气体信号分子一氧化氮和乙烯的生物学功能：一氧化氮在植物盐胁迫中的作用和乙烯激活钙离子通道

一氧化氮（NO）是重要的植物信号分子，参与许多植物生理过程。以拟南芥野生型和Atnoa1突变体为材料研究了NO在植物抗盐胁迫中的作用。 T-DNA插入AtNOA1基因的第一个外显子，使Atnoa1突变体中NOS活性大幅度下降，NO释放减少。用不同浓度的NaCl对拟南芥野生型和Atnoa1突变体进行盐胁迫处理后，Atnoa1突变体中Na+离子积累较野生型多，K+离子吸收较野生型少，从而使突变体中的Na+/K+比野生型高，对突变体造成了更大的伤害。Atnoa1突变体种子萌发和幼苗生长对盐胁迫更敏感。盐胁迫处理后，Atnoa1突变体的存活率比野生型低。无论是在正常生长条件下，还是盐胁迫条件下，Atnoa1突变体中的H2O2和TBARS含量都比野生型中高，说明Atnoa1突变体对盐胁迫和氧化胁迫都比野生型更敏感。用NOS抑制剂和NO清除剂处理拟南芥野生型，减少内源NO释放量，使其在盐胁迫条件下的Na+/K+比增高。盐胁迫处理降低了野生型体内的NOS活性，减少了NOA1蛋白的表达，DAF-2DA标记的NO荧光强度减弱。用NO供体SNP处理Atnoa1突变体，可以减少盐胁迫引起的Na+/K+比增加。以上研究结果证明NOS介导的NO合成在植物抗盐胁迫中起重要作用。 乙烯作为一种植物气体激素参与植物生长发育的许多生理生化过程。植物细胞自由钙离子（[Ca2+]c）是重要信号分子，在植物应答外界信号中起非常重要的作用。外界信号通过开启植物细胞质膜的钙离子通道，使得胞外钙离子进入细胞，导致瞬间[Ca2+]c的增加，激活钙依赖型的蛋白和蛋白激酶，从而改变生理生化过程。本研究利用膜片钳和激光共聚焦显微技术，研究了外源乙烯对烟草悬浮细胞质膜Ca2+离子通道和细胞中[Ca2+]c活性的影响。乙烯供体乙烯利和乙烯合成前体ACC能够迅速诱导内向型电流，表明这些处理能开启离子通道。通过离子替代实验和离子通道的药理学分析证实乙烯利和ACC激活了一种对Ba2+, Mg2+和Ca2+等阳离子具有通透性的离子通道，La3+、Gd3+和Al3+抑制该通道的活性。乙烯受体拮抗物（1-MPP）和ACC合成酶抑制剂，能够减弱乙烯利和ACC对这种通道的活化作用，说明乙烯利和ACC是通过乙烯活化此类Ca2+离子通道。用Ca2+敏感的荧光标记物Fluo-3标记，通过激光共聚焦显微观察，发现乙烯利能够诱导烟草悬浮细胞中[Ca2+]c离子浓度的增加，而且Gd3+和BAPTA显著抑制乙烯利诱导的细胞中[Ca2+]c离子的增加。说明外源Ca2+离子通过质膜上被激活的Ca2+离子通道进入细胞，使细胞中[Ca2+]c离子浓度增加。以上结果说明，乙烯活化质膜上的Ca2+离子通道，使细胞外Ca2+离子进入细胞，导致细胞中[Ca2+]c离子浓度增加，是乙烯信号转导途径的重要步骤。

