【《植物乙烯不敏感基因的相关研究国内外文献综述》5100字】

植物乙烯不敏感基因的相关研究国内外文献综述1.1植物内源激素种类及测定植物激素也被称为植物内源激素，指植物自身能够产生的一些极微量且能调节（促进、抑制）自身生理生化过程的有机化合物。现在，已知的植物体内有生长素、赤霉素、\t"C:/Users/admin/Desktop/_blank"细胞分裂素、乙烯等六类內源激素。虽然这些激素的分子结构较为简单，但产生的生理效应和作用机制非常复杂（Santneretal.,2009;Albablietal.,2015;Pacificietal.,2015）。它们能够作用于植物的整个生长发育过程，是植物体内具有重要研究价值的物质。植物生长素能够促进植物生长、促进细胞分裂和根的分化等作用，在植物生长过程中具有低浓度促进，高浓度抑制的特点；赤霉素能够显著促进植物的生长，防止花果的脱落，提高坐果率和产量，有效的诱发植物种子内某些酶的合成；细胞分裂素能够促进细胞分裂、分化以及植物的开花结果，提高果实产量，抑制和延缓衰老等作用；而作为植物激素中唯一一种气态形式存在的乙烯则广泛存在于植物的各种器官中，具有促进植物器官的成熟与脱落、促进果实成熟、促进细胞衰老和细胞壁的分解，引起离区近茎侧细胞膨胀，促进花、果实、叶片机械离体等的作用。这些都对植物生长发育产生重大影响，因此，研究激素调节植物生命活的作用机制和原理至关重要（黄晓荣等，2009）。随着科学技术的发展，对植物内源激素的测定方法已经有了许多非常亮眼的进展，主要有三类测定方法：生物测定、理化测定及免疫测定法。目前，气相色谱法（GC）和高效液相色谱法（HLPC）是目前测定内源激素的主要方法，不仅灵敏度高，且测定更加准确、有效（李素梅等，2003；李雨薇等，2007）。以GC测定植物激素乙烯为例，GC的灵敏度和专一性都很高，但所测的激素都必须形成较易挥发的激素类衍生物才可被测定，因此，他的局限性也比较高。由于乙烯以气态形式存在的植物内源激素，因此，GC测定植物激素的方法多用于测定植物內源乙烯释放等方面，如：使用岛津GC2010气相色谱仪测定丝瓜种子萌发时內源乙烯的释放速率（丁杰等，2013）；使用HPLC和GC分别测定了水稻细胞质雄性不育系的乙烯释放速率（田长恩等，1999）等多项研究都使用了这种方式对植物激素—乙烯进行测定，其他激素也都进行了丰富的研究。如何快速准确的测定植物的内源激素，对研究植物生长和代谢过程起到的重要作用。在传统的生物、理化和免疫测定方法的基础上，植物激素的检测技术也在不断创新，为研究植物激素的提供了丰富的经验和基础。1.2植物內源激素乙烯乙烯合成是通过著名的杨氏循环(Yangcycle)实现，首先甲硫氨酸在S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)催化下转变成S-腺苷甲硫氨酸(SAM)，SAM在氨基环丙烷羧酸(,ACC)合成酶(ACS)的催化下转变成ACC和5’-甲硫腺苷(MTA)（宋喜贵等，2013；王鹏、王丹丹，2018），ACC在ACC氧化酶(ACO)的催化下产生乙烯（Colebrooketal.,2014）。乙烯是一种气态植物激素，最早被发现。它是最简单的烯烃气体，由植物进行生物合成，通过经过充分研究的信号传导途径来调节植物的发育，生长和胁迫反应(Bakshietal.,2015)。乙烯的“三重反应”在黑暗中生长的双子叶植物幼苗中很常见，其特征是根部和下胚轴的生长减少，根尖钩夸大以及下胚轴的增厚。在模式植物拟南芥中，乙烯组成型突变体在无乙烯存在的条件下亦表现“三重反应”，而乙烯不敏感突变体在乙烯存在时也不表现“三重反应”（赵可夫，1993）。研究表明，乙烯在植物生长过程中的“三重反应”有利于遗传筛选，并且也可以鉴定乙烯的信号通路组分。乙烯受体共包含五种：组成性三联反应1（CTR1）；生化活性未知的ER定位跨膜蛋白、称为乙烯不敏感2（EIN2）、转录因子，例如EIN3，EIN3类（EIL）和乙烯反应因子（ERF）。