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转录组学在植物应答逆境胁迫中的研究进展张纯;唐承晨;王吉永;郭龙妹;王莉莉;黎万奎【摘要】Adversity stress is one of the important factors restricting plants′ growth and development, and exploring the molecular mechanism of plants′ response to adversity stress is an important subject for a long time.With the completion of the sequencing of model plant genome, botany research has also entered the functional genomics era.As an important aspect and new field of study on functional genomics, transcriptomics benefits human beings from understanding the response mechanism of plants to environmental stresses at transcriptional level.This study introduced the application of transcriptome in a series of abiotic stress like plants′ response to drought, temperature, salt, heavy metal as well as a series of biological stress such as pathogen violations, and then evaluated the advantages and limitations of transcriptome technology in plant resistance.%逆境胁迫是制约植物正常生长发育的重要因素,探索植物应答逆境胁迫的分子机制也是人们长期探索的重要课题.随着模式植物基因组测序工作的完成,植物学的研究也进入了功能基因组时代.作为功能基因组学的一个重要方面和全新的研究领域,转录组学有助于人们从转录水平上了解植物对环境胁迫的应答机理.介绍了转录组学在植物应对干旱、温度、盐、重金属等一系列非生物胁迫和病菌侵害等生物胁迫中的应用,并对转录组学技术在研究植物抗逆性方面的优势和局限性做出评价.【期刊名称】《生物学杂志》【年(卷),期】2017(034)002【总页数】5页(P86-90)【关键词】非生物胁迫;生物胁迫;转录组;差异表达基因【作者】张纯;唐承晨;王吉永;郭龙妹;王莉莉;黎万奎【作者单位】上海中医药大学中药研究所, 上海 201203;上海中医药大学中药研究所, 上海 201203;上海中医药大学中药研究所, 上海 201203;上海中医药大学中药研究所, 上海 201203;上海中医药大学中药研究所, 上海 201203;上海中医药大学中药研究所, 上海 201203【正文语种】中文【中图分类】Q945.78植物体是一个开放体系，生长在自然环境中常常遇到一些不利于自身生长的环境因素，这些不利环境因素统称逆境。
植物抗逆性研究的现状与前景植物作为生物界的基础，承担着维持生态平衡和人类生存需求的重要任务。
然而，由于环境的变迁和人为活动的影响，植物面临着各种各样的逆境胁迫。
为了解决这一问题，植物抗逆性研究成为了当前农业和生物科学领域的热门课题。
本文将对植物抗逆性研究的现状和前景进行探讨。
一、植物抗逆性的定义和意义植物抗逆性是指植物在逆境胁迫下保持正常生长和发育的能力。
