植物分子生物学研究组 |

Plant Molecular Biology

拟南芥WRKY57转录因子是植物激素茉莉酸和生长素所介导的叶片衰老信号通路之间的调控交点

星期六 3月 1, 2014

植物叶片衰老受到多种发育因子和环境因子所调控。外源植物激素茉莉酸(JA)处理可以诱导叶片细胞迅速进入衰老程序,而生长素(Auxin)却可以有效地抑制该过程发生。众所周知,植物激素JA和auixn介导的信号途径之间存在着交叉调控通路,并在植物发育和抵抗病原菌侵染等生理过程中发挥着重要调控功能。但是JA和auixn在植物叶片衰老过程中的交叉调控机制及其信号通路,目前尚不了解。

版纳植物园植物分子生物学组组长余迪求研究员指导的青年研究骨干姜艳娟博士研究发现,拟南芥WRKY57转录因子参与调控了植物激素JA和auixn所介导的植物叶片衰老信号途径之间的交叉调控通路,并发挥重要的调控功能。WRKY57基因的表达分析表明,WRKY57基因显著受JA诱导表达,并在衰老叶片中具有较高的表达水平。JA处理3天和5天后,两个wrky57基因突变体表现出典型的衰老表型,即叶片严重黄化、叶片内叶绿素含量减低和叶片具有更高的细胞死亡速率。进一步研究表明,一些衰老相关基因(特别是SAG12SEN4基因)的表达量在wrky57基因突变体内显著增强。染色质免疫共沉淀实验证实WRKY57蛋白可以直接结合到SAG12SEN4基因启动子上,并抑制了它们的转录水平。此外,体外和体内实验均证明,WRKY57蛋白能有效地与JA信号途径中的抑制子JAZ4/JAZ8和auxin信号途径中的抑制子IAA29之间发生相互作用。与植物激素JA和auxin在分别调控植物叶片衰老的相反功能一致,JAZ4/8和IAA29在JA诱导的叶片衰老过程中也表现出相反的表型,而且JAZ4/8和IAA29蛋白是通过竞争性方式与WRKY57蛋白发生相互作用。

综上所述,我们的研究结果说明了植物激素生长素(Auxin)所介导的信号途径可以通过WRKY57蛋白而拮抗调控茉莉酸(JA)诱导的叶片衰老过程。相关研究以Arabidopsis WRKY57 functions as a node of convergence for Jasmonic acid- and auxin-mediated signaling in Jasmonic acid-induced leaf senescence为题在线发表于国际知名学术期刊Plant Cell上。该课题得到了国家自然科学基金-青年科学基金项目的资助。


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两个miRNA通过调节芥子油苷的合成来适应低氮环境

星期六 3月 1, 2014

氮是植物生长发育的必需元素,有许多基因响应缺氮环境,但是大多数响应缺氮环境基因的功能和机制还不是很清楚。

版纳植物园植物分子生物学组组长余迪求研究员指导的博士研究生何华和梁岗副研究员的研究发现,在拟南芥中存在着许多响应氮饥饿的miRNA,其中miR826是响应缺氮比较明显的一个,同时我们还发现了一个新的miRNA–miR5090,来源于miR826基因的反义链编码的转录本。miR826和miR5090都来源于其共同靶基因–AOP2的反向重复。在缺氮时,两个miRNA的表达受到诱导,而靶基因AOP2的表达受到抑制,二者的表达表现为负相关,暗示二者时空表达一致性。通过AOP2融合GUS表达,我们确定两个miRNA在转录后水平上调控AOP2。在miR826和miR5090高表达植物中,AOP2的表达受到抑制,同时抑制了合成芥子油苷相关基因的表达,使脂肪族芥子油苷的含量减少。miR826和miR5090高表达植物在低氮环境时,表现出对低氮具备更强的耐受能力。比如,相对于野生型,miR826和miR5090高表达植物生长更快,积累更高生物量,更多侧根,更高叶绿素含量和更低的花色素苷含量;同时上调了氮饥饿响应基因的表达,暗示着其具有更强的氮吸收的能力。

综上所述,我们的研究表明,miR826和miR5090可以通过调节拟南芥体内芥子油苷的合成来适应低氮环境。相关研究以Two young miRNAs originating from target duplication 36 mediate nitrogen starvation adaptation via regulation of glucosinolate synthesis in Arabidopsis thaliana为题在植物学知名期刊Plant Physiology上发表。

该研究得到国家自然科学基金(31100186)、中国科学院西部之光及中科院“135”工程(the CAS 135 program XTBG-F04)的资助,特此感谢!