1.3植物乙烯响应相关基因的研究进展众所周知，乙烯对植物生长发育的调节通过一系列信号传导。因此，植物內源乙烯的产生和信号传导相关研究备受关注。类似的乙烯信号传导途径也通过与其他激素或气体相互作用调节植物果实和其他器官的生长发育及对环境的抗逆能力（Rensingetal.,2008;Rzewuskietal.,2008;Maetal.,2010;Banksetal.,2011;Kleeetal.,2011;Shulaevetal.,2011;Gallieetal.,2015;Juetal.,2015）。对番茄叶柄脱落现象的研究发现，H2S能够影响乙烯和生长素的内源性生物合成和信号传导（Liuetal.,2020）。除此之外，在番茄中，乙烯信号传导成分的沉默能够抑制油菜素内酯(BRs)诱导的盐耐性，并阻断了BR诱导的几种抗氧化酶的活性（Zhuetal.,2016）。Chen等人通过转基因、生物信息学分析以及分析和乙烯结合物的异源表达等方式结合幼苗和果实发育情况和PCR扩增等也证明了番茄中的SlETR7是一个功能乙烯受体（Chenetal.,2020）。在水稻中，乙烯和茉莉酸能够协同和拮抗调节植物的生长、发育和防御反应。植物防御素1.2和乙烯响应因子1（EIN3/EIL1）可促进根毛生长，茉莉酸促进了茉莉酸-ZIM结构域蛋白（JAZ）的降解，抑制EIN3/EIL1的表达（Xiongetal.,2017）。不仅如此，在芒果中也发现ACS与乙烯产生的氰化物以及β-CAS对芒果花序的不完全排毒能够导致芒果长出畸形花序（Ansarietal.,2019）；此外，在植物应答逆境胁迫刺激时，乙烯可以快速的响应逆境胁迫（赵宇航等，2016）。张伟玉等人探讨了水杨酸对乙烯信号转导的影响，番茄乙烯不敏感NR突变体植株在高浓度水杨酸处理时，细胞中NR基因的表达被抑制，这增强了植株的抗性（张伟玉等，2003）。许亮在黄瓜中发现乙烯不敏感基因EIN3能够在蛋白质水平上调节黄瓜性别相关基因的表达（许亮，2005）。综上所述，植物体内的乙烯不敏感基因能够响应多种逆境胁迫，不仅提高了植物抗性，还影响着植物的生长发育。以上研究对于探索乙烯参与植物生长发育的途径和作用机理进行了进一步的丰富和补充，非常值得借鉴。乙烯除了能够提高植物的抗逆能力之外，还可以促进根毛生长，并介导刺激毛细胞发育的不同信号的作用（Fengetal.,2017）。作为研究乙烯对细胞伸长的影响的理想模型，拟南芥下胚轴的生长特性被广泛使用（Yanwenetal.,2017）。研究发现，由EIN3/EIL1和RHD6/RSL1组成的复合物，可调控根毛的萌生和伸长，为利用外界环境信号和内在调节剂相结合的方式调控植物器官发育奠定了基础（Fengetal.,2017）。药理和分子证据结合拟南芥的遗传分析也发现了多壁碳纳米管（MWCNTs）能够显著刺激硝酸还原酶（NR）依赖的一氧化氮（NO）和乙烯合成，并且也能够促进根毛的形成的特点（Zhaoetal.,2020）。对植物进行组织特异性转录组分析和遗传验证，发现乙烯不敏感基因EIN3依赖乙烯响应1（TREE1）能够与EIN3相互作用，通过乙烯的转录抑制作用来抑制芽的生长（Wangetal.,2020)。在植物中，乙烯信号转导通路主要是通过拟南芥的研究来描绘的，并且由其他通路中未发现的组分组成。对模式植物拟南芥研究，发现实现乙烯受体在序列上具有相似性，并且在结构上都与细菌双组分组蛋白激酶相类似（Changetal.,1993;Huaetal.,1998;Kendricketal.,2020）。乙烯受体相结合并协同抑制下游乙烯信号的是一个属于Raf蛋白激酶家族的负调节因子CTR1蛋白（Kieberetal.,1993;Gaoetal.,2003），CTR1对EIN2的磷酸化可阻止EIN2在不存在乙烯的情况下发出信号，而抑制CTR1对乙烯的感知是EIN2的C末端裂解和核定位的信号，从而使乙烯信号可以到达下游转录因子（Zhouetal.,2006）。