植物学报ChineseBulletinofBotany2011,46(3):233-275,www.chinbullbotany.com doi:10.3724/sPJ.1259201100233 主编评述 2010年中国植物科学若干领域重要研究进展 摘要2010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具有原创意义的研究成果, 尤其是在水稻产量决定的遗传机制和作物基因组研究方面获得了一系列突破,农业生态学研究等方面也取得了重大进展, 获得国内外的高度评价。该文对2010年中国本土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,2010 食明,王小菁,钱前,杨维才,瞿礼嘉,王台,孔宏智,许亦农,蒋高明,种康(2011.2010年中国植物科学若干领域重要 研究进展.植物学报46,233-275 进入新世纪以来,在中国综合国力快速增强的大 中国植物科学研究进展中水稻科学研究堪称代 背景下,随着国家对科硏项目资金的多年持续性投入表。植物基础科学研究的重心从完全的基本理论探索 以及国内外学术交流和联合项目合作的日益频繁,中开始转向围绕重大应用价值性状的机制解析并应用 国植物科学研究得到了突飞猛进的发展,取得了众多于生产。高产是我国育种学家最重视的目标农艺性状, 令世人瞩目的成绩,在国际植物学研究领域最前沿占其决定因素包括单位面积穗数、每穗粒数以及粒重。 据了一席之地。2010年中国植物科学领域的研究成果这些生物学性状受株型、穗型以及根构型等因素的控 继续在质量和产量上获得双丰收,为新世纪的第1个制和影响。2010年,多个由中国科学家牵头组建的研 10年画上了一个圆满的句号。近日S公布的数据显究组分别在株型( Jiao et al,2010)、谷粒大小及粒型 示,近11年(2000-2010年)动物与植物科学领域论文控制基因(如GS3)( Mao et a,2010)等方面取得了重 总被引频次中国已跃居世界第10位,单篇被引频次要进展。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋 为537。单篇引用情况可能基本上代表了我国植物科院士和中国水稻研究所钱前研究员领导的科研团队 学目前的总体状况——已进入或正在进入世界前列方成功分离鉴定了控制水稻理想株型的主效基因∥PA1, 阵。据本刊不完全统计,2010年中国本土植物生命科揭示了调控理想株型形成的一个重要的分子机制,为 学领域的科学家在植物科学及其相关学科主流学术培育理想株型的超级水稻品种奠定了坚实的基础 刊物上共发表论文215篇,其中63篇发表在国际最具( Jiao et al,2010)。 Science杂志的科学新闻栏目报道 影响力的期刊上,如 Science、 Molecular Ce∥、了∥PA1的研究成果,并认为该研究发现了推动水稻 Developmental Ce∥、PNAS、 EMBO J、 Plant Ce∥、产量提高的遗传学基础。同时该项研究成果还被 Molecular Ce∥ Proteomics、 Nature及其系列。而在 Nature china作为研究亮点进行了报道。这是中国科 2009年这两类文章的数量分别为175篇和53篇。值得学家在揭示水稻高产的分子奥秘上迈出的重要一步 提的是,在保持原有重点研究机构且其优势不断扩入选“2010年度中国科学十大进展”,同时被评为“瀚 大的同时,越来越多的研究组开始纷纷加入到稳定高霖杯2010年中国十大科技进展新闻”。 产论文的行列中来,同时研究范围和内容也更趋广 2010年中国科学家在以基因组测序技术为基础 泛,显现出了巨大的发展潜力。2010年中国植物科学的植物基因组学研究方面的实力和影响得到进一步 进展的基本特点是以水稻( Oryza sativa)为代表的功加强。在高通量测序技术的支撑下,全基因组关联分 能基因组学多点突破、环境对作物的影响和转基因植析(GWAS技术的应用已经从医学扩展到植物学研究 物生态安全长期基础性检测研究的深入以及学科交中,为低成本高通量地分析性状决定基因提供了重要 叉产生的新亮点 的工具。中国科学院上海生命科学研究院植物生理生
植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2011, 46 (3): 233–275, www.chinbullbotany.com doi: 10.3724/SP.J.1259.2011.00233 2010年中国植物科学若干领域重要研究进展 摘要 2010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具有原创意义的研究成果, 尤其是在水稻产量决定的遗传机制和作物基因组研究方面获得了一系列突破, 农业生态学研究等方面也取得了重大进展, 获得国内外的高度评价。该文对2010年中国本土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, 2010 袁明, 王小菁, 钱前, 杨维才, 瞿礼嘉, 王台, 孔宏智, 许亦农, 蒋高明, 种康 (2011). 2010年中国植物科学若干领域重要 研究进展. 植物学报 46, 233–275. 