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2008年中国植物科学若干领域重要研究进展
植物学报 Chinese Bulletin of Botany ): 379?409, w w w .chinbullbotany.comdoi: 10.3969/j.issn.09.04.001.主编评述 .2008 年中国植物科学若干领域重要研究进展摘要 在国家各类重大研究计划的持续支持和推动下, 200 8年中国植物科学研究继续快速发展, 中国科学家在植物科学各领 域中取得了大量的原创性研究成果, 尤其是在水稻株型功能基因组、水稻开花控制和种子发育、生殖隔离机制以及转基因生 态安全研究等方面取得了一系列重大进展, 受到了国内外的广泛关注。该文对2008年中国本土科学家在植物生命科学若干领 域取得的重要研究进展进行概括性评述, 旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件, 并展现我国科学 家所取得的杰出成就。关键词 中国, 植物科学, 研究进展, 2008杨 维 才 , 瞿 礼 嘉 , 袁 明 , 王 小 菁 , 王 台 , 孔 宏 智 , 许 亦 农 , 蒋 高 明 , 种 康 ( 2009) . 2008 年 中 国 植 物 科 学 若 干 领 域 重 要 研 究 进 展 . 植物学报 44, 379?409.2008 年在植物科学领域中值得一提的大事是我 国 启 动 了 国 家 中 长 期 发 展 计 划 “转 基 因 生 物 新 品 种 培育 ” 重大专项, 该计划将推动我国农业和植物科学 实现可持续发展 。而 这 实 际 上 也 是 改 革 开 放 30 年来 国家各类重大研究计划(973 计划、863 计划和 NS FC 等)不断支持和积累的必然结果。 别 值 得 一 提 的 是, 特 自 1998 年我国开始实施 “转基因植物研究与产业化 ” 计划、中 国 科 学 院 国 家 知 识 创 新 工 程 计 划 以 及 高 校 “ 985”国家教育振兴计划等国家重大计划以来, 经过 10年的积累和系统研究, 重大科研成果不断涌现, 已 是水到渠成, 呈 现 出 飞 速 发 展 的 新 态 势。 有 国 际 影 具 响力的重大科研成果从往年的零星出现进入到高速 稳定产出阶段。 水 稻 株 型 功 能 基 因 组 研 究 方 面, 继 在 2003 年李家洋研究组和钱前合作在 Nature上发表了 关 于 控 制 水 稻 分 蘖 数 目 的 MOC1 基因的开创性工作 以来(Li et al. , 2003), 不同研究组又陆续克隆了控制 水 稻 分 蘖 角 度 和 叶 片 夹 角 的 基 因 LA ZY 1(Li et al. , 2007)、TAC1(Yu et al. , 2007)和 LIC(Wang et al. , 2008b)等。2008 年林鸿宣和孙传清研究组分别克隆 了控制水稻匍匐生长并与人工驯化直接相关的数量 性状基因 PROG1, 这标志着水稻分蘖分子机制的研 究获得了突破, 他们的研究成果发表在同一期Nat ure Genet ic s 杂志上(W ang and Li, 2008a)。在开花控制 和 种 子 发 育 研 究 方 面, 张启发研究组继 2006 年报道了 控 制 水 稻 种 子 长 宽 的 基 因 G S 3 后( Fa n et a l. , 2006), 又发现并成功克隆了一个同时控制水稻株高、 抽穗期和每穗粒数的基因 Ghd7(Xue et al., 2008)以 及控制开花的基因 RID1(W u et al., 2008a)。 此外, 继 林鸿宣研究组成功克隆了控制水稻粒重的数量性状 基因 GW 2 之后(S ong et al. , 2007), 何祖华研究组又 克隆了一个编码细胞壁蔗糖酶的水稻种子灌浆相关 基因 GIF1(W ang et al., 2008a)。在生殖隔离机制方 面, 张启发和刘耀光研究组经过多年的研究取得重大 突破, 分 别 克 隆 了 水 稻 广 亲 和 基 因 S 5(Chen et al. , 2008 b)和 水 稻 雄 性 杂 种 不 育 基 因 S a(Lo ng e t al . , 2008)。 以上成果标志着我国在水稻研究方面取得了 重要进展, 在国际同行中处于领先的地位。 在转基因 生态安全研究方面, 毫无疑问转基因棉花是我国目前 规模最大的转基因产业化作物, 尽管转基因棉花备受 农民的喜爱, 但 不 少 公 众 对 其 安 全 性 略 存 疑 虑。 吴孔 明研究组对我国 Bt 抗虫转基因棉花田中棉铃虫种群 发生动态进行了连续 10 年的系统监测, 2008 年 9 月 Sc ienc e 作 为 封 面 文 章 报 道 了 他 们 的 研 究 成 果, 该研 究证明 B t 抗虫棉作为棉铃虫的一个致死性诱集植 物, 可 以 减 轻 其 它 作 物 上 棉 铃 虫 的 危 害, 降低化学农 药的使用量, 这为棉铃虫的区域性可持续控制提供了 理论依据(Wu et al. , 2008c)。这 一 成 果 不 仅 为 转 基 因作物生态安全提供了依据, 也为公众提供了以科学380植物学报44(4)2009的 思 维 认 识 转 基 因 作 物 的 例 证 。戚益军研究组揭示 了 RNA i 效应复合体核心 Argonaut e 结构域的进化参 与 功 能 特 化 的 重 大 意 义(Mi et al. , 2008)。这些例子 说明我国科学家的重大科研成果足以引起国际植物 科学及其相关领域同行们的关注, 并在科学界和公众 中产生重要影响。 据不完全统计, 2008年中国本土植物生命科学领 域的科学家在植物科学及其相关学科主流学术刊物 上共发表论文 110篇, 总量与 2007年基本持平, 但是 在最具影响力的期刊如 Sc ienc e、Nature Genet ic s、 Cell、PNA S、 PLoS 系列、 Current Biology、 The P lant Cell 和 Molecular Cell Prot eomic s、Development 等 上发表文章 38 篇, 较之 2007 年的 30 篇又有大幅度 增长, 特 别 是 在 Cell、S cience、Nat ure Genet ics 、 PNA S、PLoS 系列综合性学术期刊上发表的论文数 (18 篇)和 影 响 力 均 有 明 显 的 增 加 和 提 高 。以上数据 说明我国科学家在越来越多的研究领域已经跻身于 国际一流水平。 除了上述原创性研究成果之外, 2008年国际植物 科 学 权 威 综 述 性 杂 志 Annual Reviews of Plant B iology还发表了我国两位科学家的综述文章, 分别是李 家洋院士的 “植 物 株 型 的 分 子 基 础 ” ang and Li, (W 2008b)和薛勇彪研究员的 “蛋 白 水 解 在 植 物 自 交 不 亲和中的角色 ” (Zhang et al., 2009b)。 他们分别结合 多年来在各自研究领域积累的及最新的研究成果, 对 植物株型分子调控机理和蛋白水解途径在植物自交 不 亲 和 性 信 号 应 答 途 径 中 的 作 用 作 了 详 尽 的 综 述。 在这种权威杂志上发表评述文章, 表示了国际学术界 对他们各自研究工作成绩的充分肯定 。 自从 2006 年本刊推出 “主编评述 ―中国植物科 学若干领域重要研究进展 ” 栏目以来, 迄今为止已连 续刊出了 4 年。 目 推 出 后, 受到了读者的重视和关 栏 注。作为文章的撰写者, 我们在连续的写作过程中, 越 来 越 深 切 地 感 受 到 文 章 的 撰 写 难 度 在 逐 年 加 大。 主要体现在每年发表论文数目的迅速增加和所涉及 研究领域范围的不断扩大, 这也正反映了我国植物科 学领域科研水平快速提升的发展轨迹。本文针对2008年中国本土植物生命科学领域的科学家在上述 主 流 刊 物 上 发 表 的 成 果 作 一 概 括 性 介 绍。由 于 篇 幅 有限和统计上的困难, 这些介绍肯定难以代表我国植 物科研所取得的全部成果, 但反映了我国植物科学研 究 成 果 的 一 个 重 要 侧 面。我们希望此文能够帮助广 大读者全面追踪当前中国植物科学领域的大事件和 大进展, 并以此展现我国科学家所取得的杰出成就。11.1植物发育 、代谢与生殖的遗传调控植物发育遗传调控拟南芥(Arab idops is thaliana)茎顶端分生组织(shoot apic al meris tem, S AM)干细胞的命运受 WUSCHE L (WUS)和 CLAVATA 调控。 京 大 学 生 命 科 学 学 院 朱 北 玉贤研究组发现一个新的调节因子 BA RD1(B RCA 1as soc iat ed RING domain 1)可以有效调控 WUS 基因 的表达, 其完全敲除突变体 bard1-3 茎端分生组织大 量细胞快速增生, 没 有 正 常 的 组 织 分 化, 只形成很多 管状突起 。进 一 步 的 检 测 发 现, 突变体中 WUS 基因 的表达变化最为剧烈, 同时, 其表达的区域也从组织 中心(OC)转 移 到 外 面 的 皮 层 和 表 皮 细 胞 。凝 胶 阻 滞 实验发现, 野生型拟南芥的核提取物可以与 WUS 上 游 启 动 子 区(F4) DNA 形成 DNA - 蛋 白 复 合 物, 而在 bard1-3中则无法形成, 这种DNA -蛋白复合物可以被 特异性识别 BA RD1 蛋白的抗体识别 。 遗传学分析表 明, wus-1bard1-3 双突变体的表型和 wus-1 的表型比 较相似, 而 bard1-3 茎端分生组织的表型则在双突变 体 中 被 抑 制。过 量 表 达 的 CaMV35S:: BARD1 转基因 拟南芥中 W US 的基因转录水平下降到野生型的 25%, 并产生与 wus-1突 变 体 类 似 的 表 型。用 BARD1 全长(714个氨基酸)(BA RD1;bard1-3)或者用 C末端的 464 个 氨 基 酸 部 分(B A RD1: C- bard1-3)都能恢复 b ard1-3 的表型 。这些结果表明 DNA 修复相关基因 BA RD1 可能通过限制 W US 在组织中心的特异表达 进而调节茎尖分生组织的功能, 并且这种调节功能主 要由蛋白的 C 末端部分完成(Han et al., 2008a)。 器官边界的形成对多细胞真核生物的发育至关杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展381重要。在高等植物中, 相对于器官原基, 边 界 组 织 的 细胞增殖速度通常很小, 使得器官原基与其周围组织 发 生 分 离。边 界 组 织 的 这 种 细 胞 学 特 性 是 由 边 界 特 化基因的活动造成的, 如果这些基因在器官原基中异 位表达, 器官的生长将被抑制。 已知在叶片发育过程 中, 分生组织基因的表达抑制和叶片近 -远 轴 极 性 的 建立需要 A S 1(A S Y MME TRI C LE A V E S 1)和 A S 2 (AS YMME TRIC LE AV ES 2)的调节, 而这 2 个转录因 子在花发育中的作用并不清楚; JAG 编码 C2H2转录 因子, 促 进 侧 生 器 官 的 形 态 建 成。 国 科 学 院 上 海 植 中 物生理生态研究所黄海研究组与国内外研究者合作, 对 此 发 育 过 程 的 具 体 调 控 机 理 进 行 了 研 究 。他们构 建了 as 1 / as 2 与 jag 的双突变体, 观察发现 as 1 jag 与 as 2 jag功能缺失双突变体的花萼与花瓣都变得非 常小。细胞分裂标记基因 HI STONE 4 的表达结果显 示, 双突变体的花萼原基细胞分裂受阻。此外, 边界 特异化基因 PTL、CUC1 和 CUC2 在双突变体的花萼 和花瓣原基中都发生了不正常的异位以及过量表达。 而在 as 1 jag 的背景下, pt l 和 cuc1 cuc 2 功 能 缺 失 突 变 体 的 花 萼 与 花 瓣 的 表 型 均 得 到 了 部 分 恢 复 。研究 表明, AS 1、AS 2和 JA G通过抑制原基中边界特化基 因的表达, 使花萼和花瓣器官原基与其边界组织得到 界定(Xu et al., 2008a)。以上研究进一步丰富了人们 对器官发生这一重要发育进程的认识 。 此外, 该研究 组还在叶片形态建成和功能研究方面取得重要进展, 他们的研究结果显示特异的核糖体亚基所介导的翻 译调控在叶片近 - 远轴极性的建立中发挥着必要的 作用(Y ao et al., 2008)。 