植物所研究进展 - 图文

植物所研究工作揭示木质素与小麦抗倒伏之间的关系

近日，马庆虎研究组通过对木质素代谢与基因表达分析，揭示了木质素合成与小麦抗倒伏之间的关系，并定位了与抗倒伏相关的木质素基因。该成果发表在Journal of Experimental Botany杂志上。

小麦的倒伏是影响其稳产高产的一个重要因素。倒伏是一个由生理、遗传、栽培和环境等多因素调控的数量性状，对其分子水平的调控机理尚需要深入的研究。在农业生产上，通过矮化基因的开发和育种曾经有效地缓解了小麦倒伏危害的发生，但是随着株高的降低会影响小麦生物产量的潜力，因此通过增强茎秆强度，在不降低株高的情况下提高小麦的抗倒伏特性对开发高产小麦具有重要意义。木质素是植物细胞壁中起机械支持的重要高分子物质。马庆虎研究组分离了在小麦茎秆中高度表达的木质素合成关键酶基因—咖啡酸甲基转移酶基因（COMT），通过生化和转基因分析证明COMT 在控制松柏醇型木质素上发挥着重要作用，COMT基因的表达在抗倒伏小麦生长发育后期明显高于易倒伏品种，这种基因的高表达进一步促进了COMT酶蛋白和酶活力的提高，并增强了木质素的合成。小麦的COMT基因定位在3B染色体上。

该研究成果对阐明木质素代谢与倒伏关系，并通过调控木质素代谢培育抗倒伏的高产超级小麦具有重要意义。 （发育中心供

稿）

植物所发现调节植物细胞极性建立和维持的关键代谢网络

非损伤选择性钙电极测定显示，调钙药物Trifluoperazine处理之后细胞顶端跨膜钙离子内流明显增加，而胞质钙离子浓度显著升高，游离钙离子浓度梯度被破坏，直接导致作为重要胞内钙库的线粒体、内质网等细胞植物所简报(09- )植物所发现调节植物细胞极性建立和维持的关键代谢网络-器发生膨大解聚，同时细胞骨架排布、胞吞胞吐活性和细胞壁组分沉积、柔性刚性平衡都发生明显变化。

近日，植物研究所林金星研究员领导的课题组通过差异蛋白质组学以及透射电镜技术、免疫荧光抗体标记技术等全面解析了我国重要树种青杄云杉花粉萌发和花粉管生长过程中细胞极性建立和维持的关键调节网络，鉴定并分析参与花粉管定向生长过程中胞质钙稳态维持的重要功能蛋白类群及其响应的特异时空模式。该成果发表在Plant Physiology杂志上。

青杄 (Picea meyeriMast.)，又名魏氏云杉、细叶云杉，松科、云杉属，为重要的观赏和用材树种，亦可入药，近年来其开发利用得到全世界的极大重视。裸子植物花粉萌发和花粉管生长是研究细胞极性建立和维持的理想模式体系，林金星课题组以此为研究体系，通过蛋白质双向电泳、串联质谱技术、透射电镜技术和细胞生物学等手段，分析参与胞质钙稳态维持的重要功能蛋白类群，发现各功能蛋白类群在不同发育阶段和生理条件下的响应具有显著的特异性，而蛋白类群的协调变化与细胞功能适应性是一致的，随着胞质钙离子浓度的变化，93个蛋白点直接参与了细胞极性的建立和维持过程，它们分别来自碳水化合物和能量代谢、细胞信号转导、细胞骨架动态变化、胞吞和胞吐过程、细胞壁重构等，构成了调节花粉萌发和花粉管极性生长的代谢网络。同时，根据各功能类群蛋白表达的变化模式和细胞学实验证据，研究者认为乙醇酵解途径是细胞响应胞质钙离子浓度变化时重要的能量代谢途径，参与了特定生理条件下ATP合成和能量供应。

该研究成果为深入了解细胞极性建立和维持提供了重要理论基础和实验依据。（发育中心供稿）

植物所研究人员报道水稻落粒基因的进化并探讨水稻驯化的过程和机制

近日，中科院植物研究所葛颂研究组和系统与进化植物学国家重点实验室海外学术顾问、密歇根州立大学桑涛教授合作，通

过对水稻落粒基因sh4的群体遗传学分析，揭示了选择对该基因影响，并探讨了水稻驯化的速率和可能机制。该成果发表在最近一期New Phytologist（2009, 184: 708－720）杂志上。