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拟南芥miR396参与调控心皮数量

星期六 3月 1, 2014

miRNA是一类长度为20-24核苷酸的单链小RNA。它们通过碱基互补配对的方式识别靶基因,并在转录后水平上剪切靶基因或(和)抑制靶基因的翻译过程。无论在动物还是在植物中,miRNA都起着关键的调控作用。近年来的研究表明,植物miRNA通过调控靶基因时空表达模式进而控制植物的器官发育。

版纳植物园余迪求研究员领导的植物分子生物学组研究已于2009年报道了miR396调控拟南芥和烟草叶片发育的分子机制。在此基础上,该研究组梁岗副研究员和余迪求研究员又进一步研究了miR396调控花发育的分子机制。在拟南芥里,miR396在花中的表达最高。miR396的过表达导致雌蕊的双心皮变成了单心皮。在过表达植物的花器官里,miR396的7个GRF基因受到了明显的抑制。虽然GRF单、双和三突变体都没有产生单心皮雌蕊,但是改变GRF基因上的miR396识别位点可以使miR396的雌蕊恢复正常。在蛋白水平上,GRF可以与GIF形成共调控复合物。而GIF基因的三突变体也产生了单心皮雌蕊。我们的结果表明,miR396可以抑制GRF的表达以减少GRF/GIF共转录调控复合物的形成,最终控制雌蕊心皮的数量。

该研究内容以Molecular mechanism of miR396 mediating pistil development in Arabidopsis thaliana为题,在线发表于国际知名学术期刊Plant Physiology上。该课题得到了青年科学基金项目的资助。


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植物抗冻害信号分子—茉莉酸——功能与机制解析

星期二 8月 13, 2013

在自然界中植物的生长发育往往受到各种环境胁迫(Stresses)的影响,如盐害、干旱及缺素等。温度胁迫是影响植物分布和作物产量的重要环境因子之一。极端低温影响植物生长发育的各个阶段,因此揭示植物如何适应低温胁迫的分子机制,对于应对环境变化对农业生产的影响具有重要的理论和现实意义。目前的研究表明,ICE–CBF/DREB1信号通路在植物抗冷害反应中起十分重要的调控作用,然而该通路上游关键的调控元件仍不清楚。植物激素茉莉酸(Jasmonate)是一类重要的生长调节物质,广泛参与调控植物的各种生理过程,如根的伸长、花色素苷的积累、表皮毛的发育及抗病反应等,但是茉莉酸信号是否参与调控植物非生物逆境抗性反应及相应的分子机制仍有待揭示。

版纳植物园余迪求研究员领导的植物分子生物学组研究发现,植物激素茉莉酸正调控拟南芥(Arabidopsis thaliana)抗冻害反应(Freezing response)。外源施加茉莉酸显著提高植物的组成型及冷驯化诱导的抗冻能力。相反,阻断植物内源茉莉酸的合成及信号转导,则导致植物对冻害敏感,表现为存活率低及电导率高。与茉莉酸正调控植物抗冻能力相一致的是,低温处理诱导内源茉莉酸合成相关酶的表达,从而提高内源茉莉酸的含量。进一步分析表明,茉莉酸信号途径的抑制子JAZ蛋白能与冷信号途径的关键转录因子ICE1和ICE2相互作用。酵母双杂交实验分析表明,JAZ1蛋白的Jas结构域以及ICE1转录因子的C端结构域介导它们之间的相互作用。JAZ1和JAZ4抑制ICE1的转录功能,从而抑制下游基因CBF3的表达。此外,茉莉酸处理显著提高ICE–CBF/DREB1信号通路中其它冷响应基因的表达。该研究证实植物激素茉莉酸通过控制ICE转录因子的转录功能从而调控ICE–CBF/DREB1信号通路介导的拟南芥抗冻害反应。

相关研究以Jasmonate Regulates the INDUCER OF CBF EXPRESSION–C-REPEAT BINDING FACTOR/DRE BINDING FACTOR1 Cascade and Freezing Tolerance in Arabidopsis为题在植物学期刊The Plant Cell上在线发表。

该研究得到国家自然科学基金(U1202264 and 31171183)、中国科学院基金(KSCX3-EW-N-07)及中科院“135”工程(the CAS 135 program XTBG-F04)的资助,特此感谢!