花 及 花 器 官 形 态 发 生 , 尤 其 是 花 对 称 性 的 建 立, 是 植 物 发 育 进 化 中 一 个 很 有 趣 的 问 题 。上海生命科 学 研 究 院 罗 达 研 究 组 以 豆 科 植 物 百 脉 根( L o t u s japonicus)为模式研究花和花器官对称性的遗传调控 机制。该 实 验 室 的 王 峥 等 最 近 通 过 比 较 基 因 组 学 方 法 克 隆 了 调 控 豌 豆(P is um s at ivum)花对称性的基因 K E E L E D W I N GS (K )和 L OB E D S T A N DA RD 1 (LST1)。 K和LST1都是控制花对称性的关键基因TCP 转录因子家族的成员, 这2个基因的单突变都造成花瓣形态发生变化, 两 侧 花 瓣 变 得 形 似 腹 部 花 瓣 , k 和 lst 1 双 突 变 使 得 花 瓣 形 态 完 全 腹 部 化, 同 时 还 发 现 1 个新突变体 symmetric pet als 1 也 导 致 两 侧 和 腹 部 花 瓣 变 得 对 称。通 过 对 以 上 4个突变体的遗传分析, 该 研 究 组 提 出 了 豌 豆 花 对 称 性 的 遗 传 调 控 模 型 (Wang et al., 2008h)。 正常叶绿体的形成对高等植物的生长发育至关 重要, 揭示叶绿体的发育机制具有重要意义 。 中国科 学院植物研究所张立新研究组获得了一个绿色延迟 的拟南芥突变体(dg1)。 其表型为幼叶几乎没有绿色, 随着叶片的生长, 叶片逐渐变绿。 DG1编码一个叶绿 体蛋白, 其表达既依赖光, 也 依 赖 于 发 育 状 况。进一 步的研究发现, DG1可能参与了叶绿体早期发育过程 中质体基因编码的 RNA 聚合酶依赖的基因表达的调 控(Chi et al. , 2008)。 基因的表达调控一直是遗传发育研究的热点, 了 解表观遗传修饰的分子机理是加深对基因调控认识 的关键。近年来, 有 大 量 研 究 阐 明 了 不 同 DNA 甲基 化以及组蛋白不同位点不同程度的甲基化对于转录 活 性 的 影 响。水稻(Oryza s ativa)作为一种重要的模 式生物, 其基因组特点之一是具有大量的近着丝粒异 染色质 。以 往 的 研 究 观 察 到 水 稻 异 染 色 质 区 具 有 大 范 围 转 录 抑 制 的 现 象, 但 其 分 子 机 理 尚 不 清 楚 。北 大 - 耶鲁联合研究中心邓兴旺研究组与李松岗研究 组合作利用高覆盖率的tiling-pat h芯片技术深入分析 了水稻第 IV 和第 X号染色体的 DNA 甲基化以及组蛋 白 H 3 K 4 双 甲 基 化 和 三 甲 基 化 的 模 式 。通 过 和 Affymetrix 水稻植株表达芯片进行比较, 表明 DNA 的 甲基化(而不是 H3K 4 的甲基化)与 基 因 的 转 录 抑 制 相 关, 而 H3K 4三 甲 基 化 和 二 甲 基 化 的 比 例 与 基 因 转 录 活性呈正相关 。水 稻 细 胞 培 养 系 和 分 生 组 织 细 胞 的 甲基化芯片数据比较结果表明水稻具有组织特异性 的 表 观 遗 传 修 饰。这项工作提供的数据不仅揭示了 水稻的染色体修饰方式, 对于其它同样具有大规模异 染色质区域的农作物基因组研究也有很大的借鉴意 义(Li et al., 2008e)。 中国科学院遗传与发育生物学研究所的曹晓风382植物学报44(4)2009研究组发现拟南芥开花时间受到组蛋白修饰的调控。 他们发现在拟南芥基因组中有 2 个与 C A R M1 / P R M T 4 同 源 的 基 因, 分 别 是 A t P R M T 4 a 和 A t P R MT 4 b 。 体 外 实 验 数 据 证 明 A t P R M T4 a 和 At PRMT4b 均可以对组蛋白 H3 的第 2、17 和 26 位的 精 氨 酸 以 及 髓 鞘 碱 性 蛋 白 进 行 不 对 称 的 二 甲 基 化。 同时也证明这 2 个基因的产物可以形成同源或者异 源二聚体。 基 因 的 双 突 变 体 可 造 成 植 物 晚 花 的 表 2个 型, 而任意一个基因的单独突变都不会造成类似的表 型, 表明这 2 个 基 因 存 在 功 能 上 的 冗 余。 一 步 的 表 进 型观察发现, At PRMT4a 和 At PRMT4b 的双突变体与 自主途径的晚花突变体的表型类似, 并得到了分子生 物学实验数据的支持。 们 还 发 现, 双突变体体内的 他 组蛋白 H3 的第 17 位精氨酸发生不对称二甲基化的 水 平 大 大 降 低。因此, 研 究 人 员 认 为 A tP RMT4a 和 A t P RMT 4b 是 通 过 对 组 蛋 白 的 修 饰 而 影 响 依 赖 于 FLC 基 因 的 途 径, 最 终 控 制 开 花 时 间 的 (Niu et al. , 2008)。 这项工作揭示了一条新的在表观遗传学水平 上对开花时间进行调控的可能途径。 北京生命科学研究所马力耕研究组分析了拟南 芥 HUB1 和 HUB 2(hist one monoubiquitinat ion)以及 UBC1、UBC2 和 UB C3(ubiquitin c arrier prot ein)的功 能, 证明 HUB 1、HUB 2、UBC1 和 UBC2 可 调 节 组 蛋 白 的 单 泛 素 化 修 饰(H 2B m on o u bi q ui t i na t i on ― H2Bub1), 该机制与 FLOW ERING LOCUS C 基因的 表达和开花调控有关(Cao et al. , 2008)。 中 农 业 大 华 学生命科学技术学院周道绣研究组对水稻JMJC结构 域蛋白基因 JMJ706的 功 能 进 行 了 研 究。 外 实 验 证 体 明, JMJ706 蛋白可特异性逆转 H3K 9 的双甲基和三 甲 基 化 修 饰。 该基因的敲除突变会导致 H3K 9的双甲 基和三甲基化修饰增加以及花器官发育异常(Sun and Zhou, 2008)。 项 工 作 从 表 观 遗 传 学 的 新 角 度, 为进 该 一步全面揭示水稻花发育调控分子机理提供了一个 全新的思路。 中国科学院植物研究所种康研究组的前期研究 工作表明, 水稻新型小 G蛋白 Os RAA 1(root architecture associated 1)通过响应生长素信号调控不定根形成 和 根 系 的 生 长 发 育 。他 们 的 最 新 研 究 结 果 显 示, Os RAA 1 作为 AP C 蛋白降解酶底物通过调节有丝分 裂中期到后期的过渡控制根的发育, 其功能由 ubiquit in/ proteosomes 途径调控(Han et al. , 2008b), 这是植物细胞周期新的调节蛋白。该研究组还发现, CCCH 型锌指蛋白 OsLIC1 是 一 个 转 录 因 子, 同时又 具有 RNA 结合活性 。该蛋白编码基因的表达受油菜 素内酯调控, 其通过油菜素内酯信号通路及其体内合 成 特 异 性 调 控 水 稻 叶 夹 角 大 小 、株高以及分蘖角度 和穗粒数等株型特性, 在水稻株型育种中具有重要的 意义(W ang et al. , 2008b)。 植物细胞壁在植物细胞的生长调控方面有重要 的作用 。植 物 细 胞 生 长 过 程 中 细 胞 壁 的 松 弛 需 要 扩 张蛋白(expansin)的参与。 但是成熟细胞的细胞壁通 常 失 去 扩 张 能 力 并 且 对 扩 张 蛋 白 不 再 起 反 应 。这一 现 象 通 常 被 认 为 是 由 于 细 胞 壁 中 半 纤 维 素 、果胶或 者 酚 基 等 交 联 的 结 果。南 京 师 范 大 学 生 命 科 学 学 院 袁生研究组通过筛选多种水解酶发现, 用从日本曲霉 (As pergillus japonicus)中分离到的果胶水解酶pec tin ly ase (P el1)预 先 处 理 已 经 不 再 生 长 的、热 失 活 的 黄 瓜(Cucumis sat ivus)下胚轴的基部片段, 能 够 恢 复 外 源 扩 张 蛋 白 所 诱 导 的 成 熟 细 胞 壁 的 扩 张。重 组 果 胶 酯水解酶 pectate lyas e A (PelA)(作用于具同型半乳 糖 醛 酸 的 果 胶 的 非 甲 酯 化 区 域)和 多 聚 半 乳 糖 醛 酸 酶 (polygalacturonas e, PG)(水解果胶的多聚半乳糖醛酸 酯链上的 α-1, 4 糖苷键)也表现出同样的效应。同时, Pel1、PelA 和 P G 也同样能够促进黄瓜下胚轴的顶 部片段(仍然在伸长过程中)的扩张蛋白所诱导的扩张 恢复。 但是对于顶部片段引起这一效应的PelA 和PG 浓 度 要 高 于 基 部 片 段 , 而 Pel1 则相反 。这一观察结 果是与顶部片段细胞壁比基部片段细胞壁含有更多 的甲酯化果胶的情况相一致的 。 同时, 基部片段细胞 壁比顶部片段细胞壁含有更多的钙。用钙螯合剂 EGTA预处理成熟细胞以去除细胞壁中的钙, 则同样 能 够 恢 复 成 熟 细 胞 壁 对 扩 张 蛋 白 的 敏 感 性 。根据这 些实验结果以及所用酶的特异性, 可以推测钙 - 果胶 连接键是决定黄瓜下胚轴成熟细胞壁对扩张蛋白不杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展383敏 感 的 关 键 因 子(Zhao et al. , 2008)。该 研 究 为 探 讨 植物细胞壁中扩张蛋白和果胶酶在细胞伸长调控中 的作用机制提供了新的实验证据。究 组 研 究 了 拟 南 芥 LE C1 基因( LE A F Y C OT Y L E DON 1)在 脂 肪 酸 生 物 合 成 中 的 作 用, 发 现 过 量 表 达 LEC1 可 以 显 著 增 强 脂 肪 酸 生 物 合 成 途 径 关 键 基 因 的 表 达, 进 而 增 加 脂 肪 酸 与 脂 类 的 水 平(Mu et al. , 2008)。 金 属 硫 蛋 白(metallot hionein, MT)是一类富含半 胱氨酸的蛋白, 具有结合金属离子的能力, 参与调控 细 胞 内 金 属 的 代 谢 平 衡 和 解 毒 。武汉大学赵洁研究 组 的 袁 静 等 通 过 对 水 稻 Os MT2b 基因的研究, 发现 金属硫蛋白可能参与调控植物体内细胞分裂素的代 谢。Os MT2b 过表达使水稻细胞分裂增加, 不定根和 次生根增多, 但 生 长 素 iP A 浓度下降; Os MT2b 表达 下 调 则 产 生 相 反 的 反 应。Os MT2b 本身的表达也受 细胞分裂素的抑制(Y uan et al., 2008a)。 上述结果表 明Os MT2b参 与 了 植 物 体 内 细 胞 分 裂 素 的 调 控, 但其 具体机理还不清楚 。 在许多植物中, 类胡萝卜素作为抗氧化剂和必需 维生素的前体物质贮存于果实中, 为人类提供营养。 番茄 hp1 和 hp2 突变体表现出光响应增强 、果实类 胡 萝 卜 素 和 花 色 素 苷 含 量 增 加 的 表 型, HP1 和 HP 2 基因分别编码拟南芥 DDB 1 和 DET1 的 同 源 蛋 白。在 拟南芥中, 这 两 者 都 是 基 于 CUL4 的 E 3 连 接 酶 复 合 体 的 主 要 组 分 。四 川 大 学 刘 永 胜 研 究 组 以 番 茄 (Lycopersicon es culentum)果实为材料, 克 隆 并 鉴 定 了番茄 CUL4基因。 酵母双杂交实验表明, 番茄CUL4 与 DDB1 和 DE T1 可 能 形 成 CUL4-DDB 1-DE T1 复合 体。CUL4 和 DDB 1 同时定位于质体与细胞核中。运 用 果 实 特 异 启 动 子 结 合 RNA i 技 术 的 转 基 因 实 验 证 明, DDB 1 表 达 下 调 使 质 体 数 量 显 著 增 多, 同时色素 积累相应增加。 CUL4组成型表达下调则导致在发育 和色素积累等方面的多效表型(W ang et al., 2008e)。1.2植物代谢遗传调控植物花器官通过气味分子吸引授粉者完成繁衍后代 的 有 性 生 殖 过 程。兰科是单子叶植物中最大的科之 一, 气味分子在兰花演化上扮演着重要角色, 但是人 们对兰花香味分子的合成与释放仍然了解很少。 Hs iao 等(2008)对大叶蝴蝶兰(P halaenopsis b ellina) 香味合成途径中的关键酶基因进行功能分析, 揭示了 其发挥的作用及调控机制 。