非生物胁迫下水稻锌指蛋白基因zfp207功能的初步分析
锌指蛋白在植物生长发育和胁迫应答反应调控中发挥了重要作用，是目前研究最为深入的转录因子之一。ZFP207是一个具有单锌指结构的水稻锌指蛋白，其基因表达与非生物胁迫相关。本研究以4个水稻ZFP207转基因株系为材料，在水培条件下，通过盐胁迫处理，研究了高盐胁迫下，锌指蛋白ZFP207对水稻生长过程的调控。本研究结果表明，ZFP207RNA干涉使该基因沉默后水稻植株株高增高；ZFP207过表达植株明显变矮小，水稻株型变得紧凑。正常条件下，过量表达ZFP207基因的转基因水稻发芽明显慢于野生型水稻。高盐处理限制了野生型和转基因水稻幼苗的生长，而盐胁迫条件下RNA干涉转基因幼苗的生长抑制要低于野生型水稻。推测该基因通过调控水稻生长来降低水稻在高盐胁迫下的生长消耗，从而增强水稻对盐胁迫的耐受性。
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 材料与方法3
1.1 实验地点及材料 3
1.2 实验方法 3
2 结果与分析4
2.1 主要农艺性状数据统计4
2.2 水稻叶片表皮细胞电镜扫描5
2.3 发芽试验6
2.4 高盐逆境胁迫实验6
3 讨论 7
致谢8
参考文献8
非生物胁迫下水稻锌指蛋白基因ZFP207功能的初步分析
种子科学与工程 张佳琪
引言
引言 水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一，占全世界人口热量摄入的21%[1]。随着世界人口的不断增加，人均耕地面积不断减少，粮食短缺仍是全球许多国家亟需解决的问题。因此，开展水稻遗传育种研究十分必要。高盐、干旱、高温和低温等非生物逆境是影响水稻生长发育的重要因素。在育种工作中，不仅要求培育出高产、优质的优良品种，而且还要求能培育出适应多种逆境的高抗品种。因此，提高水稻的耐逆性是水稻育种工作的重要组成部分。
生物体中遗传信息的表达是通过基因的转录调控完成的，而转录调控过程是转录因子作用的结果。转录因子能与启动子区域中的顺式作用原件特异结合，激活或抑制功能基因的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
转录[2]，从而调控多种生物功能，如抗逆、激素应答、发育和病原反应等。锌指蛋白是转录因子中研究得比较多的类型。锌指蛋白（zinc finger protein）是一类由锌指结构域组成的蛋白质[3]。锌指结构域主要由半胱氨酸（Cys）和（或）组氨酸（His）组成，通过结合锌离子形成“手指”状的四面体结构[4]。近年来，已经从拟南芥、矮牵牛、小麦和水稻等作物中分离到了多个C2H2型锌指蛋白基因，研究表明锌指蛋白可以调控基因表达、指导细胞分化、控制胚胎发育、增强植物抗逆性[5]。通常在锌指与靶分子DNA、RNA的序列特异性结合[6,7]，以及与自身或其他锌指蛋白结合时[8]，在转录和翻译水平上发挥其作用。
从蛋白质的结构分析，典型的植物转录因子一般由DNA结合区、转录调控区、寡聚化位点及核定位信号区组成，这些功能区域决定转录因子的功能[9]。锌指结构域的主要功能是调控基因的转录，是真核生物中转录因子结构的重要组成部分。这类转录因子通常与DNA序列中的TATA框的P启动子结合，所以称为TATA盒结合蛋白[10,11]。周淑芬等[12]研究发现含有和不含有GCN4元件的锌指蛋白基因可能分别在水稻的胚乳发育和胚发育中起着重要作用。锌指蛋白与DNA的结合主要是因为其锌指结合区与DNA双螺旋结构存在互补的表面结构，锌指蛋白的手指状构型与DNA呈反向平行，DNA的5’端靠近其C端，DNA的3’端靠近其N端，而且所有碱基接触都位于一条DNA双螺旋链上[13]。