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广义蕨类植物基因功能研究概述
植物学报
2024, 59 (3):
495-514.
DOI: 10.11983/CBB23090
广义蕨类植物(石松类和蕨类)是陆生维管植物第二大类群, 兼具孢子植物和维管植物的结构和生理特点, 衔接陆生植物从简单到复杂的演化过程。广义蕨类植物表现出许多不同于其它植物类群的独特生物学过程, 在研究植物基因组演化、器官发育、繁殖方式及环境适应等方面是一类关键的植物类群。现代测序技术的快速发展和应用推动了广义蕨类植物全基因组测序和组装, 为其基因功能研究提供了巨大便利。为充分认识广义蕨类植物基因功能研究的热点和难点, 该文从多角度全面总结了广义蕨类植物基因功能研究, 重点论述广义蕨类植物在器官发育、生殖过程、环境适应性和次生代谢物合成等方面的研究现状, 系统阐述其在揭示广义蕨类植物特殊生物学过程中的应用及各类基因的功能。最后, 对如何加快广义蕨类植物基因功能研究, 并利用相关研究揭示其生物学特性和开发更广泛的应用场景提出了建议。  View image in article
图3
广义蕨类植物基因功能研究概况
Ac: 铁线蕨; At: 拟南芥; Cr: 美洲水蕨; Mv: 水生蕨苹; Nt: 烟草; Os: 水稻; Pv: 蜈蚣草; Sc: 酿酒酵母。百分数表示基因类型(转录因子、非转录因子和功能基因)占所有已统计基因的百分比。
正文中引用本图/表的段落
基于已有的研究成果, Cai等(2019)提出蜈蚣草利用一种类似细菌耐砷胁迫的作用机制富集砷元素, 其中PvGAPC1负责将游离态砷酸盐转换成结合态, PvOCT4将结合态砷化物转入囊泡中, 之后结合态砷化物水解为砷酸盐, PvGSTF1催化砷酸盐还原为亚砷酸盐, 最终亚砷酸盐被富集到液泡中(Zhang et al., 2022)。目前, 蜈蚣草等蕨类植物耐砷分子机理研究集中在砷吸收、还原和转运相关结构基因(图3), 对于参与蜈蚣草耐砷调节因子(转录因子、microRNA、核酸或蛋白修饰基因、lncRNA和小肽)及作用机制有待深入探究。
次生代谢物是维管植物具备复杂结构和环境适应性的物质基础。相较于最古老的维管植物, 江南卷柏基因组中参与次生代谢物合成的基因数量显著增多, 如细胞色素P450单加氧酶(cytochrome P450, CYP450)、酰基转移酶和萜类合酶(Banks et al., 2011)。这些酶参与苯丙素类、萜类、生物碱、甾体及鞣质等次生代谢物的合成。比较代谢组学研究表明, 美洲水蕨中有许多被子植物中无或作用未知的特异性次生代谢物(Marchant et al., 2022), 这些物质的生物活性和代谢途径有待深入研究。目前, 蕨类植物次生代谢途径相关基因的研究多限于基因鉴定、克隆和序列分析等分子研究的初级阶段, 仅有少数基因通过异源遗传转化技术进行功能验证, 几乎未见同源功能验证的案例(表1">附
- 未知 ... The ‘how’ and ‘where’ of plant microRNAs 1 2017 ... miRNAs是基因转录后关键调节因子, 主要通过mRNA剪切和翻译发挥作用, 在各类植物中普遍存在(Yu et al., Comparative analysis of arsenic transport and tolerance mechanisms: evolution from prokaryote to higher plants 1 2022 ... 基于已有的研究成果, Cai等( Isolation and functional characterization of two Caffeoyl Coenzyme A 3-O-methyltransferases from the fern species Polypodiodes amoena 1 2019 ... 体外酶活实验表明, 种子植物CYP98 (cytochrome P450 monooxygenase 98)的底物种类丰富, 4-香豆酰莽草酸酯是裸子植物火炬松(Pinus taeda) PtCYP98的最优催化底物; 但是江南卷柏和蜈蚣草CYP98s对底物4-香豆酰莽草酸酯催化效率低, 更易催化4-香豆酰邻氨基苯甲酸酯; 被子植物CYP98催化底物丰富多样, 为其适应复杂多变的生存环境提供了更多保护性物质(Alber et al., Genomic insights into genetic diploidization in the homosporous fern Adiantum nelumboides 1 2022 ... Pteridophytes with whole-genome sequence published
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