单萜是大叶蝴蝶兰 香 味 的主要成分, 香叶基二磷酸(GDP)是单萜合成的前体。 他们克隆了大叶蝴蝶兰 GDP 合酶(GDPS )基因, 发现 GDPS 基 因 的 表 达 水 平 与 大 叶 蝴 蝶 兰 是 否 具 有 香 味 以 及 香 味 的 强 度 呈 显 著 相 关 。他 们 还 对 不 同 GDP S 的 进 化 关 系 和 相 互 作 用 进 行 了 研 究。该研究成果不 仅增进了人们对蝴蝶兰香味合成途径的了解, 也对香 味蝴蝶兰分子育种具有指导意义。 中国农业大学徐明良研究组的陈赛华等克隆了调 控稻米香味的基因 B ADH2, 它编码甜菜碱醛脱 氢 酶 (B ADH2), 该酶抑制稻米中主要的有效香味成分―― 2- 乙酰基吡咯啉(2AP )的合成。实验证明, BA DH2在 除了根以外的所有组织中转录, 并在健康叶片和幼叶 中的表达更丰富 。以 CaMV 35S 启动子驱动不同长 度的 BA DH2片段转化水稻后, 在全长 BA DH2的超表 达植株中, 2AP 水 平 明 显 降 低, 而短片段 B ADH2 的 超表达植株中 2A P水平并未下降。 此 相 一 致, 完整 与 的全长BADH2蛋白专一地在不具香味的水稻品种和 转基因株系中表达, 说明 BA DH2编码的 BA DH2蛋白 通 过 抑 制 2 A P 的 生 物 合 成 而 使 水 稻 不 具 香 味。 BA DH2 广泛分布于细胞质中, 催化 4- 氨基丁醛(A Bald)和 3- 氨 基 丙 醛 的 氧 化, 而 B ADH2 无效等位基因 的 存 在 导 致 了 A B -a ld 的 积 累, 并 促 进 2A P 的合成 (Chen et al., 2008f)。该研究支持 B ADH2 通过消耗 2A P 前体物质 AB -ald 而抑制 2AP 合成的假说。 中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研1.31. 3. 1植物生殖遗传调控植物生殖隔离机理研究取得重大突破生殖隔离或生殖障碍是生物界普遍存在的自然现象, 是保持物种特性的遗传机制。 同时, 种群间生殖隔离 的存在, 阻 碍 了 杂 种 优 势 在 农 业 生 产 上 的 利 用, 因此384植物学报44(4)2009研究生殖隔离的遗传调控机理具有重要的理论意义 和应用价值。华 中 农 业 大 学 张 启 发 研 究 组 和 华 南 农 业大学刘耀光研究组经过多年的研究, 在此方面取得 了重要突破。张 启 发 研 究 组 的 陈 炯 炯 等 克 隆 了 水 稻 广亲和基因 S5 (Chen et al. , 2008b), S 5 编 码 一 个 天 冬氨酸蛋白酶, 主要在胚珠的珠心细胞中表达 。 尽管 S5 调 控 胚 囊 育 性 的 机 理 还 不 清 楚, 但该基因的克隆 为研究水稻杂种不育奠定了基础(李家洋, 2009)。在 雄性杂种不育机理的研究方面, 刘耀光研究组的龙云 铭等克隆了水稻雄性杂种不育基因 Sa。Sa 位点由 2 个紧邻的基因 SaM 和 SaF 组成, 前者编码一个类似 SUMO E 3 连接酶的因子, 而后者编码一个 F-box 蛋 白, 二者都与蛋白降解有关。 根据其遗传特性和花粉 不育表型, 龙云铭等首次提出了 “两基因 - 三元件互 作模型 ”(Long et al. , 2008)。有趣的是, S5 和 Sa 基 因 都 是 通 过 调 控 蛋 白 质 降 解 来 实 现 对 雌、雄 育 性 的 控制, 其 作 用 机 理 值 得 深 入 研 究。 些 研 究 成 果 是 我 这 国科学家继克隆水稻细胞质雄性不育基因之后, 又取 得的两项重大成果, 详细评述见李家洋(2009)。白具有一个典型的 C2H2 锌指结构域, 属于 IDD 转录 因子家族, 它 可 能 直 接 与 HD1 启动子相结合并调控 其表达。与玉米(Zea mays)的 ID 基因一样, RI D1 只 在幼叶的表皮细胞中表达, 可能通过调控叶中可移动 的 成 花 素 基 因 HD3 的表达, 参 与 水 稻 对 光 周 期 的 反 应。 时 该 研 究 组 的 薛 为 亚 和 邢 永 忠 等 发 现GHD7不 同 仅 控 制 水 稻 的 抽 穗 期, 还 参 与 调 控 穗 粒 数 和 植 株 高 度, 与 水 稻 的 适 应 性 有 密 切 关 系(Xue et al., 2008)。 这 些研究结果增进了人们对水稻开花的分子调控机理 的认识。 1. 3. 3 配子体发生和发育的分子调控机制配子体发生是植物生殖过程中的一个关键步骤, 虽然 之前已经有了一些有关拟南芥配子体发生的相关研 究, 也确定了一些配子体发育早期停滞的突变体, 但 是对于此过程中的具体分子调控机制的研究并不深 入。北 京 大 学 生 命 科 学 学 院 瞿 礼 嘉 研 究 组 发 现 2 个 RI NG-f ing er E 3 连 接 酶 基 因 RI NG-H 2 gr oupF 1a (RHF1a)和 RHF2a 在拟南芥配子体发生中起重要调 控作用 。原 位 杂 交 实 验 数 据 表 明, 在 花 序 中 RHF1a 的表达主要存在于发育中的配子体和胚胎中, 而 R H F2 a 的 表 达 则 较 为 广 泛 。单 独 的 R H F 1 a 或 者 RHF2a 的失活都不能引起植株产生明显的发育缺陷 表型。而 rhf1a/ rhf2a 双突变体在雌配子体发育的单 核期(FGI)以及花粉第 1 次有丝分裂间期(P MI)发育停 滞, 导 致 其 雌 雄 配 子 体 都 不 能 正 常 形 成 。研究还发 现, RHF1a 和 RHF2a编码 2 个功能上有重叠的 RINGty pe E 3 连接酶, 它们能够与细胞有丝分裂中积累的 CDK 抑制物 ICK4/ KRP 6 相互作用, 激活 ICK4/K RP 6 的 26S 蛋 白 酶 体 降 解 , 使 其 水 平 保 持 在 一 定 域 值 之 下, 从而保证拟南芥配子体形成中后续有丝分裂的顺 利进行。此过程中 RHF1a 的调控作用可能比 RHF2a 更 为 精 细 和 重 要。rhf 1a/ rhf 2a 双 突 变 体 的 确 定 以 及 对 RHF1a 和 RHF2a这 2 个 RING-type E 3连 接 酶 的 生 化分析, 揭示了单倍的配子体细胞有丝分裂调控的分 子遗传机理, 为进一步研究植物配子体发生的起始和 调控机制提供了重要的遗传和分子生物学基础(Liu et1.3.2水稻开花的分子调控机理营养生长向生殖生长的转换是植物生殖发育的开始, 它受环境和植物内源因素的严格调控, 以确保生殖能 够 有 效 进 行。对模式植物拟南芥和水稻的研究表明, 开花(抽穗)受光周期 、春化、赤霉素和自主等多个途 径的调控, 在单子叶植物与双子叶植物之间这些途径 大部分是保守的, 但也有不同(Greenup et al., 2009)。 水稻等亚热带作物的开花并不需要春化, 而是更多地 对 光 周 期 做 出 反 应。 目前的研究表明, 在水稻感受短 日照的途径中, EA RLY HE ADING DATE 1 (EHD1)促 进 FT 同源基因 Hd3a/ RFT1的表达, 从而促使水稻早 开花, 但关于 EHD1 的 调 控 机 制 并 不 十 分 清 楚。华中 农业大学张启发研究组的吴昌银等最近克隆到调控 EHD1 的 基 因 RID1 (Wu et al. , 2008a)。研究表明, rid1突变体对光周期没有反应, 其 短 日 照 途 径 的 关 键 基因 EHD1、HD3 和 HD1 的表达均明显下调, 长日照 途径相关基因 GHD7 的表达也有一定下调。RID1 蛋杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展385al., 2008b)。 花粉壁是植物细胞中最为复杂的细胞壁之一, 它 是花粉细胞和花药绒毡层共同形成的保护雄配子体 并参与花粉柱头识别的结构。 典型的花粉壁由内壁、 外 壁 和 花 粉 外 被 组 成。内 壁 是 由 小 孢 子 分 泌 的 物 质 在 质 膜 外 形 成 的 多 层 纤 维 素 壁 。外壁是内壁外层的 网状结构, 主要由绒毡层分泌的孢粉素在小孢子膜上 沉积而成, 沉 积 始 于 四 分 体 时 期, 其图式是植物的种 属特征之一。尽 管 已 分 离 到 多 个 花 粉 壁 形 成 相 关 的 突变体和基因, 但对于其沉积图式形成的细胞学机理 还 不 清 楚。上 海 师 范 大 学 杨 仲 南 研 究 组 的 关 跃 峰 等 克隆了一个花粉壁形成的相关基因RPG1, 该基因突 变 使 小 孢 子 壁 不 能 形 成 或 形 成 不 完 全, 细 胞 多 破 裂 (Guan et al. , 2008)。RP G1 编 码 一 个 功 能 未 知、具 有7个跨膜区域的膜蛋白, 在花粉母细胞和绒毡层细 胞中均有较高表达, 可能参与了花粉壁的形成, 对其 功能的进一步研究将有助于了解花粉壁形成的分子 细胞学机制。该 研 究 组 的 朱 骏 等 还 克 隆 了 一 个 影 响 绒毡层发育的基因 TDF1(Zhu et al., 2008c ), 该基因 的突变使得小孢子胼胝质不能及时降解, 从而引起花 粉败育。TD F1 编码一个 R2 R3 -M Y B 转录因子 At MYB 35, 在 绒 毡 层 和 花 粉 母 细 胞 中 都 有 表 达, 可能 间接参与调控小孢子胼胝质的降解。 鞘脂是细胞膜的必要成分和重要的信号分子, 参 与 细 胞 增 殖、分化、凋亡和胁迫反应等生物学过程 。 在植物中, 关 于 鞘 脂 功 能 的 研 究 并 不 多, 中国科学院 遗传与发育生物学研究所左建儒研究组的滕冲等在 筛选细胞凋亡突变体时, 分离到一个fumonisin B-resist ant 突变体 f br11-2, 该突 变 体 花 粉 在 完 成 第 2 次 有 丝 分 裂 后 开 始 降 解, 但 花 粉 壁 似 乎 是 正 常 的。 FB R11-2 编 码 鞘 脂 合 成 的 关 键 酶 丝 氨 酸 十 六 烷 酰 转 移酶(s erine palmit oylt ransferas e, SPT)的 2个亚基之 一 LCB 1。该研究还证实另一个亚基 LCB 2 的突变导 致和 fb r11-2 同样的花粉表型, 说明 SP T是 花 粉 后 期 发育所必需的(Teng et al., 2008)。这 些 结 果 首 次 证 明鞘脂对于花粉成熟是至关重要的, 其具体的分子机 理还有待进一步研究。与 动 物 不 同, 高 等 开 花 植 物 的 精 子 是 不 能 运 动 的, 必须依靠花粉营养细胞产生的花粉管把它传递到 雌配子体, 完成受精 。 花粉管的萌发和生长是其与柱 头 内 外 环 境 相 互 作 用 的 结 果。中 国 农 业 大 学 武 维 华 研究组的王毅等利用基因芯片的方法比较了拟南芥 成熟花粉、水合花粉和体外萌发花粉管的表达谱 (W ang et al. , 2008g), 结果显示有 4 892 个 基 因 在 花 粉管中表达, 约占拟南芥基因组的 21.7%。 在芯片中 所含的 22 591 个基因中, 成熟花粉特异表达的基因 只有 163 个, 水合花粉特异表达基因有 352 个, 而花 粉管特异表达的基因有 731 个(占 芯 片 所 含 基 因 总 数 的 3. 2% )。 体 趋 势 上, 随着花粉萌发和花粉管生长, 总 更多的基因被表达, 其中变化最大的是与细胞生存、 转录、 运输、 信号转导和细胞壁合成相关的基因, 这 与 花 粉 的 快 速 生 长 密 切 相 关。上 海 生 命 科 学 研 究 院 唐威华研究组的张栋等研究了花粉受体蛋白激酶 LePRK 2在花粉管生长中的作用(Zhang et al., 2008a), 发现 LeP RK2 参 与 调 控 花 粉 萌 发 效 率 、时间、生长 速率、 钙信号和对柱头因子的反应等多个过程, 并促 进花粉萌发和花粉管生长, 其作用的分子机理还有待 进一步研究。1.4水稻农艺性状的遗传调控现代栽培的主要农作物都是人类对野生种长期人工 选 择 和 驯 化 的 结 果。 人类往往根据自身的需要, 对作 物 的 产 量、生 长 习 性、营 养 特 性 和 适 应 性 等 性 状 进 行 人 工 选 择。 因此克隆与人工选择相关的基因, 能够 增进人们对作物主要农艺性状遗传调控机理的认识, 从 而 为 农 作 物 改 良 提 供 线 索。 