2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 - 种康 - 图文

植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (4): 412–459, www.chinbullbotany.com

doi: 10.11983/CBB15132 ·主编评述·

2014年中国植物科学若干领域重要研究进展

摘要 2014年中国植物科学高速稳步发展, 表现在具有原创意义的高质量论文迅速增长。中国科学家在植物学诸多领域, 如水稻(Oryza sativa)独脚金内酯信号转导途径、水稻代谢遗传调控、水稻育性的遗传调控机理及农业与环境生物学等取得了大量重要成果, 基因组研究从功能到进化、从模式作物扩散到各类经济作物, 表现出全方位多维度的整合研究态势。全球气候变化下碳汇响应机制取得重要进展。Nature等国际学术刊物高度关注中国植物科学特别是水稻生物学研究进展。该文概括性综述了2014年中国本土植物科学若干领域取得的重要研究进展, 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, 并与国内读者分享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, 2014年

种康, 王台, 钱前, 王小菁, 左建儒, 顾红雅, 姜里文, 陈之端, 白永飞, 杨淑华, 孔宏智, 陈凡, 萧浪涛 (2015). 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展. 植物学报 50, 412–459.

“主编评述”是我刊在2005年推出的特色栏目。每年刊登一篇, 已坚持10年, 深受读者的欢迎。本评述的目的是为了分享我国科学家所取得的杰出研究成果, 并帮助读者全面、系统地了解当前中国植物科学发展的前沿和热点。新一届(第7届)编委会将秉承这一理念, 客观综述中国科学家在本土所作出的重要科学贡献和亮点成果。中国科学的飞速发展促使高质量论文连年倍增, 2005年本土科学家在The Plant Cell级别的期刊上发表的文章也不过31篇, 而2014年达到73篇。这给我们综述增加了不小的难度, 因此, 有限的篇幅全面介绍难免会挂一漏万。本综述的主要资料来源于国际著名的综合性学术期刊以及植物科学的顶级刊物, 但不排除其它刊物论文的重要性。本评论至少可以显示中国植物科学的总体状况和发展趋势。下面我们将按照不同的研究方向简要回顾2014年中国植物科学领域取得的较重要的研究成果。由于资料收集和篇幅的限制, 难免疏漏, 请读者谅解。

近年来中国植物科学飞速发展引起了国际同行的高度关注。美国植物生物学家协会主席(Dr Alan Jones)在其会刊撰文, 比较分析了近10年欧美和中国的科研产出, 以及中国的科研投入和科学贡献, 高度评价了中国植物科学的高速发展。植物科学领域中三大顶级刊物The Plant Cell、Plant Physiology和The Plant Journal的一项统计数字显示, 中国植物科学呈现出强劲的发展势头。最近10年来, 美国和欧洲作者在这三本期刊上发表论文数所占比例持续下降,

而中国作者在The Plant Cell上发表文章所占比例快速上升至20%, 在Plant Physiology和The Plant Jour- nal 达到10%左右(Jones, 2014)。根据Web of Sci-ence统计, 2014年在三刊中发表文章数量较2013年提高6%以上(图1), 是10年前的3.5倍, 成为世界上发表高质量研究论文最多的国家之一, 并显现出强劲的上升势头。另外, 据我刊不完全统计, 2014年中国植物生命科学领域的科学家在植物学科及其相关学科主流学术期刊上共发表论文377篇, 其中129篇发表在最具影响力的刊物如Science、Nature系列、Molecular Cell、Developmental Cell、PNAS、EMBO Journal、The Plant Cell和Molecular Biology and Evolution上。与2013年的数据(330篇和131篇)相比, 稳中有升。

中国的水稻(Oryza sativa)生物学研究受到国际学术界的高度关注, Nature出版专刊Outlook系统介绍了中国水稻从基础研究到分子育种的重要研究进展(Li et al., 2014g)。欧洲的植物科学专业学术期刊Plant Cell Reports在2014年出版2期中国作者专刊, 发表中国作者在植物科学基础研究和生物技术研究方面的成果。该刊主编对中国学者的研究工作给予了高度评价(Hahne et al., 2014)。有数据显示, 中国科学家解析了水稻中140多个与生长发育、病虫抗性、胁迫耐受尤其是高产性状相关的基因功能。而在综合性国际顶尖杂志上发表的水稻产量相关的基因中, 由中国科学家研究报道的占总数的三分之二。中国植物科学的发展得益于国家在基础研究和技术开发研究

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两项与植物科学相关的成果入选。一项是李家洋院士和万建明研究员两个研究组的有关独脚金内酯信号转导途径的重要成果, 即“阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径”, 主要内容以研究论文的形式分别发表在同期Nature上。另一项成果是“提出并验证了一种既可提高产量又可降低环境成本的种植模式”。张福锁研究组基于作物生理生态学、植物营养学和土壤生物地球化学原理, 建立了土壤-作物系统综合管理的栽培理论与技术。通过一种综合的新型土壤-作物系统管理, 在没有增加氮肥的情况下, 实现了水稻、小麦(Triticum aestivum)和玉米(Zea mays)的大幅增产, 该成果回答了我国未来粮食增产的潜力及资源环境代价问题, 是农业生产研究的突破性进展(Chen et al., 2014d)。

植物全基因组研究以GWAS为核心研究策略从模式植物水稻自然变异已经扩展到其它经济作物(Huang and Han, 2014), 以揭示重要农艺性状的代谢特征和控制模式。蔬菜基因组研究有新的重要进展, 中国科学家报道了黄瓜苦味合成、调控和驯化的分子机制, 在植物代谢遗传调控方面取得了重大研究进展。发现黄瓜的苦味物质葫芦素合成相关基因受到“主开关”基因Bl和Bt的直接控制。这一成果不仅为生产无苦味的黄瓜提供了理论依据, 而且为将来开发药物提供了新的思路(Shang et al., 2014)。

全球气候变化中碳汇响应机制取得了可喜的重要进展, 中国科学家发现最近20年热带地区生态系统碳汇对温度的敏感性与1960–1970年相比增加了

图1 2005–2014年中国、日本和欧美国家作者在三大著名顶级学术期刊的发文量统计(数据来源: Web of Science)

Figure 1 Annual number of plant science publications originating from China, Japan and the west from 2005 to 2014, based on three top plant science journals (data sour- ces: Web of Science)

近1倍, 生态系统碳汇对温度变化的敏感程度主要受降水的调节。该成果既有助于理解热带生态系统碳循环对气候变化的响应过程及其机制, 也为准确估算生态系统碳循环和气候变化之间反馈打下了坚实的理论基础(Wang et al., 2014o)。中国科学家首次提出分离“面积变化”和“生长变化”对森林碳汇相对贡献的方法, 揭示了森林碳汇的形成机制。研究发现, 中国森林植被碳汇主要源自森林面积和生物量碳密度的增加, 环境变化显著促进了森林生长。这些结果对认识森林碳汇形成机制具有重要的科学意义, 并为制定应对气候变化政策提供了翔实的科学依据(Fang et al., 2014a, 2014b)。

还有一个值得关注的发展是中国植物科学学术期刊已经跻身于国际同类期刊的排头方阵。中国植物

的持续大力资助(Chong and Xu, 2014)。

2014年在植物科学领域中有关水稻激素信号转导、优化种植模式降低环境代价范式、黄瓜(Cucumis sativus)代谢调控以及生态系统碳汇与温度敏感性等研究受到高度关注。在2014年中国科学十大进展中,

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生理与分子生物学会新创办的期刊Molecular Plant主要刊登植物及其环境分子机制方面的论文, 创刊仅8年在SCI收录的国际植物学科200种期刊中排名进入前10; 而中国植物学会主办的综合性学术期刊已有63年的历史, 经历了从作为国内交流平台走向国际大舞台的艰难过程。2005年由Acta Botanica Sin- ica (《植物学报》)更名的Journal of Integrative Plant Biology, 在1998年被SCI收录, 2014年入列国际植物科学期刊的前15%。该刊主要刊登与分子、生理、发育、进化和生态相关的论文。这些刊物在国际上的位置基本上与我国植物科学总体水平相匹配, 是中国作者为主体作者群在国际学术界展示中国植物科学进展的良好平台。

notype)。上海交通大学蔡润研究组从黄瓜中鉴定了1个与瘤状突起相关的基因Tu, 该基因编码C2H2型单锌指结构蛋白。对38个具疣状表型和56个非疣状表型的黄瓜品种进行了检测, 结果表明, Tu基因只在具疣状表型的品种中表达, 通过转Tu基因的黄瓜表型分析证实, Tu基因对于果实疣状表型的出现是必需的。亚细胞定位及基因原位表达实验结果显示, Tu蛋白主要定位于细胞核, 并主要在果实的毛状体细胞中表达。内源细胞分裂素水平测定以及表达谱数据分析表明, 内源细胞分裂素含量与果实的疣状表型相关, Tu可能促进细胞分裂素的生物合成。研究还发现, 在具有Tu而光滑无瘤状突起的gi突变体黄瓜中, Tu不能表达, 说明毛状体基因GI对于Tu表现出上位效应(Yang et al., 2014c)。该研究结果对于黄瓜新品种的培育具有重要意义。

植物种子和器官的大小是重要的产量性状, 且其调控机制是重要的发育生物学问题之一。玉米是世界上主要的粮食作物, 籽粒大小是影响其产量的主要因素。山东大学谭保才研究组通过对玉米小籽粒突变体的研究, 揭示了Smk1编码1个PPR-E蛋白, 该蛋白参与线粒体nad7-836位点的C?U编辑, 编辑后将编码的脯氨酸改变为亮氨酸。该位点在不同物种中高度保守, 结构模拟表明它位于1个α螺旋中, 脯氨酸将中断该α螺旋, 导致NAD7功能丧失, 进而影响线粒体复合物I的组装, 造成种子发育受阻。进一步分析表明, 该位点的编辑需求与核基因有无Smk1紧密相关, 这为“核-线粒体基因组共进化”提供了直接的分子证据(Li et al., 2014k)。中科院遗传与发育所李云海研究组的前期研究结果显示, 拟南芥(Arabidopsis thali- ana)泛素受体DA1是调控种子和器官大小的关键因子。在此基础上, 该研究组鉴定了DA1的抑制子基因UBP15/SOD2, 发现DA1通过与UBP15/SOD2蛋白质直接互作, 负调控UBP15/SOD2蛋白质的稳定性, 从而调控细胞分裂、种子和器官的大小(Du et al., 2014b)。该研究初步阐明了DA1通过影响其底物UBP15/SOD2的稳定性来调控种子和器官大小的新机制, 揭示了泛素相关途径在种子和器官大小调控中的重要作用, 为作物高产育种提供了重要的理论基础和基因资源。脱落酸(abscisic acid, ABA)是调控植物应答非生物胁迫以及生长发育的重要激素。ABA的一个主要生理功能是调控种子后期的发育、成熟以及休

1 植物发育、代谢与生殖的遗传调控

1.1 植物发育的遗传调控

高等植物表皮都存在单细胞的表皮毛, 其起始与生长(伸长生长)是植物发育生物学中的一个重要模式系统。目前对于拟南芥叶表皮毛(trichomes)发育的主要调控机制已有较深入的了解, 且相关机制在植物其它器官的表皮毛发育中具有一定的保守性。生长于棉花(Gossypium hirsutum)种子的表皮毛(即棉纤维)具有重要的经济价值。棉纤维的长度主要取决于起始后的延长生长过程, 是决定棉纤维产量与质量的重要因素。目前, 对调控棉纤维伸长的分子机理了解很少。中科院上海植物生理生态所陈晓亚研究组鉴定了1个棉花同源域亮氨酸拉链(homeodomain-leucine zip-per)家族转录因子GhHOX3, 该转录因子直接调控棉纤维的伸长。GhHOX3基因与调控棉纤维长度的一个数量性状位点(quantitative trait loci, QTL)紧密连锁。转基因实验、转录组分析及生化研究证明, GhHOX3直接调控下游与细胞壁松弛相关基因GhRDL1和Gh- EXPA1的表达从而正调控棉纤维的伸长。GhHOX3通过与另一个转录因子GhHD1形成复合物继而协同调控下游靶基因, 而赤霉素信号通路负调控蛋白Gh- SLR1直接与GhHOX3-GhHD1互作进而抑制下游靶基因的表达(Shan et al., 2014)。该研究揭示了赤霉素信号通路调控棉纤维伸长的新机制。

黄瓜果实表面有瘤状突起(tubercules)及毛状体(spines or trichomes)的被称为具疣状表型(Wty phe-

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眠, 但人们对其调控种子早期发育的机制了解甚少。山东农业大学张宪省研究组通过对ABA调控种子早期发育的系统研究, 发现调控种子大小关键基因SHB1的表达受到ABA的负调控。进一步分析发现, ABA信号通路的关键转录因子ABI5直接结合在SHB1启动子上并以依赖ABA的方式抑制SHB1的表达, 从而揭示了ABA调控种子早期发育的一个重要机制(Cheng et al., 2014)。在研究种子发育后期的调控机理时, 浙江大学郑绍建研究组发现转录因子WRKY- 41直接结合在下游转录因子ABI3启动子上, 并以不依赖于ABA的方式激活ABI3的表达。该研究揭示了WRKY41通过ABI3调控种子休眠的分子机制(Ding et al., 2014a)。