由于锌指DNA复合物有着不同的结合位点，并且不同复合物间的空间关系也比较复杂，因此锌指蛋白对于目的DNA的特异识别具有复杂的规律性，故锌指结构与DNA发生结合时必须同时具备下列三个条件：一是锌指蛋白的α螺旋位于大沟；二是锌指蛋白携带正电荷的区域接近磷酸骨架；三是锌指间的接头结构相对固定[10]。锌指结构域也可以识别RNA，但是关于这方面的研究比较少，主要是因为RNA分子结构复杂，内部易形成与螺旋相似的发夹圈和环。最早发现的爪蟾属转录因子TFIIIA不仅能结合DNA，也能与5SrRNA结合生成7SRNP复合物[14]。在水稻中，锌指识别RNA也有报道，如Pomeranz等研究发现拟南芥的CCCH型驯化锌指蛋白AtTF1zai在细胞质和细胞核之间穿梭，既能绑定DNA又能绑定RNA[15]。此外，锌指蛋白还能与自身或其他蛋白发生相互作用，从而可以识别更多不同的DNA或阻止锌指与DNA结合来调控基因的转录水平[10，11]。有些锌指蛋白在核糖体内合成后需要转移至细胞核中发挥作用，此过程需要与定位蛋白结合后经过一系列反应后进入细胞核，而有些锌指蛋白则与其他锌指蛋白结合形成复合体转移至细胞核。这些相互作用进一步影响锌指结合DNA的性质，对基因的转录调控起重要作用[16]。在水稻中，过表达锌指蛋白OsLSD1增加了PR1基因的表达从而提高了水稻对稻瘟病的抗性和愈伤组织的分化能力[17]。SL1基因编码了一个单一的C2H2型锌指蛋白，通过正调节SPW1/OsMADs16的表达来影响水稻花器官的形成[18]。
逆境是对植物生存或生长不利的各种环境因素的总称，又称胁迫（stress）。植物逆境可分为生物逆境（biotic stress）和非生物逆境（abiotic stress），非生物逆境包括干旱、高温、高盐、低温、涝害、辐射重金属离子污染等[19]。在环境产生的非生物逆境中，目前研究比较深入的两种影响植物生长发育及造成农作物大量减产的主要因素是干旱和高盐。盐害（salt injury）是指土壤中盐分过多对植物生长发育造成的危害。通常，土壤含盐量在0.2%0.5%时就不利于植物生长[16]。高盐对植物生长发育的影响主要表现在以下几个方面：①盐分过多使土壤溶液水势不断降低，植物吸水能力下降，导致植物生理干旱；②矿质营养平衡失调，当土壤中某一种离子过多，往往会排斥植物对其他离子的吸收，这种不平衡的离子吸收会造成营养失调，还会产生单盐毒害，导致植物细胞膜透性增加，胞内水溶性物质外渗；③植物体内氮代谢紊乱，蛋白合成速率降低，加速了贮藏蛋白质的水解，形成游离的氨基酸、胺和氨的积累，对植物产生毒害作用，抑制植物根系生长，造成植物叶片生长不良；④气孔关闭，叶绿体受损，细胞内酶活性降低甚至失活，导致光合速率下降，同化产物合成减少，植物光合作用下降；⑤低盐促进呼吸，高盐抑制呼吸，导致呼吸消耗量增多，不利于植物生长。另外，盐胁迫条件下，线粒体形态也发生改变，体积膨胀，内嵴减少，个体数量增多。线粒体与叶绿体还会相互靠拢，可能是为了保证盐胁迫下二者在物质和能量上的高效利用。
目前已有研究表明锌指蛋白广泛参与到植物生长发育各时期的胁迫应答调控中。水稻锌指蛋白基因ZFP182、ZFP245、ZFP252编码的产物都含有两个TFIIIA型锌指结构域，并且都与非生物逆境相关[20]。ZFP182基因的表达受高盐、干旱和低温的诱导，在烟草中的异源表达和在水稻中的过表达均能提高转基因植株对盐胁迫的耐受性[21]。ZFP252的过量表达增强了转基因水稻植株的耐盐性和耐旱性[22,23], 而ZFP245的表达则受低温和干旱胁迫的诱导[24]。乔梁等[25]研究发现水稻锌指蛋白基因ZFP150受高盐、冷、干旱等非生物胁迫的诱导，并且表达模式不同，说明ZFP150参与到了不同的胁迫应答途径。孙姝璟等[26]发现TFIIIA型锌指蛋白基因ZFP179转基因植株在盐胁迫下相对于野生型植株能够积累更多的渗透性保护物质，并且促进一些胁迫相关基因如OsLea3、OsProT及OsP5CS的表达。此外，在盐胁迫下，锌指蛋白基因ZFP179还能够激活抗氧化防御系统而增强对活性氧的清除能力，保护植物细胞免受过多的活性氧带来的伤害。