在过去的一年里, 我国 科学家在水稻驯化相关基因的克隆方面取得了重要 进展。上 海 生 命 科 学 研 究 院 林 鸿 宣 研 究 组 的 金 健 等 克隆了一个控制水稻分蘖角度和数目的基因 PROG1, 该基因在腋生分生组织中表达, 编码一个锌 指类转录因子 。转 基 因 分 析 发 现 人 工 选 择 的 结 果 造 成了 P ROG1 中 单 个 氨 基 酸 的 替 换(T15 2&S 1 52 )(Jin et al., 2008)。 同样, 该基因的表达调控也是匍匐生长的 野 生 稻 向 直 立 生 长 的 栽 培 稻 转 变 的 关 键。中 国 农 业386植物学报44(4)2009大学孙传清和清华大学谢道昕研究组合作研究发现, 182 个栽培稻的 P RO G1 启 动 子 中 都 含 有 相 同 的 突 变, 包括 15 个 单 核 苷 酸 多 态 性(s ing le nuc le ot ide polymorphis m, SNP )和 6个DNA 插入 /缺失(Indel)(Tan et al., 2008)。这 2 项研究都证实 PROG1是 水 稻 驯 化 的关键基因之一 。 此外, 水稻籽粒灌浆也是重要的农 艺性状之一, 一般认为其与人工选择有关。 中国科学 院上海植物生理生态研究所何祖华研究组的王二涛 等 通 过 QTL mappi ng 克 隆 了 水 稻 灌 浆 相 关 的 基 因 GIF1, 它在种皮维管束中特异表达, 编码一个细胞壁 蔗糖酶, 催化蔗糖降解成果糖和葡萄糖(W ang et al., 2008a)。 该基因突变后水稻灌浆不完全, 与 野 生 水 稻 籽 粒 小 有 关。基因序列比较分析表明 GIF1是一个与 驯 化 相 关 的 基 因。中国科学院遗传与发育生物学研 究所李家洋、中 山 大 学 施 苏 华 和 北 京 基 因 组 所 吴 仲 义等研究组合作克隆了控制水稻对酚着色反应的基 因 PHR1, 它编码一个多酚氧化酶(Y u et al., 2008c )。 他 们 的研究发现对酚反应不显色的粳稻都含有 phr1 突变, 以 ?18 和 ?29缺失突变为主, 并受到正向选择。 对水稻野生种、 栽培种和亚种的 PHR1基因的分析表 明, 它 也 是 一 个 与 水 稻 驯 化 相 关 的 基 因。 上 研 究 表 以 明, 在 水 稻 的 驯 化 过 程 中, 其生长和生理特性都受到 了很强的人工选择, 这些研究成果对了解水稻的进化 具有重要意义。 农 作 物 叶 片 的 大 小 和 形 状 是 重 要 的 农 艺 性 状。 中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究组 对于水稻突变体 nal1(narrow leaf 1)的研究发现, 其窄 叶 表 型 伴 随 着 纵 向 维 管 数 目 的 减 少。解剖学证据显 示 nal1 植株茎秆中维管束的数目和分布模式发生异 常。通过图位克隆和遗传互补分析, 研究者证明 NAL1基因编码一个生化功能未知的在植物中特异表 达 的 蛋 白。该 基 因 的 突 变 造 成 植 物 生 长 素 极 性 运 输 能力的降低。以 往 对 双 子 叶 模 式 植 物 拟 南 芥 的 研 究 已经提供了大量的证据证明生长素极性运输和极性 分 布 对 维 管 系 统 分 布 模 式 起 重 要 作 用 。该研究不仅 证明了在单子叶植物水稻中生长素极性运输和极性 分 布 对 于 维 管 发 育 亦 具 有 重 要 意 义, 而 且 发 现 NA L可 能 通 过 在 转 录 水 平 调 控 水 稻 Os PI N1 的表达量和 活性影响维管系统的发育, 最 终 控 制 叶 片 的 生 长(Qi et al., 2008)。 穗发芽是影响禾本科作物经济价值的重要因素。 中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组 对 水 稻 穗 发 芽 的 分 子 机 理 进 行 了 研 究 。研究者通过 对水稻突变体库的系统筛选, 获得了 12 份 水 稻 穗 发 芽突变体材料, 并 根 据 表 型 特 点 将 其 分 成 3 种 类 型。 他们发现其中的一类突变体的 4 个穗发芽基因均编 码 类 胡 萝 卜 素 合 成 主 要 酶 类 。类 胡 萝 卜 素 在 光 合 作 用 中 扮 演 着 重 要 角 色, 它 们 是 叶 绿 体 类 囊 体 膜 中 的 光系统复合体的组成成分, 参与光合作用中光能的 吸收和传递 。类 胡 萝 卜 素 还 在 植 物 的 光 保 护 中 起 重 要 作 用。另外, 类 胡 萝 卜 素 是 控 制 种 子 休 眠 的 重要 激素――脱落酸(absc isic acid, ABA )合 成 的 前 体。 研 究 结 果 表 明, 类 胡 萝 卜 素 生 物 合 成 受 阻 导 致 的 A B A 含 量 降 低 是 影 响 穗 发 芽 的 重 要 因 素( Fa ng e t a l. , 2008)。 该项研究对消除穗发芽给农业生产造成的危 害具有重要的指导意义。22.1“ 组学”与基因进化蛋白质组学分析中国科学院植物研究所王台研究组通过研究水稻开 花后 6－20 天灌浆期籽粒在 8个时间点的动态蛋白质 组变化, 鉴定了 345个差异表达的蛋白质。 对不同代 谢反应相关的蛋白质表达趋势进行分析, 同时结合相 应的细胞学与生理学实验证据, 揭示出在水稻灌浆过 程中中心碳代谢向乙醇酵解途径的转化是籽粒适应 低氧环境并保证输入糖流向淀粉合成的关键代谢环 节之一(Xu et al. , 2008b)。北 京 基 因 组 研 究 所 于 军 与刘斯奇研究组合作比较分析了杂交水稻LYP9及其 亲本 9311和P64S 成熟胚的蛋白质组差异, 鉴定了54 个 差 异 表 达 的 蛋 白 质。通 过 与 同 样 胚 胎 样 品 的 转 录 组数据进行比较, 发现了 28 个与杂种优势相关的候 选 基 因, 其 中 大 多 数 是 多 拷 贝 基 因(W an g et a l. , 2008f)。 清华大学刘进元研究组分析了水稻幼苗应答杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展387H2O2 的蛋白质组变化, 发现在 H2O2 处理下有 144 个 蛋 白 的 表 达 水 平 发 生 了 显 著 变 化, 其中 65 个蛋白表 达被上调, 79个 蛋 白 表 达 被 下 调。 些 变 化 的 蛋 白 主 这 要与细胞的防御反应、氧化还原稳定性 、信号转导 、 光呼吸和碳 / 能量代谢有关 (Wan and Liu, 2008)。 此 外, 该研究组还对开花后 5－25 天的棉纤维 5 个时间 点的蛋白质组变化进行了比较分析, 筛选到235个差 异表达的蛋白质点, 其中 120 个蛋白质点至少在 1 个 时间点显示了 2 倍(或 2 倍以上)的表达变化, 21 个是 发育阶段特异的 。质谱分析鉴定了 106 个蛋白质点, 并发现这些蛋白质所涉及的代谢 / 细胞学反应与棉 纤 维 伸 长 相 关 的 生 化 活 动 有 较 好 的 相 关 性(Yang et al., 2008d)。 中国科学院植物研究所林金星研究组分析了经 Ca 2+ 通道抑制剂 nifedipine(Nif)处理后, 白皮松(Pinus bungeana)花粉管的生长和相应的蛋白质组变化。 结 果表明, 细胞外 Ca 内流是维持花粉管顶端 Ca 浓 度 梯 度 所 必 需 的; N if 处 理 对 花 粉 管 生 长 的 抑 制 与 ATP 生产下降 、 胞 骨 架 解 聚 和 胞 吞 / 胞吐异常有关 细 (Wu et al. , 2008e)。中 国 科 学 院 植 物 研 究 所 田 世 平 研究组分析了用茉莉酸处理不同成熟阶段甜樱桃 (Prunus avium)果 实 对 其 蛋 白 质 组 的 影 响, 揭示了抗 氧 化 蛋 白、热 激 蛋 白 和 脱 氢 酶 在 果 实 抗 性 反 应 中 的 重要性(Chan et al. , 2008)。山 东 大 学 夏 光 敏 研 究 组 通过常规小麦(Triticum aest ivum)栽培品种Jinan 177 与 UV 辐射处理的长穗偃麦草(Agropyron elongatum) 的 体 细 胞 杂 交 获 得 了 耐 盐 小 麦 变 种 S hanrong No.3, 然后以根为材料比较分析了 Shanrong No. 3 和 Jinan 177的特异蛋白以及响应盐胁迫的蛋白表达, 鉴定了 34 个变种特异蛋白和 49 个 响 应 盐 胁 迫 的 蛋 白。 研究 发现与 Jinan 177 相比, Shangrong No. 3 有 新 的 蛋 白 质表达 (Wang et al., 2008c )。山东大学生命科学学 院张举仁研究组比较分析了玉米耐低磷突变体 99038与野生型Qi-319在正常磷供应(+P )和缺磷(－P) 条件下的蛋白质组差异, 结果发现差异表达的蛋白主 要与碳代谢和细胞繁殖的调节有关。与野生型相比, 突变体积累和分泌更多的柠檬酸, 根分生区细胞繁殖2+ 2+的速度更快 (Li et al., 2008c )。为了解植物根响应铁 缺乏的调控机制, 中国科学院遗传与发育生物学研究 所凌宏清研究组分析了野生型番茄及其铁吸收缺陷 突变体 T3238fer 在铁缺乏与正常铁元素供应条件下 根蛋白质组的变化, 鉴定了 97 个差异表达的蛋白质, 发 现 这 些 蛋 白 参 与 多 个 代 谢 / 细 胞 学 反 应(Li et al. , 2008b)。2.2蛋白质组学研究方法中国科学技术大学生命科学学院向成斌研究组以耐 盐植物盐芥(Thellungiella halophila)为材料, 通过构建 其 cDNA表达文库 、 用 农 杆 菌 介 导 转 化 拟 南 芥 以 及 利 随后的转基因拟南芥筛选等程序, 建立了高通量筛选 耐盐基因的技术方法, 同时该方法也可用来分离其它 非生物胁迫以及生物胁迫(如疾病)抗性基因(Du et al., 2008)。 北京生命科学研究所周俭民研究组与上海交 通大学等单位合作, 采用荧光素酶(luciferase)互补实 验对双分子荧光技术进行了优化, 建 立 了 简 单、 可靠 地 定 量 检 测 植 物 中 蛋 白 质 相 互 作 用 的 方 法(Chen et al., 2008a)。2.3基因组与基因进化水稻基因组序列中转座元件的插入或精准的消除能 够 产 生 大 量 的 转 座 子 插 入 多 态 性 (trans poson ins ertion polymorphisms , TIPs )。中国科学院国家基因研 究中心韩斌研究组的研究发现水稻基因组中超过 50%的大片段插入和缺失(& 100 bp)是由TIP s引起的, 他们首次利用比较基因组学的方法从粳稻(日本晴)和 籼稻(93-11)的基因组中鉴定出 2 041 个 TIPs, 并且从 日本晴和籼稻广陆矮 4(Guangluai 4)第 4 号 染 色 体 中 23 Mb 的 直 系 同 源 区 域 中 鉴 定 出 691 个 TIP s 。在这 些 TIP s 中, 逆 转 录 转 座 子 插 入 多 态 性( re t r ot r a ns poson-based ins ertion polymorphis ms, RBIPs )可以 用 来 揭 示 以 上 3 种 栽 培 稻 之 间 的 遗 传 进 化 关 系 。经 初步统计表明, TIPs 导 致 了 粳 稻 和 籼 稻 基 因 组 DNA 序列间约 14% 的差异。此外, 大约 10% 的 TIP s 位于 表 达 的 基 因 内 , 表明 TIP s 是 遗 传 变 异 的 重 要 来 源 。388植物学报44(4)2009基因表达的研究发现, TIPs引起水稻基因一系列的遗 传变异, 包 括 基 因 剪 切 方 式 的 改 变、 基因表达的提前 终止、内含子长度的改变 、启动子区域的重组 以 及 相邻基因表达水平的影响等(Huang et al. , 2008)。 该 项工作为从全基因组水平研究水稻的进化历史和遗 传变异提供了新的观点。究依据。 中国科学院遗传与发育生物学研究所薛勇彪研 究组的研究结果表明, 拟南芥中存在一个新的保卫细 胞 AB A 信号通路的负调控因子―― DOR。DOR基因 编码 F-box 蛋白, 是与 A hS LF-S 2 相 关 的 S -loc us Fbox-lik e 家族的一员, 能与 AS K14 和 CUL1 特异性结 合。DOR 的无效突变导致植株对 AB A 超敏感和气孔 的关闭, 使抗干旱能力明显增强 。