拟南芥砷酸还原酶基因AtACR2的表达调控及其功能分析

将砷酸盐还原为亚砷酸盐是植物砷代谢途径中的关键步骤，其中砷酸还原酶是催化砷酸盐还原的关键酶。目前，对植物中砷酸还原酶基因的表达调控机制及该基因的功能了解得还不是很清楚。因此研究拟南芥砷酸还原酶基因的表达调控及其功能对于探讨植物对砷吸收、代谢、转运和富集的分子机制有重要意义。 本论文利用拟南芥砷酸还原酶基因（AtACR2）的启动表达调控序列的不同组合驱动GUS基因转录表达，对AtACR2启动表达调控序列的功能进行了分析；同时利用过表达、AtACR2基因T-DNA插入缺失突变体和地上部特异表达对拟南芥和蜈蚣草砷酸还原酶的基因功能进行了初步分析，主要结果如下： 1．对拟南芥AtACR2基因在不同砷酸盐处理浓度(0、100 yM、200 yM) 下的RT-PCR分析初步表明：在未用Na3As04处理的拟南芥幼苗中，AtACR2基因在根和茎叶中均有表达，且其在根中的转录水平高于茎叶中。同时该基因的表达在转录水平上受砷酸盐的负调控，即随着外界砷酸盐浓度的升高，AtACR2基因的转录水平降低。 2．将AtACR2基因不同启动调控序列组合驱动GUS基因转录表达，结果表 明：①由AtACR2基因上游1250 bp及其5’端非编码医构成的启动调控序列不足以启动AtACR2基因的转录表达和砷酸盐胁迫的应答；②在第一外显子和第一内含子中存在启动AtACR2基因起始转录表达的关键序列元件，它们的存在决定了该基因能否得以转录表达；⑧第一外显子和第一内含子序列中不仅存在起始基因转录的必需元件，还存在砷胁迫相关的应答元件，参与砷酸盐抑制AtACR2基因的转录表达调控；④在第二外显子和第二内含子中可能存在增强基因表达的调控元件序列，进一步影响该基因转录表达强度的调控。 3． 拟南芥AtA CR2基因和砷超富集植物蜈蚣草PvA CR2基因在拟南芥中过表达后的功能分析初步表明：①转基因植株能够通过减少体内As含量增强对砷酸盐的抗性；②两种植物的砷酸还原酶作用能力存在一定差异，其中超表达蜈蚣草PvA CR2能够使转基因植株根中As含量更少，但其对砷酸盐胁迫的抗性并没有AtACR2超表达植株强，这可能与转 PvA CR2基因植株地上部积累相对较高的砷含量有关。 4．将AtA CR2和PvA CR2在拟南芥中地上部特异表达后，抗性实验初步表明：①以野生型拟南芥为背景材料进行地上部特异超表达AtACR2或PvA CR2基因，不能增强转基因植株对砷酸盐抗性；②以AtA CR2基因的T-DNA插入缺失突变体为背景材料地上部特异表达AtACR2或PvA CR2基因，却能够明显增强转基因植株对砷酸盐的抗性。综上所述，植物砷酸还原酶基因在植物对砷酸盐胁迫的响应和调控中起着重要作用。