ERF转录因子也是参与乙烯信号转导的乙烯响应因子，可通过对乙烯响应基因进行正负调控来影响乙烯水平，从而响应外界环境的刺激（林珊珊，2019）。乙烯反应因子ERF在植物应答非生物胁迫和生长发育过程中也发挥着重要作用，能够通过与目标基因启动子中的顺式作用元件的特异性结合，从而激活或抑制下游基因的表达，进而起到调控植物响应逆境胁迫的作用（Wessler,2005），Hinz和Yang等（2010）人发现，缺氧时在乙烯不敏感的突变体或在存在乙烯生物合成抑制剂的情况下，ERF73/HRE1的诱导作用不完全消除。ERFVII也可能通过反馈调节来负调控ET信号和体内稳态（Hinz,2010）。前期对花生乙烯不敏感突变体M29中ERFs的表达量测定结果也与上述研究相一致。1.4植物乙烯不敏感基因研究进展乙烯不敏感基因最早是由Alonso在拟南芥中采用图位克隆法克隆出来的（Alonsoetal.,2003）。植物乙烯不敏感即植物体在受到乙烯处理之后，仍然可以正常生长并具有较长的下胚轴和根。拟南芥乙烯不敏感基因EIN3也能够激活ERF1和ESEs以激活下游胁迫相关基因并提高拟南芥的盐分耐受性（Kazanetal.,2015）；基于图位克隆发现水稻MHZ6乙烯响应突变体中能够编码EIN3的同源物OsEIL1，OsEIL1被破坏主要引起根部的乙烯不敏感性状，而沉默OsEIL2则会引起黄化幼苗的胚芽鞘的乙烯不敏感性状（Yangetal.,2015）。研究发现，在没有乙烯的情况下，同源受体能够通过组成性三联反应1（CTR1）来抑制EIN2的表达并阻止下游信号传导。EIN2改变转录和翻译也是导致大多数乙烯反应的重要原因。乙烯途径关键基因对于植物根毛的形成与伸长以及植物下胚轴表型的变化具有重要的意义，这也为本实验提供了一定的研究依据。除了上述功能外，乙烯在植物黄化下胚轴伸长的负调控中也起重要作用。Sun等人在拟南芥中从功能上鉴定了以前未被鉴定的微管相关蛋白WAVE-damped2-LIKE5（WDL5）的功能，发现EIN3能够促进WDL5表达，抑制黄化幼苗下胚轴组织细胞伸长（Sunetal.,2015）。基于微管结合蛋白特性，通过影响微管骨架的组织排列和动态调控了植物下胚轴细胞的伸长生长（王向锋等，2018）的研究结果，利用拟南芥乙烯不敏感突变体鉴定MDP60，发现ACC处理后，突变体中MDP60的表达水平明显提高，表明了乙烯依赖于PIF3来促进MDP60的表达（马倩倩，2016）。同时，也发现缺乏乙烯的情况下，与EIN3结合的两个TREE1结合靶点的T-DNA插入突变体中，基因HMG1（羟甲基戊二酰辅酶A还原酶1）和DRY2发生突变的植物具有相似的矮化下胚轴表型（Wangetal.,2020）。总的来说，植物体内的乙烯信号传导相关基因不仅能够改变植物微观组织细胞形态，还提高了植物的抗逆性，通过调节信号通路上其他相关基因的表达影响着植物的生长发育。综上所述，无论是乙烯受体还是信号传导途径上的下游调控转录因子等一系列成员都在不同层次和水平上参与到了植物体各个部位的生长发育过程中。而且，通过查阅资料我们也可以发现，乙烯对于植物的胚轴和根系的生长有着非常显著的作用效果，而花生中乙烯相关基因对于下胚轴和根系生长发育的影响和作用机制以及基因位于染色体上的位置还需要进一步研究和挖掘。参考文献白凤虎,李德芳,陈安国,等.基于BSA分析法的分子标记基因定位技术在农作物中的应用[J].中国麻业科学,2006,028(006):282-288.陈竹锋,严维,王娜,等.利用改进的MutMap方法克隆水稻雄性不育基因[J].遗传,2014,36(001):85-93.丁杰,秦公伟,郑利英,等.气相色谱法测定丝瓜种子萌发时内源乙烯释放速率[J].光谱实验室,2013,030(006):3032-3035.甘丹阳,李龙盘,王倩,等.温敏核不育水稻HD9802-9S育性相关基因的BSA测序初步分析[J].湖北大学学报（自然科学版）,2020,042(002):165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