逆境胁迫包括但不限于高温、低温、干旱、盐碱、重金属污染等。
植物抗逆性的提高对于维持农作物产量、改善土壤质量、保护生态环境具有重要意义。
二、植物抗逆性研究的现状1. 生理和分子机制的研究植物抗逆性研究的第一步是了解逆境胁迫对植物生理和分子机制的影响。
通过对植物抗氧化系统、渗透调节机制、光合作用等关键生理过程的研究，可以深入了解植物在逆境下的应对策略。
此外，分子生物学和基因组学的发展使得人们能够研究逆境胁迫下植物的基因表达调控网络，识别调控抗逆性的关键基因。
2. 抗逆性的遗传改良植物抗逆性的提高既可以通过传统育种方法来实现，也可以借助基因工程技术。
选育适应特定逆境条件的杂交品种和转基因植物是当前主要的研究方向之一。
通过对植物基因组的深入了解，可精确识别和改良调控抗逆性的关键基因，进一步提高植物的逆境适应性。
三、植物抗逆性研究的前景1. 利用基因组学和遗传学技术随着基因组学和遗传学技术的不断进步，研究人员能够更加准确地研究植物抗逆性相关基因和调控网络，从而实现对抗逆性的精确改良。
这为研究植物抗逆性提供了更加广阔的空间和机会。
2. 探索新的抗逆机制和途径尽管植物的抗逆性已经被广泛研究，但我们对植物抗逆机制和途径的理解仍然不够完善。
未来的研究应该进一步探索新的抗逆机制和途径，以便更好地应对复杂多变的逆境胁迫。
3. 跨学科合作植物抗逆性研究跨越了植物学、生物化学、分子生物学、基因工程等多个学科领域。
未来的研究应该加强不同学科间的合作，利用各自的优势来推动植物抗逆性研究的发展。
植物抗逆性研究进展.植物抗逆性研究进展作为生态系统的重要组成部分,植物无时无刻不在自身所处同环境进行着物质,信息和能量的交换。
自然生态系统中与植物相关的因子多种多样,且处于动态变化之中,植物对每自然界中的一个因子都有一定的耐受限度,即阈值。
一旦环境因子的变化超越了这一阈值,就形成了逆境。
因此,在植物的生长过程中,逆境是不可避免的。
植物在长期与自然界相抗争的进化过程中,形成了相应的自我保护机制,从感受环境条件的变化到调整体内新陈代谢,直至发生有遗传性的根本改变,并且将抗性遗传给后代。
研究逆境对植物造成的伤害以及植物对此的反应,是认识植物与环境关系的一条重要途径,也为人类控制植物的生长条件提供了可能性。
以下从逆境引起的膜伤害、细胞内生化效应等方面探讨植物抗逆生理学的一些重要问题。
1逆境引起的膜伤害1.1影响膜透性及结构细胞膜作为联系植物细胞与外界的介质,它的组成、性质与细胞所处的环境息息相关,而外界环境对植物的胁迫危害,首先在膜系中有所表现。
干旱、低温、冻害、高盐碱度等几种胁迫,无论是直接危害或是间接危害,都首先引起膜通透性的改变。
至于膜上酶蛋白的变化以及脂类的组成也可随着胁迫的深化而有所改变,目前,这方面研究最深入的是低温引起膜脂相变的假说[1]。
在此之后,大量试验证明,膜脂的组分和结构与抗冷力密切相关。
构成膜脂的多种磷脂中,磷脂酰甘油(PG 起主导作用,膜脂相变温度的差异来自饱和度及相变温度较高的PG,抗冷性强的植物膜脂不饱和度高,相变温度低,其膜脂可在较低温度下保持流动性,维持生理活动功能。
另外,当植物处于高盐的环境时,植物的水通道蛋白将会产生作用。
水通道蛋白是一类特异的、高效转运水及其它小分子底物的整合膜蛋白,在植物中具有丰富的亚型。
水通道蛋白通过转录调控、门控机制、聚合调控、重新定位等多种活性调控方式影响细胞膜系统的通透性,参与调节植物的水分吸收和运输。
盐害引起渗透胁迫、离子毒害、活性氧胁迫,影响植物生长;水通道蛋白通过多种调控方式,全程参与植物的盐胁迫应答[2]。
植物逆境胁迫下的生理生化指标研究随着全球气候变化的加剧，植物面临着越来越频繁和严重的逆境胁迫。
逆境胁迫对植物的生长发育、生理代谢、生物化学等方面都会产生重大的影响。
因此，研究植物在逆境胁迫下的生理生化指标，对于了解植物适应环境变化的机制，提高植物抗逆能力，具有重要的科学意义和实际价值。