相比之下, 超表达 DOR 的转基因植株更易受干旱胁迫的影响。DOR在 保 卫 细 胞 中 强 烈 表 达, 受 A BA 抑制, 说明 A BA 应答 机制中存在 DOR 负反馈环 。对 dor 和 AB A 不敏感突 变 abi-1 的 双 突 变 体 的 分 析 表 明, ab i1 对 dor 是上位 性的, 但野生型和 dor 突变体植株中的磷脂酶 Dα1 没 有 明 显 变 化。Affymetrix 基因芯片分析表明, 在干旱 胁迫下 DOR可能调控 AB A 的 生 物 合 成。 述 实 验 结 上 果表明, 在 AB A 信号转导途径中 DOR 可以抑制干旱 胁迫下 A BA 诱 导 的 气 孔 关 闭, 且 其 作 用 的 发 挥 不 依 赖于磷脂酶 Dα1 (Zhang et al., 2008e)。 生长素(IAA)是植物不定根生长的重要调控激素。 南京农业大学生命科学学院沈文飚研究组用生长素 运输抑制剂 naphthy lphthalamic acid 处理黄瓜植株, 发 现 在 不 定 根 发 生 受 到 抑 制 的 同 时 , 血红素加氧酶 (heme ox ygenases, HOs )的活性及其产物CO的含量 都会降低 。施加 IA A、HO1/CO 供体血红素(hematin) 或者含 CO 的水溶液都能够减缓由于 IA A耗 尽 所 导 致 的不定根发生受抑制。同时, IA A 或者血红素的处理 可以迅速激活 HO 或者 HO1 蛋白的表达, 并促进 CO 含量增加 。而 HO1 的 特 异 性 抑 制 剂 z inc prot oporphyrin IX (ZnP PIX)可以抑制这样的IA A或者血红素反 应。含 CO 的水溶液则可以减轻 ZnPPIX对 不 定 根 发 生的抑制程度。 ZnPPIX可以模拟napht hylphthalamic acid抑制不定根发生的效应, 并且下调 CS DNA J-1以 及 钙 依 赖 性 激 酶 基 因 CSCDP K1 和 CSCDP K5 的表 达。含 CO 的水溶液不仅可以阻断 IA A 耗尽所导致的 不定根发生的抑制效应, 同时可以促进内源 CO 含量 的增加, 上调 CS DNA J-1 和 CS CDP K1/ 5 的表达。这 些 实 验 证 据 表 明, 生 长 素 迅 速 活 化 HO 活 性 并 导 致33.1植物激素与信号转导脱落酸和生长素脱落酸(absc isic acid, ABA )是重要的植物逆境激素, 而 H2O2在植物适应各种逆境条件过程中起到重要的 信号分子的作用 。虽 然 已 有 研 究 证 明 AB A 可以诱导 H2O2 的生成, 但 是 并 不 清 楚 这 一 逆 境 反 应 过 程 中 信 号 传 递 是 如 何 进 行 的。香 港 浸 会 大 学 张 建 华 研 究 组 的研究发现, 在 拟 南 芥 中 控 制 细 胞 H2O2 水平的过氧 化氢酶(c atalas e) CAT1 的表达以及 H2O2 的 生 成 依 赖 于 MA PK(mit ogen-ac tivated prot ein kinase)级联信号 转导途径 。拟南芥 CAT1 的表达受 AB A 调控, 但是在 拟南芥 At MKK 1 的 T-DNA 插入突变体 mk k 1 中, A BA 对 CAT1 表达的诱导效应消失, 而 At MKK 1 的过表达 则显著促进 AB A 诱导的 CAT1 表达和 H2O2 的生成。 MAP K 级联信号转导途径中的另一成员 A tMP K6 也 参与了这一过程。mpk 6 突变体和 At MPK 6 的过表达 对 AB A 诱导的 CAT1 表达和 H2O2 的生成表现出同样 的 效 应。而 A t MP K 6 的活性被 A B A 激 活 并 依 赖 于 At MKK 1。因此, AB A 诱导 CAT1 表达和 H2O2 生成的 信 号 途 径 中 需 要 At MK K1 和 At MP K6 磷酸化过程的 参与。进一步的观察结果表明, mk k 1 突变体的种子 萌发对 A BA 的敏感性和植株对干旱的耐受性都降 低, 而 A t MK K 1 的 过 表 达 则 表 现 出 相 对 于 野 生 型 和 mk k 1 突变体相反的反应(Xing et al. , 2008)。这一研 究 结 果 首 次 提 出 了 A t MK K 1-A t MP K 6 是 A B A 诱导 H2O2 生 成 的 信 号 转 导 途 径 中 的 关 键 组 分, 为植物逆 境信号转导研究提供了新的证据, 同时也为阐明 MA PK 级 联 信 号 转 导 途 径 的 生 理 功 能 提 供 了 新 的 研杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展389HO 产物 CO 的生成, 从 而 引 起 一 系 列 的 信 号 转 导 过 程, 是 不 定 根 发 生 过 程 中 生 长 素 反 应 的 重 要 途 径 (Xuan et al. , 2008)。的下胚轴变长 。对 细 胞 内 钙 水 平 的 分 析 证 明 蓝 光 所 诱 导 的 细 胞 质 钙 水 平 的 升 高 在 phot 1 突变体中受到 抑制, 而在 5P Tas e13 突变体中被促进 。这 些 研 究 结 果证明 5P Tas e13 参与了蓝光下 PHOT1 介 导 的 钙 信 号 过 程, 并 且 对 P HOT1 具 有 拮 抗 作 用 (Chen et al. , 2008g)。该 研 究 揭 示 了 磷 酸 肌 醇 途 径 关 键 酶 在 植 物 蓝光反应中的重要作用, 为阐明植物蓝光反应的机理 增加了新的重要内容。 COP1 蛋白和 4 个 功 能 上 有 冗 余 的 S PA 蛋白形 成 复 合 体 参 与 拟 南 芥 的 光 形 态 建 成 。但是 COP1 和 整个 SP A 蛋白家族之间的生化关系仍不清楚。 北大耶鲁联合研究中心邓兴旺研究组通过制备组分特异 性的SP A抗体和抗原决定簇标记的SPA 转 基 因 植 株 来 研 究 它 们 之 间 的 生 化 关 系。研 究 结 果 表 明 同 源 或 异源的 S PA 蛋白与 COP1 形成 S PA -COP1 复合体, 其中 S P A 蛋 白 组 分 取 决 于 每 种 S P A 蛋白的富集程 度。主要 S P A 蛋 白 的 缺 失 会 导 致 其 突 变 体 的 S P A COP1 E 3 连 接 酶 活 性 下 降, 出 现 部 分 组 成 型 的 光 形 态 建 成 现 象。这一研究从生化角度深入阐述了 SP ACOP1 E 3 连 接 酶 复 合 体, 为 探 明 该 复 合 体 在 植 物 发 育过程中光调控方面所发挥的功能提供了新的观点 (Zhu et al., 2008a)。 HY 5是一类碱性亮氨酸拉链类型的转录因子, 在 植物光形态建成和光诱导基因表达中起重要的正调 控作用。为了鉴定 HY 5 依赖的光响应基因, “中央研 究院 ” 国 台 湾)吴 素 幸 研 究 组 联 合 国 外 实 验 室 , 对 (中 拟 南 芥 野 生 型 与 hy5 缺 失 突 变 体 的 光 形 态 建 成 早 期 基因差异表达模式进行了分析, 发现了一个光调控的 锌 指 蛋 白 基 因―― LZF1, 为光信号转导网络增加了 一 个 新 成 员。 L Z F 1 编 码 一 个 此 前 未 曾 描 述 过 的 C2C2-CO B -box 转录调节因子。HY 5 对 LZF1 的表达 是必需的, 具有反式激活活性, 对 其 启 动 子 有 亲 和 结 合能力。 在最有效诱导 LZF1表达的远红光下, lzf 1突 变 体 的 花 色 素 苷 含 量 相 比 野 生 型 显 著 减 少 。超表达 LZF1 使 PAP 1/MY B75 的表达上调, 而此前的报道显 示 P AP 1/ MY B75 的 超 表 达 导 致 花 色 素 苷 过 量 积 累。 在lzf 1突变体中, 从白色体到叶绿体的转换以及叶绿3.2乙烯信号转导途径众所周知, 乙 烯 促 进 植 物 开 花、 果实成熟以及器官脱 落。近 年 来 普 遍 认 为 乙 烯 还 通 过 调 节 细 胞 伸 展 抑 制 植物器官的生长, 但 对 其 作 用 机 制 还 知 之 甚 少。 中国 农 业 大 学 高 俊 平 研 究 组 以 切 花 月 季 萨 蔓 莎 (Ro s a hybrida ‘ Samantha’ )为材料, 研究发现乙烯处理使花 瓣含水量减少, 其远轴面亚表皮细胞的伸展受到抑 制, 花瓣大小也显著降低。 他们将研究进一步集中在 水 孔 蛋 白 上, 利用 E S T 数 据 库 最 终 鉴 定 出 一 个 水 孔 蛋白基因 Rh-PI P2; 1。 研究表明, Rh-PIP2; 1是一个活 跃的水通道蛋白, 在花瓣远轴面亚表皮细胞中含量非 常丰富 。Rh-P IP 2; 1 基 因 的 表 达 与 花 瓣 伸 展 高 度 相 关, 且 能 对 乙 烯 迅 速 作 出 响 应。在 Rh-PI P2; 1 基因沉 默突变体中, 花 瓣 的 伸 展 受 到 抑 制, 其解剖学特征也 与乙烯处理的花瓣相似 。 该研究工作表明, 乙烯对花 瓣 伸 展 的 调 控 至 少 部 分 是 通 过 抑 制 Rh-P IP 2;1 基因 的表达而起作用的(Ma et al. , 2008b)。3.33. 3.1光信号转导机制光形态建成蓝光反应在植物的发育和形态建成方面具有重要的 作用。 多聚磷酸肌醇 5磷酸酶(inos itol polyphos phate 5-phos phat as e, 5P Tas e)是 磷 酸 肌 醇 (phos p hat idy linositol)代 谢 途 径 的 关 键 酶。 上海生命科学院植物 生理与生态研究所薛红卫研究组发现5PTase家族的 5P Tase13 参 与 了 拟 南 芥 的 蓝 光 反 应。5P Tase13 的 表达被蓝光抑制, 破坏该蛋白基因导致下胚轴缩短以 及 子 叶 扩 张。遗传分析证明, 5P Tas e13 的 作 用 独 立 于 C R Y P TO C H R O M E 1 和组成型表达的 PHOTOMORPHOGE NIC1, 但是与 P HOTOTROP IN1 (P HOT1)有 功 能 性 的 相 互 作 用。在蓝光下 phot 1 突变 体和 phot1 phot 2 双突变体中的 5P Tas e13 的表达水 平显著增加, 而抑制 5P Tas e13 的 表 达 则 导 致 突 变 体390植物学报44(4)2009素的积累都明显被抑制。LZF1 是 通 过 调 控 编 码 叶 绿 体 蛋 白 的 基 因 影 响 叶 绿 体 的 形 成 与 功 能 的 。在缺少 HY 5 的情况下, LZF1 的突变导致胚轴伸长、花色素 苷和叶绿素的积累以及对光调控的敏感度进一步降 低。因 此 研 究 人 员 认 为 LZF1是一个拟南芥去黄化的 正调控因子(Chang et al., 2008)。 组蛋白是染色体的基本结构蛋白, 对其修饰能够 严重影响真 核 生 物 的 生 长 发 育。 北大 -耶鲁联合研究 中心邓兴旺研究组采用表观遗传学手段结合表达谱 分析了植物光形态建成过程中组蛋白修饰的变化模 式 及 其 功 能。结果表明, 光 可 以 调 节 拟 南 芥 幼 苗 光 调控发育过程中的组蛋白修饰, 而且这种光调节的 组 蛋 白 修 饰 能 够 影 响 基 因 转 录。一系列突变体分析 实验也显示, 光调节的H3K9ac 作 为 转 录 调 节 因 子 受 到 光 形 态 建 成 促 进 因 子 和 转 录 因 子 HY 5 的 影 响; 泛 素 - 蛋白酶体介导的蛋白降解和光调节的组蛋白修 饰 可 能 存 在 潜 在 的 相 关 性 。这 些 实 验 结 果 表 明: 光 调节的组蛋白修饰变化可能是光控基因转录复杂调 控网络中的一部分, 而组蛋白修饰的改变可能是植 物响应 不 同 光 环 境 的 一 个 重 要 生 理 成 分 (Guo et al. , 2008)。 花是植物进行有性生殖所必需的器官, 开花产生 的 果 实 和 种 子 是 人 类 重 要 的 营 养 来 源 。因此对于参 与开花诱导以及光形态建成的植物光受体的研究具 有 重 要的实际应用价值 。在拟南芥中蓝光受体隐花 色 素 参 与 长 日 照 下 的 开 花 诱 导, 那么 CRY 、COP 1、 CO 和 FT 等光信号组分是通过怎样的途径来实现开 花诱导的呢？