陆生植物叶片表皮的气孔是由2个高度分化的保卫细胞以及周边其它细胞组成的特化结构, 在气体交换和防御反应等生理过程中具有重要作用。在模式植物拟南芥中, 保卫细胞通过原表皮细胞(protodermal cells)的不对称细胞分裂以及之后的对称分裂与细胞分化而形成。虽然人们对保卫细胞分化发育的关键调控因子已经有一定了解, 但生长素对保卫细胞分化发育的调控作用知之甚少。中科院植物所乐捷研究组与加拿大的科研单位合作, 利用生长素输入信号标记分子DII-VENUS和输出信号标记基因DR5:VENUS对保卫细胞发育过程中生长素活性的动态变化进行了实时定量分析, 发现在不对称分裂后, 较小的子细胞中生长素浓度的降低预示着其保卫细胞母细胞命运的决定, 随之该母细胞的对称分裂产生2个保卫细胞, 由此说明生长素信号负调控从非对称分裂向对称分裂的转换(Le et al., 2014)。与此同时, 上海交通大学杨洪全研究组的另一项研究为生长素负调控保卫细胞发育的分子机理提供了直接证据。前人的研究证明, 分泌型小肽STOMAGEN/EPFL9是保卫细胞发育过程中的一个关键正调控因子。该研究组发现生长素信号通路关键转录因子ARF5 (AUXIN RESPONSE FACTOR 5)/MP (MONOPTEROS)直接结合在STO- MAGEN基因的启动子上并抑制其表达, 以依赖于生长素受体基因TIR1/AFB的方式负调控保卫细胞的发育(Zhang et al., 2014k)。该研究揭示了生长素信号通路与多肽信号通路互作调控保卫细胞发育的分子机理。

华南农业大学陶丽珍研究组对ROP GTPases家族的重要成员ROP3的功能进行了系统深入的解析,

发现其功能缺失突变体rop3和显性负突变体DN-rop3在生长素调控的胚胎发育与胚后生长发育过程中细胞分裂异常, 从而导致严重的生长发育缺陷。进一步研究发现, ROP3的表达受生长素诱导, 主要在根系中柱细胞中表达, 可能参与调控根系中柱细胞中生长素极性运输蛋白PINs的分布, 并调控生长素信号通路中根系发育重要基因ARF5/MP、PLT1和PLT2等的表达, 该研究证明了ROP3通过介导生长素的转运与分布进而调控植物生长发育的机制(Huang et al., 2014a)。

拟南芥花分生组织命运的决定主要由WUS (WU- SCHEL)、AG (AGAMOUS)和AP2 (APETALA2)三个基因调控, 而AG和AP2分别抑制和促进WUS的表达。中科院遗传与发育所刘西岗研究组与美国的科研单位合作, 通过筛选AG基因的弱等位突变ag-10的增强子突变, 发现ARF3以依赖于AG的方式抑制WUS的表达, 而生长素信号通路转录因子基因ARF3是AP2的直接靶基因, 且参与调控AP2的活性, 从而揭示了ARF3调控花发育的新功能(Liu et al., 2014k)。细胞分裂素几乎参与调控植物生长发育的所有过程。在拟南芥中, 同源异形转录因子基因AP1调控花发育过程的起始, 并调控外层两轮花器官的形成, 特异抑制最外轮花器官萼片叶腋处形成花原基。中科院遗传与发育所焦雨铃研究组发现, 因AP1直接抑制细胞分裂素合成基因LOG1的表达, 同时直接促进细胞分裂素降解基因CKX3的表达, 从而降低AP1基因表达区域的细胞分裂素含量, 以维持正常的花分生组织的有限生长(Han et al., 2014)。

转录因子NAC和MYB家族在调节植物次生细胞壁形成过程中起着关键作用。中科院青岛生物能源与过程所周功克研究组鉴定了2个白杨TZF (tandem CC- CH zinc finger)基因PdC3H17和PdCH18。PdC3H17/ 18过表达的白杨株系表现为茎变短、变粗, 叶片更大且更加深绿, 次生木质部增加, 半径变大, 纤维细胞和管状细胞的次生细胞壁稠化程度增加; 而其功能抑制株系相较于野生型表现为矮小, 叶片浅绿, 向下卷曲, 次生木质部的半径变小, 纤维细胞和管状细胞的次生细胞壁稠化程度减少。研究表明PdC3H17/18是PdMYB3和PdMYB21的直接靶标基因, 通过调节下游纤维素、木质素和木聚糖相关合成基因的表达, 来增加茎中木质部细胞的次生细胞壁的稠化程度, 由此

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加粗茎的次生木质部, 促进木材生物量的增加(Chai et al., 2014)。

可变剪接(alternative splicing)是高等真核生物控制基因表达和功能多样性的重要转录后调节机制。中科院遗传与发育所田志喜研究组对大豆(Glycine max)不同生长时期和不同部位的取样进行了RNA- seq高通量分析。ASTAL-AVISTA分析表明, 大豆中有52.71%的基因发生了可变剪接, 多外显子的基因则有约63%发生了可变剪接, 并且越是幼嫩的组织可变剪接越多。研究表明, GT-AG位点发生的可变剪接最多。可变剪接发生的频率与内含子长度、外显子数目及基因表达水平呈正相关而与遗传重组率和GC含量呈负相关。研究还表明, 全基因组倍增会导致可变剪接减少, 其原因在于全基因组倍增会使内含子长度、外显子数目和基因表达量下调(Shen et al., 2014b)。该研究阐明了基因结构和表达水平等因素影响可变剪接发生的机理, 并为将来的功能研究提供了线索。中科院上海植物生理生态所李来庚研究组发现美国黑杨(Populus deltoides) PtrWND1B (WOOD-ASS- OCIATED NAC TRANSCRIPTION FACTOR1B)两种形式(PtrWND1Bs和PtrWND1Bl)的可变剪接, 研究发现PtrWND1B的第2内含子在可变剪接中起重要作用。用RNA干扰抑制PtrWND1B的表达会阻碍美国黑杨次生细胞壁加厚, 导致植株不能直立; 过表达Ptr- WND1Bs能促进次生细胞壁加厚, 而过表达PtrWN- D1Bl会阻碍次生细胞壁加厚, 说明PtrWND1Bs和PtrWND1Bl在次生细胞壁加厚的过程中相互拮抗(Zhao et al., 2014e)。该研究表明PtrWND1B可以通过可变剪接来调控美国黑杨纤维细胞壁加厚的过程。

细胞周期与胞内氧化还原环境息息相关。“中央研究院”(中国台湾)南部生物技术中心Fang Su- Chiung研究组与美国的科研单位合作, 发现一种新型的硫/阴离子转运蛋白SMT15可以通过调节谷胱甘肽的水平来调控绿藻的细胞周期。硫饥饿处理实验表明, SMT15可能参与硫饥饿胁迫的适应性应答(Fang et al., 2014c)。该研究揭示了谷胱甘肽水平的变化可能是smt15-1细胞周期和硫胁迫产生异常的原因。

脯氨酸对于植物环境胁迫应答以及植物的生长发育非常重要。上海大学宋任涛研究组发现玉米突变体pro1 (proline responding1)胚乳中的淀粉、脂质和蛋白含量都显著降低。图位克隆实验表明, Por1编码1

个脯氨酸生物合成过程中的限速酶P5CS。RNA印迹实验表明, pro1中空载的tRNAPro大量积累, 由此导致eIF2α被磷酸化, 磷酸化的eIF2α会抑制蛋白的合成, 造成pro1中蛋白含量降低。进一步研究还发现, pro1中与细胞周期相关的基因表达发生改变, 进而导致pro1细胞周期发生变化, 使细胞停滞在G1期(Wang et al., 2014b)。该研究阐明了脯氨酸在调控蛋白合成和细胞周期转变的过程中具重要作用。 1.2 植物代谢遗传调控

次生代谢物在对环境胁迫适应、植物之间相互竞争和协同进化及防御病原微生物侵染的过程中起重要作用。当前的水稻品种是从野生稻演化而来, 显示出高度的遗传多样性, 了解不同品种之间某些代谢性状的遗传和生物化学基础, 可为培育抗胁迫能力增强和营养增加的优良品种提供重要的信息。华中农业大学罗杰研究组借助全基因组关联分析(genome-wide as-sociation study, GWAS)方法, 提出了一些关于水稻代谢自然变异的遗传学与生物化学新见解。他们对840种代谢产物进行了全面分析, 并对来自529个不同栽培稻品种约640万个SNPs位点进行了mGWAS分析, 鉴别出数百个常见变异。这些变异影响了许多重要的次生代谢产物。该研究显示, 不同水稻亚种间代谢产物的自然变异存在着极大的差异。通过数据挖掘, 他们鉴别出36个参与调控生理学和营养学上具有重要作用的一些代谢产物水平的候选基因。作为概念验证, 他们还对其中的5个候选基因进行了功能注释(Chen et al., 2014c)。该研究在水稻代谢组变异遗传和生物化学基础领域提出了新的认识, 为水稻改良提供了一个强有力的工具。

在天然化学物质代谢反应中, 皮氏反应(Pictet- Spengler reaction)能够产出许多重要的生物碱类化合物, 然而至今尚未见真菌发生皮氏反应的报道。南京大学谭仁祥研究组利用1-甲基色氨酸激活毛壳菌(Chaetomium globosum)皮氏反应酶的方法, 引发该菌发生皮氏反应, 反应产物随即又可在多种氧化酶的参与下形成一系列骨架全新的生物碱。其中chaetog- line B和F具有显著的抗菌活性, 后者还具有乙酰胆碱酯酶的抑制活性。该研究提出的“基因提示下的酶抑制方法(gene-implied enzyme inhibition, GIEI)”为当今急需的新抗菌药和抗老年痴呆药的创制提供了

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崭新的源头分子(Yan et al., 2014)。

黄酮是主要的黄酮类化合物之一, 在植物生长发育过程中具有多种功能。它们以C-糖苷和O共轭复合物的形式存在于植物中。长期以来人们一直认为黄酮通过独立的代谢途径合成。香港大学卢炳松研究组发现, 在水稻中, 一方面细胞色素P450 93G2具有2-黄烷酮羟化酶(F2H)的功能, 可以为2-羟基黄烷酮提供C-糖苷, 随后, 2-羟基黄烷酮C-糖苷经脱氢酶水解, 形成黄酮C-糖苷。另一方面, 在黄酮核形成之后, 开始进行氧化修饰。此外, 他们证实了CYP93G2是与CYP93G1在进化上最接近的同源基因, 具有黄酮合成酶II (FNSII)活性, 可以将黄烷酮催化成黄酮。在重组酶分析中, CYP93G1将柚苷配基和圣草酚去饱和, 分别形成芹菜素和毛地黄黄酮。他们还证实, 通过基因转化, 不同的黄酮O-糖苷在CYP93G1转基因植株中大量积累。生物代谢分析发现, 水稻CYP93G1插入突变会进一步促进麦黄酮-O-黄酮木酚素和糖苷的优先消耗。随之发现了黄酮C-糖苷的生物合成代谢流的重新导向。另外, 他们也证实, CYP93G1是引导类黄酮合成麦黄酮-O-轭合物的1个关键酶。对细胞色素P450家族的F2H和FNSII的多样性分析表明, 黄酮C-糖苷和黄酮O-糖苷在禾本科植物中普遍共存(Lam et al., 2014)。

甘露聚糖是一种半纤维素多聚糖, 其在拟南芥种子黏液中的功能未知。周功克研究组阐明了葡甘露聚糖合酶CSLA2参与种子黏液质葡甘露聚糖的生物合成, 并在维持种子黏液质结构方面发挥重要功能。研究表明, CSLA2在种子发育过程中显著表达并在种皮所有类型细胞中均有表达, 这为证明CSLA2参与种皮黏液质合成提供了可能。钌红染色结果显示, 与野生型相比, 该基因缺失突变体csla2种子的附着性黏液晕轮变薄。进一步对csla2-1的黏液组分进行分析, 发现其黏液中甘露糖基和葡糖基含量比野生型少30%。生化分析表明, csla2-1种子的黏液中纤维素结晶度发生了明显变化, 与野生型相比显著降低。进一步研究发现, csla2-1种子的黏液中纤维素和果胶的空间分布亦发生了明显变化。另外, 附着性黏液中的双折射纤维素微纤维含量与野生型相比显著减少。说明葡甘露聚糖合酶CSLA2可能通过改变纤维素的排列和结晶化来参与调控拟南芥种子的附着性黏液的结构(Yu et al., 2014)。该研究加深了人们对甘露聚糖在