显花植物器官形成激素调控的分子机理研究

本论文以显花植物水稻和拟南芥为对象，研究植物器官形成激素调控的分子机理。发现拟南芥干细胞决定基因WUS和ABA信号关键调节因子ABI3间存在相互调节关系，它们对质体和根毛发育等具有调控作用；运用细胞学手段对OsAGAP和OsRMC调控根发育的机理进行了研究。这些结果为了解ABA、生长素和JA等激素对分生组织或根等器官的形成的调控机理提供了新资料。 拟南芥WUS基因是一个重要的干细胞决定基因。在茎尖分生组织和花分生组织的动态平衡调节中各存在一个反馈调节环：WUS促进CLV3的表达，而CLV3 反馈抑制WUS表达，它们共同决定干细胞的数目；在WUS+LFY 和AG之间也存在一个类似的反馈环，负责花器官的正常启动和终止。本工作发现在外源ABA 存在下，拟南芥WUS功能获得突变体sef (stem ectopic flowers)子叶黄化过程受到抑制，即sef突变体对ABA 的敏感性降低，而且在sef突变体中ABI3转录水平下调，说明WUS 抑制ABI3的表达。另一方面，在abi3突变体中WUS转录水平下降，启动子分析发现WUS是ABI3所在的B3结构域家族基因的靶基因，酵母单杂交实验表明B3家族蛋白FUS3可以与WUS调控区结合；外源ABA 处理pWUS::GUS植株发现ABA可使WUS异位表达，暗示受ABA信号诱导的B3类转录因子可与WUS调控区结合，从而促进WUS的表达。这些结果支持ABI3/WUS间的反馈调节机理，该调节环可能参与调控拟南芥质体和根毛发育等过程。 双子叶和单子叶植物的发育和器官形成高度依赖生长素极性运输（PAT）， 生长素输入和输出载体的准确定位对于极性运输的正常进行是必要的。在双子叶模式植物拟南芥中，生长素输出载体PIN1的转运和定位受小G蛋白ARF鸟苷酸转换因子GNOM介导。本实验室克隆到一个水稻ARF GAPase激活蛋白OsAGAP， 其超表达引起PAT改变且干扰主根和侧根的发生及发育。前期生理实验显示超表达植株侧根的表型可被膜渗透性生长素NAA恢复，但不能被载体依赖型生长素IAA和2, 4-D恢复。为了解释OsAGAP过表达引起根系发育受到抑制的表型，本工作主要从细胞学角度继续深入分析OsAGAP介导生长素运输的机理。实验发现，OsAGAP超表达植株中AUX1在细胞中分布改变；生长素输出载体PIN1和PIN2的定位不受影响；该基因的超表达使囊泡聚集，形成类似囊泡运输抑制剂BFA处理后的结构；OsAGAP与细胞转运系统中的高尔基体存在部分共定位。以上结果表明OsAGAP调节小G蛋白Arf的活性，参与调控生长素极性运输过程，进而调控根系发育。通过对JA诱导的OsRMC蛋白的膜定位分析及转基因植株根中JA合成水平的测定，为研究此蛋白参与JA信号、调控根系发育提供了直接证据。 此外，论文还对拟南芥STAR2基因的功能进行了一定的初探。

参与调控拟南芥叶绿体发育基因的初步功能研究

绿色植物的光合作用是地球上唯一大规模地把无机物转变为有机物，把光能转变为化学能的过程。叶绿体是植物进行光合作用的场所。因而，高等植物叶绿体发育与叶绿体功能维持的研究一直倍受人们关注。然而，目前参与高等植物中调控叶绿体发育过程的基因克隆以及这些基因在叶绿体发育过程中的分子机制知之甚少。本论文克隆并初步探讨了2个参与调控拟南芥叶绿体发育基因AtECB1和AtECB2。AtECB1基因编码一个高等植物所特有的，具有类似硫氧还蛋白结构的叶绿体蛋白质。该基因主要在地上部分表达，尤其在14天的幼苗中表达较强，且该基因的表达是受光诱导的。该基因的敲除导致了拟南芥叶绿体中仅有少数片层结构。这些片层不能进一步形成类囊体结构。蛋白质免疫实验表明，突变体中多数光合作用蛋白质复合物的组分缺失。该基因的突变影响了质体转录，翻译和光合作用相关的基因的表达。基于这些结果我们推测，AtECB1可能是叶绿体发育过程中所必需的。而AtECB2基因则编码一个PPR家族的叶绿体蛋白质。该蛋白质具有11个PPR基序；此外，该蛋白质含有E/E+和DYW结构域。因而，AtECB2属于PPR家族中的DYW群。AtECB2敲除突变体表现为白化表型，该突变体中的叶绿体没有正常的类囊体结构，仅存在少量的膜结构。与电镜的结果相一致，蛋白质免疫实验表明突变体中多数光合作用蛋白质复合物的组分缺失。定量RT-PCR结果表明，AtECB2的缺失影响了叶绿体基因的表达。另外，我们对该突变体中的已经报道的34个RNA编辑位点分析发现其中的一个位点accD没有发生编辑。AccD编码异质型乙酰辅酶A羧化酶的羧基转移酶β亚基。而前人的实验表明，该位点的RNA编辑为其所编码的蛋白质活性所必需，且accD的缺失直接影响到植物叶绿体的发育。综合这些数据和本论文的结果表明，AtECB2是质体转录本accD的RNA编辑所必需的特异因子；accD RNA编辑的缺陷可能导致了叶绿体发育的缺陷。