上海交通大学杨洪全研究组在证实 CRY 通过和 COP 1 直接相互作用来实现第一步信号 转导后(Yang et al., 2001), 又通过生物化学和 遗 传 学分析, 进一步阐明短日照条件下, 在细胞核内 COP 1 作为 E3 连接酶通过和 CO 直接作用使后者被 泛素化而降解, 从而达到抑制 FT 转录并抑制开花的 目的。而在长日照条件下, COP 1 出核使得 CO 能够 稳定并促进 FT 的 顺 利 转 录。 该研究建立了隐花色素 长日照诱导开花而短日照抑制开花机制的较完整的 分子模型(Liu et al., 2008c )。3. 3.2光周期调控植物 开 花 的 光 周 期 调 控 影 响 着 植 物 沿 纬 度 的 分 布 。 拟 南 芥 蓝 光 受 体 CRY 2 调 控 光 周 期 开 花 过 程。 然而, 目前仍然不清楚遗传变异所导致的隐花色素活性或 者表达的变化是否与植物在不同纬度条件下的广泛 分 布 相 关。 国 农 业 科 学 院 傅 永 福 和 林 辰 涛 研 究 组 中 详细研究了大豆中 2 个 隐 花 色 素 G mC R Y 1a 和 GmCRY 2a 的 功 能 和 表 达 。 豆 是 一 种 短 日 照 植 物, 大 通常根据不同栽培种的光周期敏感性来栽种 。 栽培 种 Glyc ine max 及 其 野 生 近 亲 G. soja 的 光 周 期 成 花 都 表 现 出 强 烈 的 纬 度 渐 变 分 布。 拟 南 芥 中 相 应 同 的 蛋 白 一 样 , GmCRY1a 和 GmCRY 2a 都 能 够 影 响 蓝 光 对 细 胞 伸 长 的 抑 制, 但 只 有 GmCRY 2a 能 够 进 行 蓝 光 和 2 6S 蛋 白 酶 体 依 赖 的 蛋 白 降 解 过 程 。然 而, 与 拟 南 芥 的 隐 花 色 素 相 比, 大 豆 的 Gm CRY 1a (而 不 是GmCRY 2a)具 有 强 烈 的 促 进 开 花 起 始 活 性, 并 且 只 有 GmCRY 1a 而 不 是 GmCRY 2a 的 蛋 白 水 平 随 着 生 物 节 律 振 荡, 这 种 节 律 在 不 同 光 周 期 下 具 有 不 同 的 时 相 特 征 。与 假 设 相 一 致 的 是, GmCRY 1a 是 大 豆 光 周 期 成 花 的 一 个 主 要 调 控 因 子, 而 且 光 周 期 依 赖 的GmCRY 1a蛋 白 生 物 节 律 表 达 与 光 周 期 成 花及大豆栽培种沿纬度的分布正相关。 究人员推 研 测 那 些 影 响GmCRY 1a蛋 白 表 达 的 基 因 可 能 在 大 豆 沿 纬 度 的 分 布 中 起 着 重 要 作 用 ( Zh a n g e t a l . , 2008c)。 “中央研究院 ” (中国台湾)植 物 暨 微 生 物 研 究 所 的吴素幸研究组发现了 2 个新的影响拟南芥生物节 律的基因, 分别是LI GHT-RE GULATED WD1 (LWD1) 和 LWD2。这 2 个基因的双突变体具有早花的表型。 通过对基因芯片数据的比较分析, 研究人员认为相对 于其它3种导致早花的途径, 造成这一表型的主要原 因是光周期相关基因的表达受到了严重的影响, 其中 关键的 CO 和 FT 基 因 的 表 达 大 幅 上 调。在 导 引 条 件 下, 双突变体体内的振荡器基因 CCA 1、LHY、TOC1 和ELF4等以及负责输出的基因(GIGANTEA、 FLAV INBI NDING、KE LCH RE PE AT、F-BOX1、CYCLING DOF FACTOR1、COF 和 FT 等)的时相均发生了约 3杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展391小 时 的 前 移。 并且在双突变体中, 振荡器基因和一些 输 出 基 因(如 COLD、CIRDA DI A N RHY THM、A ND RNA BI NDI NG2 和 CHLOROP HY LL A/ B -BI NDING P RO TE I N 2 等)的 周 期 都 缩 短 了 。因此, LW D 1 和 LWD2基因可能是拟南芥生物钟调控的新组分, 参与 光周期感知, 进而参与到对开花的光周期调控过程中 (W u et al., 2008b)。而致病。 作为对抗, 植物进化出抗病基因来识别细菌 效应蛋白并重新建立抗性 。丁 香 假 单 胞 菌 效 应 蛋 白 AvrPt o在感病植物中促进感病而在具有蛋白激酶Pto 和相关抗性蛋白 Prf的 植 物 中 激 发 抗 病。 京 生 命 科 北 学研究所周俭民研究组发现 AvrPt o 能够结合受体激 酶, 包括拟南芥 FLS 2、EFR 和番茄 LeFLS2, 从而阻 断植物的先天免疫反应 。A vrP to 与这些受体激酶的 结 合 能 力 对 于 它 在 植 物 中 的 毒 性 是 必 需 的 。FLS 2AvrPt o 与 Pt o-AvrP to 相互作用具有相似的序列依赖 性, 从而导致 Pt o 和 FLS 2 竞争性结合 AvrP to。该研 究结果暗示 AvrPt o 识别抗性蛋白的机制与 P to 的进 化相关联, 后者和 Prf 一起识别细菌并激发强烈抗性 (Xiang et al., 2008a)。 细胞壁的松弛对植物的生长十分重要, 但也使植 物对各种生物攻击更为敏感。 近年来, 有研究认为生 长素可以帮助病菌侵袭植物, 然而其作用机理仍然未 知。华 中 农 业 大 学 王 石 平 研 究 组 在 水 稻 GH3-8 基因 的 研 究 中 发 现 了 一 些 重 要 线 索, GH3-8是生长素原初 响应基因家族 GH3中的一员, 编码一个IA A氨基化合 成酶, 该酶通过抑制自由 IA A 的积累, 调节生长素在 水稻中的平衡。白叶枯病病菌(Xanthomonas oryz ae pv. oryzae)感 染 导 致 水 稻 合 成 IAA , 造 成 自 由 IAA 的 积累, 从 而 诱 导 细 胞 壁 扩 张 蛋 白 (expans in)的 表 达。 而超表达 GH3-8抑制了自由 IA A 的积累, 并 抑 制 细 胞 壁扩张蛋白的表达, 从 而 阻 断 了 上 述 过 程, 使水稻的 抗病能力得到增强, 但同时也使植物发育迟缓, 造成 形 态 学 异 常。 进一步的研究表明, 超表达 GH3-8所造 成的水稻抗病能力增强并不依赖水杨酸或茉莉酸介 导的抗病途径(Ding et al. , 2008)。 GH3-8的 双 重 作 用 也暗示该基因是植物发育与抗病信号互作中的交叉 点。 在豆科植物根与根瘤菌共生关系的建立过程中, 宿主细胞通过受体激酶(如SymRK)接受根瘤菌信号。 在百脉根中, NI N(NODULE INCE PTION) 与根瘤菌进 入根细胞及根瘤发生的调控有关 。华 中 农 业 大 学 生 命 科 学 技 术 学 院 张 忠 明 研 究 组 研 究 了 S y mRK 互作 蛋白 S IP 在 百 脉 根 早 期 根 瘤 发 育 中 的 表 达 和 功 能。4植物抗性与信号转导植保素(phytoalexin)是植物在受到病原菌或某些环境 因素刺激后产生的一类具有抗菌活性的小分子次生 代谢物。模式植物拟南芥中的主要植保素是 camalexin。虽 然 利 用 中 间 产 物 标 记 和 camalexin 缺 陷性突变体筛选的方法, 已对其合成及调节相关的酶 有一定了解, 但对于 camalexin合 成 的 信 号 来 源 却 缺 乏认识 。中 国 农 业 大 学 任 东 涛 研 究 组 与 密 苏 里 大 学 张舒群研究组合作研究发现: 在转基因植株中表达组 成型激活的 MK KK (△ MA PK K 和△ ME KK1)和 MK K (烟草的 Nt MEK 2DD), 可以持续激活 MPK 3 和 MPK 6, 并诱导 camalexin大量合成 。 将转基因植株分别与基 因敲除突变体 mpk 3和 mpk 6杂交后, 激活型 MK K 表 达诱导的 c am al ex in 量均明显降低。通过检测 camalexin 合成途径相关基因的转录水平发现, 色氨 酸(Trp)合成途径 、由 Trp 合成 IAOx 及由 IA Ox 合成 c amalex in 整 条 途 径 上 多 个 基 因 的 转 录 被 协 同 激 活 , 这些基因的激活转录倍数在 mpk 3和 mpk 6突变体中 明显减少 。因此推测, MPK 3 和 MPK 6 参与的 MA PK 级联系统激活, 可能导致了某个(些)转录因子的激活, 从而激活整条 camalexin合成途径, 进而诱导其合成 (Ren et al. , 2008)。该 研 究 结 果 证 明 拟 南 芥 中 MP K3 和 MPK 6 参与的 MAP K 级联信号系统的激活是诱导 camalexin 合 成 的 关 键 信 号, 为阐明 camalexin 合成 的信号转导途径提供了重要依据。 植物利用受体激酶例如 FLS 2 和 EFR, 来识别细 菌病原菌并激发植物先天免疫, 然而这种免疫经常被 细菌效应蛋白所抑制, 使得病原菌能够在植物中繁殖392植物学报44(4)2009结果表明, 该蛋白与NI N基因表达的调节及根瘤菌与 宿主细胞的信号交流有关(Zhu et al., 2008b)。基因的 39 个不同的 T-DNA 插 入 株 系 进 行 分 析 发 现, 其中 2 个 亚 家 族 中 的 3 个 基 因 的 5 个 T-DNA 插入株 系 有 可 见 的 突 变 表 型, 如 UBP 15 基因的 2 个 T-DNA 插入株系 ubp15-1 和 ubp15-2 有 叶 片 变 窄, 根、茎、 角果变短以及花变小的表型, 推测 UBP 15 可能是通 过调控影响细胞周期蛋白质的活性和数量而行使功 能的。这项工作为进一步深入开展 UB P 家 族 基 因 在 植 物 发 育 方 面 的 功 能 研 究 提 供 了 很 好 的 基 础 (Liu et al., 2008d)。 Argonaut e(AGO)蛋白募集小 RNA 来形成 RNA 干 扰效应复合体核心 。拟南芥编码 10 个 A GO 蛋白和 大量的小 RNA, 这些小 RNA 是如何被分选到特异的 AGO 复 合 体 中 还 不 清 楚。北 京 生 命 科 学 研 究 所 戚 益 军 研 究 组 在 该 方 面 的 研 究 取 得 巨 大 进 展。他 们 首 先 按小 RNA 的去向将 AGO 蛋白分为 4 种 AGO复合体。 AGO2 和 A GO4 倾向募集带有一个 5' 末端腺苷的小 RNA , 而 A GO1 则 吸 引 带 有 5' 末 端 尿(嘧 啶 核)苷的 microRNA(miRNAs )。AGO5 主要结合以胞嘧啶起始 的小 RNA。改变一个 miRNA 的 5' 末端核苷能够按预 期指引它进入新的 AGO复合体并改变它的生物学活 性。这 些 结 果 揭 示 了 小 RNA 的序列在其被分选进入 AGO 复合体过程中所起的重要作用 。该研究结果暗 示 AGO复合体的特异化可能涉及 5'末端结合口袋的 重构, 以便其能够接纳特定的小RNA序列, 从而在进 化 上 可 能 解 释 为 什 么 mi RN A 都 是 以 尿 嘧 啶 起 始 的 (Mi et al. , 2008)。5蛋白降解和RNA代谢蛋白的泛素化是生物体转录后调控的一个重要环节, 通过 E 1、E 2 和 E 3 类 酶 的 级 联 反 应, 体内蛋白质被 泛素化, 蛋白质底物的命运由其所连接泛素的数目和 方 式 决 定。泛 素 介 导 的 蛋 白 质 降 解 参 与 细 胞 多 种 功 能途径, 进 而 影 响 生 物 体 的 各 种 功 能 。CUL4-DDB 1 泛素连接酶已经被证实参与了很多重要的细胞调控 过 程 。 在 人 的 研 究 中 已 经 建 立 了 R O C 1 / R B X1 CUL4A-DDB1-DCAF E3连接酶复合体底物募集模型, 那 么 在 拟 南 芥 中 情 况 又 是 怎 样 的 呢？ 北大 - 耶鲁联 合 研 究 中 心 邓 兴 旺 研 究 组 对 拟 南 芥 中 的 人 DCA F1/ VprB P同源蛋白进行了鉴定和功能分析, 并利用酵母 双杂交技术证实了拟南芥 DCAF1 和 DDB 1 存在直接 相 互 作 用。免 疫 共 沉 淀 实 验 进 一 步 证 实 了 这 种 相 互 作用, 同时还发现 DCA F1 能和 COP9 及 RE LA TE D TO UB IQUITIN-modified CUL4发生直接作用。 