2024年, 第28卷, 第6期　
刊出日期：2024-12-31

  

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植物非编码RNA
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  miR164家族及其调控种子发育与种子活力的研究进展

  姜孝成, 田建红, 黄科瑞, 周诗琪, 陈婷, 唐倪文

  生命科学研究. 2024, 28(6): 471-482. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.08.0171

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  微RNA (microRNA, miRNA)是一类20~24 nt的内源性单链非编码小RNA, 通过序列互补靶基因的mRNA, 在转录后水平沉默或下调其表达。miR164是植物中特有的一个miRNA家族。最新发布的miRBase数据库22.1版收录了涉及40个物种的129个miR164家族成员, 其中84个成员的序列均为5′-UGGAGAAGCAGGGCACGUGCA-3′, 其他成员的序列与之相比存在1~5 nt的差异。本文主要综述了植物miRNA的形成及作用机制、miR164家族成员的序列差异及其调控种子发育与种子活力的研究进展, 以期为通过基因工程操纵miRNA的表达变化来提高农作物种子活力或抗老化能力的分子育种技术提供新思路。
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  植物来源miR261、miR354及miR194调控多种肿瘤细胞增殖并靶向HDAC2或CTLA-4

  叶汉挹, 吕舜, 黎迎, 董政起

  生命科学研究. 2024, 28(6): 483-492. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.03.0130

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  从药用、食用植物出发, 基于生物信息学分析, 寻找跨界作用于哺乳动物细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4 (cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4, CTLA-4)、组蛋白去乙酰化酶2 (histone deacetylase 2, HDAC2)的植物微RNA (microRNA, miRNA)序列; 通过双荧光素酶及实时荧光定量PCR实验验证植物miRNA对CTLA-4、HDAC2的沉默效果; 通过CCK-8法检测人源、小鼠源多种肿瘤细胞系在转染不同浓度(0~500 nmol/L)植物miRNA 48 h后的增殖活性。结果显示, 荔枝来源lch-miR261可靶向HUT-78、THP-1细胞的HDAC2产生体外抗肿瘤活性; 甜橙来源csi-miR354-5p可靶向K562、THP-1细胞的HDAC2产生体外抗肿瘤活性; 红豆杉来源tme-miR194-5p可以靶向Treg细胞的CTLA-4, 且具有4T1细胞的增殖抑制和B16、HepG2细胞的增殖促进效果。实验结果初步表明, 荔枝来源miR261及甜橙来源miR354具有靶向HDAC2的抗肿瘤潜力; 红豆杉来源miR194可用作CTLA-4免疫检查点抑制剂, 具有体内免疫抗肿瘤的潜力, 在跨界抗肿瘤尤其是乳腺肿瘤治疗方面有巨大临床价值。该研究首次记录植物miRNA跨界调控肿瘤细胞系的选择性和双重性, 为植物miRNA跨界调控提供了有力的证据。
植物生理
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  植物花青素合成及其调控因素研究进展

  胡彦如, 黄兴连, 叶静文

  生命科学研究. 2024, 28(6): 493-502. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.11.0196

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  花青素(anthocyanin)是一类天然适应性色素, 对植物的生长发育、繁殖和环境适应性等诸多方面具有重要作用。花青素精确复杂的合成调控网络确保了其能够在合适的时间、空间上沉着富集, 从而提高植物对环境的适应性。MYB (myeloblastosis protein)、bHLH (basic helix-loop-helix)和WDR (WD repeat)是调控花青素合成的关键转录因子, 受到植物激素和环境因子的调控。本文探讨了花青素的生物合成调控机制, 重点综述了内源激素信号和光照、温度、盐胁迫、干旱等外源环境因子在花青素生物合成调控网络中的作用。
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  水稻镉吸收、转运及积累的生理过程和分子机制研究进展

  刘选明, 肖庆, 周正琨, 林建中

  生命科学研究. 2024, 28(6): 503-520. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.04.0141

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  镉(cadmium, Cd)是一种非必需的、不可降解的微量元素, 具有很强的生物转移毒性。当前Cd污染导致的稻米中Cd元素超标已经成为我国食品安全的潜在威胁, 因此了解并深入研究水稻Cd吸收、转运和积累的生理过程及相关功能基因具有非常重要的现实意义。本文综述了水稻中Cd的根系吸收、液泡区域隔离、木质部装载、茎节分配、叶片再活化、籽粒积累等生理过程和分子机制及其所涉及的基因和离子转运蛋白家族的研究进展, 同时综述了通过植物修复减少稻田Cd污染和降低水稻籽粒Cd积累的相关途径, 并对将来选择和培育低Cd水稻进行了总结与展望。
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  水稻白叶枯病免疫与抗性机制研究进展

  王玉珠, 张明永, 刘维, 夏快飞, 曾璇

  生命科学研究. 2024, 28(6): 521-529. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.12.0210