植物细胞壁形成过程中生理功能的认识, 为定向设计可高效转化利用的纤维生物质和遗传改良提供了新思路。

1.3 植物生殖遗传调控

花粉管管状生长及其生长速率是显花植物完成受精过程的决定因素。中科院上海植物生理生态所唐威华研究组发现, 定位于番茄(Lycopersicon esculentum)花粉管细胞膜上的类受体激酶LePRK1为花粉特异表达, 当过表达全长LePRK1或缺失胞外结构域的LePRK1后, 可导致花粉管顶端膨大且产生额外的小泡。这一过程通过KPP-PLIM2a介导调控花粉管肌动蛋白骨架完成(Gui et al., 2014a)。该研究结果揭示了花粉管细胞的一个潜在功能, 即可通过膜定位分子LePRK1的表达来切换花粉管管状和泡状生长模式, 由此完成花粉管生长前缘的延展。该研究组的另一项研究发现, 番茄STIG1 (STIGMA-SPECIFIC PRO-TEIN1)作为雌蕊柱头分泌的信号小肽, 能够特异地结合位于花粉管表面的磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P), 进而激活花粉特异受体激酶LePRK2所介导的信号转导, 促进雌蕊中花粉管的生长。降低STIG1的表达量可以减慢花粉管的生长速率和种子的形成(Huang et al., 2014c)。中国农业大学叶徳研究组对拟南芥At- HMGB15蛋白进行了研究, 发现其在花粉和花粉管中呈特异性表达, Ds插入降低AtHMGB15基因的表达, 造成花粉管生长减缓, 并导致结实率显著下降。AtHMGB15蛋白属于ARID-HMG蛋白家族成员, 具有ARID和HMG-box结构域, 可以与花粉特异性转录因子AGL66和AGL104相互作用, 通过调控其它基因的表达, 影响花粉管的生长和花粉的成熟(Xia et al., 2014a)。这些研究结果加深了我们对花粉管生长机制的认识。

花粉管针对雌性引导信号的应答对于诱导花粉管进入雌性器官完成受精至关重要。张宪省研究组发现, aptg1 (abnormal pollen tube guidance1)突变体表现出珠孔定向生长紊乱。研究表明, APTG1编码1个定位于内质网的甘露糖转移酶, 花粉萌发和花粉管的生长并不受APTG1突变的影响, 推测APTG1是通过GPI-锚定蛋白来决定花粉管在珠孔处的导向(Dai et al., 2014)。“中央研究院”(中国台湾)植物暨微生物学所赵光裕研究组利用花粉特异启动子ProLAT52,

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对拟南芥花粉管进行了体外翻译组学研究, 分离获得了多个受精相关基因, 进一步功能研究发现, IV6和IV4参与珠孔引导, IV2参与花粉管破裂以及多花粉管在胚囊中的排斥过程(Lin et al., 2014a)。自交不亲和是显花植物的生殖隔离机制, S-核酸酶通过降解花粉管中的RNA可导致自交不亲和现象。中国农业大学李天忠研究组利用酵母双杂交技术从苹果(Malus pu- mila)花粉管中筛选获得1个ABC转运蛋白家族的F亚家族成员MdABCF蛋白。该蛋白被定位在花粉管的质膜上, 是典型的膜结合蛋白。研究表明, MdABCF可与各种S-核酸酶发生非选择性互作。当MdABCF被反义寡核苷酸沉默后, S-核酸酶无法进入花粉管, 植株自交不亲和活性降低。因此认为MdABCF与细胞骨架协同参与了S-核酸酶运输, 是其进入花粉管不可或缺的因素(Meng et al., 2014a)。

花粉的成熟和萌发是保障植物成功受精并完成世代交替的重要前提。中科院遗传与发育所杨维才研究组发现了1个特异影响花粉成熟和萌发的突变体dayu。遗传和互补分析证明, DAYU编码1个参与过氧化物酶体基质蛋白运输的基因APEM9。研究表明, DAYU参与过氧化物酶体发生和蛋白输入过程。dayu突变体由于过氧化物酶体基质蛋白和一部分膜蛋白滞留在细胞质中, 而影响花粉的成熟。他们同时发现, 在dayu花粉中茉莉酸(jasmonic acid, JA)的含量下降, 而外源施加茉莉酸可以部分恢复dayu花粉的功能, 说明过氧化物酶体发生的缺陷造成JA含量下降是dayu花粉成熟受阻的原因之一(Li et al., 2014l)。该研究结果首次揭示了过氧化物酶体在花粉成熟中的重要作用, 对了解过氧化物酶体的组装机制具有重要意义。

花粉壁是花药行使正常功能所必需的结构。花粉壁包括2层, 即外部的外壁(outer exine)和内部的内壁(inner intine), 外壁又进一步细分为外壁外层(se- xine)和外壁内层(nexine)。花药绒毡层为这两层的合成提供物质。上海交通大学张大兵研究组鉴定了拟南芥花粉壁发育和孢子花粉素合成的重要调控因子AMS (ABORTED MICROSPORES)。研究表明, 在98个花药特异表达的基因中有70个在ams突变体中呈现表达量下降, AMS能够调控其中23个基因, 这些基因参与胼胝质的降解、脂肪酸链的延长、酚类化合物的形成和脂类运输过程(Xu et al., 2014a)。上海师

范大学杨仲南研究组发现, 拟南芥tek突变体的花粉外壁外层结构完好而外壁内层和内壁缺失, 导致花粉完全败育。TEK编码1个主要在四分体时期绒毡层表达的AT-HOOK家族蛋白。他们的研究表明, AMS能够分别通过调控MYB转录因子MS188和TEK的表达来控制外壁外层和外壁内层的发育(Lou et al., 2014b)。该研究组的另一项研究表明, DYT1编码1个bHLH转录因子, TDF1编码R2R3 MYB转录因子, 通过用染色质免疫共沉淀技术(ChIP)分析发现, DYT1可以直接结合在TDF1的启动子区, 调控AMS、MS188/MYB- 80、TEK和MS1的表达, 从而影响绒毡层的发育和花粉外壁的形成(Gu et al., 2014)。武汉大学孙蒙祥研究组发现1个DNA甲基化酶EFD (Exine Formation De-fect), 该酶的缺失可导致胼胝质壁异常, 小孢子在四分体时期无法正常释放, 从而影响花粉外壁的形成, 导致雄性不育(Hu et al., 2014b)。这些研究结果使人们对花粉壁形成的分子机制有了更深入的认识。

花药是植物雄性生殖发育过程中, 拟分生组织细胞经过类似干细胞分化的过程, 通过细胞分裂和分化形成的植物雄性生殖器官, 是小孢子母细胞由4层壁细胞(外壁、内壁、中间层和绒毡层)包裹构成的。上海交通大学梁婉琪研究组从水稻中分离鉴定到了1个与TDR (TAPETUM DEGENERATION RETARDA- TION)互作的蛋白TIP2。tip2突变体表现为花药壁的内3层不能正常分化, 后期中层和绒毡层不能正常降解, 导致完全雄性不育。他们的研究表明, TIP2位于TDR和EAT1的上游, TIP2通过与TDR形成蛋白复合体促进绒毡层细胞分化。在小孢子母细胞完成减数分裂后, TIP2促进EAT1的表达, 并与EAT1形成新的蛋白复合体调节绒毡层细胞的程序性死亡过程(Fu et al., 2014b)。该研究揭示了水稻花药中由3个bHLH蛋白(TIP2、TDR和EAT1)组成的级联调控体系, 该体系在水稻花药壁细胞层分化、发育和降解等关键节点起到转换开关的作用。“中央研究院”(中国台湾)南部生物技术中心辜瑞雪研究组随后也报道了bHLH142/ TIP2受到UDT1和GAMY的调控, 参与水稻绒毡层细胞的程序性死亡和花粉的发育(Ko et al., 2014)。

花药是重要的花器官, 药室内层(绒毡层)为发育的花粉提供营养等物质。在花粉发育过程中, 绒毡层通过细胞程序化死亡(programmed cell death, PCD)机制的适时降解对花粉育性至关重要, 其程序性死亡

种康等: 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 419

进程的异常会导致雄性不育, 但目前绒毡层程序化死亡的调控机制尚不清楚。山东农业大学张彦研究组发现, 拟南芥NADPH氧化酶编码基因RBOH在花药绒毡层细胞发育过程中具有时空特异性表达特性, 其功能缺失可造成绒毡层PCD延迟及花粉败育; 过量表达则导致绒毡层PCD提前, 使花粉败育。进一步研究表明, 绒毡层NADPH氧化酶基因的表达受到2个绒毡层关键转录因子的调控(Xie et al., 2014a)。北京林业大学陆海研究组发现, 半胱氨酸蛋白酶基因CEP1控制拟南芥花药绒毡层的PCD进程, 是该过程的主要执行者和控制者, 直接参与绒毡层细胞质和细胞壁的降解及花粉的成熟(Zhang et al., 2014d)。这些研究揭示了绒毡层PCD的调控因子及其作用机制, 为利用遗传工程手段创制雄性不育新种质提供了理论支持。花药对高温非常敏感, 高温会导致花药不开裂, 从而表现不育。华中农业大学张献龙研究组利用RNA- Seq技术分析了高温耐受型和敏感型棉花在正常和高温条件下不同发育时期的花药基因表达谱, 最终证明了棉花酪蛋白激酶基因GhCKI是花药响应高温胁迫的关键基因(Min et al., 2014)。

被子植物小孢子发生过程中, 胼胝质在四分体时作为临时壁间隔了小孢子母细胞与新形成的小孢子。胼胝质的沉积和降解可促进小孢子的产生。复旦大学陆平利研究组发现拟南芥CDM1 (CALLOSE DEFE- CTIVE MICROSPORE1)基因编码1个串联CCCH- type锌指蛋白。cdm1突变体花药中的小孢子在胼胝质沉积缺陷之后很快退化, 表现出完全雄性不育。CDM1突变影响胼胝质合成酶(CALLOSE SYNTH- ASE 5和CALLOSE SYNTHASE 12)基因和与胼胝质酶相关的基因(A6和MYB80), 以及其它3个β-1,3葡聚糖酶基因的表达(Lu et al., 2014b)。该研究表明, CDM1通过调控小孢子发生过程中胼胝质的代谢来影响拟南芥的雄性育性。

大孢子发生是雌配子体发育的早期事件, 由于大孢子母细胞数目少且包埋于多层母体组织中, 故难以观察和研究。目前对调控大孢子发生的基因尚知之甚少。为了筛选调控大孢子发生的基因, 中科院上海植物生理生态所秦源研究组利用拟南芥大孢子母细胞减数分裂阶段的野生型胚珠和spl突变体胚珠, 鉴定了4个调控大孢子发生的新基因, 发现其中的细胞色素P450编码基因KLU具有调节大孢子母细胞减数分

裂同源染色体互作的功能(Zhao et al., 2014c)。

减数分裂的重组通常发生在等位基因的同源序列间, 但是该过程也可在非等位基因之间的同源序列发生。如何保障重组仅发生在等位的同源序列之间, 而避免发生在非等位同源序列之间的保真机制目前还缺少合理的解释。中科院遗传与发育所程祝宽研究组对该问题进行了研究, 他们在水稻中鉴定了RAD9- RAD1-HUS1 (9-1-1)复合体重要成员Hus1的同源蛋白OsHUS1。研究表明, 水稻Oshus1突变体营养生长正常, 并且在减数分裂粗线期同源染色体配对及联会复合体形成基本正常, 但在终变期至中期I非同源染色体间相互粘连, 形成多价体; 后期I多价体分开, 形成大量染色体桥及染色体碎片, 最终导致不育配子产生。由此证明OsHUS1参与减数分裂过程中非同源重组的调控与抑制作用, 并且这种作用很可能是以9-1- 1复合体的形式参与(Che et al., 2014)。以上关于减数分裂重组的研究, 可帮助人们理解非同源重组产生的机制, 并有望在生产实践中得到应用。 1.4 水稻农艺和品质性状的遗传调控 1.4.1 水稻农艺性状的遗传调控

水稻中许多因素, 如穗型、种子粒型和株型等对产量有重要影响, 但花序和小穗的发育对粮食产量起决定性作用。尽管已有多个花器官相关调控基因被报道, 但其分子网络调控机理研究目前仍待深入。中科院植物所种康研究组发现, 水稻中的微小RNA396d (mi- croR396d)、水稻生长调节因子(OsGRF)的靶蛋白和水稻生长调节因子互作因子1 (OsGIF1), 通过JMJ- D2家族的OsJMJ706和OsCR4, 共同参与花器官发育的调控。OsGRF6是microR396d的靶蛋白, 在OsGRF6功能丧失和过表达OsmiR396d的转基因株系中, 均出现了花器官(颖壳和护颖)发育缺陷, 而在OsGRF6过表达转基因株系中, 这些缺陷得到恢复。此外, 研究还表明, 双突变体grf6/grf10也呈现出颖花异常现象。OsGRF家族中的OsGRF6及其直接同源基因OsGRF10在幼嫩花序中高表达, 且二者均参与花器官发育的调控, 他们通过实验证实了OsGRF6和OsGRF10可以通过与OsJMJ706和OsCR4的启动子区结合, 作用于GA反应元件, 并在OsGIF1与Os- GRF6和OsGRF10结合的情况下, OsJMJ706和OsCR4被OsGRF家族反式激活, 从而调控颖花的发

