境因子极显著相关(P<0.01),比叶面积仅与降水量季节性变化极显著相关(P<0.01)。铃铛刺叶片性状变异反映了该物种对干旱和盐碱环境的适应性,表明铃铛刺通过调整叶片形状、叶轴长度、叶片含水量等性状适应环境压力的策略,为理解荒漠植物的适应机制提供了重要见解。