进入新世纪以来, 在中国综合国力快速增强的大 背景下, 随着国家对科研项目资金的多年持续性投入 以及国内外学术交流和联合项目合作的日益频繁, 中 国植物科学研究得到了突飞猛进的发展, 取得了众多 令世人瞩目的成绩, 在国际植物学研究领域最前沿占 据了一席之地。2010年中国植物科学领域的研究成果 继续在质量和产量上获得双丰收, 为新世纪的第1个 10年画上了一个圆满的句号。近日ISI公布的数据显 示, 近11年(2000–2010年)动物与植物科学领域论文 总被引频次中国已跃居世界第10位, 单篇被引频次 为5.37。单篇引用情况可能基本上代表了我国植物科 学目前的总体状况——已进入或正在进入世界前列方 阵。据本刊不完全统计, 2010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215篇, 其中63篇发表在国际最具 影响力的期刊上, 如Science、Molecular Cell、 Developmental Cell、PNAS、EMBO J、Plant Cell、 Molecular Cell Proteomics、Nature及其系列。而在 2009年这两类文章的数量分别为175篇和53篇。值得 一提的是, 在保持原有重点研究机构且其优势不断扩 大的同时, 越来越多的研究组开始纷纷加入到稳定高 产论文的行列中来, 同时研究范围和内容也更趋广 泛, 显现出了巨大的发展潜力。2010年中国植物科学 进展的基本特点是以水稻(Oryza sativa)为代表的功 能基因组学多点突破、环境对作物的影响和转基因植 物生态安全长期基础性检测研究的深入以及学科交 叉产生的新亮点。 中国植物科学研究进展中水稻科学研究堪称代 表。植物基础科学研究的重心从完全的基本理论探索 开始转向围绕重大应用价值性状的机制解析并应用 于生产。高产是我国育种学家最重视的目标农艺性状, 其决定因素包括单位面积穗数、每穗粒数以及粒重。 这些生物学性状受株型、穗型以及根构型等因素的控 制和影响。2010年, 多个由中国科学家牵头组建的研 究组分别在株型(Jiao et al., 2010)、谷粒大小及粒型 控制基因(如GS3)(Mao et al., 2010)等方面取得了重 要进展。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋 院士和中国水稻研究所钱前研究员领导的科研团队 成功分离鉴定了控制水稻理想株型的主效基因IPA1, 揭示了调控理想株型形成的一个重要的分子机制, 为 培育理想株型的超级水稻品种奠定了坚实的基础 (Jiao et al., 2010)。Science杂志的科学新闻栏目报道 了IPA1的研究成果, 并认为该研究发现了推动水稻 产量提高的遗传学基础。同时该项研究成果还被 Nature China作为研究亮点进行了报道。这是中国科 学家在揭示水稻高产的分子奥秘上迈出的重要一步, 入选“2010年度中国科学十大进展”, 同时被评为“瀚 霖杯2010年中国十大科技进展新闻”。 2010年中国科学家在以基因组测序技术为基础 的植物基因组学研究方面的实力和影响得到进一步 加强。在高通量测序技术的支撑下, 全基因组关联分 析(GWAS)技术的应用已经从医学扩展到植物学研究 中, 为低成本高通量地分析性状决定基因提供了重要 的工具。中国科学院上海生命科学研究院植物生理生 ·主编评述·
34植物学报46(3)2011 态研究所国家基因研究中心韩斌研究组与国内外多结构生物学家对植物细胞大分子结构解析的关注,并 家单位合作,对517份水稻品种的14个重要农艺性状取得重要进展。中国科学院生物物理研究所常文瑞院 进行了全基因组关联分析,确定了这些农艺性状相关士研究组解析了高等植物光合膜蛋白——菠菜次要捕 的候选基因位点。该研究首次成功开发出大样本、低光复合物CP29的晶体结构,为深入研究高等植物次 丰度的基因组测序和基因分型方法,为水稻遗传学研要捕光复合物的高效捕光和能量传递,尤其是光保护 究和分子育种提供了重要的基础数据( Huang et al,等能量调节机制提供了结构基础( Pan et al,2011) 2010b)。 Nature Genetics同期发表述评称之为作物国家自然科学基金委员会(NSFC)“植物激素作用机 遗传学研究中里程碑式的工作。在全基因组深度测序理”重大研究计划项目的实施,促使化学家致力于解 方面,中国科学家对野生大豆和栽培大豆( Lam et al.,决植物内源溦素测定这一制约植物激素作用机理研 2010)、优异玉米( Zea mays)自交系( Lai et al,2010)究的瓶颈。多种痕量多衍生物类激素(如独角金内酯、 全基因组进行了大规模的遗传多态性分析,为种质资赤霉素)以及极少量植物材料的激素的鉴定与定量技 源保护和分子育种带来新的科学启示 术取得突破。如武汉大学冯钰锜教授等建立的多种赤 2010年农业生态系统领域的研究进展也值得高霉素及其衍生物同时分析鉴定技术系统解决了我国 度关注。环境污染导致土壤酸化,对农业生产、生态该领域的技术难题。独角金内酯( Lin et a,2009)、生 环境和人类健康构成严重潜在威胁,成为土壤学、生长素( Zhou et al,2010b以及赤霉素( Li et al!,2011) 态学和环境科学领域广受关注的重大问题。中国农业等相关研究工作发表在国际顶级刊物上,标志着我国 大学张福锁研究组对这一问题进行了系统的理论分激素测定技术进入新的时代,必将极大推动我国激素 析,首次全面报道了自20世纪80年代以来我国主要研究领域创新性研究成果的产生。 