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育(Liu et al., 2014c)。该研究重点阐释了microR396d对OsGRF家族基因的调控作用; 同时揭示了在水稻生长过程中, 通过microRNA调节控制小穗发育的分子机制。

水稻植株由主茎和多个分蘖构成, 主茎和分蘖之间穗的整齐度是影响水稻产量的一个重要因素。不同于野生稻, 现代栽培水稻在人类驯化过程中形成了穗整齐生长的特征, 株内主穗和各分蘖穗在成熟期高度一致, 穗大小也更为接近。这一特征的形成有利于获得更高的产量, 但栽培稻穗整齐度的调控机制目前尚未见报道。梁婉琪研究组通过对水稻突变体dwt1进行研究, 发现位于水稻第1号染色体上的WOX类基因DWT1 (DWARF TILLER 1), 在突变后会导致水稻分蘖节间不同程度的缩短, 从而引起分蘖明显矮化和穗变小, 主茎高度则无显著变化且穗变大, 类似于顶端优势加强的表型。进一步研究发现, DWT1在穗的枝梗原基中表达, 通过一种非细胞自主的方式影响穗下茎节间的细胞分裂和伸长。推测DWT1可能通过影响一个未知的信号分子在穗部的合成或运输, 调节穗下茎节中细胞分裂素的稳态以及茎节对赤霉素的响应能力, 进而促进茎节伸长。该基因在分蘖穗中的表达水平显著高于主茎, 这一表达差异是造成主茎和分蘖高度不同的重要原因(Wang et al., 2014k)。该研究不仅首次报道了水稻中的顶端优势现象, 而且从分子水平上揭示了控制这一现象的1个关键基因DWT1的作用机理, 为进一步理解水稻植株形态建成提供了新的认识, 为阐明稻穗整齐生长的分子机制找到了重要突破口。

谷粒大小是粮食产量的最重要组成部分之一, 但是很少有关于决定谷粒大小机制的报道。李云海研究组与中国水稻所钱前研究组合作, 发现了1个新的水稻小粒突变体smg1 (small grain 1)。该突变体具有株高稍矮、籽粒小而轻和直立穗等性状。他们采用图位克隆的方法, 分离了编码有丝分裂原活化蛋白激酶4 (OsMKK4)的SMG1基因, 与较老的器官相比, Os- MKK4/SMG1在较嫩的器官中表达量高, 但在两种器官的细胞增殖作用一致。此外, 他们还发现突变体的短穗和圆锥花序是由细胞增殖缺陷造成的。故认为OsMKK4是影响谷粒大小的因素(Duan et al., 2014)。该实验为水稻籽粒机制研究提供了新的证据。

每穗粒数、株高和抽穗期多效性控制基因(Ghd7)

在水稻中已被视为抽穗期和产量的一个重要调节因子。华中农业大学张启发研究组对Ghd7在水稻生长发育和环境应答中的功能进行了研究, 发现长日照条件下, Ghd7对抽穗期是一个负调控因子, 其对抽穗期和产量性状的表型效应在某种程度上与定量转录物的水平相关, 并且受到环境条件和遗传背景的影响。Ghd7通过调节穗分支进而调控产量性状, 且独立于抽穗期。该基因还能通过光敏色素B介导的水稻分蘖基因途径调节分蘖。干旱、脱落酸、茉莉酸和高温胁迫强烈抑制Ghd7的表达, 而低温增强Ghd7的表达; 过表达Ghd7会增加对干旱的敏感性, 抑制Ghd7的表达则可增强抗旱性。基因芯片分析显示, Ghd7参与开花时间、激素代谢调节及生物和非生物胁迫反应等多个过程。该研究证实了Ghd7能够响应动态环境, 调节阶段转型、结构调控和应激反应, 最大限度地促进水稻的繁殖成功(Weng et al., 2014)。

水稻灌浆效率是决定水稻结实的一个关键因素。李来庚研究组克隆了1个水稻结实率控制基因GSD, 该基因编码1个Remorin蛋白, 能与ACTIN1相互作用, 从而与胞间连丝胼胝质结合蛋白联系, 影响胞间连丝的转导功能。他们发现, 在T-DNA插入显性突变体gsd1-D中, GSD1表达量增加时, 表现出结实率减少、叶片淀粉含量增加以及木质部渗透物中可溶性糖减少等异常表型。研究表明, GSD1在韧皮部维管伴胞的胞间连丝和质膜中特异表达。该研究结果证实了 gsd1显性突变体的灌浆缺陷主要是由于光合作用产生的碳水化合物不能运输到韧皮部所致。以上结果表明, GSD1可能通过共质体途径调控胞间连丝的转导, 进而调控水稻的结实率(Gui et al., 2014b)。

南京农业大学万建民研究组通过图位克隆的方法获得了1个新的响应光周期且提高产量的基因位点DTH7, 该基因编码PRR (pseudo-response regula- tor)蛋白。在长日照下, 它作用于光敏色素PhyB的下游, 通过抑制下游Ehd1基因的表达下调成花素Hd3a/ RFT1的表达量, 进而延迟开花。在不同光周期环境下, DTH7、Ghd7和DTH8的不同单倍型组合与水稻品种的抽穗期及产量之间存在显著关联(Gao et al., 2014b)。该研究结果不仅解析了光周期调控机制的基础科学问题, 而且为培育出适应不同环境条件的高产水稻品种提供了理论指导, 并进一步完善了光周期影响水稻开花的调控网络, 同时也为通过分子设计育种

种康等: 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 421

改良水稻生育期奠定了基础。

1.4.2 水稻品质性状的遗传调控

垩白、蛋白含量和淀粉都是水稻重要的品质性状。垩白是在水稻灌浆期, 胚乳淀粉粒和蛋白质颗粒排列疏松充气, 形成的白色不透明部分。它的存在不仅极大地影响了稻米可食用性产量(整精米率), 而且对稻米外观品质(透明度)、蒸煮食味和营养品质(直链淀粉含量、胶稠度和蛋白质含量)等也有很大的影响。因此, 垩白是评价稻米品质的最重要指标之一, 也是水稻优质和高产的重要限制因子。多年来, 科学家们一直致力于寻找控制垩白的关键基因, 华中农业大学的何予卿研究组成功克隆了第1个稻米垩白率的主效基因Chalk5, 该基因编码液泡膜质子转运焦磷酸酶, 此酶具有无机焦磷酸水解和质子转运活性, 影响水稻籽粒垩白和精米率等品质性状。此外, 它对水稻外观品质、精米产量和贮藏蛋白质的总含量也有极大的影响。提高Chalk5的表达量可以增加胚乳垩白, 这可能通过干扰发育中种子内膜转运系统pH的稳态来实现。该过程影响了蛋白体的形成, 并且与囊泡类结构显著增加相耦连, 因此在胚乳贮藏物质中形成了气体空间, 从而导致籽粒垩白的形成(Li et al., 2014m)。该研究成果不仅为优质稻米的分子育种提供了目标基因, 而且为解释稻米产量与品质的矛盾与统一提供了遗传与分子证据, 同时也为进一步阐明作物品质调控的生物学机理及水稻优质育种实践提供了理论依据与指导。

另外, 何予卿研究组还首次分离克隆到控制水稻籽粒蛋白含量和营养品质的主效基因OsAAP6。该基因被成功定位到1号染色体长臂6.7 kb区域内, 是1个氨基酸转运子, 编码1个假定的氨基酸通透酶Os- AAP6, 其通过正向调控水稻种子贮藏蛋白(谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和清蛋白)和淀粉的合成与积累进而调控稻米的营养及蒸煮食味品质。该基因为组成型表达, 且在微管组织中表达量相对较高。它能够促进水稻根对氨基酸的吸收和转运, 且在调控游离氨基酸体内分布方面发挥着重要作用。因此, 在低GPC水稻品种中, 提高OsAAP6的表达可以提高籽粒GPC水平以及氨基酸的总含量, 进而提高籽粒的营养品质。此外, 他们通过对197份微核心种质资源进行研究, 发现OsAAP6基因的启动子区域内有2个共同的多态性位点(包括3个潜在的顺式作用元件), 这些位点均与

籼稻种子中蛋白质的含量紧密相关(Peng et al., 2014a)。该研究成果不仅为优质稻米的分子育种提供了目标基因, 而且为进一步阐明作物品质形成机制及遗传改良提供了新思路。

淀粉是植物王国能量贮存的普遍形式。尽管许多酶和淀粉生物合成的相关因子已被确定,但仍有许多未知因素有待发掘。万建民研究组从水稻中克隆了FLO6基因, 该基因编码一种未知功能的蛋白质, 此蛋白质的N末端具有转运肽, 以确保其在质体中正确定位和发挥作用, 其C末端具有碳水化合物结合模块48 (CBM48)域, 可结合淀粉。flo6突变体中淀粉含量下降, 且正常的淀粉理化性质发生了变化。当复合颗粒形成时, flo6突变体胚乳细胞呈现出明显的缺陷。此外, FLO6可与异淀粉酶(ISA1) (不直接结合淀粉)在体外和体内相互作用。因此, 他们证实FLO6可能作为 一种淀粉结合蛋白参与了淀粉的合成(Peng et al., 2014b)。

1.5 水稻育性的遗传调控

在水稻育性研究方面, 以雄性不育为基础的杂交水稻的研究取得了卓著的成就。自20世纪70年代发现了光温敏雄性不育系(thermosensitive genic male-sterile, TGMS)以来, 两系杂交稻继而发展起来。在不同的光温条件下, 光温敏不育系既可以作为不育系与恢复系杂交制种, 又可以作为保持系自身繁殖, 从而简化了繁种制种程序, 降低了杂交种子生产成本。更重要的是, 两系杂交稻的配组较自由, 选配到优良组合的几率较高。因此, 两系杂交育种在水稻杂种优势利用方面取得了重大突破。

研究人员利用安农S-1×南京11杂交产生的重组自交系F8代群体, 对安农S-1的不育基因进行了定位分析, 将温敏不育基因定位于第2染色体, 并将其命名为tms5 (2003年)。利用SSR标记将其定位在RM- AN7和RMAN54之间的181 kb区域内(2006年)。2014年, 中科院遗传与发育所曹晓风研究组和华南农业大学庄楚雄研究组合作, 克隆了新型的水稻光敏核不育基因TMS5。该基因编码保守的核酸内切酶——RNA酶ZS1 (RNase ZS1), 该酶能够在体外和体内把3个泛素核糖体L40融合蛋白基因(UbL40) mRNA加工成多个片段。高温可使UbL40 mRNA水平上升。在tms5突变体中, 由于ZS1功能缺失, UbL40 mRNA过度积累,

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打破了泛素的动态平衡, 进而改变了泛素化蛋白质的组成, 导致不可溶的泛素化蛋白增加, 诱发花粉母细胞液泡化, 最终导致花粉产量降低和雄性不育; 而野生型中, 过量的UbL40 mRNA能被ZS1裂解, 育性正常。目前, 已证实大部分的两系杂交水稻都是使用tms5作为不育基因。该研究揭示了RNase ZS1介导调控UbL40 mRNA的一种新机制, 证实了在水稻中这种调控的丧失导致光温敏雄性不育系(Zhou et al., 2014b)。该研究进一步阐明了光温条件控制水稻育性转换的分子机制, 对指导两系杂交稻育种和深入利用水稻杂种优势具有重要意义。

中科院上海植物生理生态所林鸿宣研究组利用海南普通野生稻(Oryza rufipogon)和亚洲栽培稻品种特青构建了染色体片段代换系, 并从中发现了一种新的水稻种间杂种劣势。这种杂种劣势的发生受高温诱导, 根茎结合部在感受温度变化中发挥重要作用。杂种植株由于同时携带Hwi1和Hwi2, 二者都可导致体内的自身免疫应答组成型激活, 影响植株的正常生长发育, 从而使绝大多数植株在进入生殖生长前就开始凋亡, 阻碍了物种间正常的遗传交流, 形成生殖隔离。25L1和25L2均编码膜定位的富含亮氨酸重复序列的类受体激酶(LRR-RLK), Hwi1位于LRR-RLK组成的串联重复的基因簇中, Hwi2编码1个分泌至胞外的类subtilisin蛋白酶, 该酶的酶解产物能够被25L1和25L2组成的复合体感受, 激活下游防卫反应, 进而诱发杂种劣势表型。普通野生稻可能通过基因倍增获得25L1和25L2, 而栽培稻中缺少这2个基因。这些结果表明基因扩增是形成生殖隔离的重要分子基础(Chen et al., 2014a)。该实验为阐明水稻种间生殖隔离的分子遗传机理提供了新线索。