作物的不落粒对于作物生产具有重要意义。水稻落粒基因sh4是第一个被鉴定控制作物落粒的数量性状主效基因，由密歇根州立大学桑涛教授小组发表在2006年Science杂志上。为了进一步探讨该基因的进化历史，进而了解水稻驯化过程和机制，葛颂课题组和桑涛教授合作，对该基因的分子群体遗传学进行了研究。

通过选取籼稻和粳稻（Oryza sativa ssp. indica和O. sativa ssp. japonica）代表性品种以及代表水稻野生祖先种O. nivara和O. rufipogon的群体样品，他们对控制水稻落粒的两个位点sh4和qSH1的变异进行了研究，发现不落粒sh4的等位基因在所有栽培稻中都被固定下来，多态性极低。进一步的系统发育和群体遗传分析表明，sh4等位基因为单次起源，在水稻驯化过程中通过人工选择而得以固定。相反，对qSH1的选择在栽培稻indica和japonica中都不明显。进一步的分析表明，人类对sh4基因的选择很强，以至于该基因在100年内就被固定在栽培稻的居群中，因此推测考古学所报道的不落粒表型的缓慢固定可能是由于在水稻培育的早期对变异相对较弱的选择，而不是对于sh4的选择。

该研究从基因进化的角度为揭示栽培稻的起源提供了重要资料。

植物所研究发现脂筏极化参与活性氧介导的白杄花粉管顶端生长过程

近日，植物研究所林金星研究员领导的课题组通过细胞生物学和生物化学技术，揭示了脂筏和活性氧在花粉管极性生长顶端的极化分布现象，并证明了脂筏定位在活性氧生成过程中的作用。该成果发表在The Plant Journal杂志上。

脂筏是质膜上存在的一种富含甾醇物质的液相有序膜脂微区，参与真菌和动物细胞的极性形态建成和运动。该组研究人员利用显微注射和活体动态观测技术，在白杄（Picea meyeri）花粉管上观察到了脂筏在生长顶端的极性分布模式；动态观察结果还显示，快速生长花粉管的顶端和亚顶端胞质中同时存在两类性质不同的ROS组分。

此外，免疫印迹分析和非变性胶活性实验证实，NADPH氧化酶部分定位于脂筏中，而且该酶需要脂筏定位来保持酶活性。研究认为，在正常的细胞极性生长中，脂筏招募并运载NADPH氧化酶到细胞的生长顶端，并为该酶及其活性亚基的高效互作提供了适宜的微环境，由此保证了其产生ROS的较高酶活性。

该研究成果为阐明脂筏与植物细胞极性生长的关系，进而深入了解植物细胞极性建立和维持提供了重要的实验证据。（发育中心供稿）

田世平研究组解析线粒体蛋白氧化损伤调控果实成熟衰老的可能机制

近日，植物研究所田世平研究员领导的课题组通过蛋白质组学结合免疫杂交以及细胞生物学等技术解析了线粒体蛋白氧化损伤调控果实成熟衰老的可能机制。该成果发表在Journal of Proteome Research（2009, 8: 2449-2462）杂志上。

果实为开花植物特有的发育器官，在种子成熟和传播过程中发挥着重要作用，肉质果实也是人们饮食的重要组成部分。成熟衰老是果实的重要特征之一，解析果实成熟衰老的机制有着重要的理论和应用价值。根据“衰老的线粒体学说”，线粒体在细胞衰老过程中发挥着重要作用，但是其具体机理并不清楚，线粒体与植物衰老的关系更是鲜有报道。研究人员从活性氧代谢的角度，通过蛋白质组学、蛋白免疫杂交以及其他生理生化分析，揭示了线粒体蛋白氧化损伤与果实成熟衰老的关系。研究发现包括线粒体外膜蛋白、三羧酸循环相关蛋白以及抗氧化酶在内的线粒体蛋白在果实正常成熟衰老过程中发生了不同程度的氧化损伤。通过加速果实衰老和延缓衰老的方式，研究人员进一步从正反两个方面开展了工作，并认为这些蛋白在果实成熟衰老过程中可能发挥着重要作用。 该研究成果中所涉及的果实线粒体提取纯化、线粒体蛋白双向电泳，以及蛋白质氧化损伤等技术将为进一步解析线粒体在果实成熟衰老过程中的重要作用提供重要的技术平台。（发育中心供稿）