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摘要1
关键词1
Abstract1
Key words1
引言1
1 材料与方法3
1.1 实验地点及材料 3
1.2 实验方法 3
2 结果与分析4
2.1 主要农艺性状数据统计4
2.2 水稻叶片表皮细胞电镜扫描5
2.3 发芽试验6
2.4 高盐逆境胁迫实验6
3 讨论 7
致谢8
参考文献8
非生物胁迫下水稻锌指蛋白基因ZFP207功能的初步分析
种子科学与工程 张佳琪
引言
引言 水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一，占全世界人口热量摄入的21%[1]。随着世界人口的不断增加，人均耕地面积不断减少，粮食短缺仍是全球许多国家亟需解决的问题。因此，开展水稻遗传育种研究十分必要。高盐、干旱、高温和低温等非生物逆境是影响水稻生长发育的重要因素。在育种工作中，不仅要求培育出高产、优质的优良品种，而且还要求能培育出适应多种逆境的高抗品种。因此，提高水稻的耐逆性是水稻育种工作的重要组成部分。
生物体中遗传信息的表达是通过基因的转录调控完成的，而转录调控过程是转录因子作用的结果。转录因子能与启动子区域中的顺式作用原件特异结合，激活或抑制功能基因的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
转录[2]，从而调控多种生物功能，如抗逆、激素应答、发育和病原反应等。锌指蛋白是转录因子中研究得比较多的类型。锌指蛋白（zinc finger protein）是一类由锌指结构域组成的蛋白质[3]。锌指结构域主要由半胱氨酸（Cys）和（或）组氨酸（His）组成，通过结合锌离子形成“手指”状的四面体结构[4]。近年来，已经从拟南芥、矮牵牛、小麦和水稻等作物中分离到了多个C2H2型锌指蛋白基因，研究表明锌指蛋白可以调控基因表达、指导细胞分化、控制胚胎发育、增强植物抗逆性[5]。通常在锌指与靶分子DNA、RNA的序列特异性结合[6,7]，以及与自身或其他锌指蛋白结合时[8]，在转录和翻译水平上发挥其作用。
从蛋白质的结构分析，典型的植物转录因子一般由DNA结合区、转录调控区、寡聚化位点及核定位信号区组成，这些功能区域决定转录因子的功能[9]。锌指结构域的主要功能是调控基因的转录，是真核生物中转录因子结构的重要组成部分。这类转录因子通常与DNA序列中的TATA框的P启动子结合，所以称为TATA盒结合蛋白[10,11]。周淑芬等[12]研究发现含有和不含有GCN4元件的锌指蛋白基因可能分别在水稻的胚乳发育和胚发育中起着重要作用。锌指蛋白与DNA的结合主要是因为其锌指结合区与DNA双螺旋结构存在互补的表面结构，锌指蛋白的手指状构型与DNA呈反向平行，DNA的5’端靠近其C端，DNA的3’端靠近其N端，而且所有碱基接触都位于一条DNA双螺旋链上[13]。由于锌指DNA复合物有着不同的结合位点，并且不同复合物间的空间关系也比较复杂，因此锌指蛋白对于目的DNA的特异识别具有复杂的规律性，故锌指结构与DNA发生结合时必须同时具备下列三个条件：一是锌指蛋白的α螺旋位于大沟；二是锌指蛋白携带正电荷的区域接近磷酸骨架；三是锌指间的接头结构相对固定[10]。锌指结构域也可以识别RNA，但是关于这方面的研究比较少，主要是因为RNA分子结构复杂，内部易形成与螺旋相似的发夹圈和环。