农田土壤出现显著酸化的现象,并且发现过量施用氮 除了大量原创性研究成果之外,2010年中国科学 肥是导致农田土壤酸化的最主要原因( Guo et al,家还在国际植物科学权威综述性杂志Anua/Re 2010c)。该研究结果为在集约化农业背景下农田土壤 ws of plant bio/oy等上发表了多篇特邀综述文 酸化的风险评估、生态环境效应及其防治对策研究等章,表明越来越多的中国植物学家的工作获得了国际 方面提供了理论指导,使得如何在持续提高作物产量主流学术界的认可和关注。这些研究工作涉及水稻分 的同时,降低氮肥用量、有效减少过量氮素对环境的枝与发育( Nang and Li,2011; Li and chua,2011) 负面影响成为国际农业和生态环境领域所共同面临水稻产量的分子遗传基础和杂种不育( Xing and 的重大科学问题,对我国乃至世界的粮食安全和环境 Zhang.2010; Ouyang et al.,2010b)、植物雌雄配子 安全具有深远影响。在转基因抗虫棉生态安全性评价体发育( Yang et al,2010 C: Shi and Yang,2011)、植 方面,中国农业科学院植物保护研究所吴孔明研究组物组蛋白甲基化( Liu et a,2010b)以及植物数量抗病 继200年在 Science杂志发表论文后又获得了重要进基因( Kou and Wang,2010)等领域。 展。他们以我国华北地区商业化种植Bt棉花为案例, 21世纪的第一个10年是中国植物科学蓬勃发展 系统研究了在长达12年的时间里Bt棉花商业化种植快速提升的10年。在这期间越来越多的中国科学家登 对非靶标害虫盲蝽蟓种群区域性演化的影响(Luet上并活跃在国际植物科学硏究的学术舞台,成为推动 al,2010b)。这一研究成果明确了我国商业化种植Bt世界植物科学发展的重要力量,同时国内的整体研究 棉花对非靶标害虫的生态效应,为阐明转基因抗虫作水平也随之不断提升。作为“中国植物科学若干领域 物对昆虫种群演化的影响机理提供了理论基础,对发重要研究进展”系列年评的编写者,我们有幸与读者 展利用t植物可持续控制重大害虫区域性灾变的新共同见证了这个重要的历史阶段。希望此文能够帮助 理论、新技术有重要指导意义。 广大读者全面追踪当前中国植物科学领域的大事件 国家重大研究计划促进了结构生物学和化学等和大进展,并以此彰显我国科学家所取得的杰出成 多学科的交叉,从而推动植物科学基础理论硏究的快就。由于资料收集和篇幅的限制,难免疏漏,请读者 速发展。其中“蛋白质科学”等国家重大计划引起了谅解。下面按照不同研究方向分别进行评述
234 植物学报 46(3) 2011 态研究所国家基因研究中心韩斌研究组与国内外多 家单位合作, 对517份水稻品种的14个重要农艺性状 进行了全基因组关联分析, 确定了这些农艺性状相关 的候选基因位点。该研究首次成功开发出大样本、低 丰度的基因组测序和基因分型方法, 为水稻遗传学研 究和分子育种提供了重要的基础数据(Huang et al., 2010b)。Nature Genetics同期发表述评称之为作物 遗传学研究中里程碑式的工作。在全基因组深度测序 方面, 中国科学家对野生大豆和栽培大豆(Lam et al., 2010)、优异玉米(Zea mays)自交系(Lai et al., 2010) 全基因组进行了大规模的遗传多态性分析, 为种质资 源保护和分子育种带来新的科学启示。 2010年农业生态系统领域的研究进展也值得高 度关注。环境污染导致土壤酸化, 对农业生产、生态 环境和人类健康构成严重潜在威胁, 成为土壤学、生 态学和环境科学领域广受关注的重大问题。中国农业 大学张福锁研究组对这一问题进行了系统的理论分 析, 首次全面报道了自20世纪80年代以来我国主要 农田土壤出现显著酸化的现象, 并且发现过量施用氮 肥是导致农田土壤酸化的最主要原因(Guo et al., 2010c)。该研究结果为在集约化农业背景下农田土壤 酸化的风险评估、生态环境效应及其防治对策研究等 方面提供了理论指导, 使得如何在持续提高作物产量 的同时, 降低氮肥用量、有效减少过量氮素对环境的 负面影响成为国际农业和生态环境领域所共同面临 的重大科学问题, 对我国乃至世界的粮食安全和环境 安全具有深远影响。在转基因抗虫棉生态安全性评价 方面, 中国农业科学院植物保护研究所吴孔明研究组 继2008年在Science杂志发表论文后又获得了重要进 展。他们以我国华北地区商业化种植Bt棉花为案例, 系统研究了在长达12年的时间里Bt棉花商业化种植 对非靶标害虫盲蝽蟓种群区域性演化的影响(Lu et al., 2010b)。这一研究成果明确了我国商业化种植Bt 棉花对非靶标害虫的生态效应, 为阐明转基因抗虫作 物对昆虫种群演化的影响机理提供了理论基础, 对发 展利用Bt植物可持续控制重大害虫区域性灾变的新 理论、新技术有重要指导意义。 国家重大研究计划促进了结构生物学和化学等 多学科的交叉, 从而推动植物科学基础理论研究的快 速发展。其中“蛋白质科学”等国家重大计划引起了 结构生物学家对植物细胞大分子结构解析的关注, 并 取得重要进展。中国科学院生物物理研究所常文瑞院 士研究组解析了高等植物光合膜蛋白——菠菜次要捕 光复合物CP29的晶体结构, 为深入研究高等植物次 要捕光复合物的高效捕光和能量传递, 尤其是光保护 等能量调节机制提供了结构基础(Pan et al., 2011)。 