酶进化树, 预测了细胞内至少存在CAMK、CMGC和AGC三类蛋白质激酶。利用Western blot验证了6个磷酸化蛋白在不同胁迫处理下磷酸化水平的差异, 证明了磷酸化在细胞应对环境胁迫中不可或缺(Chen et al., 2014f)。首都师范大学晏月明研究组分析了小麦品种旱选10号和宁春47在快速生长时期叶片中的蛋白磷酸化修饰组, 在1 175个磷酸化蛋白上鉴定到了1 802个磷酸化位点, 其中包括52个转录因子、 85个蛋白激酶和16个蛋白磷酸酯酶。进一步分析发现, C3H、TALE、NF-YB、bZIP和CAMTA五个转录因子家族显著受磷酸化调节。该研究揭示了一个复杂的以蛋白激酶(SnRK、CDPK和GSK)及蛋白磷酸酯酶(PP2C、PP2A和BSL)为中心的磷酸化调控信号网络(Lü et al., 2014a)。中科院武汉植物园杨平仿研究组利用磷酸化蛋白质组学技术, 在水稻柱头鉴定了1 588个磷酸化蛋白质, 这些蛋白质均含有41个保守性磷酸位点结构域。其中654个磷酸化蛋白质在水稻中首次被鉴定, 201个属于柱头组织特异表达蛋白(Wang et al., 2014d)。这些结果对深入研究柱头与花粉识别过程的信号转导机制提供了新线索。

G蛋白是重要的信号分子, 其调控因子Rgs蛋白是异三聚体G蛋白信号途径的负调控因子, 稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)的8个Rgs蛋白均可负调控病菌胞内的cAMP含量。 南京农业大学张正光研究组采用比较蛋白质组学和遗传学方法对8个Rgs蛋白进行了研究, 发现Rgs蛋白参与了氨基酸生物合成代谢的调控, 进而调控病菌的生长发育和致病过程(Zhang et al., 2014g)。该研究揭示了Rgs蛋白的调控机制, 为培育抗稻瘟病水稻品种提供了新视角。在真核生物中, 细胞核内的帽结合蛋白复合体(cap-binding com- plex, CBC)由CBP20和CBP80两个亚基构成, 转录开始后该复合体结合到转录产物的5'帽端结构上, 对多种RNA的代谢过程起重要作用。中科院昆明植物所胡向阳研究组以拟南芥为材料对帽结合蛋白复合体进行了研究, 结果表明cbp20和cbp80突变体对盐胁迫十分敏感, 发现CBP20和CBP80通过参与调控拟南芥一些重要信号途径相关基因的可变剪接、蛋白翻译后修饰及泛素化和苏素化修饰等来影响拟南芥对盐胁迫的响应(Kong et al., 2014)。

二穗短柄草(Brachypodium distachyon)是小麦的近缘种和模式植物。晏月明研究组分析了盐胁迫诱

2 蛋白质组学分析

蛋白质的可逆磷酸化修饰是生物体内最常见且最重要的共价修饰方式之一, 几乎调节着生命活动的整个过程。中科院水生生物所葛峰研究组以一种模式硅藻——三角褐指藻(Phaeodacty lumtricornutum)为研究对象, 采用磷酸蛋白质组技术, 鉴定到245个磷酸化蛋白质及434个磷酸化修饰位点。结果显示, 磷酸化蛋白质广泛参与多种细胞的生物学进程, 如物质代谢、信号转导及胁迫响应等。通过构建磷酸化蛋白激

种康等: 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 423

导下二穗短柄草叶片的蛋白质组和磷酸化蛋白质组, 鉴定了60个特异差异表达的蛋白及496个差异磷酸化位点, 其中有14个蛋白在蛋白表达及磷酸化修饰水平存在显著差异; 并鉴定出与盐应答和防御相关的信号分子, 如14-3-3蛋白(GF14A、GF14B和14-3-3A)及ABA信号相关的蛋白ABF2、TRAB1和SAPK8 (Lü et al., 2014b)。青藏高原一年生野生大麦是我国特有的大麦(Hordeum vulgare)野生种质资源, 蕴含着丰富的遗传变异和抗逆相关的优异等位基因。浙江大学张国平研究组分析比较了200 mmol·L–1 NaCl胁迫下西藏野生大麦(XZ16)和栽培大麦(CM72)耐盐的生理与分子差异, 结果表明, 根部参与离子平衡的Calmo- dulin、Na/K转运子和H-ATPases以及叶片中参与光合作用的1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶和放氧增强蛋白等受盐胁迫调控。与栽培大麦相比, 野生大麦在盐胁迫下通过增强根部离子转运蛋白的基因表达, 维持了地上部较低的Na+含量和较高的相对生物量(Wu et al., 2014a)。该研究为鉴定和挖掘野生大麦中耐盐相关的特异基因/蛋白提供了参考。

海洋硅藻是现代海洋生态系统中最成功的真核浮游植物, 然而人们对其应对营养胁迫的独特细胞代谢机制知之甚少。厦门大学梁君荣研究组研究了假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)响应铁胁迫的分子机制, 结果显示铁限制可使藻细胞光合和呼吸系统传递链受损, 产生过量ROS, 进而诱发细胞PCD (Luo et al., 2014a)。干旱是影响作物产量的重要非生物胁迫因子。晏月明研究组比较了正常灌溉和水分胁迫下小麦籽粒磷酸化蛋白质组的差异, 鉴定出63个差异显著的磷酸化肽段, 分布在61个磷酸化蛋白上, 如受体类似激酶(RLKs)、热休克蛋白90 (Hsp90)和一些胁迫反应因子(LEA和WAIL)等, 这些蛋白通过磷酸化/去磷酸化调控方式参与小麦籽粒发育后期细胞内的信号转导、籽粒胚和胚乳发育及对干旱刺激的应答(Zhang et al., 2014l)。这些结果对揭示植物的抗逆机制及提高作物产量具有重要意义。

吡咯生物合成的限速步骤, 这一反应依赖于NADPH。GluTR受到多种转录后的调控, 其中, GluBP (GluTR结合蛋白)就是通过调控GluTR不同的亚细胞定位来调节四吡咯的生物合成。中科院植物所刘琳研究组阐明了GluBP刺激GluTR催化效率的机制。首先, GluBP二聚体结合到GluTR二聚体C端的V字形催化区域, 形成GluTR-GluBP复合物, 使GluTR的NADPH结合区发生构象变化, 促使氢从NADPH转移到底物, 继而发生谷氨酰-tRNA的还原(Zhao et al., 2014a)。该研究为理解四吡咯的生物合成机制奠定了基础。中科院植物所林荣呈研究组与国外合作对四吡咯代谢途径中的原卟啉原氧化酶(PPO1)进行研究, 发现编码PPO1的基因缺失使叶绿素含量明显降低, 并且叶绿体内18个RNA编辑位点(已知共有34个位点)的编辑效率产生了不同程度的下降, 从而导致参与光合作用循环电子传递的NDH复合物缺失及其功能丧失(Zh- ang et al., 2014e)。该研究揭示了四吡咯生物合成途径中的酶参与RNA编辑, 不仅拓展了人们对四吡咯合成酶功能多样性的认识, 而且揭示了RNA编辑机制的复杂性。

拟南芥SCL6/22/27 (scarecrow-like)蛋白以未知的机制负调控叶绿素的合成, 且SCL是miR171的靶基因。中科院上海植物生理生态所黄继荣研究组发现, SCLs蛋白抑制黄化苗中叶绿素合成途径关键基因POR的表达。通过对报告基因表达分析和染色质免疫共沉淀等证明SCL27直接结合到PORC启动子上。进一步分析发现, 赤霉素信号通路负调控因子DELLA蛋白与SCL27直接互作, 减弱后者与PORC启动子的结合, 进而调控赤霉素介导的叶绿素合成。此外, SCL27激活MIR171基因的表达, 从而形成一个反馈调节环。该研究揭示了miR171-SCL模块通过调控赤霉素信号通路进而介导叶绿素合成的分子机制(Ma et al., 2014c)。

中科院上海计算生物学所朱新广研究组提出一个用于研究C4光合作用高光合利用率中的量化作用模型, 这一系统模型不仅包括卡尔文循环、淀粉合成、蔗糖合成、C4穿梭和CO2泄漏, 而且包括光呼吸以及维管束鞘细胞和叶肉细胞之间的代谢物质转运。此模型在不同的CO2和光条件下可以有效刺激CO2的吸收速率和代谢物质浓度变化。分析表明, 磷酸丙糖运输和CO2泄漏能够通过平衡维管束鞘细胞和叶肉细胞

3 叶绿体发育和光形态建成

3.1 叶绿体和光合作用

叶绿素是环形的四吡咯物, 由谷氨酰-tRNA还原酶(GluTR)催化的谷氨酰-tRNA还原反应是植物体中四

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中的ATP和NADPH数量来维持高光合速率。此外, 他们利用这个模型定义了最优化的酶特性和C4工程的蓝图(Wang et al., 2014p)。由此, 该系统模型提供了一个指导C4工程和研究C4光合作用的理论框架。

数的PIL1和HFR1发生互作, 活性增强, 导致下游基因表达而抑制光形态建成; 在光下, 活化的PhyB入核与PIFs发生互作进而促进后者的降解, PhyB还与COP1和PIL1互作促进PIL1与HFR1的积累, 后二者与少量剩余的PIFs发生作用后抑制PIFs下游基因的表达从而促进光形态建成(Luo et al., 2014c)。

目前已有许多光形态建成机制方面的研究, 而黑暗中PIFs蛋白的稳定机理仍然未知。北京大学陈浩东研究组发现, DET1蛋白能够调控黑暗中PIFs蛋白的稳定性, 揭示了黑暗调控PIFs蛋白稳定性的分子机制。与野生型相比, det1-1突变体中PIFs蛋白的水平显著下降。他们同时还发现, det1-1中引入35S启动的PIFs蛋白并不能恢复其积累水平; 放线菌酮(cycloh- eximide, CHX)处理后det1-1中PIFs蛋白的降解速率比野生型慢。另外, 体外与体内实验结果还表明, DE- T1可与PIFs蛋白发生互作。可见, DET1通过与PIFs蛋白互作来调控PIFs蛋白的降解。用蛋白酶体抑制剂MG132、PS-341和MLN2238的混合试剂处理并不能促进PIFs蛋白在det1-1中的积累, 表明det1-1在黑暗中PIFs蛋白的降解可能通过一条独立于泛素化降解的途径。该研究组对公布的mRNA深度测序结果进行分析, 发现在幼苗去黄化过程中DET1所调控的下游基因的表达大部分也受到PIFs的表达调节, 进一步验证了DET1通过正向调控PIFs蛋白从而参与幼苗的光形态建成过程(Dong et al., 2014a)。VQ (VQ MO- TIFCONTAINING PROTEIN)家族蛋白是最近被鉴定出的一类含FXXXVQXXTG基序的蛋白。拟南芥中含有34个成员, 然而大部分VQ家族成员的功能和调节机制有待阐明。林荣呈研究组发现, 拟南芥VQ蛋白家族中29个成员在植物细胞中均具有转录活性, VQ29蛋白定位于细胞核, VQ基序的缺失可影响其转录活性, 表明该基序是VQ蛋白活性所必需的。VQ29的缺失突变体和超表达体表型分析发现, 远红光和低白光光强下, VQ29超表达株系与野生型相比下胚轴显著伸长, 而缺失突变体的下胚轴显著受到抑制。另外, VQ29的表达受到光的抑制, 且依赖于光敏色素, 远红光下, phyA-211中VQ29的表达显著上调, 而红光下, phyB-9中VQ29的表达显著上调。进一步研究发现, VQ29能够与PIF1蛋白互作(Li et al., 2014n)。该研究证实, VQ29作为光介导的茎伸长抑制的负调控转录因子, 通过促进PIF1的转录活性发挥作用。

3.2 光形态建成

在现已发现的一系列植物光受体中, UVR8 (UV RESI- STANCE LOCUS 8)是唯一的UV-B光受体, 而色氨酸和精氨酸分别是UVR8蛋白感知光和蛋白互作的关键氨基酸残基。北京大学邓兴旺研究组通过对不同的UVR8点突变体进行分析, 发现UVR8蛋白的W233、W285色氨酸残基及R286和R338精氨酸残基分别是决定其光吸收能力和保持二聚体稳定性的关键位点。通过构建不同的UVR8点突变体并转化酵母后发现, 无UV-B照射下, 正常的UVR8蛋白以二聚体的形式存在; 在UV-B照射下, UVR8则以单体的形式存在, W233和W285色氨酸位点突变后无法形成二聚体, R286和R338精氨酸位点突变后表型相同, 说明色氨酸和精氨酸残基均有助于在UV-B照射下UVR8蛋白二聚体和单体化之间的转变。研究还表明, UVR8与COP1蛋白互作依赖于这些氨基酸, 其位点的改变显著降低了拟南芥对UV-B信号的敏感性, UV-B响应的相关基因表达也表现异常(Huang et al., 2014d)。该研究结果说明, 植物中UVR8介导的UV-B光信号感知伴随UVR8与COP1的互作, 进而决定了UV-B信号介导的光形态建成。