F-Box基因中序列分化的多种模式

F-box蛋白是SCF泛素连接酶复合体中识别底物的组分。在植物中, F-box基因的数目众多, 但相互关系和进化历史不清。中国科学院植物研究所孔宏智研究组在系统发育分析的基础上建立了被子植物中F-box基因分类和进化的基本框架, 鉴定出了高度保守的基因和快速进化的基因, 并清楚地揭示了进化方式与基因功能的相关性。进化上比较保守的基因在蛋白质结构上也比较保守, 可能被用来识别相对稳定的底物。快速进化的基因往往编码序列明显不同的蛋白质, 表明它们在功能上已经有了分化。在进化较快的基因中, 新基因产生的基本方式是串联重复, 而内含子序列的外显子化和外显子序列的假外显子化是重复基因在编码区和蛋白质序列上发生分化的主要方式。这一研究已经发表在美国科学院院刊上（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），对于理解F-box超家族中基因的结构和变化有重要指导意义。

植物所研究发现NO调节花粉管生长过程中胞内外Ca2+的变化和细胞壁构建

近日，中科院植物所林金星研究组利用细胞生物学手段，深入研究了裸子植物白皮松花粉管生长过程中，一氧化氮（NO）对钙离子、微丝骨架、囊泡转运和细胞壁构建的调节作用。该成果发表在New Phytologist杂志上。

NO作为重要的信号分子，参与调控花粉管极性生长。通过应用显微注射、非损伤微测、免疫荧光标记等技术，研究人员发现：NO释放剂促进花粉萌发和花粉管伸长，并且具有浓度效应，而抑制剂则抑制花粉萌发和花粉管生长，具有浓度效应，同时使花粉管顶端膨大，丧失极性；NO释放剂促进胞外Ca2+内流，顶端Ca2+浓度梯度增加，NO抑制剂抑制胞外Ca2+内流，顶端Ca2+浓度梯度降低；NO释放剂还能够促进囊泡运输，使花粉管顶端的细微丝束解聚，相反，NO抑制剂抑制囊泡运输，促进花粉管中微丝聚合，尤其在花粉管顶端形成粗的微丝束，并一直延伸到花粉管的最顶端；此外，NO使花粉管顶端酯化果胶增加而酸性果胶降低。 研究结果说明：在白皮松花粉管中，NO促进胞外Ca2+内流，从而维持胞内Ca2+浓度梯度，进而影响花粉管顶端微丝骨架的组装，促进囊泡运输，使花粉管顶端酯化果胶累积，最终促进花粉管的正常生长。（发育中心供稿）

植物所发现重要能源植物麻疯树油脂动员的关键代谢网络

近日，植物研究所沈世华研究组通过蛋白质组学、电镜技术等全面解析了世界著名生物柴油树种的油脂动员网络，描绘出胚乳中贮存油脂动员的亚细胞超微结构及其相关代谢酶类构成的过程图谱。该成果发表在Journal of Proteome Research杂志上。

麻疯树 (Jatropha curcas L.)，又名小桐子，多年生灌木或小乔木，种子富含油脂，是生产生物柴油的理想原料，近年来其开发利用得到全世界的极大重视。麻疯树油脂主要储存于成熟种子的肥厚胚乳中。通过蛋白质双向电泳、质谱技术、电镜技术和生化等手段，分析种子萌发过程中胚乳脂类及其脂肪酸构成、亚细胞超微结构、蛋白质组等的变化和关系，发现随着油体的解体和油脂的动员，至少50个胚乳蛋白质呈现动态变化，其中17个蛋白点直接参与了油脂动员过程，包括β氧化、乙醛酸循环、糖酵解、柠檬酸循环、糖异生、戊糖磷酸途径等构成了脂肪酸动员和利用的代谢网络。同时，根据脂肪酸组成的变化特点，推断至少有2个途径参与了油体中三酯酰甘油的动员过程。

该研究成果对油脂代谢基础理论、麻疯树新品种培育以及生物柴油的开发利用都有重要意义。

植物所发现胞外钙调蛋白可以对植物胞外信号传递

近日，中科院植物研究所发育中心林金星研究组利用量子点、FRET、显微注射、非损伤微测等新技术，以花粉细胞、BY-2及拟南芥悬浮细胞为材料，鉴定了植物胞外钙调素（CaM）在细胞外膜空间上的结合位点，并解析了胞外CaM对细胞生长的调控机制。该成果发表在Journal of Biological Chemistry，并被《自然中国》评为一周研究亮点。