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  水稻(Oryza sativa L.)白叶枯病是由革兰氏阴性菌黄单胞杆菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)引发的细菌性疾病, 是一种全球性的水稻病害。该病害在我国发病面积广, 其病原菌具有传播速度快和易突变的特点。挖掘和克隆新的白叶枯病抗病基因并对其进行育种应用是目前防治该病害的有效途径。本文对目前已报道的44个白叶枯病抗病基因进行了分类, 概述了水稻白叶枯病免疫应答与主效抗病基因的分子机制, 主要包括: 1) 水稻应对白叶枯病的防御机制; 2) 水稻白叶枯病抗病基因的挖掘与鉴定; 3) 水稻白叶枯病主效抗病基因的功能及分类; 4) 水稻抗白叶枯病的分子机制。此外, 本文对水稻白叶枯病抗病基因及免疫机制的研究进行了展望。这些内容可为水稻白叶枯病的后续研究及育种应用提供参考。
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  植物SMXL蛋白的功能研究进展

  姚瑞枫, 黄益

  生命科学研究. 2024, 28(6): 530-536. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.09.0178

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  SMXL (suppressor of MAX2 1-like)蛋白是独脚金内酯(strigolactone, SL)和烟素(karrikin, KAR)信号通路的主要成员, 在植物生长发育和环境适应性方面发挥重要作用。近些年, SMXL蛋白的鉴定和功能研究极大填补了SL/KAR信号转导通路的空白。SL/KAR以受体(D14/KAI2)依赖的方式诱导SMXL蛋白泛素化修饰和降解, 从而传递信号。当前, SMXL蛋白在植物激素信号转导通路中的作用位点及相关分子机制已得到深入研究。本文综述了SMXL蛋白的生物学功能, 以及其稳定性调控和转录调控机制的研究进展, 并对植物SMXL蛋白的调控机理研究进行了展望, 以期为全面揭示植物SMXL蛋白的作用机制提供参考。
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  低温诱导拟南芥幼苗花青素积累的分子机制

  黄兴连, 叶静文, 胡彦如

  生命科学研究. 2024, 28(6): 537-551. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.11.0197

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  CBF (C-repeat binding factor)是低温信号的核心转录因子, 在植物适应低温过程中发挥着非常重要的作用。为了探究CBF调控花青素积累的分子机制, 以拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究对象, 通过分子生物学和遗传学方法展开研究。表型和定量检测结果表明, 随着温度的降低, 野生型幼苗中花青素的积累量明显升高, 一些花青素合成相关基因的表达水平也显著增加。低温条件下, 与野生型相比, CBF双突变体和三突变体幼苗中花青素的积累量与部分花青素合成相关基因的表达水平显著降低。相反, CBF基因过表达后, 花青素的积累量和部分花青素合成相关基因的表达水平显著提高。蛋白质相互作用结果显示, CBF1、CBF2、CBF3均能与MYB75、MYB90、MYB113、TT8等花青素合成调控蛋白形成复合物。遗传学分析显示, 低温条件下, CBF促进花青素的积累依赖于MYB和TT8。转录激活实验分析显示, CBF能够增强MYB75和TT8的转录功能, 进而调控下游DFR (dihydroflavonol 4-reductase)和LDOX (leucoanthocyanidin dioxygenase)的表达。综上所述, 低温促进拟南芥幼苗花青素积累可能是通过CBF与 MYB、TT8的相互作用来实现的。该研究有助于进一步解析CBF蛋白的生物学功能, 以及深入理解CBF在植物低温环境适应性中的调控机制。
遗传育种
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  油菜分枝数相关基因定位克隆研究进展

  赵小英, 李诗琴, 张钲锋, 张维, 李鑫, 李宝

  生命科学研究. 2024, 28(6): 552-561. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.08.0169

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  油菜是世界上主要的油料作物之一, 提高其产量对保障粮油供给安全具有重要意义。单株角果数是直接影响油菜产量的最主要因素, 分枝作为角果的载体, 与产量密切相关。油菜适当的多分枝可增加角果数量, 从而提高产量, 因此, 鉴定调控油菜分枝数的基因、创制油菜多分枝资源对高产育种具有重要价值。近年来, 多个油菜分枝数相关的数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)、候选基因以及基于基因组编辑手段创制的多分枝种质被报道。本文对这些QTL和相关基因的定位克隆进行综述, 以期为发掘新的油菜多分枝基因以及高产油菜分子设计育种提供理论依据。
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  小麦C₂H₂型锌指蛋白基因TaZFP38的克隆与功能研究

  李优, 曹蜜圆, 邹肖肖, 刘书灿, 肖文君, 尹艳, 尹黄平, 李泽琦, 李永亮, 郭新红

  生命科学研究. 2024, 28(6): 562-571. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2023.11.0202