大豆种子低温吸胀相关基因的分离与蛋白变化的研究

大豆 (Glycine max (L.) Meer.)是人们日常生活中不可缺少的食品，也是一种非常重要的油质、蛋白资源。目前根据大豆种子吸胀阶段对低温敏感性的不同，可将其划分成3种生态型：低温非敏感型、低温敏感型及中间型。对于低温非敏感型的种子来讲，4℃下吸胀24小时对其发芽率影响很小，而敏感型种子萌发率不超过5%。我国属于温带大陆性气候，大豆播种后由于温度波动而造成一部分种子不能萌发，最终导致减产甚至绝产的现象普遍存在。高产是育种工作的主要目标，提高逆境胁迫的适应能力是高产的前提和基础，所以从分子角度研究种子吸胀非常必要，一方面能够挖掘新的基因资源，另一方面为今后育种工作提供必要的理论依据。 本试验以此为立足点，低温吸胀非敏感型大豆品种 (Z22)为材料，利用cDNA-AFLP方法及蛋白质技术分离与低温吸胀相关的基因及蛋白，得到结果如下： 第一，本试验成功的分离出4个受低温诱导的基因，半定量RT-PCR方法进一步验证了这4个基因在种子吸胀24小时内受低温诱导。 第二，利用RACE方法成功的得到2个完整的全长基因，在NCBI数据库中查找后发现其中1个基因为新基因，命名为SCHI基因 (SCHI：Soybean chilling-induced gene)。SCHI全长为390bp，编码分子量大约为14.2KD的蛋白；另外一个基因是已知基因，其同源序列已经在其他的物种中得到分离。由于此基因与核糖体蛋白L34高度同源，所以把把这个基因命名为SOL34 (Soybean L34)。 第三，利用半定量RT-PCR方法对基因表达模型进行分析，结果表明：SCHI在种子低温吸胀18～24小时期间诱导表达量最高，而当种子低温吸胀24小时后转入常温下，其表达量在常温下18小时左右迅速下降；ABA (100μM)、PEG (30%，10000)及NaCl (250mM)能够诱导SCHI的表达，在诱导表达量上，ABA和PEG诱导效果最明显，而NaCl能够微弱的诱导此基因表达；对不同生态型的大豆品种而言，低温吸胀过程中，SCHI在非敏感型种子中的表达量高于敏感型种子，但非敏感型和中间型之间没有差别；另外，SCHI在大豆胚轴中是诱导型表达，在叶片和根尖中则是组成型表达。SOL34的表达在萌发前24小时内被低温诱导，但在不同生态型之间没有差别。SOL34在胚轴和根尖中受低温诱导，在叶片中是组成型表达。 第四，SCHI能够在原核生物中表达出相应蛋白，诱导表达蛋白的分子量在26-29KD，大约为理论值的2倍，说明在大肠杆菌中被表达的蛋白以2聚体形式存在。另外低温试验结果表明SCHI能够提高菌落忍耐短时间-20℃低温的能力。 第五，利用双元表达载体把SCHI转入拟南芥植株，经过低温、干旱和盐胁迫后，转基因植株的成活率均高于野生型植株。超表达SOL34的拟南芥植株降低了对低温的耐性；而抑制拟南芥中L34的表达反而提高了植株对低温的抗性。 第六，本试验利用蛋白质等有关试验检测了大豆种子低温吸胀时蛋白质发生的变化。从吸胀 (4℃和22℃下24h)后的大豆胚轴中成功鉴定出上调蛋白点25个，下调蛋白点15个。其中有参与能量代谢反应 (占10%，例如柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶等)、细胞生长与分裂相关反应 (20%，例如LEA蛋白和种子成熟蛋白PM26)、胁迫反应 (10%，如乙醇脱氢酶)、种子宿命和贮藏蛋白 (20%，大豆球蛋白)等蛋白在此过程中发生了变化，暗示种子萌发前期低温吸胀过程中多种代谢发生变化。细胞生长变缓、能量代谢增强、胁迫代谢蛋白的高表达以及贮藏蛋白降解速度减慢等变化都有利于种子在吸胀过程中度过低温环境，为以后的生长作好准备。

The need for winter in the switch to flowering.