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拟南芥WRKY8-VQ9转录复合物参与调控植物盐害反应

星期三 7月 17, 2013

在自然界中植物的生长发育往往受到各种环境胁迫(Environmental stresses)的影响,如高温、低温及干旱等。其中土壤的盐碱化(Salinity stress)是限制农作物栽培及产量的重要环境因子,但是人们对植物耐盐害的潜在分子机制仍不十分清楚。WRKY家族是一类植物特有的转录调控因子,在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中拥有74个成员。研究表明,WRKY因子家族成员参与调控植物的抗逆反应,但是WRKY蛋白介导的逆境信号转导途径仍不清晰。

版纳植物园余迪求研究员领导的植物分子生物学组的研究发现,拟南芥WRKY8基因受高盐胁迫的强烈诱导,WRKY8基因突变后植物的高盐耐受性显著下降。进一步研究表明,WRKY8因子与VQ9蛋白在细胞核内相互作用形成蛋白复合物。VQ9蛋白定位于细胞核,也受高盐胁迫的强烈诱导。体外结合试验(EMSA)证实,VQ9蛋白能降低WRKY8因子的DNA结合能力,从而拮抗WRKY8的转录激活功能。表型分析表明,VQ9基因突变后植物耐高盐胁迫的能力显著增强。同时,结果表明WRKY8能直接调控抗性相关基因RD29A。此外,WRKY8与VQ9还参与调控了植物在高盐胁迫下的Na+/K+离子动态平衡。相关研究结果以Arabidopsis transcription factor WRKY8 functions antagonistically with its interacting partner VQ9 to modulate salinity stress tolerance为题在线发表在植物学期刊The Plant Journal


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WRKY8转录调控因子参与调控植物抗病毒反应

星期三 7月 17, 2013

植物病毒是导致粮食、油料、蔬菜、果树、花卉产量下降和品质变劣的重要原因,由于在农业生产上对植物病毒病的防治非常困难,植物病毒病素有“植物癌症”之称。植物病毒成功侵染寄主植物之后,从最初侵染的细胞移动到相邻的健康细胞而完成局部侵染,随后经输导组织进行快速的长距离运输,引起系统侵染。病毒进入韧皮部进行长距离的运输是建立系统侵染的关键。在病毒感染寄主细胞的过程中,外界病毒侵入寄主植物细胞是病毒侵染植物并在植物体内迅速扩散至关重要的第一环节。对于寄主植物而言,坚守病毒入侵的至关重要的门户是避免植物遭受病毒病危害的关键所在。因此,系统解析植物是如何防范病毒侵染寄主植物及随后在体内转运等数个重要环节,将有助于发掘许多十分重要的功能基因。

版纳植物园余迪求研究员领导的植物分子生物学研究组通过研究发现,拟南芥WRKY8基因在调控植物病毒TMV-Cg系统侵染方面具有重要功能。随后我们对WRKY8参与调控植物病毒TMV-Cg在植株系统性叶片中的运输和积累的分子机理进行了详细解析,其主要研究结果如下:(1)通过表达分析发现,拟南芥WRKY8基因受ABA及伤害诱导表达,而受病毒TMV-Cg抑制表达,同时WRKY8基因突变后促进了植物病毒TMV-Cg在植株系统性叶片中的运输和积累,这些结果暗示WRKY8基因作为正调控因子参与抗病毒响应过程。(2)进一步研究发现,WRKY8通过调控脱落酸(ABA)及乙烯(ET)两条信号转导途径参与调控植物抗病毒响应过程。免疫沉淀实验证实病毒TMV-Cg侵染能促进WRKY8与ABI4启动子上的W-box盒的结合而抑制了对ACS6及ERF104启动子上的W-box盒的结合能力;这些结果证实脱落酸(ABA)和乙烯(ET)同时参与植物抗病毒响应过程。(3)利用ABA及ET两条信号转导途径的突变体及外源施用ABA或ACC进行抗病毒实验同时证实ABA可以提高植株对病毒的抗性水平而ET则促进了病毒在植株系统性叶片中的积累。以上研究结果表明,拟南芥WRKY8通过调控ABA及ET两条信号转导途径中的重要基因来控制植物病毒的系统侵染过程,它可能参与调控ABA及ET两条信号转导途径的交互(Crosstalk)。