最早发现的爪蟾属转录因子TFIIIA不仅能结合DNA，也能与5SrRNA结合生成7SRNP复合物[14]。在水稻中，锌指识别RNA也有报道，如Pomeranz等研究发现拟南芥的CCCH型驯化锌指蛋白AtTF1zai在细胞质和细胞核之间穿梭，既能绑定DNA又能绑定RNA[15]。此外，锌指蛋白还能与自身或其他蛋白发生相互作用，从而可以识别更多不同的DNA或阻止锌指与DNA结合来调控基因的转录水平[10，11]。有些锌指蛋白在核糖体内合成后需要转移至细胞核中发挥作用，此过程需要与定位蛋白结合后经过一系列反应后进入细胞核，而有些锌指蛋白则与其他锌指蛋白结合形成复合体转移至细胞核。这些相互作用进一步影响锌指结合DNA的性质，对基因的转录调控起重要作用[16]。在水稻中，过表达锌指蛋白OsLSD1增加了PR1基因的表达从而提高了水稻对稻瘟病的抗性和愈伤组织的分化能力[17]。SL1基因编码了一个单一的C2H2型锌指蛋白，通过正调节SPW1/OsMADs16的表达来影响水稻花器官的形成[18]。
逆境是对植物生存或生长不利的各种环境因素的总称，又称胁迫（stress）。植物逆境可分为生物逆境（biotic stress）和非生物逆境（abiotic stress），非生物逆境包括干旱、高温、高盐、低温、涝害、辐射重金属离子污染等[19]。在环境产生的非生物逆境中，目前研究比较深入的两种影响植物生长发育及造成农作物大量减产的主要因素是干旱和高盐。盐害（salt injury）是指土壤中盐分过多对植物生长发育造成的危害。通常，土壤含盐量在0.2%0.5%时就不利于植物生长[16]。高盐对植物生长发育的影响主要表现在以下几个方面：①盐分过多使土壤溶液水势不断降低，植物吸水能力下降，导致植物生理干旱；②矿质营养平衡失调，当土壤中某一种离子过多，往往会排斥植物对其他离子的吸收，这种不平衡的离子吸收会造成营养失调，还会产生单盐毒害，导致植物细胞膜透性增加，胞内水溶性物质外渗；③植物体内氮代谢紊乱，蛋白合成速率降低，加速了贮藏蛋白质的水解，形成游离的氨基酸、胺和氨的积累，对植物产生毒害作用，抑制植物根系生长，造成植物叶片生长不良；④气孔关闭，叶绿体受损，细胞内酶活性降低甚至失活，导致光合速率下降，同化产物合成减少，植物光合作用下降；⑤低盐促进呼吸，高盐抑制呼吸，导致呼吸消耗量增多，不利于植物生长。另外，盐胁迫条件下，线粒体形态也发生改变，体积膨胀，内嵴减少，个体数量增多。线粒体与叶绿体还会相互靠拢，可能是为了保证盐胁迫下二者在物质和能量上的高效利用。
目前已有研究表明锌指蛋白广泛参与到植物生长发育各时期的胁迫应答调控中。水稻锌指蛋白基因ZFP182、ZFP245、ZFP252编码的产物都含有两个TFIIIA型锌指结构域，并且都与非生物逆境相关[20]。ZFP182基因的表达受高盐、干旱和低温的诱导，在烟草中的异源表达和在水稻中的过表达均能提高转基因植株对盐胁迫的耐受性[21]。ZFP252的过量表达增强了转基因水稻植株的耐盐性和耐旱性[22,23], 而ZFP245的表达则受低温和干旱胁迫的诱导[24]。乔梁等[25]研究发现水稻锌指蛋白基因ZFP150受高盐、冷、干旱等非生物胁迫的诱导，并且表达模式不同，说明ZFP150参与到了不同的胁迫应答途径。孙姝璟等[26]发现TFIIIA型锌指蛋白基因ZFP179转基因植株在盐胁迫下相对于野生型植株能够积累更多的渗透性保护物质，并且促进一些胁迫相关基因如OsLea3、OsProT及OsP5CS的表达。此外，在盐胁迫下，锌指蛋白基因ZFP179还能够激活抗氧化防御系统而增强对活性氧的清除能力，保护植物细胞免受过多的活性氧带来的伤害。
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