国家自然科学基金委员会(NSFC)“植物激素作用机 理”重大研究计划项目的实施, 促使化学家致力于解 决植物内源激素测定这一制约植物激素作用机理研 究的瓶颈。多种痕量多衍生物类激素(如独角金内酯、 赤霉素)以及极少量植物材料的激素的鉴定与定量技 术取得突破。如武汉大学冯钰锜教授等建立的多种赤 霉素及其衍生物同时分析鉴定技术系统解决了我国 该领域的技术难题。独角金内酯(Lin et al., 2009)、生 长素(Zhou et al., 2010b)以及赤霉素(Li et al., 2011) 等相关研究工作发表在国际顶级刊物上, 标志着我国 激素测定技术进入新的时代, 必将极大推动我国激素 研究领域创新性研究成果的产生。 除了大量原创性研究成果之外, 2010年中国科学 家还在国际植物科学权威综述性杂志Annual Reviews of Plant Biology等上发表了多篇特邀综述文 章, 表明越来越多的中国植物学家的工作获得了国际 主流学术界的认可和关注。这些研究工作涉及水稻分 枝与发育(Wang and Li, 2011; Li and Chua, 2011)、 水稻产量的分子遗传基础和杂种不育(Xing and Zhang, 2010; Ouyang et al., 2010b)、植物雌雄配子 体发育(Yang et al., 2010c; Shi and Yang, 2011)、植 物组蛋白甲基化(Liu et al., 2010b)以及植物数量抗病 基因(Kou and Wang, 2010)等领域。 21世纪的第一个10年是中国植物科学蓬勃发展、 快速提升的10年。在这期间越来越多的中国科学家登 上并活跃在国际植物科学研究的学术舞台, 成为推动 世界植物科学发展的重要力量, 同时国内的整体研究 水平也随之不断提升。作为“中国植物科学若干领域 重要研究进展”系列年评的编写者, 我们有幸与读者 共同见证了这个重要的历史阶段。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, 并以此彰显我国科学家所取得的杰出成 就。由于资料收集和篇幅的限制, 难免疏漏, 请读者 谅解。下面按照不同研究方向分别进行评述
袁明等:2010年中国植物科学若干领域重要研究进展235 1植物发育、代谢与生殖的遗传调控立的可能模型( Yuan et al,2010b)该研究鉴定了新 的参与叶片近-远轴极性建立的调控因子,为阐明叶 1.1植物发育遗传调控 片近-远轴极性建立过程的分子调控网络提供了重要 在植物中,表皮毛的数量和分布受到严格的时空调的理论和实验依据。 控。进入生殖发育期后,表皮毛的数量沿着花序轴迅 研究发现,生长素和细胞分裂素在不同比例的情 速减少,花器官(除萼片外)基本是光滑的。中国科学况下可以促进或抑制分蘗芽的生长,其在调节高等植 院上海生命科学研究院植物生理生态研究所陈晓亚物的植株形态方面发挥着重要的作用。中国科学院遗 研究组发现,mR156的靶基因 SQUAMOSA PRO-传与发育生物学研究所李家洋研究组在植株形态调 MOTER B/ VDING PROTEIN LIKE(SP凵)调控拟南芥控方面取得了新的进展。研究人员通过一个拟南芥突 ( Arabidopsis thaliana)表皮毛的分布。他们指出,过变体bud2展开研究。bu2是由于多胺合成途径中的 量表达mR156,可以在花序轴和花器官上异位产生个限速酶—S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶( SAMDC4)基 表皮毛;相反,提高S尸Ls基因的表达量,则可以减少因发生突变造成的,该突变导致多胺合成的缺陷,使 拟南芥的表皮毛数量。在植物发育过程中,MYB转录突变植株出现半矮化、维管束发育异常和顶端优势降 因子 TRICHOMELESS1(TCL和 TRIPTYCHON(TR-低等表型。同时,BUD2的表达可以被生长素诱导。 Y1)是表皮毛发育的负调控因子。他们还证明,SPL9bu2在愈伤诱导实验中表现出对生长素的敏感性降 通过结合启动子区直接激活TCL1和TRY1来抑制表低和对细胞分裂素的敏感性提高。研究结果表明,多 皮毛的发育,这种激活不依赖于 GLABROUS1(GL1)胺通过影响细胞分裂素稳态和植物对生长素和细胞 Yu et al,2010d。反式作用小干涉 RNA(ta- SIRNA)分裂素的敏感性调控植物的形态建成( Cui et al 途径在植物生长发育过程中起重要作用,拟南芥2010b)。 SUPPRESSOR OF GENE S∥ ENCING3和ARGO 最近的研究表明,酪蛋白磺基转移酶( tyrosylpro NAUTE7Z|PPY是ta-sRNA途径的关键组分。中国科 tein sulfotransferase,TPsn)催化的酪氨酸硫基化作 学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所罗达用以及其产物硫化酪氨酸多肽(也称为根分生组织生 研究组发现百脉根( Lotus japonicus)REL1和REL3基长因子RGFs)在拟南芥生长发育过程中具有重要作 因是拟南芥 SUPPRESSOR OF GENE SILENC-用。中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究 ING3和 ARGONAUTE7 ZIPPYI的同源基因,并证明组报道了TPST在维持根尖干细胞区域稳定性方面的 这2个基因参与调控百脉根复合叶与花的发育( Yan et作用。