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  小麦是全球重要的作物, 提供近55%的碳水化合物来养育世界三分之一以上的人口, 增强小麦抵抗非生物胁迫的能力对于提高粮食的可持续生产及全球粮食安全至关重要。本研究通过克隆得到小麦C2H2型锌指蛋白基因TaZFP38, 其编码区全长411 bp, 共编码136个氨基酸。生物信息学分析表明, TaZFP38是亲水性蛋白质, 无跨膜结构域和信号肽, 在脱落酸(abscisic acid, ABA)、茉莉酸甲酯(methyl jasmonate, MeJA)和光等参与的多种非生物胁迫响应中可能发挥重要作用。烟草叶片和拟南芥原生质体中的瞬时表达显示, TaZFP38定位在细胞核。进一步对野生型和过表达株系在不同浓度NaCl、甘露醇、ABA、MeJA以及黑暗处理下的萌发率进行统计分析, 结果显示, TaZFP38在干旱、盐、ABA以及黑暗处理下负调控拟南芥种子的萌发, 而在MeJA处理下对拟南芥的种子萌发起着正调控作用。该研究为进一步解析C2H2型锌指蛋白的功能提供了基础, 也为创造小麦抗逆新品系提供了优良的候选基因。
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  基于EST-SSR标记对正品药材霍山石斛群体结构和遗传多样性的分析(英文)

  王晖, 时玲玲, 周珏, 周雨璇

  生命科学研究. 2024, 28(6): 572-582. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2023.11.0216

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  霍山石斛(Dendrobium huoshanense)是一种濒危的正宗药材, 了解其种群内遗传多样性与种群遗传结构对植物保护和育种具有重要意义。为了分析霍山石斛的群体分化和遗传多样性, 利用高通量转录组测序技术获得了简单重复序列(simple sequence repeat, SSR)标记, 对分布在安徽西南部霍山县的石斛属15个种群182个样本的10个表达序列标签(expressed sequence tag, EST)-SSR进行了研究。霍山石斛转录组深度测序后最终得到58 202个unigene, 检测出1~6个碱基重复的SSR序列7 781个。其中, 二碱基重复的SSR最为丰富(3 119, 40.085%), 最丰富的二碱基重复单元为AG/CT (2 666, 54.01%)。从设计的120对引物中筛选出10对SSR引物进行进一步多态性验证, 共检测到75个等位基因, 每个位点的等位基因数量在4~11个, 平均为7.5个。平均期望杂合度(expected heterozygosity, He)、观察杂合度(observed heterozygosity, Ho)和多态信息含量(polymorphism information content, Cpi)分别为0.646、0.574和0.607。霍山石斛居群遗传多样性高(Ho=0.591, He=0.557), 分化程度中等(FST=0.100 69), 遗传变异主要存在于群体内。基于10条多态性引物的结构和邻接法(neighbour-joining, NJ)分析结果表明, 霍山石斛居群可聚为2支, 其中KS、HSD和JXZ居群具有丰富的遗传多样性和多个私有等位基因, 可用于霍山石斛的遗传改良。本研究揭示了霍山石斛SSR位点的频率分布, 成功开发了微卫星遗传标记。该研究中出现的潜在标记有望增加到霍山石斛遗传研究的DNA标记库中。
技术与应用
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  基于靶标结构的除草剂设计与合成研究进展

  李祖任, 马褚健, 罗丁峰

  生命科学研究. 2024, 28(6): 583-600. https://doi.org/10.16605/j.cnki.1007-7847.2024.10.0190

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  杂草是农业生产中的重大威胁之一, 导致作物产量损失。除草剂因其高效、操作简便和成本效益广泛应用于农作物保护, 但其长期大量使用会导致抗性杂草的出现。开发新型高效除草剂是解决杂草抗药性问题的有效策略。基于结构的药物设计(structure-based drug design, SBDD)作为医药领域的有效工具, 逐渐应用于农药开发。SBDD能够通过解析靶标蛋白的三维结构, 精确识别结合位点, 指导新型除草剂的设计与优化, 从而提高除草剂的选择性和活性, 减少环境影响, 有效规避抗性问题。本文系统回顾了近年来SBDD在除草剂开发中的应用, 简要概述了蛋白质结构解析方法、SBDD的基本原理及基于分子对接的虚拟筛选(molecular docking-based virtual screening, MDVS)的步骤; 同时, 结合乙酰羟酸合酶(acetohydroxyacid synthase, AHAS)、原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen oxidase, PPO)和对羟基苯丙酮酸双加氧酶(4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase, HPPD)等常见除草剂靶标以及潜在除草靶标, 阐述了SBDD的具体应用及成效。展望未来, SBDD将成为开发绿色高效除草剂的重要技术手段, 为解决抗性杂草问题提供重要支持。