一、植物生理生化指标的选择与意义逆境胁迫下的植物生理生化指标种类繁多，常见指标包括植物的抗氧化酶活性、膜脂过氧化程度、光合作用参数、叶绿素含量、非饱和脂肪酸含量等。
这些指标可以从不同的层面反映植物对逆境胁迫的响应和适应能力。
例如，抗氧化酶活性可以反映植物对逆境胁迫产生的氧化应激的抵抗能力；膜脂过氧化程度可以反映植物细胞膜的稳定性；光合作用参数可以反映植物光能利用的效率；叶绿素含量可以反映植物叶片的光合能力；非饱和脂肪酸含量可以反映植物细胞膜的可流动性。
通过对这些指标的研究，可以揭示植物适应逆境胁迫的机制，为培育抗逆品种、改善植物逆境胁迫抵抗能力提供理论依据。
二、逆境胁迫下植物生理生化指标的变化逆境胁迫下，植物的生理生化指标往往会发生明显的变化。
以抗氧化酶活性为例，逆境胁迫会导致植物体内活性氧的积累，进而激活一系列抗氧化酶，如超氧化物歧化酶、过氧化物酶等的活性增强。
同时，膜脂过氧化程度也会随之增加，导致细胞膜的功能和稳定性下降。
此外，光合作用参数的变化也是逆境胁迫下植物生理生化指标的重要表现形式。
在强光辐射和干旱等逆境条件下，光合作用的光抑制现象明显，表现为光合速率的下降和光系统II的损伤。
这些指标的变化往往与植物对逆境胁迫的响应和适应密切相关。
三、植物逆境胁迫下生理生化指标研究的方法和技术对于植物逆境胁迫下的生理生化指标研究，需要运用一系列的方法和技术进行分析和检测。
常用的方法包括酶活性测定、色谱分析、光合作用测定、光谱分析等。
例如，通过酶活性的测定，可以分析抗氧化酶活性的变化情况；通过色谱分析，可以测定植物中非饱和脂肪酸的含量；通过光合作用测定，可以评估植物的光合能力。
植物逆境胁迫的机制与应对策略植物生长环境的不断变化对其生存和发育造成了巨大的挑战。
特别是在逆境胁迫条件下，植物必须迅速调整其生理和分子机制来应对外界的不利影响。
本文将探讨植物逆境胁迫的机制以及它们可能采取的应对策略。
一、逆境胁迫的类型和机制1. 高温胁迫高温是一种常见的逆境胁迫，它会干扰植物的生长和发育过程。
植物通过多种机制来应对高温胁迫，如热激蛋白的合成、抗氧化系统的激活以及膜脂调节。
这些机制有助于维持细胞结构的稳定性和功能的正常运作。
2. 低温胁迫低温胁迫会引起冻害和冷冻胁迫，对植物的生存和发育造成严重威胁。
植物通过产生冷耐性蛋白、调节脂肪酸合成和增强细胞膜的稳定性来适应低温环境。
此外，植物还会产生抗冻蛋白来防止细胞结构的破坏。
3. 盐碱胁迫盐碱胁迫是指植物生长环境中土壤含盐量过高或含碱量过高。
植物通过调节离子吸收和排泄、合成保护物质以及增强根系结构来适应盐碱胁迫。
这些机制有助于维持水分平衡和细胞内离子浓度的稳定。
4. 干旱胁迫干旱胁迫是指土壤中水分不足，导致植物无法正常生长和发育。
植物通过调节根系结构、合成脱水保护物质、减少蒸腾等机制来适应干旱环境。
这些机制有助于维持水分平衡和保护细胞免受脱水的损害。
二、应对逆境胁迫的策略1. 转录调控植物在逆境胁迫条件下，会调节一系列与逆境应对相关的基因的转录。
这些基因编码的产物可参与调控逆境应答的信号传导、调节激素合成和信号传递、合成保护物质等。
这种转录调控是植物对逆境胁迫做出快速应答的重要机制。
2. 激素信号传递植物通过激素信号传递来调节逆境胁迫下的生理和分子机制。
例如，脱落酸（ABA）在干旱胁迫条件下被大量合成，促进植物进入休眠状态，以降低水分需求。
其他激素如乙烯（ethylene）和赤霉素（gibberellin）也参与了逆境应答的调控过程。
3. 水分调节植物在逆境胁迫时通过调节水分平衡来应对。
根系结构的调整可以帮助植物更好地吸收土壤中的水分。
此外，植物还可以通过调节气孔大小和密度减少蒸腾损失，保持水分供应。
逆境下植物抗氧化代谢调节和信号传导机制的研究植物作为一种典型的生物体，经常面临着各种逆境的挑战，包括氧化胁迫。
面对逆境环境中积累的活性氧（ROS）的产生，植物必须通过抗氧化代谢调节和信号传导机制来维持生理平衡。