他们将TPST基因突变后,根干细胞区域稳定 al,2010)。 性受到破坏,从而降低根分生组织的活性,延缓根的 植物叶极性的建立对于叶片的形态建成至关重生长。TPS7的表达受生长素正调控,该基因突变后 要。叶片近远轴( adaxial- abaxial axis)的建立可能是会通过降低一系列PN基因和干细胞中与生长素合成 叶极性建立的原初和关键步骤。虽然近年来发现了一相关基因的表达水平,影响生长素的分布,并影响 些与叶片近远轴建立相关的基因,并初步揭示了叶基部诱导和生长素诱导的干细胞转录因子基因 片近-远轴建立过程的分子调控网络,但是新的相关 PLETHORA(PLT)的表达;而PLT2基因的超表达可 调控因子仍有待鉴定。中国科学院上海生命科学研究以恢复由TPST基因缺失引起的功能缺陷。因此推断, 院植物生理生态研究所黄海研究组克隆并分析了一TPST通过调控PLT1及PLT2的表达来维持根干细胞 个与叶片近-远轴极性建立和细胞增殖相关的拟南芥区域的稳定,而依赖于TPST的RGFs硫基化作用则 基因AS12 ENHANCER7(AE7。AE7是真核生物中使生长素与PLTs两者之间建立了联系,共同参与根 广泛表达的基因,但是对其功能的研究较少。研究结干细胞区域的稳态调控( Zhou et al,2010b)。 果表明,AE7突变导致叶片近-远轴极性异常,并且 根与茎顶端分生组织细胞命运的维持以及细胞 AE7为细胞周期进行所必需。由此认为正常的细胞分裂的调控在植物生长发育过程中起重要作用。中国 增殖是叶片近-远轴极性建立所必需的,并且提出了科学院植物研究所胡玉欣研究组发现SMO2( SMALL 26S蛋白酶体和核糖体基因调控叶片近-远轴极性建 ORGAN2)功能缺失引起器官发生过程中细胞周期相
袁明等: 2010 年中国植物科学若干领域重要研究进展 235 1 植物发育、代谢与生殖的遗传调控 1.1 植物发育遗传调控 在植物中, 表皮毛的数量和分布受到严格的时空调 控。进入生殖发育期后, 表皮毛的数量沿着花序轴迅 速减少, 花器官(除萼片外)基本是光滑的。中国科学 院上海生命科学研究院植物生理生态研究所陈晓亚 研究组发现, miR156的靶基因SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE(SPL)调控拟南芥 (Arabidopsis thaliana)表皮毛的分布。他们指出, 过 量表达miR156, 可以在花序轴和花器官上异位产生 表皮毛; 相反, 提高SPLs基因的表达量, 则可以减少 拟南芥的表皮毛数量。在植物发育过程中, MYB转录 因子TRICHOMELESS1(TCL1)和TRIPTYCHON (TRY1)是表皮毛发育的负调控因子。他们还证明, SPL9 通过结合启动子区直接激活TCL1和TRY1来抑制表 皮毛的发育, 这种激活不依赖于GLABROUS1(GL1) (Yu et al., 2010d)。反式作用小干涉RNA(ta-siRNA) 途径在植物生长发育过程中起重要作用, 拟南芥 SUPPRESSOR OF GENE SILENCING3和ARGONAUTE7/ZIPPY是ta-siRNA途径的关键组分。中国科 学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所罗达 研究组发现百脉根(Lotus japonicus)REL1和REL3基 因是拟南芥SUPPRESSOR OF GENE SILENCING3和ARGONAUTE7/ZIPPY的同源基因, 并证明 这2个基因参与调控百脉根复合叶与花的发育(Yan et al., 2010)。 植物叶极性的建立对于叶片的形态建成至关重 要。叶片近-远轴(adaxial-abaxial axis)的建立可能是 叶极性建立的原初和关键步骤。虽然近年来发现了一 些与叶片近-远轴建立相关的基因, 并初步揭示了叶 片近-远轴建立过程的分子调控网络, 但是新的相关 调控因子仍有待鉴定。中国科学院上海生命科学研究 院植物生理生态研究所黄海研究组克隆并分析了一 个与叶片近-远轴极性建立和细胞增殖相关的拟南芥 基因AS1/2 ENHANCER7 (AE7)。AE7是真核生物中 广泛表达的基因, 但是对其功能的研究较少。研究结 果表明, AE7突变导致叶片近-远轴极性异常, 并且 AE7为细胞周期进行所必需。由此认为正常的细胞 增殖是叶片近-远轴极性建立所必需的, 并且提出了 26S蛋白酶体和核糖体基因调控叶片近-远轴极性建 立的可能模型(Yuan et al., 2010b)。该研究鉴定了新 的参与叶片近-远轴极性建立的调控因子, 为阐明叶 片近-远轴极性建立过程的分子调控网络提供了重要 的理论和实验依据。 研究发现, 生长素和细胞分裂素在不同比例的情 况下可以促进或抑制分蘖芽的生长, 其在调节高等植 物的植株形态方面发挥着重要的作用。中国科学院遗 传与发育生物学研究所李家洋研究组在植株形态调 控方面取得了新的进展。研究人员通过一个拟南芥突 变体bud2展开研究。bud2是由于多胺合成途径中的 一个限速酶——S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SAMDC4)基 因发生突变造成的, 该突变导致多胺合成的缺陷, 使 突变植株出现半矮化、维管束发育异常和顶端优势降 低等表型。