绿色荧 光 蛋 白 标 记 结 果 显 示 CUL4-DDB1-DCA F1 定位于细 胞核内。突变体研究表明 DCAF1完全缺失会使胚胎 发育停滞在球形胚时期, 部分缺失则会造成不同程度 的植株发育缺陷, 说明拟南芥CUL4-DDB1-DCAF1 E3 连 接 酶 复 合 体 参 与 很 多 重 要 的 生 物 学 过 程 。该研究 为下一步找到与 DCAF1相互作用的蛋白从而更好地 揭示 DCAF1分 子 在 植 物 发 育 过 程 中 所 起 的 作 用 奠 定 了坚实的基础(Zhang et al., 2008d)。 泛素特异的水解酶(ubiquit in-specific proteases, UB Ps )是存在于真核生物中的一类保守蛋白家族, 在 蛋 白 质 去 泛 素 化 的 过 程 中 起 到 关 键 作 用。它 们 可 以 通过切割蛋白质所连接的泛素分子, 从而影响蛋白质 底 物 的 功 能 和 命 运。在 拟 南 芥 中 至 少 有 64 个 UB P 家 族基因, 但是目前对 UBP 基因功能所知甚少。邓兴 旺研究组还对该家族的 27个 UB P基因进行了遗传和 表达模式的系统分析 。这 27 个 基 因 可 分 为 14 个亚 家族, 它 们 的 表 达 模 式 各 不 相 同。通过对 25 个 UB P66.1细胞物质运输与营养的吸收和转运蛋白的定向运输细胞中可溶性蛋白质定位到液泡上需要蛋白质上的 液 泡 分 选 决 定 子(vac uolar s o rt ing d et ermina nt s , V S Ds )和 液 泡 上 的 液 泡 分 选 受 体(vac uolar s ort ing receptor, VSR)间的相互识别 。在植物细胞中, 含有 VS R的前液泡(pre-vac uolar compartments , P VCs )是 介导蛋白质从高尔基体向液泡运输的重要膜性细胞 器。 解 酶 向 水 解 性 液 泡(lytic vacuole, LV )以及贮存 水杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展393蛋白向蛋白贮藏液泡(protein s torage vac uole, PS V) 的运输涉及多条运输途径 。但 是 在 这 些 过 程 中 PV C 的 具 体 性 质 尚 不 清 楚。香 港 中 文 大 学 生 物 系 姜 里 文 研究组利用在悬浮细胞中瞬时表达 aleurain-GFP 和 2S albumin-GFP 的方法, 研究了水解酶和贮存蛋白 分别向 LV 和 PS V 运输过程中 PV C 所介导的运输途 径。他 们 的 研 究 结 果 表 明, 在烟草 BY-2 悬 浮 细 胞 以 及 拟 南 芥 悬 浮 细 胞 中 aleurain-GFP 和 2S albuminGFP 向液泡的运输都利用同一 PV C 群体。这些 PV C 都可以被 7 种 GFP-At VS R 所标识 。用磷脂酰肌醇 3-激酶(phosphatidylinos itol 3-k inase, PI3K )的抑制剂 wortmannin 处理细胞, 发现 PV C 中的 mRFP -A tV SR 定 位 于 其 膜 上 , 而 可 溶 性 的 aleu rain-G FP 或者 2S albumin-GFP 则定位于 PV C 的腔内, 说明在 PV C 内 可 能 存 在 运 载 体 与 受 体 的 相 互 作 用( Mi a o e t a l. , 2008)。 该研究对于解释前液泡在蛋白质向液泡运输 过程中的作用及机理提供了重要的依据。 植物叶绿体内含有大约 3 500－4 000 种蛋白质, 这些蛋白质中的绝大部分是由细胞核基因所编码, 并 在 细 胞 质 中 合 成 后 才 被 运 送 到 叶 绿 体 内。因 此 研 究 蛋白质如何被运输至叶绿体是光合作用研究的重要 课题。蛋 白 质 的 运 输 是 由 叶 绿 体 被 膜 上 的 运 输 机 组 (translocon)完成的, 虽 然 许 多 运 输 机 组 成 员 已 被 发 现, 但在蛋白质运送过程中, 各个成员到底扮演什么 角色以及运送过程的连续步骤, 至今仍不清楚。“中 央研究院 ” (中国台湾)分子生物研究所的研究人员发 现运输机组成员 Tic40 在 蛋 白 质 从 叶 绿 体 基 质 重 新 插入到内被膜的过程中扮演重要角色, 该研究结果加 深了人们对叶绿体建成的认识(Chiu and Li, 2008)。到一个与 phr agmop las t in 互 作 的 蛋 白 P HI P 1。对 PHIP 1 蛋白的研究发现, 它含有多个功能性基序, 包 括 1 个富含赖氨酸的结构域、2 个 RNA 识别基序和 3 个 CCHC 类型的锌指结构 。蛋白质数据库的分析结 果 表 明 P HI P 1 是 一 个 植 物 特 有 的 R NA 结合蛋白 。 PHIP 1 不仅与 phragmoplastin相互作用, 同 时 还 与 小 G- 蛋白 Rop1 和 Ran2 相互作用。PHIP 1 的 锌 指 结 构 虽然并不参与 PHIP 1 与 phragmoplastin 和 Rop1的相 互作用, 但是参与 PHIP 1 与 Ran2 mRNA 的结合。进 一 步 通 过 免 疫 荧 光、RNA 原位杂交和绿色荧光蛋白 标 签 等 方 法, 证明 P HIP 1 是 与 植 物 细 胞 胞 质 分 裂 过 程 中 细 胞 板 的 形 成 相 关 联 的 。该 研 究 证 明 了 PHIP 1 是 一 个 新 的 R NA 结 合 蛋 白, 关键作用(Ma et al., 2008a)。 OsS CA MP 1 是定位在质膜和 TGN(t rans -Golgi net work )/ 早 期 胞 内 体(endos ome)上 的 蛋 白 质, 香港 中文大学生物系姜里文研究组及其合作者利用稳定 表达 Os SCA MP1-YFP 的转基因 BY-2 烟草悬浮细胞 研 究 了 胞 质 分 裂 过 程 中 细 胞 板 形 成 的 机 理 。在分裂 细 胞 进 入 胞 质 分 裂 过 程 时, OsS CAMP1 标 记 的 结 构 在分裂面上富集, 并逐渐整合到形成和延伸中的细胞 板内。他 们 的 研 究 还 表 明 高 尔 基 器 倾 向 于 在 邻 近 分 裂 面 处 累 积 , 但 明 显 不 在 细 胞 板 上 。而 P V C( pr evac uolar compartment)结构虽位于向外扩张的细胞板 边缘, 但没有证据显示这些结构能与细胞板融合。 该 研究支持细胞板的形成主要是一个分泌过程的观点, 且此过程涉及大量 TGN/ 早 期 胞 内 体 膜 的 整 合(Lam et al., 2008)。 并且提出该蛋白在 mRNA 向 细 胞 板 邻 近 区 域 进 行 极 性 运 输 的 过 程 中 起6.2细胞板的发生6.36. 3.1营养吸收和转运的调控磷营养吸收及稳态调控植物细胞的胞质分裂是通过在子细胞间形成新的细 胞板而完成的 。在 植 物 细 胞 中 有 众 多 的 蛋 白 质 参 与 到 细 胞板的形成过程中 。华中农业大学生命科学技 术学院农业微生物学国家重点实验室张忠明研究组 在发现一个参与细胞板膜管和囊泡网络形成的蛋白 质phragmoplastin的基础上, 进一步在拟南芥中鉴定植物根从土壤中吸收矿质营养, 然后将其分配至整个 植株。根 对 矿 质 营 养 的 吸 收 和 植 株 对 矿 质 营 养 的 需 求之间必须达到平衡, 才能维持植物的正常生长和发 育, 因 此 在 植 物 的 根 冠 间 需 要 进 行 长 距 离 的 通 讯 。 “中央研究院 ” (中国台湾)邱子珍(Chiou Tz yy -Jen)研394植物学报44(4)2009究组的前期工作证明, mic roRNA399s (miR399s)通过 调控 PHO2(编 码 泛 素 连 接 酶 E2 24)的表达而控制无 机磷(Pi)的体内平衡; 过量表达miR399的拟南芥植株 或者拟南芥 pho2突变体中 Pi 在苗中富集; miR399和 PHO2 与 Pi 转 运 的 相 关 性 以 及 它 们 在 维 管 组 织 中 共 表 达 的 特 性 表 明 它 们 可 能 参 与 长 距 离 的 信 息 传 递。 在最近的研究中, 该研究组利用交替嫁接野生型和过 量表达 miR399 拟南芥植株的方法分析了 miR399 和 P HO2 的 系 统 作 用。过量表达 miR3 99 的 拟 南 芥 中 PHO2 的表达受到抑制, 以 其 根 为 砧 木, 野 生 型 拟 南 芥为接穗, 发现Pi在接穗中富集; 如果以野生型为砧 木, 转基因植株为接穗, 在砧木中发现有一定数量的 成熟 miR399, 表明存在 miR399 由 苗 向 根 的 运 动 。 miR399f 比 miR3 99b 或 miR3 99c 能 更 有 效 地 抑 制 PHO2 的表达。利用烟草(Nicot iana b ent hamiana)所 做 的 嫁 接 实 验 得 到 了 与 拟 南 芥 同 样 的 实 验 结 果。进 一步对 pho1突变体进行分析, 也证明 miR399从 Pi耗 竭的苗向 Pi 充足的根的运动诱导了 PHO2 的系统性 抑制。因此, 在 P i 缺 乏 的 起 始 过 程 中 miR399s 从苗 向根的长距离运动可能对于促进 Pi 的吸收和运输是 非常关键的 。此外, miR399s 剪切介导的 P HO2 的 s iRNA s 可 能 在 精 细 调 控 P HO2 的 抑 制 方 面 起 作 用 (Lin et al., 2008c )。 这一研究为探明植物矿质营养吸 收过程中长距离信息传递的机理提供了重要的证据。 磷 元 素(P)是 生 物 体 必 需 的 一 种 大 量 元 素 , 但是 其化学性质决定了它在土壤中的生物可利用率很低, 因此植物必须演化出精细复杂的代谢和发育调控策 略来应对这种缺乏 。浙 江 大 学 生 命 科 学 学 院 吴 平 研 究组发现, 拟南芥中的 4 个基因 At SPX 1－At SPX 4 都 编码一个 SP X domain, 它是一个亲水且保守程度较 低的结构域, 存在于多种蛋白尤其是信号转导蛋白的 N 末端 。该 蛋 白 家 族 可 能 通 过 与 相 应 蛋 白 的 直 接 结 合而在信号转导中行使功能 。对 拟 南 芥 突 变 体 phr1 和 siz 1植株进行磷酸盐饥饿处理实验, 4个 At SP X 基 因的表达都有不同程度的降低, 表明它们是包含 S I Z1 / P HR 1 的 磷 酸 信 号 转 导 网 络 的 组 成 部 分 。但 At SPX1－At SPX4 的 C末端 GFP 融 合 蛋 白 的 亚 细 胞 定位不同, 表明这 4 个基因存在功能上的差异 。 对植物 进行磷酸盐饥饿处理, At SPX 1 和 At SPX 3 的表达受 到强烈诱导, 但二者的动态表达模式有所区别; 而在 同样的条件下, A tS P X2 表达受到的诱导较弱, At SPX 4 表 达 则 被 抑 制。在不同条件(磷酸盐充足或 缺乏)下过量表达 At SPX 1 及通过 RNA i 抑制 At SP X3 表达, 结果表明, AtS PX1 和 At SPX3都在植物对磷酸 盐 饥 饿 的 响 应 中 起 正 调 控 作 用 ; A t S P X3 还可能在 At SPX1 对 磷 酸 盐 饥 饿 的 响 应 中 起 负 反 馈 调 节 作 用 。 从这 4 个 At SP X 基因对磷饥饿响应的不同表达模式 来看, 含有 SP X domain 的植物基因参与了植物磷酸 盐营养稳态的调控, 并且具有功能上的多样性(Duan et al. , 2008)。该 研 究 组 还 在 水 稻 中 克 隆 和 鉴 定 了 2 个 与 磷 饥 饿 信 号 转 导 相 关 的 转 录 因 子 Os P HR 1 和 Os PHR2, 它们通过调控磷饥饿诱导基因的表达而起 作用。 在磷充足条件下, Os PHR2超表达植株的茎中 过度积累 Pi, 同时表现出磷饥饿胁迫的表型, 如促进 根的伸长和增加根毛形成 。说明 Os PHR2 通过系统 性和区域性 2 条途径在 Pi 依赖的根构型改变过程中 发 挥 作 用, 磷 充 足 条 件 下 OsP HR2 超 表 达 植 株 中 P i 转 运 体 表 达 的 上 调 与 磷 含 量 增 加 相 关(Zhou et al. , 2008a)。