相关研究成果以WRKY8 transcription factor functions in the TMV-cgdefense response by mediating both abscisic acidand ethylene signaling in Arabidopsis为题,在国际著名学术刊物Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)上在线发表。

该项研究得到转基因生物新品种培育科技重大专项(2009ZX08009-066B),国家自然科学基金(90817003,31200915)及中科院“135工程(the CAS 135 program XTBG-F04)的资助。


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缺N诱导的植物miRNA的鉴定

星期一 10月 8, 2012

 

miRNA作为一类负调控的small RNA参与植物的生长发育,逆境响应以及代谢生理等过程。近年来在植物中已经发现了上百个miRNA,其中有20个miRNA家族的功能在不同的植物种里非常保守,而其余miRNA的功能多数还未鉴定。近来的研究表明miRNA直接参与了植物营养元素的代谢生理过程。例如,miR169调控植物的N代谢;miR399,miR827和miR2111调控植物的P代谢;miR395调控S的转运,吸收和代谢过程;miR397,miR398,miR408和miR857参与植物的Cu代谢。

为了研究miRNA在调控植物N代谢方面功能,我们利用Solexa深度技术分别分析了正常条件和缺N条件下拟南芥small RNA。通过生物信息学分析,我们发现了20个新的拟南芥miRNA,同时预测了它们相应的靶基因。通过比较已知的miRNA在缺N条件下的表达模式,我们发现了24个缺N抑制表达的miRNA和10个缺N诱导表达的miRNA。miR826作为一个新的受缺N诱导的miRNA,可能参与了芥子油苷的合成过程。缺N抑制表达的miRNA里有15个分别直接参与了植物P、S和Cu的代谢,表明miRNA在调控植物营养元素稳态方面起着关键的作用。缺N条件通常会促进植物的根系发生变化,例如侧根增加。尽管如此,调控缺N条件下植物根发育的分子机制还不清楚。我们发现缺N情况下,miR160和miR167可以直接负调控其靶基因生长素响应因子(ARF基因)的表达从而影响根的形态建成;而miR171则可以通过调控它的SCL靶基因参与根系发育。

该研究内容以Identification of nitrogen starvation-responsive microRNAs in Arabidopsis thaliana为题发表在PLoS ONE上。该研究得到青年科学基金和农业部转基因植物专项基金资助。


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拟南芥转录因子WRKY57提高植物干旱耐受能力

星期一 10月 8, 2012

干旱是限制农作物产量和品质的重要环境因子之一,但是植物对干旱耐受性的潜在分子机制却仍不清楚。据报道WRKY转录因子在植物适应非生物胁迫过程中起着重要的作用。WRKY蛋白质是一个转录调控因子大家族,在拟南芥中有74个成员,大量研究证实, WRKY基因家族各成员参与调控植物的抗逆反应及其信号转导途径的建立,在植物的生长发育和耐逆抗病过程中都发挥着极其重要的调控作用。

最近,植物分子生物学研究组通过筛选拟南芥WRKY家族成员基因相关的T-DNA插入的突变体种子库,得到一个功能获得性突变体并命名为干旱耐受性 (acquired drought tolerance, adt) 突变体。生理生化分析表明,在干旱胁迫条件下adt突变体增强了对干旱的耐受性,主要表现为adt突变体植物叶片细胞内积累更高浓度的ABA、其气孔对外源ABA处理更加敏感。分子遗传学分析表明,adt突变体是由于在WRKY57基因的启动子区域有一个T-DNA插入而导致了WRKY57基因的表达被激活。进一步分析证实,过表达WRKY57基因的转基因植株表现出相似于adt突变体的干旱耐受性。跟其表型相对应,三个胁迫相关基因(RD29A, NCED3 和ABA3) 的表达量在adt突变体和WRKY57过表达转基因植株中都显著提高,与这些植物体内存在较高水平的ABA含量相一致。染色质免疫共沉淀实验结果证实,WRKY57转录因子可以直接结合到RD29A和NCED3启动子的W-box上,表明在干旱胁迫条件下WRKY57蛋白通过直接激活RD29A和NCED3基因的表达水平来抵抗干旱胁迫逆境。另外,外源ABA处理抑制了adt的种子萌发和幼苗的早期生长,而盐胁迫和渗透胁迫下adt突变体植物则表现出比野生型植物更高的萌发率和更好的生长,表明adt突变体植物对ABA的反应比野生型植物更为敏感,同时也增强了对盐胁迫和渗透胁迫的耐受性。