同时, BUD2的表达可以被生长素诱导。 bud2在愈伤诱导实验中表现出对生长素的敏感性降 低和对细胞分裂素的敏感性提高。研究结果表明, 多 胺通过影响细胞分裂素稳态和植物对生长素和细胞 分裂素的敏感性调控植物的形态建成(Cui et al., 2010b)。 最近的研究表明, 酪蛋白磺基转移酶(tyrosylprotein sulfotransferase, TPST)催化的酪氨酸硫基化作 用以及其产物硫化酪氨酸多肽(也称为根分生组织生 长因子RGFs)在拟南芥生长发育过程中具有重要作 用。中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究 组报道了TPST在维持根尖干细胞区域稳定性方面的 作用。他们将TPST基因突变后, 根干细胞区域稳定 性受到破坏, 从而降低根分生组织的活性, 延缓根的 生长。TPST的表达受生长素正调控, 该基因突变后 会通过降低一系列PIN基因和干细胞中与生长素合成 相关基因的表达水平, 影响生长素的分布, 并影响 基部诱导和生长素诱导的干细胞转录因子基因 PLETHORA(PLT)的表达; 而PLT2基因的超表达可 以恢复由TPST基因缺失引起的功能缺陷。因此推断, TPST通过调控PLT1及PLT2的表达来维持根干细胞 区域的稳定, 而依赖于TPST的RGFs硫基化作用则 使生长素与PLTs两者之间建立了联系, 共同参与根 干细胞区域的稳态调控(Zhou et al., 2010b)。 根与茎顶端分生组织细胞命运的维持以及细胞 分裂的调控在植物生长发育过程中起重要作用。中国 科学院植物研究所胡玉欣研究组发现SMO2(SMALL ORGAN 2)功能缺失引起器官发生过程中细胞周期相
236植物学报463)2011 关基因的组成型激活以及CYCB1;1-GUS报告基因的生和快速伸长有关;通过克隆和转化棉花GhVN基 过量积累,导致突变体产生小的地上部分器官和短的因(编码定位于液泡的vN),证明GhVN1可以回复拟 根。序列分析结果表明,SMO2编码一个酵母TRM112南芥 VIN T-DNA插入突变体的短根表型,并促进野生 的同源蛋白,在酵母中TRM112是调控细胞发育的多型根的伸长;在棉纤维中GhVN1的表达水平与VN 功能蛋白,参与tRNA和蛋白甲基化的调节( Hu et al,的活性水平一致,同时,抑制或者过量表达GhvN1 2010b)。多肽激素 CLAVATA3(CLV3)对于植物茎端则会降低或促进棉纤维的伸长 Wang et al,2010k)。 分生组织干细胞数目的维持起着极其重要的作用。过这一研究结果证明了液泡GhVN1活性在细胞伸长调 去的研究认为 CLAVATA1 CLAVATA2CLV1CLv2)控中的重要作用,同时还提出了GhVN1分别通过渗 复合体是CLV3多肽在细胞膜上的唯一受体,而最近透依赖型和非依赖型2种途径对细胞伸长进行调控的 的遗传学分析筛选到了一个新的受体蛋白激酶COR-机制。 YNE(CRN),并发现CRN在CLV3信号途径中起着重 中国农业大学生物学院王学臣研究组发现,组成 要作用。基于遗传学研究,目前假设的CLV3信号转导型表达DOF( for dNa binding with one finger)转录因 通路是cLⅥ1同源二聚体与CL2/CRN异源复合体可子家族成员 AtDOF47的拟南芥(35S: AtDOF4刁缺 能平行独立地介导CLV3信号,但该模型缺乏生物化乏不依赖于乙烯的花器官脱落表型,其植株离区的组 学和细胞学方面的证据。为了更深入地理解这3个可织结构正常,但中间层细胞不能正常分离。研究表明, 能的受体蛋白之间的相互关系,中国科学院植物研究ADoF47是一个定位于细胞核的转录因子,在体内 所林金星研究组利用新型的活体下检测蛋白质相互和体外实验中都具有与果胶酶基因 PGAZAT启动子 作用的技术—萤火虫荧光素酶互补技术firefly luci-的DOF顺式作用元件相结合的活性,而过表达At ferase complementation imaging assay,LC)在拟南DOF47导致 PGAZAT表达下调。 AtDOF47还可与拟 芥叶肉原生质体( mesophyll protoplasts)和烟草南芥的另一个花器官脱落相关转录因子 ZINC FINGER ( Nicotiana benthamiana)叶片2个体系中分析了 PROTEIN2发生相互作用。因此推测 AtDOF47作为 CLV1、CLV2和CRN三个受体蛋白之间的相互作用。转录因子复合物的一部分直接调控细胞壁水解酶的 LC技术和免疫共沉淀技术(co- immunoprecipitation表达,从而参与控制器官脱落( Wei et al,2010a)。此 asay)均证实CLV2在没有CLV3多肽刺激的情况下外,该研究组继开发了基于多轮 Gateway反应的体外 可以直接与cRN发生相互作用;外源的CLV3多肽处多基因转化平台之后,最新报道了在细菌体内通过多 理并不会明显影响CLV2-CRN之间的互作强度;进 轮位点特异性重组实现多基因组装的系统(M|SSA), 步的LCl实验还发现CLV1不能与CLV2发生直接的相为生物技术和合成生物学研究提供了强大的工具。他 互作用,但与CRN有微弱的相互作用。除此之外,还们利用细菌结合的方式实现载体在菌株之间的穿梭 发现CRN自身可以形成同源二聚体,而CLV1或并反复利用2个不同的位点特异性重组系统实现了多 CLV2自身不能形成同源二聚体( Zhu et al,2010a)。