该 项 研 究 为 磷 高 效 水 稻 的 分 子 育 种 提 供 了 理论基础 。 此外, 吴 平 研 究 组 还 通 过 突 变 体 筛 选 获 得 了 对 NH 4+ 超敏感的拟南芥 hsn1 突变体。 引起突变的位点 编码一个 GDP - 甘 露 糖 焦 磷 酸 化 酶 (GDP mannos e py rophos phorylase, GMPas e), 实验证实NH 4+抑制该 酶的活性 。进 一 步 的 研 究 表 明, 该酶蛋白的糖基化 、 蛋白去折叠和细胞死亡都是根感应 NH 4+之 后 的 下 游 事件, 导致植株生长受抑制(Qin et al., 2008)。 6. 3.2 硝态氮的根茎运输硝 态 氮(NO 3－)从 根 向 地 上 部 茎 的 长 距 离 运 输 首 先 要 进行木质部的装载, 植物中的NRT1 和 NRT2 两个转 运蛋白家族与此过程相关, 它们负责吸收 NO 3－。 中 “ 央研究院 ” (中国台湾)蔡 宜 芳 研 究 组克隆了 NRT1 成 员 NRT1.5, 他 们 将 该 基 因 的 cDNA 注射到爪蟾卵母杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展395细胞, 经过分析发现 NRT1. 5 是一个低亲和且依赖于 pH的双向运输体, 定位于质膜上, 在木质部附近的中 柱 鞘 细 胞 中 表 达。敲 除 或 消 减 该 基 因 后, NO 3 － 从根 向茎的运输减少, 说明 NRT1. 5 在 木 质 部 的 装 载 中 起 作用, 然而, 基因敲除并不能完全阻断 NO 3－ 的运输。 在另一个 NRT1 成员 NRT1. 1 的突变体 nrt1.1-5 中反 义表达 NRT1. 5, 也不能影响根到茎的 NO 3－ 运输, 说 明还存在着其它根茎运输机制(Lin et al., 2008b)。能 力 的 增 强 是 由 T- DN A 插 入 激 活 ho meo do mai nSTART 转录因子引起的 。超 表 达 该 转 录 因 子 的 烟 草 抗旱能力增强, 这与根构型改善以及叶片气孔密度减 少有关。此项工作证明, homeodomain-START 转录 因子是一个提高植物抗干旱能力的关键调控因子(Yu et al., 2008b)。 长醇或多萜醇是一类长链不饱和多聚异戊二烯, 参 与 蛋 白 糖 基 化 等 蛋 白 翻 译 后 修 饰 过 程。长 醇 的 累 积被视为细胞衰老的标记, 它在植物体中的功能尚不 清楚。中 国 农 业 大 学 生 物 学 院 巩 志 忠 研 究 组 的 张 海 荣等通过 E M S 诱 变 筛 选 抗 旱 或 者 干 旱 敏 感 的 突 变 体, 得到一个在正常水分条件下即出现叶片萎蔫的拟 南 芥 突 变 体, 命 名 为 lew1(leaf wilting mut ant 1)。通 过图位克隆分离到 LEW 1基因。 体外实验证明, 该基 因 编 码 一 个 顺 式 异 戊 烯 转 移 酶, 能催化C80左右链长 多萜醇的合成; 同时LEW 1部分互补了酵母同源基因 突变体 rer2, 进而从体内证实了 LEW 1具有聚异戊烯 焦磷酸合成酶的活性, 表明LEW 1为一个新的编码顺 式 异 戊 烯 转 移 酶 的 基 因 。LE W 1 突变显著地降低了 植 物 体 内 C80 和 C85 多 萜 醇 的 含 量, 细胞膜受到破 坏, 因 此 叶 片 易 萎 蔫, 蛋 白 糖 基 化 也 受 到 影 响, 推测 长 醇 可 能 参 与 了 细 胞 对 内 质 网 胁 迫 的 反 应 。在干旱 条件下, 突变体 lew1 中分子伴侣 BiP 2 及上游转录因 子 At ZIP60 的 表 达 量 远 比 野 生 型 的 高; 同时, 突变体 lew1 在高温 、黑 暗 及 无 糖 条 件 下 会 更 早 地 出 现 黄 化 死亡现象, 而一定的渗透胁迫可以减缓突变体的这些 死亡过程 。在干旱、高 盐 及 高 渗 诱 导 下, 突变体 lew1 中 RD29A、COR47及 RD22的表达量快速升高, 因此 LE W1 突 变 可 能 激 活 了 一 种 渗 透 胁 迫 的 早 期 应 答 机 制, 从而在正常水分条件下出现了水分缺乏的叶片萎 蔫 表 型, 使 植 物 更 早 地 适 应 干 旱 胁 迫 (Zhang et al. , 2008b)。该 研 究 工 作 首 次 从 多 细 胞 生 物 中 克 隆 到 一 个参与糖基化途径的多萜醇合成基因, 同时证明了在 植物中存在糖基化途径参与的响应渗透胁迫的机制。 核因子 Y(NF-Y )是一个遍在转录因子, 由 3 个独 立的亚基 NF-Y A、NF-Y B 和 NF-Y C 组成。朱健康与 中国农业大学等单位的合作研究表明, 拟南芥中77.1环境胁迫与适应生物胁迫的适应机理虫害是农业生产中常年面临的问题, 因此研究昆虫与 植 物 相 互 作 用 机 理 的 意 义 重 大 。武汉大学何光存研 究组的郝培应等研究了水稻 - 褐飞虱之间的相互作 用(Hao et al. , 2008b), 发现与敏感品种相比, 褐飞虱 在 抗 性 水 稻 品 种 叶 片 上 停 留 的 时 间 较 短。褐 飞 虱 吸 食口针的插入可以诱导水稻维管束筛板产生胼胝质, 从 而 有 效 阻 止 营 养 物 质 向 口 针 插 入 点 的 运 输 。在敏 感水稻中, 虽 然 也 形 成 了 胼 胝 质, 但是很快就被褐飞 虱诱导表达的 β-1,3-葡聚糖酶降解, 营养物被昆虫吸 走, 致使植物体内蔗糖含量下降, 后者进而诱导与淀 粉 降 解 相 关 的 基 因 RA my3D 表达, 最 终 导 致 碳 水 化 合 物 匮 乏 和 植 株 死 亡。这 些 研 究 结 果 为 深 入 理 解 水 稻的抗虫机理奠定了很好的基础。7.27. 2. 1非生物胁迫的适应机理干旱 、氧化 、盐 及 冷 胁 迫干旱是影响植物生长和农业产量的重要环境限制因 子之一。 为阐明植物抗旱机制和分离抗性基因, 中国 科技大学向成斌研究组与美国加利福尼亚大学及爱 荷 华 大 学 合 作, 对 拟 南 芥 进 行 功 能 获 得 性 遗 传 筛 选, 得到了一个抗干旱突变体, 命名为enhanced drought tolerance1。 突 变 体 根 系 发 达, 根深且侧根多, 并具 该 有叶片气孔密度减少的表型。该 突 变 体 的 AB A、脯 氨酸以及超氧化物歧化酶的含量增加, 对氧化胁迫的 抗性增强 。 子 遗 传 学 实 验 证 据 表 明, 该突变体抗旱 分396植物学报44(4)2009NFYA 5 的转录受到干旱的强烈诱导。NFYA 5在维管 组 织 和 保 卫 细 胞 中 高 表 达, 该基因包含 1 个 miR169 靶位点, 当其与 miR169 结合后将会发生基因剪切或 翻译抑制 。他 们 的 实 验 结 果 表 明, miR169 的表达受 干旱(依赖于 AB A 途径)抑制。miR169 和 NFYA 5共表 达实验证明, miR169a 对 NFY A5 mRNA 水 平 的 抑 制 比 mi R1 69 c 更加有效 。n f y a5 基 因 敲 除 突 变 体 与 miR169a超 表 达 植 株 的 叶 片 失 水 严 重, 对干旱胁迫更 加敏感; 而超表达 NFYA 5 的植株则表现出叶片失水 减少, 抗 旱 能 力 增 强 。基 因 芯 片 数 据 分 析 还 表 明, NF Y A 5 对 于 大 量 干 旱 胁 迫 应 答 基 因 的 表 达 至 关 重 要。因 此 研 究 者 认 为, NFY A5 对于植物的抗旱性非 常重要, 干旱胁迫对它产生的诱导作用发生在转录和 转录后 2 个水平(Li et al., 2008d)。 正常条件下, 植物根的生长有明显的向地性。 而 在逆境条件下, 根系的发育也呈现高度的可塑性以适 应 不 良 环 境。 例如在盐胁迫下, 拟 南 芥 植 株 根 的 生 长 受 抑 制, 数目减少, 而 且 根 生 长 的 方 向 也 发 生 改 变, 导 致 根型发生显著变化 。中国科学院遗传与发育生 物学研究所李霞研究组通过研究离子感受信号途径 与重力感受信号途径之间的相互作用, 发现盐胁迫导 致根对重力信号反应减弱从而使根的生长方向发生 改变。 有趣的是在野生型植物中, 能引起根对重力反 应 发 生 改 变 但 并 不 导 致 植 物 死 亡 的 盐 浓 度(50、100 和 150 nmol .L )可以诱导根柱细胞(root columella－1非常重要的作用。 华中农业大学熊立仲研究组在水稻研究中发现, 碱性亮氨酸拉链(bZIP )转录因子家族成员 Os bZIP 23 的表达受到多种胁迫如干旱、盐、AB A 以 及 聚 乙 二 醇的强烈诱导, 而该家族的其它胁迫应答基因只受到 1 种或 2 种 胁 迫 的 轻 微 诱 导。 在酵母中的转录活化分 析实验表明, OsbZIP23是转录激活因子, 其 N端序列 (1－59 位氨基酸)和近 C 端序列(210－240位氨基酸)对 它的转录激活功能是必需的。 超表达 Os bZI P23的植 株 对 干 旱 和 高 盐 的 耐 受 性 明 显 提 高, 且对 A BA 超敏 感。另 一 方 面, 该 基 因 的 缺 失 突 变 体 对 高 浓 度 A B A 的敏感性下降, 对 高 盐 和 干 旱 胁 迫 的 耐 受 性 降 低。 基 因 芯 片 和 实 时 定 量 P CR 实 验 结 果 表 明, 在 超 表 达 Os bZI P23的水稻植株中, 有数百个基因表达被上调 或下调 。其 中 一 半 以 上 的 基 因 对 胁 迫 应 答 具 有 不 同 的功能。此外, 通过比较超表达和 Os bZI P23 突变体 植株的表达谱, 克 隆 了 30 多个可能的 Osb ZI P 23 特 异 性 靶 基 因。该项研究表明, Os bZI P23 作 为 一 个 转 录调控因子, 可 以 通 过 依 赖 A BA 的途径调控多种胁 迫 相 关 基 因 对 非 生 物 胁 迫 的 应 答 ( Xi a n g e t a l . , 2008b)。 中国农业科学院生物技术研究所黄荣峰研究组 的前期工作表明, JERF3是一个乙烯应答因子(ERF), 表达 JE RF3 的烟草试管苗更能适应盐胁迫 。在氧化 胁迫下, J E RF3 的 转 录 调 控 使 植 株 对 非 生 物 胁 迫 的 耐 受 性 增 强。最新研究(W u et al., 2008d)表明, 超表 达 J E R F3 的 烟 草 在 种 子 萌 发 和 幼 苗 发 育 阶 段 对 干 旱、 冻 和 渗 透 胁 迫 的 适 应 能 力 增 强, 渗透胁迫相关 冷 基因的表达增高, 光合碳同化作用和具有氧化特性的 基因表达被激活, 随之超氧化物歧化酶活性增加。 而 干旱、 冷冻、 盐和脱落酸处理的烟草 ROS 含量降低 。 这表明 JE RF3也通过调控氧化胁迫途径而应答非生 物胁迫。 时 表 达 检 测 证 明, JERF3能激活由渗透应 瞬 答的 GCC 盒、DRE、CE 1 和由氧化应答的 as-1 驱动 的 报 告 基 因 的 表 达, 说明 JE RF3 对氧化胁迫和渗透 胁 迫 应 答 基 因 的 表 达 具 有 转 录 激 活 效 应。JE RF3 通 过激活这些基因的转录, 使ROS积累减少, 从而增加cell)内的淀粉体(amy loplast )发生迅速降解并随后缓 慢恢复, 但 在 盐 敏 感 sos (s alt overly s ensitive)突变 体中却没有观察到类似现象(25 nmol.L－1 和50 nmol. L ), 尽管sos突变体对重力的响应程度也显著降低 。 深入的研究表明, 在盐处理条件下野生型中与根响应 重力密切相关的生长素外向载体 PIN2的转录水平先 被下调, 随后恢复, 而 PIN2 蛋白量明显降低, 其极性 定位也受到抑制 。而 sos 突变体中 PIN2 的 转 录 水 平 不再受盐胁迫的诱导发生变化(S un et al. , 2008)。 该 研究证明了盐胁迫改变根的向地性是通过调控 PIN2 的表达及极性定位来完成的, 在这一植物感受重力信 号 和 响 应 盐 胁 迫 的 交 互 作 用 中 , S OS 信号途径起着－1杨维才等: 200 8 年中国植物科学若干领域重要研究进展397烟草对干旱、冷冻和盐的适应性。 在真核细胞中, 染色质中的组蛋白修饰是基因表 达 调 控的关键性控制点 。由组蛋白乙酰转移酶或去 乙酰化酶、WD40- 重复蛋白和许多其它成分组成的 蛋 白 复合物}