本文将介绍逆境下植物抗氧化代谢调节和信号传导机制的研究进展。
在逆境条件下，植物细胞会产生大量的ROS，这一过程是由于环境压力导致线粒体和叶绿体等细胞器功能异常，或是由于细胞色素P450等酶的活性增强而引起的。
ROS在适量范围内可以作为细胞信号分子参与调节生长发育和抵抗病原体入侵，但当ROS积累过多时，会导致细胞膜的脂质过氧化、核酸和蛋白质的氧化损伤，从而对植物的生长发育和生存产生负面影响。
为了应对ROS积累带来的潜在风险，植物进化出了一套精确而复杂的抗氧化代谢调节系统。
这个系统包括多种酶类和非酶类抗氧化物质。
酶类抗氧化酶包括超氧化物歧化酶、过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶等，它们可将ROS中的超氧阴离子、过氧化氢和自由基等转化为相对稳定的物质。
此外，还有一些非酶类抗氧化物质，如抗坏血酸（维生素C）和生物类黄酮，它们可通过直接捕获ROS，降低其浓度。
植物在逆境下通过调节抗氧化酶和非酶类抗氧化物质的产生量来应对ROS的积累。
研究发现，逆境条件下，植物会调节包括抗氧化酶基因的表达和酶活性增强等措施来增加ROS清除的能力。
例如，一些非编码RNA分子如miRNA和siRNA可通过特异性靶向调节抗氧化酶基因的表达。
此外，一些激素和信号分子如乙烯、脱落酸和水杨酸也参与了逆境下抗氧化酶基因的调控。
除了抗氧化代谢调节系统外，植物还需要通过信号传导机制来感知和传递逆境信号，以触发相应的应对反应。
逆境下的信号传导主要是通过活性氧和Ca2+等细胞内小分子信号分子的介导来实现的。
研究表明，逆境下，植物细胞内ROS的产生和Ca2+浓度的升高是前线信号分子，它们可以激活和调节一系列胁迫响应基因的表达，从而增强植物的逆境抵抗能力。
植物应答非生物胁迫的代谢组学研究进展二、植物应答非生物胁迫的代谢组学概述随着全球气候的剧烈变化，植物在生长过程中经常面临各种非生物胁迫，如干旱、盐分、低温、高温、紫外线等。
这些胁迫条件对植物的生长发育产生深远影响，严重时甚至导致植物死亡。
为了深入理解和应对这些环境压力，植物代谢组学的研究逐渐受到广泛关注。
代谢组学，作为系统生物学的重要组成部分，旨在全面研究生物体在特定生理或环境条件下所有低分子量代谢物的变化，从而揭示生物体的代谢状态和功能。
在植物应答非生物胁迫的过程中，代谢组学发挥着关键作用。
一方面，植物通过调整代谢途径，合成和积累一些特定的代谢产物，如渗透调节物质、抗氧化物质等，以维持细胞的正常功能。
例如，在盐胁迫下，植物会提高脯氨酸、谷胱甘肽等抗逆物质的含量以减缓胁迫带来的损害。
这些物质对于缓解氧化应激，维持细胞膜稳定性和保护生物大分子有着重要作用。
另一方面，植物代谢组学的研究也能帮助我们理解植物如何适应和抵抗非生物胁迫。
通过比较不同植物或品种在同一非生物胁迫下的代谢物变化，我们可以筛选出具有优良耐受性的植物或品种，为抗逆育种提供科学依据。
近年来，代谢组学技术取得了长足的发展，各种先进的分析方法如气相色谱质谱(GCMS)、液相色谱质谱(LCMS)、核磁共振(NMR)以及红外光谱(IR)等被广泛应用于植物应答非生物胁迫的研究中。
这些技术能够全局地揭示胁迫应答过程中的代谢物变化和代谢网络调控机制，为我们深入理解植物抗逆性提供了有力的工具。
植物应答非生物胁迫的代谢组学研究仍面临许多挑战。
例如，如何准确鉴定和量化植物体内的代谢物，如何解析代谢物与基因表达之间的关系，如何建立有效的代谢组学数据分析方法等。
这些问题需要我们不断探索和创新，以期在植物抗逆性研究中取得更大的突破。
植物应答非生物胁迫的代谢组学研究为我们揭示了植物在逆境中的生存策略，同时也为植物抗逆育种和农业生产提供了重要的理论依据和实践指导。
植物逆境胁迫响应机制研究植物逆境胁迫是指在环境变化或者外界压力的条件下，植物受到的生理和生化破坏。
逆境胁迫包括高温胁迫、低温胁迫、盐胁迫、干旱胁迫、氧气胁迫以及重金属胁迫等。