据介绍，钙调蛋白（CaM）是一种高保守性的细胞内钙离子感应器。在植物中，胞外CaM也作为一个多肽信号影响许多生理功能，但是其在细胞质外的结合位点至今仍存在争议。该文章指出，科研人员利用CaM交联QD系统对植物细胞表面CaM结合位点进行单分子水平检测，发现QD-CaM能选择性的结合在质膜外空间，并且通过高分辨率透射电子显微镜进行了进一步定位，证实了胞外CaM结合位点确实存在于植物细胞膜表面，但在植物细胞壁上却没有CaM结合位点，此研究还为钠米技术在植物细胞研究的应用上提供了有力的证据。此外，研究人员还利用显微注射、FRET以及非损伤微测（SIET）等技术证明了胞外CaM在与其胞外结合为点结合后，可以引起胞内第二信使Ca2+信号的增强，这些发现都说明了植物胞外CaM可以通过介导跨膜信号而发挥其信号肽的功能。

该成果是由林金星研究组、中科院化学所方晓红研究组以及美国加州大学Davis分校教授William Lucas、植物所信号中心研究员刘春明以及河北师范大学的孙大业院士和崔素娟教授等共同完成。

光合膜色素蛋白质复合体和主要电子载体蛋白复合物的结构与功能及其调控

通过一级学科生物学、物理学、化学和农学交叉研究，在不同空间和时间尺度上对我国特殊生境植物和主要农作物光合作用高效吸能、传能和转能分子机理及其调控原理进行综合研究，为主要农作物光能转换效率在现有基础上提高20－30%提供理论依据及有效途径。

稻麦等主要作物光合作用光能利用效率的研究

针对稻麦等主要农作物光合作用的特点以及机理及其提高光效的新技术，进行了多方面研究。从分子、细胞、器官、个体及群体不同层次，在不同生育期及不同的日进程全方位的针对我国稻、麦、玉米和大豆等作物光合作用光能转化效率及其调节与控制原理，

系统地、深入地开展研究，在国际上尚未见有先例。获得了多项创新性的结果。

我国北方典型生态系统对干旱化的响应和适应

围绕干旱化，选择我国北方干旱半干旱地区典型生态系统：森林、草甸草原、农业、典型草原及荒漠草原生态系统，采用生态系统定位观测、优势植物对水热的模拟实验、样带考察及模型模拟等方法，从不同层次研究生态系统对干旱化的适应与调控机制，为生态系统的优化管理及国家\西部大开发\顺利实施提供依据。本课题创新性：(1)多种实验资料与研究方法的交叉验证与集成分析；(2)首次揭示了北方干旱化背景下羊草对干旱化与人类干扰的生态适应对策，探讨了干旱化背景下以羊草和红松为优势种的温带草原(北方环境的屏障和畜牧业基地)与温带森林(木材供应基地)的种类组成与功能的变化和发展趋势。该研究对于干旱化背景下科学管理和利用草地与森林资源提供了依据，为确保我国北方地区的生态环境的可持续发展具有重要的理论与现实意义。同时也为生态系统对全球变化的适应性研究提供了示范。

中国关键地区生物多样性保育的研究

选择了4个关键地区神农架地区、两湖平原湿地区域、东灵山地区、鄂尔多斯高原分别代表我国的亚热带森林、长江中游两湖平原湿地、温带森林和干旱荒漠的区域生态系统，对4个关键地区生物多样性及其功能进行多学科的深入研究，运用遥感、地理信息系统和地理定位系统、分子生态学、生理生态学和模型化方法等关键技术，完成了对四个关键地区的生物多样性编目和现状评估；阐明地带性植被中关键种和功能群等重要类群在维持生物多样性的生态系统功能中的作用；揭示10种主要濒危植物濒危的机制，并提出了相应的保育对策。

获奖年份 2007 2002 1999 1999 1997 成果名称 成果名称 沙漠化发生规律及其综合防治模式研究 中国兰科植物研究 中国种子植物的特有属 中国生物多样性数据管理与信息网络能力建设 中国华南早期维管植物的起源与演化 鉴定形式 组织鉴定单位 中国科学院 中国科学院 中国科学院 中国科学院 完成单位 鉴定日期 鉴定号观赏蕨类植物资源引种、离体保存与繁育技术研究 会议鉴定 鸢尾植物引种与筛选 重要藤本植物的引种、筛选和栽培适应性研究 芒果果实采后生理病理及贮藏保鲜技术研究 圆柏新品种‘迷你球桧’选育与评价

会议鉴定 会议鉴定 会议鉴定 中国科学院植物研究所 2005-4-26 中国科学院植物研究所 2005-4-26 中国科学院植物研究所 2005-4-26 中国科学院植物研究所 2005-11-30 [2005]0[2005]0[2005]0[2005]0

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