COP1 (CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHO- GENIC 1)作为E3连接酶, 与光敏色素、隐花色素以及UVR8介导的光信号转导途径发生相互作用, 进而调控拟南芥幼苗的光形态建成, 但相关机制并不清楚。杨洪全研究组对该问题进行了研究, 发现COP1直接与核蛋白PIL1 (PIF3-LIKE1)发生互作, 促进26S蛋白酶体降解PIL1; 而光敏色素PhyB也与PIL1发生互作, 促进红光下PIL1的积累, 这一过程可能通过抑制COP1-PIL1的结合来完成。生化和遗传学分析表明, PIL1与HFR1可形成异源二聚体, 共同调节光形态建成。此外, 研究还发现PIL1可与PIF1、PIF3、PIF4以及PIF5互作, 导致PIF靶基因的转录受到抑制。由此提出了一个光形态建成的新模型, 在黑暗中PhyB处于非活化状态而位于细胞质中, 细胞核中的COP1与PIL1和HFR1互作而降解后2个蛋白, PIFs只能与少

种康等: 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 425

PAR1 (PHYTOCHROME RAPIDLY REGULA- TED1)最早被鉴定为光敏色素A调控的远红光信号途径和光敏色素B调控的红光信号途径的早期抑制基因。随后证明, PAR1和PAR2在拟南芥中扮演避光反应负调控因子的角色。中国农科院作物科学所杨建平研究组发现, PAR1和PAR2在拟南芥幼苗去黄化过程中作为正调控因子参与多条光信号途径。在红光、远红光和蓝光下, 超表达PAR1和PAR2可增强幼苗的去黄化, 与野生型相比, 超表达植株的下胚轴显著变短, 子叶展开变大, 而PAR1和PAR2的RNAi株系则表现相反的表型。与野生型相比, 远红光下phyA- 211、红光下phyB-9和蓝光下cry1-304突变体中PAR1和PAR2表达均显著上调。PAR功能缺失可部分消除cop1的去黄化表型, 表明PAR1和PAR2均位于COP1的下游。进一步研究发现, PAR1和PAR2蛋白质含量在黑暗下随着时间的延长逐渐减少, COP1蛋白的缺失可抑制PAR1和PAR2蛋白的降解, 且26S酶体抑制剂MG132的添加能够减少PAR1蛋白的降解, 以上结果说明, COP1蛋白通过26S蛋白酶体途径降解PAR1和PAR2蛋白。PAR的RNAi株系与hy5-215和hfr1-201的双杂交突变体表型分析表明, 在不同的光信号途径中PAR1和PAR2与HY5和HFR1分别处于不同的途径, 但在远红光信号途径中PAR1和PAR2与HFR1共享同一途径(Zhou et al., 2014d)。

光响应基因的转录激活和抑制机理已得到很好的阐明, 但关于转录后的调控研究还较缺乏。“中央研究院”(中国台湾)植物暨微生物学所吴素幸研究组发现, 对基因转录后调控具有重要作用的miRNAs的合成基因HEN1 (HUA ENHANCER 1) 参与了光形态建成的正调控因子和负调控因子的转录后调控过程。HEN1的表达受到远红光、红光和蓝光的调控, 且这种调控作用依赖不同的光受体。与野生型相比, 远红光无法诱导phyA和hy5突变体中HEN1的表达, 红光无法诱导phyB和hy5突变体中HEN1的表达, cry1和hy5突变体中蓝光诱导HEN1的表达显著减少, 而在cry1cry2双突变体中蓝光无法诱导HEN1的表达。进一步研究表明, HEN1和HY5形成一个负反馈调节环来参与拟南芥的光形态建成过程(Tsai et al., 2014)。该研究证明了HEN1通过调控miRNAs, 进而参与调节光形态建成的正调控和负调控因子的转录后水平的调控。

非编码RNA在光形态建成中发挥正调节子的作用。邓兴旺研究组从拟南芥中鉴别出1个称为HID1 (HIDDEN TREASURE 1)的非编码RNA。在连续红光下, hid1突变体表现弱敏感性。外源引进HID1启动子启动HID1基因可以恢复hid1的表型。生物信息学分析和实验验证都表明, HID1的二级结构含有4个茎环, 茎环结构SL2和SL4是其调控红光下下胚轴生长所必需的。进一步研究发现, HID1通过PIF3起作用, HID1形成大的核蛋白- RNA复合体后与PIF3第1个内含子的染色质结合进而抑制其表达。值得注意的是, 许多陆生植物都含有保守的HID1同源基因, 在拟南芥hid1突变体中引进水稻的HID1同源基因可以恢复其表型(Wang et al., 2014q)。这一研究成果揭示了幼苗光形态建成中非编码RNA调控的新机制。

4 植物激素与信号转导

4.1 生长素

生长素的合成与极性运输是调控生长素通路的关键步骤, 直接参与调控植物生长发育, 因而受到广泛关注。北京大学瞿礼嘉研究组发现拟南芥ADP1基因编码1个MATE (multidrug and toxic compound extru- sion)家族的转运蛋白, 负调控生长素在分生组织区域的合成, 从而直接调控植物的形态建成。在ADP1基因的功能获得性突变体(adp1-D)或过表达ADP1的转基因植物中, 分生组织区域的生长素浓度降低, 导致侧生分枝与侧生花器官发生增加; 敲除ADP1及其同源基因的四突变体则出现相反的表型, 说明ADP1介导的分生组织区域生长素浓度对植物形态建成具有关键作用(Li et al., 2014h)。生长素不仅对地上部侧生器官的形成具有重要作用, 对侧根的起始与发育同样不可或缺。中科院遗传与发育所童依平研究组发现, 生长素合成途径的关键基因TAR2 (TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATED 2)的表达受到低氮胁迫的诱导, 从而直接参与调控侧根原基的起始。在tar2突变体中, 响应低氮胁迫而促进生长素浓度增加和侧根起始的反应显著降低, 表明TAR2在植物适应低氮胁迫的生长发育中起关键作用(Ma et al., 2014b)。

土壤酸化对农业生产危害巨大, 而铝毒害是酸性土壤抑制植物生长的主要因素。研究表明铝的作用位点为根尖过渡区(transition zone, TZ), 通过影响TZ

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中生长素极性运输和信号转导进而影响植物根的生长, 而其分子机制还不清楚。山东大学丁兆军研究组发现, 铝对拟南芥根生长的抑制主要是由于TZ中生长素的过量积累所致。铝胁迫诱导的生长素合成关键基因TAA1在TZ中特异表达, 使生长素在该区域过量积累, 最终导致根的伸长受到抑制。此外, 该研究组还发现铝胁迫下TAA1介导的TZ中生长素的局部合成依赖于乙烯信号, 乙烯诱导TAA1在TZ中表达上调, 通过一系列生长素反应元件(ARFs)抑制生长素介导的根系生长(Yang et al., 2014f)。该研究揭示了环境因子通过调控局部生长素合成和相应信号转导影响植物根系生长的分子机制。

细胞骨架体系和生长素信号对植物细胞生长和形态建成具有重要影响, 生长素的运输和信号转导依赖于微丝系统的组织, 但目前仍不清楚微丝联系细胞内生长素信号的分子机制。张大兵研究组在水稻中发现了1个微丝结合蛋白RMD, 该蛋白在生长素介导的细胞生长和形态建成方面具有重要功能。rmd突变体的细胞生长异常, 其微丝排布方向亦发生了改变。此外, 该突变体还表现出生长素介导的细胞伸长受抑制、生长素极性运输减少、根中生长素的梯度分布改变及生长素极性运输蛋白(OsPIN1b和OsPIN2)在质膜上的定位受阻等特性。另外, 生长素响应因子OsARF23和OsARF24异源二聚体可直接调节RMD的表达, osarf23突变体以及OsARF23和OsARF24低表达株系中除RMD表达减少外, 还表现出微丝组织混乱及细胞生长受抑制、生长素响应敏感性降低、生长素分布及OsPIN定位被扰乱等性状。说明生长素可通过RMD调节微丝的定向, OsARF23/24-RMD是生长素自主调控途径的关键组分, 是控制植物细胞微丝排布方向的分子开关, 直接影响OsPINs蛋白的定位, 从而影响生长素的运输、分布和细胞生长(Li et al., 2014c)。该研究揭示了微丝组织与胞内生长素信号之间调控网络的分子机制, 具有重要的理论意义。

的IAA含量, 降低地上部的向重性(shoot gravitro- pism)进而调控水稻的分蘖角度。尽管SL和LA1 (定位在水稻第11号染色体上的散生基因)都是水稻生长素极性运输的负调控因子, 但SL没有改变茎基部生长素的横向运输, LA1则是水稻生长素横向运输的正调控因子。遗传证据证实, SL和LA1在几种不同的遗传信号通路中参与调控地上部的向重性和分蘖角度(Sang et al., 2014)。这些研究结果揭示了独脚金内酯的一个新作用, 阐明了一个从前未知的水稻地上部向重性的潜在调控机制。独脚金内酯可被视作未来获得理想植物株型的重要工具。

MAX2是独脚金内酯信号途径的重要组分, 除调控独脚金内酯介导的植物分蘖外, 还影响植物的光形态建成、衰老以及karrikin信号响应等诸多生长发育过程。目前, MAX2在植物应对非生物胁迫反应中的功能还报道较少。中科院东北地理与农业生态所卜庆云研究组发现, MAX2能够正调控植物的抗旱反应。与对照相比, 拟南芥突变体max2表现出对干旱胁迫超敏感, 在ABA诱导下气孔关闭速度减慢, 表面蜡质层变薄。进一步分析表明, 在max2突变体中, 逆境胁迫反应相关基因及ABA合成、代谢、运输和信号转导等途径相关基因的表达量均下降。max2与ABA不敏感abi3 (或abi5)双突变分析揭示, MAX2位于ABI基因的上游。此外, max2突变体幼苗对ABA和渗透胁迫超敏感, 且在max2种子的萌发阶段, ABA调控的相关基因表达量也增加, 说明在种子萌发及萌发后的早期生长阶段, MAX2负调控植物对ABA的反应。值得注意的是独脚金内酯途径中只有MAX2参与干旱、渗透胁迫及ABA反应, 而MAX1、MAX3和MAX4等组分均不参与这些非生物胁迫过程(Bu et al., 2014a)。以上 结果说明MAX2蛋白可特异地参与植物逆境胁迫反 应。

脱落酸(abscisic acid, ABA)参与诱导叶片的衰老过程, 但其信号机制仍不清楚。中科院遗传与发育所储成才研究组鉴定了1个显性的叶片早衰水稻突变体ps1-D。该突变体突变位点对应的基因PS1编码1种植物特异性的NAC转录激活子OsNAP, 过表达OsNAP可显著加快叶片的衰老, 下调OsNAP的表达则可延迟衰老过程。这些证据表明, OsNAP基因与叶片的衰老发育密切相关。采用ChIP-PCR和酵母单杂交技术证实, OsNAP可通过直接靶向与叶绿素降解、

4.2 独脚金内酯与脱落酸

独脚金内酯(strigolactone, SL)是近年来发现的一种植物激素, 它能够抑制植物的分蘖和侧芽的生长, 并与生长素和细胞分裂素一起调控植物的分蘖数量。中科院遗传与发育所李家洋研究组与钱前研究组合作, 证实了SL通过抑制生长素的生物合成, 即减少局部

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养分输送及其它衰老相关的基因正向调控叶片的衰老, 可见OsNAP可作为1个理想的水稻衰老过程起始标记基因。另外, ABA可特异性地诱导OsNAP的表达, ABA生物合成突变体aba1和aba2中的OsNAP表达受到抑制。与对照相比, 突变体ps1-D中的ABA含量显著下降, 表明OsNAP对ABA的生物合成起反馈抑制作用。此外, 该研究组在对OsNAP的RNAi株系进行分析后, 发现OsNAP表达的下降可促使叶片衰老延迟和灌浆结实期延长, 其中2个RNAi株系的水稻产量与对照相比均有提高(Liang et al., 2014a), 显示出OsNAP具有潜在的实用价值。此外, 南京农业大学沈文飚研究组对拟南芥中ABA通过引发包括氢气等在内的细胞内信号事件诱导气孔关闭进行了研究, 揭示了植物中氢气调控保卫细胞气孔关闭的机理, 并提出了ABA信号参与调控该过程(Xie et al., 2014b)。