基因的组装。他们还利用该方式克服了高容量载体在 这些生化和细胞学结果为新提出的CLV3平行双通路转化农杆菌时片段易丢失的技术问题。作为范例,研 假设提供了直接的证据。 究人员通过15轮反应将9个元件共计333kb的序列 棉花(Gos」 plum spp)纤维细胞是快速伸长的成功转入拟南芥体内 Chen et a,2010e)。 种子表皮毛单细胞,是研究细胞伸长机制的重要模式 细胞。对棉花纤维细胞伸长机制的研究不仅在农业生 12植物代谢遗传调控 产方面具有重要价值,而且在科学理论方面也具有重淀粉的生物合成对植物发育具有重要的作用,也是影 要意义。虽然人们一直认为蔗糖转化酶( invertase,响作物质量和营养价值的一个重要因素。淀粉的生物 ⅵN)在细胞扩张过程中有重要作用,但是缺少直接的合成是一条复杂的代谢途径,对于它的调控机制人们 证据。中国科学院上海生命科学硏究院植物生理生态理解得还很不明晰。中国科学院上海生命科学研究院 研究所阮勇凌研究组利用棉花纤维细胞对这一问题植物生理生态研究所薛红卫研究组利用基因的共表 进行了研究。他们发现,ⅤN的活性水平与棉纤维的发达分析方法对可能参与淀粉合成调控的相关候选基
236 植物学报 46(3) 2011 关基因的组成型激活以及CYCB1;1-GUS报告基因的 过量积累, 导致突变体产生小的地上部分器官和短的 根。序列分析结果表明, SMO2编码一个酵母TRM112 的同源蛋白, 在酵母中TRM112是调控细胞发育的多 功能蛋白, 参与tRNA和蛋白甲基化的调节(Hu et al., 2010b)。多肽激素CLAVATA3(CLV3)对于植物茎端 分生组织干细胞数目的维持起着极其重要的作用。过 去的研究认为CLAVATA1/CLAVATA2(CLV1/CLV2) 复合体是CLV3多肽在细胞膜上的唯一受体, 而最近 的遗传学分析筛选到了一个新的受体蛋白激酶CORYNE(CRN), 并发现CRN在CLV3信号途径中起着重 要作用。基于遗传学研究, 目前假设的CLV3信号转导 通路是CLV1同源二聚体与CLV2/CRN异源复合体可 能平行独立地介导CLV3信号, 但该模型缺乏生物化 学和细胞学方面的证据。为了更深入地理解这3个可 能的受体蛋白之间的相互关系, 中国科学院植物研究 所林金星研究组利用新型的活体下检测蛋白质相互 作用的技术——萤火虫荧光素酶互补技术(firefly luciferase complementation imaging assay, LCI)在拟南 芥叶肉原生质体 (mesophyll protoplasts) 和烟草 (Nicotiana benthamiana) 叶 片 2 个体系中分析了 CLV1、CLV2和CRN三个受体蛋白之间的相互作用。 LCI技术和免疫共沉淀技术(co-immunoprecipitation assay)均证实CLV2在没有CLV3多肽刺激的情况下 可以直接与CRN发生相互作用; 外源的CLV3多肽处 理并不会明显影响CLV2-CRN之间的互作强度; 进一 步的LCI实验还发现CLV1不能与CLV2发生直接的相 互作用, 但与CRN有微弱的相互作用。除此之外, 还 发现CRN自身可以形成同源二聚体, 而CLV1或 CLV2自身不能形成同源二聚体(Zhu et al., 2010a)。 这些生化和细胞学结果为新提出的CLV3平行双通路 假设提供了直接的证据。 棉花(Gossypium spp.)纤维细胞是快速伸长的 种子表皮毛单细胞, 是研究细胞伸长机制的重要模式 细胞。对棉花纤维细胞伸长机制的研究不仅在农业生 产方面具有重要价值, 而且在科学理论方面也具有重 要意义。虽然人们一直认为蔗糖转化酶(invertase, VIN)在细胞扩张过程中有重要作用, 但是缺少直接的 证据。中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态 研究所阮勇凌研究组利用棉花纤维细胞对这一问题 进行了研究。他们发现, VIN的活性水平与棉纤维的发 生和快速伸长有关; 通过克隆和转化棉花GhVIN1基 因(编码定位于液泡的VIN), 证明GhVIN1可以回复拟 南芥VIN T-DNA插入突变体的短根表型, 并促进野生 型根的伸长; 在棉纤维中GhVIN1的表达水平与VIN 的活性水平一致, 同时, 抑制或者过量表达GhVIN1 则会降低或促进棉纤维的伸长(Wang et al., 2010k)。 这一研究结果证明了液泡GhVIN1活性在细胞伸长调 控中的重要作用, 同时还提出了GhVIN1分别通过渗 透依赖型和非依赖型2种途径对细胞伸长进行调控的 机制。 中国农业大学生物学院王学臣研究组发现, 组成 型表达DOF(for DNA binding with one finger)转录因 子家族成员AtDOF4.7的拟南芥(35S::AtDOF4.7)缺 乏不依赖于乙烯的花器官脱落表型, 其植株离区的组 织结构正常, 但中间层细胞不能正常分离。研究表明, AtDOF4.7是一个定位于细胞核的转录因子, 在体内 和体外实验中都具有与果胶酶基因PGAZAT启动子 的DOF顺式作用元件相结合的活性, 而过表达AtDOF4.7导致PGAZAT表达下调。AtDOF4.7还可与拟 南芥的另一个花器官脱落相关转录因子ZINC FINGER PROTEIN2发生相互作用。