Vernalization is the process whereby the floral transition is promoted through exposure of plants to long periods of cold temperature or winter. A requirement for vernalization aligns flowering with the seasons to ensure that their reproductive phase occurs in favorable conditions. The mitotic stability of vernalization, suggestive of an epigenetic mechanism, has intrigued researchers for many years. Genetic analysis of the vernalization requirement in Arabidopsis has identified key floral repressor genes, FRI and FLC. The action of these floral repressors is antagonized by vernalization and the activity of a set of genes grouped into the autonomous floral pathway. Analysis of the vernalization pathway has defined a series of epigenetic regulators crucial for "cellular-memory" of the cold signal, whereas the autonomous pathway appears to function in part through posttranscriptional mechanisms. The mechanism of the vernalization requirement, which is now being explored in a range of plant species, should uncover the evolutionary origins of this key agronomic trait.

Role of RNA polymerase IV in plant small RNA metabolism.

In addition to the three RNA polymerases (RNAP I-III) shared by all eukaryotic organisms, plant genomes encode a fourth RNAP (RNAP IV) that appears to be specialized in the production of siRNAs. Available data support a model in which dsRNAs are generated by RNAP IV and RNA-dependent RNAP 2 (RDR2) and processed by DICER (DCL) enzymes into 21- to 24-nt siRNAs, which are associated with different ARGONAUTE (AGO) proteins for transcriptional or posttranscriptional gene silencing. However, it is not yet clear what fraction of genomic siRNA production is RNAP IV-dependent, and to what extent these siRNAs are preferentially processed by certain DCL(s) or associated with specific AGOs for distinct downstream functions. To address these questions on a genome-wide scale, we sequenced approximately 335,000 siRNAs from wild-type and RNAP IV mutant Arabidopsis plants by using 454 technology. The results show that RNAP IV is required for the production of >90% of all siRNAs, which are faithfully produced from a discrete set of genomic loci. Comparisons of these siRNAs with those accumulated in rdr2 and dcl2 dcl3 dcl4 and those associated with AGO1 and AGO4 provide important information regarding the processing, channeling, and functions of plant siRNAs. We also describe a class of RNAP IV-independent siRNAs produced from endogenous single-stranded hairpin RNA precursors.

An allelic series reveals essential roles for FY in plant development in addition to flowering-time control

The autonomous pathway functions to promote flowering in Arabidopsis by limiting the accumulation of the floral repressor FLOWERING LOCUS C (FLC). Within this pathway FCA is a plant-specific, nuclear RNA-binding protein, which interacts with FY, a highly conserved eukaryotic polyadenylation factor. FCA and FY function to control polyadenylation site choice during processing of the FCA transcript. Null mutations in the yeast FY homologue Pfs2p are lethal. This raises the question as to whether these essential RNA processing functions are conserved in plants. Characterisation of an allelic series of fy mutations reveals that null alleles are embryo lethal. Furthermore, silencing of FY, but not FCA, is deleterious to growth in Nicotiana. The late-flowering fy alleles are hypomorphic and indicate a requirement for both intact FY WD repeats and the C-terminal domain in repression of FLC. The FY C-terminal domain binds FCA and in vitro assays demonstrate a requirement for both C-terminal FY-PPLPP repeats during this interaction. The expression domain of FY supports its roles in essential and flowering-time functions. Hence, FY may mediate both regulated and constitutive RNA 3'-end processing.