植物逆境胁迫对植物生长发育和产量具有负面影响，因此研究植物逆境胁迫响应机制对于提高植物的抗逆能力和产量至关重要。
激素信号传导是植物逆境胁迫响应的重要机制之一、植物中的激素包括赤霉素、脱落酸、乙烯、脱氢表雄酮和茉莉酸等，它们在植物生长发育和逆境胁迫响应中起着重要的调节作用。
逆境胁迫会促使植物产生大量的激素，这些激素可以调节植物的发育和生理反应，提高植物的抗逆性能。
转录因子是植物逆境胁迫响应的关键分子。
转录因子可以结合到特定的DNA序列上，调控基因的表达和转录。
植物在逆境胁迫下会激活一系列的转录因子，这些转录因子可以调控许多与逆境胁迫相关的基因的表达。
例如，抗逆性转录因子DREB和bZIP家族可以调控逆境相关的基因表达，提高植物对逆境胁迫的抵抗性。
膜脂组分调控是植物逆境胁迫响应的另一个重要机制。
逆境胁迫会引起膜脂组分的变化，这些变化可以调节膜的流动性和透性，提高膜的稳定性。
磷脂酸和脂质过氧化产物是逆境胁迫下膜脂组分的重要成分，它们可以增强膜的稳定性和透性，从而提高植物的逆境胁迫响应。
抗氧化系统的活化也是植物逆境胁迫响应的关键环节。
逆境胁迫会导致活性氧(ROS)的积累，进而导致植物细胞的氧化损伤。
植物通过激活抗氧化系统来消除ROS，保护细胞免受氧化损伤。
抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、过氧化物酶)和低分子量抗氧化物(如谷胱甘肽、抗坏血酸)在植物逆境胁迫响应中起着重要的作用。
与此同时，植物逆境胁迫响应还涉及到一系列其他的生理和生化反应，如蛋白质合成和降解、糖代谢和氮代谢等。
这些反应可以调节植物的能量平衡和物质代谢，从而提供足够的能量和营养物质来对抗逆境环境。
总结起来，植物逆境胁迫响应机制是一个复杂的调控网络，包括激素信号传导、转录因子调控、膜脂组分调控以及抗氧化系统的活化等。
植物逆境胁迫下的抗氧化酶活性变化研究随着全球气候变化的加剧，植物面临着越来越严重的逆境胁迫。
逆境胁迫包括干旱、高盐、高温以及重金属等环境因素对植物生长发育的不利影响。
植物在逆境胁迫下为了保护自身的生存与发展，通过一系列的适应机制来应对，其中包括调节抗氧化酶活性。
抗氧化酶是维持细胞内氧化还原平衡的重要组分，能够清除由逆境胁迫产生的活性氧自由基，减轻氧气毒性对细胞的损伤。
本文旨在探讨植物在逆境胁迫下抗氧化酶活性的变化、适应机理以及潜在应用前景。
一、逆境胁迫下抗氧化酶活性变化的研究现状近年来，越来越多的研究表明，逆境胁迫会导致植物体内抗氧化酶活性的显著变化。
例如，干旱胁迫可以显著提高植物中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化物酶（CAT）等抗氧化酶活性，以消除由干旱引起的过氧化氢等活性氧自由基的积累。
相似地，高盐胁迫也会诱导抗氧化酶活性的增加，以对抗盐分对植物细胞的氧化损伤。
二、抗氧化酶活性变化的适应性机制植物在面临逆境胁迫时，通过调控抗氧化酶活性来适应环境变化。
抗氧化酶活性的调节主要依赖于转录水平和翻译后修饰两个层面。
逆境胁迫时，激活或抑制相关基因的转录，进而影响抗氧化酶活性的表达。
此外，逆境胁迫还可以通过改变酶的翻译后修饰，如磷酸化、乙酰化等方式来调节酶的活性。
三、植物逆境胁迫下抗氧化酶活性变化的潜在应用前景抗氧化酶活性变化的研究不仅有助于深入了解植物逆境应答机制，还具有潜在的应用前景。
首先，通过调节植物中抗氧化酶的活性，可以提高植物的逆境胁迫耐受性，为农业生产提供理论基础和技术支持。
其次，抗氧化酶活性的变化与植物品质和产量相关，因此可以通过调控抗氧化酶活性来改良农作物的品质和产量。
最后，进一步研究植物逆境胁迫下抗氧化酶活性的变化，有助于寻找新的遗传资源和分子标记，用于育种改良和植物遗传改造。
综上所述，逆境胁迫下植物抗氧化酶活性的变化是植物适应逆境的重要策略之一。
通过调节抗氧化酶活性，植物能够抵抗氧化损伤，提高逆境耐受性。