GSK3类蛋白激酶在调控植物生长发育与应答非生物胁迫中具有重要作用。前人的研究发现该类蛋白激酶可能参与调控脱落酸信号通路, 但其分子机制未知。复旦大学王学路(现工作单位为华中农业大学)研究组通过遗传学和生物化学等研究证明, 拟南芥GSK3的1个成员BIN2作用于ABA受体下游, 直接磷酸化ABA信号通路重要组分蛋白激酶SnRK2.2和Sn- RK2.3, 并磷酸化ABA信号通路下游的转录因子AB- F2, 进而调控ABA信号通路。该项研究揭示了GSK3类蛋白激酶调控ABA信号转导的分子基础(Cai et al., 2014c)。另一项研究中, 中国农业大学武维华研究组发现, 拟南芥蛋白激酶SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK- 2.6磷酸化转录因子RAV1 (Related to ABI3/VP1), 促使RAV1结合在ABI3、ABI4和ABI5 启动子上抑制其转录, 进而在种子萌发和幼苗早期发育中负调控ABA信号转导(Feng et al., 2014)。

突变体材料viviparous*3286进行遗传和生化等分析证实该突变体为d1的等位突变。D1基因编码GA3ox氧化酶, 该酶在体外能催化一些非活性GA转换为活性GA。值得注意的是, 利用GFP报告基因和Western杂交方法, 发现D1蛋白可同时存在于细胞核和细胞质中, 该结果与传统观点认为GA3ox酶仅存在于细胞质中不同。进一步研究表明, 位于GA3ox上游的GA20ox也可同时存在于细胞核和细胞质中, 说明细胞核与细胞质内均可产生活性GA, 而GA受体GID1也可同时在其内表达。另外, 他们利用D1蛋白特异性抗体揭示了在雌花柱头原基区间可产生GA, 它可抑制柱头的发育, 进而导致玉米单性花的形成(Chen et al., 2014e)。

种子萌发是植物生命周期中的一个重要发育进程, 不同环境因素与植物激素通过影响种子的基因表达和物质代谢来调控种子的萌发过程。中科院微生物所何朝族研究组报道了1个C2C2类锌指蛋白OsLOL1, 该蛋白能够促进水稻赤霉素的生物合成并影响种子的萌发。利用反向遗传学方法, 他们构建了反义和正义转基因株系, 并研究了OsLOL1的功能。OsLOL1沉默株系中的GA含量降低, 淀粉酶基因的表达受到抑制, 种子萌发推迟。外施GA3能恢复反义OsLOL1植株的种子萌发时间到野生型水平。在反义植株中, GA生物合成基因OsKO2的表达水平和贝壳杉烯累积下降。酵母双杂交和荧光素酶互补实验分析表明, OsLOL1能够与碱性亮氨酸拉链蛋白OsbZIP58互作。凝胶阻滞和双荧光报告系统实验结果表明, OsbZIP- 58能够结合到OsKO2启动子的G-box顺式作用元件上, 并可激活LUC报告基因的表达, OsLOL1与Osb- ZIP58的互作能够促进OsKO2基因的表达。此外, OsLOL1能够降低SOD1的表达量, 并在水稻籽粒糊粉层中促进细胞程序性死亡(Wu et al., 2014b)。

4.3 赤霉素

赤霉素(gibberellins, GA)是调控植物株高的一种重要激素。很早以前人们就在玉米中发现了GA合成缺失突变体d1, 该突变体中GA合成的第3步受阻, 即其体内无生物活性的GA20和GA29等不能转化为活性GA, 因此推测D1编码GA3氧化酶(GA3ox)或对GA3ox表达具有调控功能, 然而在d1中一直未能分离和鉴定到与突变性状相对应的基因。谭保才研究组通过对玉米

4.4 乙烯与细胞分裂素

洪涝和干旱是作物产量的主要限制因素。然而, 有关植物对这两种极端水环境胁迫响应的独特或重叠机制的知识还十分有限。华中农业大学熊立仲研究组在水稻中发现了1个对耐旱和耐涝均具有调节功能的基因OsETOL1。该基因的2个等位突变体在抽穗期表现出抗干旱胁迫特性, 洪涝胁迫下在苗期和抽穗期其生长速率显著变慢, 而OsETOL1过表达水稻株系在不

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同胁迫下展现出与突变体相反的表型。不同的非生物胁迫能够引起OsETOL1表达水平的差异。OsETOL1能够与乙烯(ethylene, ET)合成限速酶(1-氨基-环丙烷-1-羧酸合成酶)OsACS2互作, 在osacs2突变体和OsETOL1过表达植株中ACC和乙烯的含量均显著下降, 而在洪涝胁迫下外施ACC能够恢复osetol1突变体和OsETOL1过表达株系的表型, 这暗示了OsET- OL1在乙烯生物合成途径中具有负调控功能。进一步研究发现, 在osetol1突变体和OsETOL1过表达株系中, 多个与糖代谢相关的基因的表达发生了显著改变, 说明OsETOL1可能影响能量代谢(Du et al., 2014a)。这些研究结果表明, OsETOL1通过调控乙烯产量及能量代谢在干旱和洪涝胁迫过程中发挥不同的作用。除上述响应外, 乙烯还参与盐胁迫的应答, 但具体机制尚不清楚。北京大学郭红卫研究组发现, 乙烯处理下的拟南芥植株表现耐盐的表型。在这个过程中, 乙烯信号中重要的转录因子EIN3 (ethylene in- sensitive3)和EIL1 (EIN3-like1)起着关键作用。转录组分析发现, 大量受盐诱导基因的表达上调依赖于EIN3/EIL1蛋白, 其中包括ROS清除基因POD (per-oxidase)。EIN3通过直接结合到POD基因的启动子区调节其表达, 阻止ROS的过量积累, 从而增强植物的耐盐能力(Peng et al., 2014c)。

细胞分裂素在植物生长发育和胁迫耐受过程中发挥重要作用。对拟南芥的研究表明, 细胞分裂素通过双组分系统发挥功能, 该系统包括1个组氨酸激酶、1个组氨酸磷酸转移酶(HP)和1个响应因子。系统树分析表明, 组氨酸激酶具有保守性, 而磷酸转移酶HPs和响应因子在水稻中出现谱系特异性扩张。可是, 发生了谱系特异性扩张的水稻组氨酸磷酸转移酶的功能是否也出现了分化还不清楚。河北师范大学孙颖研究组利用RNAi技术同时干扰水稻中的2个组氨酸磷酸转移酶基因OsAHP1和OsAHP2的表达, 结果表明, 组氨酸磷酸转移酶基因下调后的OsAHP-RNAi转基因植株表现出细胞分裂素信号转导缺陷表型, 自然生长条件下表现出节间长度缩短、株高矮化、侧根生长增加、叶片提早衰老、分蘖数减少和育性下降等性状。OsAHP-RNAi植株对细胞分裂素和盐胁迫超敏感, 但是能抗渗透胁迫(Sun et al., 2014d)。这些结果表明, OsAHPs在细胞分裂素信号中起正调控作用, 但在水稻对盐和干旱的耐受性方面具有不同的

功能。

4.5 茉莉素与甾醇类激素

水稻具有独特的花序、小穗和颖花结构, 它们与水稻产量的形成密切相关, 受茉莉酸等植物激素的调控。张大兵研究组发现, 水稻EG1编码茉莉素合成关键酶, EG2/OsJAZ1编码茉莉素信号途径中的抑制因子; 依赖于EG1的茉莉酸生物合成可以促进水稻花器官的发育, 茉莉素受体OsCOI1b在感应到茉莉素信号后, 与信号抑制因子EG2/OsJAZ1结合, 并将其转移至26S蛋白降解复合体中进行降解, 释放的茉莉素响应因子OsMYC2可直接结合到E类花器官发育调控基因OsMADS1的启动子区域, 进而激活水稻颖花的发育进程(Cai et al., 2014a)。此外, 山东大学夏光敏研究组对生长在盐渍化土壤上的小麦进行了研究, 证明了茉莉酸在小麦耐盐中的作用, 并发现同一代谢途径不同分支可通过不同的信号通路提高耐盐性。α-亚麻酸代谢途径包括植物激素茉莉酸合成及OPRI催化的代谢2个分支, 但是该途径在植物耐盐中的作用机制还未见报道。该研究组鉴定了这2个分支的关键基因TaAOC1和TaOPR1, 发现它们分别通过茉莉酸和ABA信号通路调控耐逆关键转录因子MYC2, 从而提高小麦的耐盐能力(Zhao et al., 2014d)。

棉花是天然纺织用纤维的主要来源, 甾醇类激素芸薹素(brassinosteroids, BRs)对纤维发育具有重要的调控作用, 然而BRs调节纤维伸长的机制仍不清楚。中国农科院李付广研究组鉴定了对棉纤维发育具有调控功能的基因PAG1, 并利用T-DNA插入形成的陆地棉突变体pag1 (pagoda1)探究了BRs影响纤维发育的分子机理。pag1突变体细胞的伸长及扩张受到了明显抑制, 并伴随植株的矮化和棉纤维缩短表型。用油菜素内酯(BL)处理可恢复pag1的生长及其纤维长度。随后, 该研究组克隆到PAG1基因, 该基因编码1个AtCYP734A1的同源蛋白, 该蛋白可催化BRs的C-26位发生羟基化从而使BRs失去生物活性。RNA- Seq分析表明, 组成型表达PAG1可引起长链脂肪酸VLCFA生物合成、乙烯信号转导、钙调素信号转导、细胞壁发育、细胞骨架组织以及细胞生长等方面的基因下调。该研究表明, PAG1可通过调控植物体内活性BRs水平来影响纤维的发育(Yang et al., 2014e)。这一发现为棉花株型的改良、植株产量和纤维品质的提

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高提供了理论依据与技术支撑。 生理作用, 但具体分子机制尚不清楚。中科院遗传与发育所左建儒研究组发现细胞分裂素通过促进ABI5蛋白的降解进而正调控子叶转绿(Guan et al., 2014)。该研究为解析这一重要发育过程的遗传基础提供了重要线索。

植物细胞的伸长生长受到油菜素内酯、赤霉素以及光信号等通路的调控。这一复杂调控模式为解析不同信号通路互作并调控特异生物学过程提供了一个很好的模式。林荣呈研究组发现拟南芥染色质重塑因子PKL抑制光形态建成。PKL通过与光信号通路调控因子PIF3和油菜素内酯信号通路因子BZR1直接互作从而促进PKL与细胞伸长相关靶基因的结合, 抑制靶基因启动子区域组蛋白H3 Lys-3的三甲基化(H3K27- me3), 进而协同调控暗形态建成。此外, 赤霉素信号通路的抑制子DELLA蛋白与PKL互作则抑制PKL与靶基因的结合。与此相吻合, 油菜素内酯和赤霉素抑制细胞伸长相关位点组蛋白的H3K27me3修饰, 且这种抑制分别被BZR1和DELLA介导。该研究揭示了PKL通过表观遗传修饰机制整合激素信号与光信号协同调控植物生长发育的分子机制(Zhang et al., 2014b)。NRT1.8/NRT1.5在调节硝酸根离子再分配过程中具有重要功能, 但植物整合不同的环境信号来调控逆境诱导的硝酸根再分配过程(stress-induced ni- trate allocation to roots, SINAR)尚不清楚。中科院上海植物生理生态所龚继明研究组对该问题进行了研究, 发现乙烯和茉莉酸可影响SINAR与环境之间的交互(Zhang et al., 2014f), 揭示了乙烯和茉莉酸途径及其调控的硝酸盐转运蛋白共同组成1个ET/JANRT1.5/ NRT1.8功能模块。该模块可调控逆境下硝酸盐在植物体内的再分配过程, 回答了硝酸根再分配与不同环境信号整合的问题, 加深了人们对植物在逆境耐受性和生长发育间平衡机理的认识。另外, 郭红卫研究组对拟南芥种子萌发时弯钩的发育进行了研究, 揭示了茉莉酸和乙烯信号通路调控拟南芥HLS1 (弯钩形成的一个主控基因)表达及弯钩的发育机制(Zhang et al., 2014n)。这些不同植物激素信号通路互作的解析对阐明植物复杂性状形成的分子机理具有重要意义。

4.6 激素互作与调控网络

自然环境下, 植物需对不同的环境因素和内部信号进行整合以协同调控植物的生长、发育及防御, 这对植物的生存至关重要。清华大学谢道昕研究组报道了JA和GA协同调控拟南芥表皮毛形成的分子机理。他们发现赤霉素信号通路抑制因子DELLA蛋白可与WD- repeat/bHLH/MYB复合体的组分(GL1、EGL3和GL3)互作并抑制该复合体的转录活性。赤霉素促进DELLA蛋白降解, 进而释放WD-repeat/bHLH/MYB复合体, 促进表皮毛的形成。同时, 该研究组还发现JAZ和DELLA蛋白能够协同抑制WD-repeat/bHLH/MYB复合体的转录活性。茉莉素和赤霉素分别通过降解JAZ和DELLA蛋白, 释放WD-repeat/bHLH/MYB复合体(Qi et al., 2014)。此外, 谢道昕研究组还报道了JA与乙烯协同作用调控根毛的发育、抗逆性以及植物激素介导的其它生长发育过程(Song et al., 2014)。