综上所述,拟南芥WRKY57基因的激活表达增强了植物对干旱逆境胁迫的耐受性,主要原因是WRKY57转录因子可以直接激活ABA合成途径的重要功能基因NCED3表达,导致植物体内ABA含量的增加。ABA含量的增加能够迅速地诱导气孔关闭,减少水分丧失;同时可以作为信号物质和渗透物质,不仅可以启动下游的信号转导而且还可以调节植物体内的渗透压增强抗旱能力。因此,通过对WRKY57基因的功能研究可以指导我们通过基因操作手段来改善植物的抗旱性。

相关研究工作Activated Expression of WRKY57 Confers Drought Tolerance in Arabidopsis为题,在线发表于国际知名学术刊物Molecular Plant (doi:10.1093/mp/sss080)杂志上。该研究得到农业部转基因植物专项基金、中国科学院科学基金和国家自然科学基金资助。


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一种构建人工miRNA载体的新策略

星期一 6月 4, 2012

 

反向遗传学主要是通过DNA重组等技术有目的地、精确定位地改造基因的精细结构以确定这些变化对生物体表型性状的直接影响。为了研究植物的某一个(类)基因的功能,研究者通常需要获得该基因的功能缺失突变体或者通过RNAi技术抑制该目的基因的表达。由于目前公用突变体库只有少量模式植物的突变体,因此通过RNAi技术来抑制目的基因的表达水平而探讨该基因的生物学功能,是反向遗传学研究常用的关键手段之一。尽管如此,通常利用double-strand RNAs(RNAi)技术产生Small RNA而干扰靶基因表达,常常会导致脱靶效应(off-target)——也就是非特异性地抑制了非目的基因的表达,这最终会干扰研究者分析目的基因的生物学功能。

miRNA是一类可以在转录或(和)翻译水平上特异地抑制相应靶基因表达水平的small RNA。miRNA的功能特点正好可以弥补传统RNAi的不足。近年来,研究人员利用天然miRNA的生成和作用原理,开发了人工miRNA用来抑制一个或多个目的基因的表达。

目前,构建一个人工miRNA前体主要通过over-lapping PCR技术来实现,这通常需要四个PCR反应才能产生最终的人工miRNA前体结构。这种技术有三个缺点:(a)过多的PCR反应步骤增加了碱基突变的可能性;(b)过程费时费力;(c)不适合批量操作。为了改进该技术,植物分子生物学组研究人员成功构建了两个人工miRNA载体(pAMIR395a和pAMIR319a),这两个载体包含了天然miRNA前体的5’和3’区域。研究人员可以通过一个PCR反应以产生相应的人工miRNA发夹区,然后通过酶切连接的方式克隆到相应的人工miRNA载体,从而产生所需的人工miRNA前体。实验表明,通过该方法构建的人工miRNA前体可以产生成熟的人工miRNA并且能有效地抑制相应靶基因的表达。另外,该研究还证明两个人工miRNA前体可以串联起来作为同一个顺反子表达,该顺反子产生的两种人工miRNA可以同时并有效地抑制其靶基因的表达,这为研究者同时抑制多个基因的表达提供了技术支持。这种技术改进可以使研究人员在较短的时间内批量构建人工miRNA前体。该研究内容日前以《A new strategy for construction of artificial miRNA vectors in Arabidopsis》为题在planta上发表(Planta,2012, 235:1421–1429;DOI 10.1007/s00425-012-1610-5)。


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学生相册

星期四 4月 26, 2012

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