Single base-resolution methylome of the silkworm reveals a sparse epigenomic map

Epigenetic regulation in insects may have effects on diverse biological processes. Here we survey the methylome of a model insect, the silkworm Bombyx mori, at single-base resolution using Illumina high-throughput bisulfite sequencing (MethylC-Seq). We conservatively estimate that 0.11% of genomic cytosines are methylcytosines, all of which probably occur in CG dinucleotides. CG methylation is substantially enriched in gene bodies and is positively correlated with gene expression levels, suggesting it has a positive role in gene transcription. We find that transposable elements, promoters and ribosomal DNAs are hypomethylated, but in contrast, genomic loci matching small RNAs in gene bodies are densely methylated. This work contributes to our understanding of epigenetics in insects, and in contrast to previous studies of the highly methylated genomes of Arabidopsis(1) and human(2), demonstrates a strategy for sequencing the epigenomes of organisms such as insects that have low levels of methylation.

alpha-tocopherol is essential for acquired chill-light tolerance in the cyanobacterium Synechocystis sp strain PCC 6803

Unlike Escherichia coli, the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 is insensitive to chill (5 degrees C) in the dark but rapidly losses viability when exposed to chill in the light (100 mu mol photons m(-2) s(-1)). Preconditioning at a low temperature (15 degrees C) greatly enhances the chill-light tolerance of Synechocystis sp. strain PCC 6803. This phenomenon is called acquired chill-light tolerance (ACLT). Preconditioned wild-type cells maintained a substantially higher level of alpha-tocopherol after exposure to chill-light stress. Mutants unable to synthesize alpha-tocopherol, such as slr1736, slr1737, slr0089, and slr0090 mutants, almost completely lost ACLT. When exposed to chill without light, these mutants showed no or a slight difference from the wild type. When complemented, the slr0089 mutant regained its ACLT. Copper-regulated expression of slr0090 from P-petE controlled the level of et-tocopherol and ACLT. We conclude that alpha-tocopherol is essential for ACLT of Synechocystis sp. strain PCC 6803. The role of a-tocopherol in ACLT may be based largely on a nonantioxidant activity that is not possessed by other tocopherols or pathway intermediates.

Cd、Cu污染胁迫对拟南芥幼苗错配修复相关基因表达的影响

土壤重金属污染问题已成为影响我国持续农业和生态环境质量的重要因素，引起了人们的广泛关注。由于传统污染诊断方法的缺点，急需建立土壤污染生态毒理学诊断方法，生物标记物技术则是其中的研究热点之一。本文采用营养液培养的方法，以模式植物拟南芥为试材，采用半定量反转录聚合酶链式反应（RT-PCR）技术，结合传统分析方法研究了Cd、Cu在不同胁迫水平下对拟南芥幼苗的形态、生理及分子水平的毒性效应，并在此基础上，比较和分析不同测试指标对Cd、Cu胁迫响应的敏感性，进而筛选对Cd、Cu胁迫响应敏感的生物标记物。主要结果如下： 1 不同浓度Cd和Cu污染胁迫下，拟南芥幼苗生长均受到不同程度的影响 幼苗初生根伸长均受到明显抑制，而地上部叶片数、地上部鲜重却没有显著的变化。重金属首先作用于植物的根系，根系的生长对胁迫响应的敏感性高于地上部。 2 幼苗地上部的可溶性蛋白含量受到不同程度干扰，而在不同浓度的Cd、 Cu处理下，叶绿素含量变化不明显，表明幼苗地上部可溶性蛋白质含量对胁迫的敏感性高于叶绿素含量的变化。 3 幼苗地上部错配修复（MMR）和增殖细胞核抗原（PCNA）基因都明显 地出现了表达诱导或表达抑制，表明MMR和PCNA基因表达的变化对Cd、Cu胁迫表现出较高的敏感性。 4 幼苗地上部的可溶性蛋白质含量及幼苗地上部MMR和PCNA基因表达 均对Cd和Cu污染胁迫具有较高的敏感性，两者均可用于指示Cd和Cu污染的敏感生物标记物。基因表达变化图谱虽然对污染胁迫响应比较敏感，是一种污染胁迫响应敏感的生物标记物，但其在生态毒理诊断中的应用还需进一步的实验对其予以证明。