有关拟南芥中乙烯信号转导研究已经取得了较大进展, 但人们对单子叶植物中乙烯信号的传递及其作用机制还知之甚少。中科院遗传与发育所张劲松研究组根据水稻黄化苗的乙烯反应特性建立了一个快速高效的突变体筛选体系, 并利用该体系分离鉴定了一系列水稻乙烯反应突变体(mhz)。其中, mhz4呈现根钝感而胚芽鞘敏感的乙烯反应表型。采用图位克隆法分离基因, 发现MHZ4编码OsABA4蛋白, 可能参与调控脱落酸(ABA)合成途径中紫黄质向新黄质的转化。MHZ4突变造成ABA缺失进而导致其乙烯反应异常, MHZ4过表达水稻幼苗呈现与突变体完全相反的乙烯反应表型。遗传学、植物生理和分子生物学研究证明, 在水稻根中, MHZ4介导的ABA途径作用于乙烯信号通路的下游, 乙烯信号上调MHZ4表达并特异地促进根中ABA的积累从而抑制根的伸长生长。这一发现与拟南芥中报道的乙烯抑制根伸长不需要ABA的作用完全不同。该研究证明了水稻中乙烯通过ABA途径调控根系的生长(Ma et al., 2014a), 为探究乙烯信号对水稻等作物重要生长发育过程的调控机制提供了新线索。前人的研究表明, 脱落酸抑制种子萌发和子叶转绿等胚后生长发育。脱落酸信号通路中的ABI5转录因子在这一过程中具有关键调控作用。细胞分裂素在种子萌发和子叶转绿过程中拮抗脱落酸的

5 植物抗性与信号转导

在长期的进化过程中, 植物自身形成了一套完善的防

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御机制, 以应对外界生物与非生物胁迫。促分裂原活化蛋白激酶MAPK级联反应在植物防卫反应的调控中发挥重要作用。Raf类MAPK激酶EDR1在植物防卫反应及细胞死亡中起负调控作用。中科院遗传与发育所唐定中研究组发现, 拟南芥edr1突变体中积累高水平的MPK3/6蛋白, 同时MPK3/6的激酶活性被诱导。EDR1与MKK4/5相互作用负调控MKK4/5的蛋白水平。过表达MKK4/5的转基因植株表现出与edr1类似的抗病及灰霉菌诱导细胞死亡的表型。这一研究表明, EDR1通过与MKK4/5互作, 负调控MAPK级联信号通路, 从而精细调控植物的先天免疫反应(Zhao et al., 2014b)。MPK3/6在各种植物中都参与ROS信号途径, 但由于双突变体胚胎致死, 相关遗传证据至今仍未获得。浙江大学张舒群研究组利用化学遗传方法, 获得了另一种可调控型mpk3 mpk6功能缺失突变体。利用该双突变体, 他们发现flg22诱导的ROS爆发不依赖于MPK3/6。flg22诱导的ROS爆发过程在AtR- bohD功能缺失突变体中完全被抑制, 而MPK3/6的活性激活未受影响。基于上述研究结果, 他们认为在植物免疫过程中, 快速的ROS爆发及MPK3/6激活是处于FLS2下游的两个相互独立的早期事件(Xu et al., 2014b)。该研究建立了新的mpk3 mpk6遗传系统, 为揭示MPK3/6等胚胎发育必需基因在植物免疫中的调控机制提供了有力工具。

免疫受体的精细调控可使植物避免遭受防卫反应持续激活造成的伤害。最近的研究表明, 非编码小RNA分子可参与胞内的抗病相关受体激酶表达调控, 调控双子叶植物的防卫反应信号途径。然而类似的机制在单子叶粮食作物(如大麦及小麦)中尚未发现。大麦中的Mla (mildew resistance locus a)等位基因编码CC-NB-LRR类型R蛋白, 可以激活由白粉病真菌 (Blumeria graminis f. sp. Hordei (Bgh))引起的特异性防卫反应。但对于Mla及其它NB-LRR类R基因的转录后调控机制仍不清楚。中科院遗传与发育所沈前华研究组在大麦中鉴定出1个麦类植物特异表达的小RNA家族miR9863。该家族包含4个成员, 其中3个成员分别靶向不同的Mla转录本进行调控。调控的特异性由成熟的miR9863上的1个SNP位点和2个Mla基因上的miR9863结合位点的SNP位点决定。进一步研究发现, 小麦及烟草(Nicotiana tabacum)中的22 nt的miR9863可产生21 nt的次级siRNAs (phasiRNAs),

这些siRNA可形成反馈调节网络帮助miR9863负向调节一类Mla基因的表达(Liu et al., 2014d)。该研究证明, miR9863是大麦中NB-LRR类蛋白Mla激活后期精细调控的重要组分, 对保护植物免受防卫反应过度激活造成的不利影响具有重要作用。

豆科植物可通过细胞表面的结瘤因子受体(NFR)特异地识别结瘤因子(NFs)信号, 诱导根瘤的形成。而拟南芥的几丁质诱导子受体激酶1 (AtCERK1)可感知几丁质及其寡聚糖, 诱导植物的防御信号。尽管二者信号类型不同, 但均具有LysM结构域。中山大学谢致平研究组将百脉根(Lotus japonica) NFR1和NFR5的胞外LysM结构域分别与拟南芥CERK1的胞内结构域融合, 构建嵌合体基因LjNFR1-AtCERK1与LjNFR5- AtCERK1, 并将它们转入几丁质诱导的防御信号缺失突变体cerk1-2中表达。利用根瘤菌中提取的NFs (NGR234)处理后, 表达出2个嵌合体基因的植株均积累大量的活性氧(ROS)、表达出大量的几丁质响应防御基因及对镰刀菌(Fusarium oxysporum)的抗性增强。表达单个嵌合体基因的植株则不出现任何反应(Wang et al., 2014j)。该研究为揭示豆科植物结瘤信号途径的机理提供了新思路, 不仅有助于更好地理解共生和防御信号转导的调控机制, 而且对合理利用共生细菌提高非豆科植物的抗性奠定了理论基础。

微生物相关分子模式(microbe-associated mole- cular patterns, MAMPs)引起的免疫反应在植物防御反应中扮演着重要角色, 几丁质和肽聚糖(PGN)分别是真菌和细菌免疫反应的主要分子模式。中山大学王宏斌研究组证明水稻LysM受体激酶OsCERK1在肽聚糖介导的免疫反应中起重要作用; 同时, 该激酶也是几丁质诱导的信号通路中的关键组分。OsCERK1蛋白沉默会抑制PGN (几丁质诱导)的免疫反应, 说明在OsLYP4 (感测细菌PGN的受体)和OsLYP6 (感测真菌几丁质的受体)介导的PGN/几丁质诱发的免疫反应信号通路中, OsCERK1是必要元件。该研究证实了在水稻先天免疫中, OsCERK1既可介导PGN也可介导几丁质信号通路, 同时又与OsLYP4和OsLYP6一起作为受体参与细胞质膜的信号转导(Ao et al., 2014)。有研究表明, 病原物相关分子模式触发的免疫(PAMP-triggered immunity, PTI)是广谱的, 利用基因工程调控PTI可以有效增加植物的抗病性。PTI过程的产生, 依赖于植物细胞表面的模式识别受体

种康等: 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 431

(pattern recognition receptors, PRRs)识别微生物相关分子模式(MAMPs), 并激活下游信号。“国立”台湾大学Laurent Zimmerli研究组发现受体类激酶LecRK-VI.2可以与受体PRR FLS2互作。LecRK-VI.2对细菌的抗性是特异的, 在茄科中异源表达LecRK- VI.2可导致PTI过程介导的活性氧自由基产量增加, 提高胞外信号调节激酶MAPK的活性、胼胝质的沉积及PTI过程下游基因的表达量(Huang et al., 2014b)。该研究为利用基因工程手段改造植物抗性提供了一个新思路。

植物中的微丝骨架参与各种生物进程。当植物感受外界刺激(如病原菌入侵)时, 微丝骨架会发生重排, 进而引发体内的防卫反应, 但其调控机制还有很多未知之处。西北农林科技大学康振生研究组在小麦中鉴定到ADF (actin-depolymerizing factor)基因TaAD- F7。该基因通过与微丝骨架结合影响微丝骨架蛋白的结合与分离活性, 从而调控微丝骨架的动态平衡(Fu et al., 2014a)。该成果为研究小麦中细胞骨架对病原菌相应的分子机制提供了新的证据。

温度显著影响植物对病原菌的抗性。拟南芥温度敏感突变体chs2-1 (chilling-sensitive 2), 也被称为rpp4-1d (recognition of peronospora parasitica 4), 在低温下诱发RPP4介导的防卫反应持续激活。中国农业大学杨淑华研究组利用EMS诱变技术对rpp4-1d进行了抑制子筛选, 鉴定出细胞质热激蛋白HSP90 (heat shock protein 90)家族成员突变体hsp90.2及hsp90.3。hsp90突变体抑制rpp4-1d低温下防卫反应激活表型。正常温度下RPP4蛋白定位在细胞质与细胞核中, 低温导致突变型rpp4蛋白在核中积累。遗传分析表明, NB-ARC及LRR结构域对rpp4-1d在温度依赖的防卫反应中发挥功能起重要作用(Bao et al., 2014a)。该研究为揭示HSP90作为分子伴侣参与调控RPP4介导的温度依赖的防卫反应及细胞死亡的分子机制提供了重要证据。

NADPH氧化酶是一种与哺乳动物嗜中性粒细胞gp91phox同源的氧化还原酶, 主要参与植物的防御反应, 并调节植物的生长发育。当植物受到生物或非生物胁迫时, 该酶会大量产生活性氧, 使植物及时对逆境胁迫做出反应, 以适应外界环境的变化。尽管目前对该蛋白的功能已有不少报道, 但其在活细胞中参与逆境胁迫的机制尚不清楚。中科院植物所林金星研究

组应用可变角度的全内反射荧光显微镜, 结合单颗粒追踪分析技术, 在单分子水平上对拟南芥的细胞质膜NADPH氧化酶D (RbohD)进行活体动态分析, 发现绿色荧光蛋白标记的NADPH氧化酶(GFP-RbohD)主要分布在细胞膜上, 并且该蛋白的定位与囊泡循环的过程密切相关。利用单颗粒追踪和单分子荧光漂白等技术分析, 观察到GFP-RbohD在细胞膜上呈高度动态和不均一分布。运用NADPH氧化酶抑制剂(DPI)和钙离子载体(ionomycin)等处理转基因材料后, 发现GFP-RbohD在细胞膜上的扩散系数受到明显影响, 说明其运动状态与活性密切相关。在盐胁迫下, GFP- RbohD会通过胞吞进入胞质, 使质膜上具有活性的RbohD蛋白减少。与笼型蛋白Clathrin和膜微区标志蛋白Flot1等三维共定位分析显示, 该蛋白与它们均有不同程度的共定位, 同时笼形蛋白和膜微区依赖的途径共同参与调控了GFP-RbohD的内吞(Hao et al., 2014)。该研究结果从单分子水平上分析了RbohD蛋白的分布、运动状态以及胞吞过程的变化规律, 揭示了植物细胞可通过调节该蛋白在质膜上的运动状态及胞吞转运方式实现对逆境自我调控的机制。

拟南芥AtPAD4 (phytoalexin deficient 4)基因在抗病过程中起重要作用, 然而其在水稻中的同源基因的功能还不清楚。华中农业大学王石平研究组通过研究水稻中AtPAD4的同源基因, 证明水稻PAD4与拟南芥功能不同。OsPAD4在伤害诱导的系统抗性中起重要作用, 其参与的Xoo介导的防卫反应途径依赖于JA; 而拟南芥AtPAD4介导的系统获得性防卫反应依赖于SA (Ke et al., 2014)。万建民研究组进行了类似研究, 从水稻中克隆了抗条纹叶枯病基因STV11 (属于抗性的等位基因(STV11-R)), 该基因编码磺基转运酶OsSOT1, 此酶可以催化水杨酸(salicylic acid, SA)磺化生成磺化水杨酸(sulphonated SA, SSA), 上调SA的生物合成。外施SA和SSA均可显著增强对RSV的抑制作用, 且STV11介导的RSV抗性受到水杨酸羟化酶和水杨羟肟酸的拮抗, 表明STV11对RSV的抗性依赖于SA介导的抗病毒途径。将STV11- R等位基因导入感病品种或者异源转移STV11-R到烟草中都能介导它们对RSV产生抗性(Wang et al., 2014h)。该研究不仅为植物-病毒防疫机制的揭示提供了新观点, 而且为基于分子标记辅助育种或遗传改良的作物RSV抗性品种开发提供了新策略。同时该研

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