因此推测AtDOF4.7作为 转录因子复合物的一部分直接调控细胞壁水解酶的 表达, 从而参与控制器官脱落(Wei et al., 2010a)。此 外, 该研究组继开发了基于多轮Gateway反应的体外 多基因转化平台之后, 最新报道了在细菌体内通过多 轮位点特异性重组实现多基因组装的系统(MISSA), 为生物技术和合成生物学研究提供了强大的工具。他 们利用细菌结合的方式实现载体在菌株之间的穿梭, 并反复利用2个不同的位点特异性重组系统实现了多 基因的组装。他们还利用该方式克服了高容量载体在 转化农杆菌时片段易丢失的技术问题。作为范例, 研 究人员通过15轮反应将9个元件共计33.3 kb的序列 成功转入拟南芥体内(Chen et al., 2010e)。 1.2 植物代谢遗传调控 淀粉的生物合成对植物发育具有重要的作用, 也是影 响作物质量和营养价值的一个重要因素。淀粉的生物 合成是一条复杂的代谢途径, 对于它的调控机制人们 理解得还很不明晰。中国科学院上海生命科学研究院 植物生理生态研究所薛红卫研究组利用基因的共表 达分析方法对可能参与淀粉合成调控的相关候选基
袁明等:2010年中国植物科学若干领域重要研究进展237 因进行了鉴定。结果表明,淀粉合成相关基因可以分酸为4-香豆酰辅酶A,在整个苯丙烷类代谢途径的流 成2类:类负责胚乳中淀粉的合成;类负责非贮藏组量控制中起核心作用。中国科学院生物物理研究所王 织中临时性淀粉的合成。研究人员进一步获得了307大成研究组解析了毛白杨( Populus tomentosa)4CL1 和621个分别与2类淀粉合成基因共表达的基因,这的晶体结构,包括无辅基形式和结合中间态类似物 些基因涉及多种不同的生物学过程,提示淀粉合成的AMP和APP的复合体形式。进一步的结构-功能研究 调控与多种因素相关。其中一个AP2/PEBP家族转确定了在其催化活性和底物结合中起关键作用的氨 录因子,他们将其命名为RSR( rice starch regula-基酸残基,解释了4CL酶的底物特异性,并提出了结 tor1)。RSR1的表达与类淀粉合成基因的表达呈负相合底物后通过构象变化实现催化功能的机理(Huet 关,其缺失后导致水稻苗期淀粉合成基因的表达增a,2010a)。该项硏究为改造4CL酶,实现人为操纵 强。通过基因敲除得到的rsr突变体中直链淀粉的含苯丙烷类代谢途径打下了坚实的基础 量增加,支链淀粉的精细结构发生改变,结果形成 以C苷键与糖结合所形成的C-黄酮苷在植物中 圆而宽松的淀粉颗粒,从而降低了糊化温度。同时,泛存在。香港大学 Clive Lo研究组鉴定了催化黄酮转 rsr突变体的种子变大,产量增加。而在RSR过表达变为C黄酮苷的酶。他们证明由Os06g01250编码的 的转基因植株中,支链淀粉的结构和淀粉的糊化特性P450CYP93G2蛋白具有黄酮-2-羟化酶的功能。CY- 均发生了相反趋势的改变。说明RSR1基因参与调控P93G2属于CYP93B亚家族,该家族成员组成了双子 水稻种子的淀粉合成( Fu and xue,2010)。该研究成叶植物的黄酮合成酶ll当 NADPH存在时,CYP93G2 果显示,基因共表达分析对于研究水稻淀粉合成和其催化底物形成2-羟基黄酮。如果将CYP93G2与C-葡 它复杂代谢过程的调控是非常有效的,同时所得到的糖转移酶 OSCGT同时在拟南芥中表达,能够形成C- 共表达基因及RSR1基因的相关结果,为进一步改良羟基黄酮苷,说明在植物中CYP93G2产生的2-羟基 稻米淀粉品质提供了有利的线索。脂类分子是细胞的黄酮成为 OSCGT的底物,进一步又可形成C羟基黄 重要结构组分,其中一些还是重要的信号分子。酮苷( Du et al.,2010b)。 B-ketoacyl-acyl carrier protein] synthase I( KASI)fE 香港大学 Mee-Len Chye研究组在分析脂酰辅酶 化脂肪酸( fatty acid,FA)的生物合成,薛红卫研究组A结合蛋白家族成员 ACBPs(acy- Coa binding pro- 的另一项工作表明κAS/基因功能缺失导致极性脂组 teins)功能时发现,拟南芥ACBP1超表达植株对冰冻 分的变化和FA水平的降低,从而抑制叶绿体的分裂胁迫的敏感性提高,磷脂酰胆碱( phosphatidylcho 以及引起胚胎发育的异常( Wu and xue,2010)。 ine,PC)的含量下降而磷脂酸( phosphatidic acid 李传友研究组发现,拟南芥茉莉酸 jasmonic PA)含量增加;acbρ1突变体对冰冻胁迫的抗性增强, acid,JA)超敏感突变休jah1-1表现出在根生长抑制反同时伴随PC积累和PA含量下降。在ACB尸1超表达植 应中对JA的敏感性增强等表型。基因克隆实验证实,株中将PC水解为PA的水解酶基因PLDa1的表达量 janh1-1中细胞色素CP450蛋白CYP82c2发生了突变,升高,冰冻抗性的正调节因子PLD的表达下调。而在 JA诱导的抗性基因表达和吲哚硫代葡萄糖苷的积累acbp1突变体中PLDδ的表达升高。ACBP1定位于质 下调,突变体对灰霉菌的抗性降低;而CYP82C2的膜和内质网,可能通过与PA的结合调节与膜相关的 超表达植株却具有相反的表型。进一步的研究证明,PA库,从而调控PLDa1和PLD6的表达( Du et al, cYP82C2影响了JA诱导的吲哚硫代葡萄糖苷前体物2010c)。该研究组的另一项工作表明,ACB尸3超表达 质色氨酸的积累,但不影响JA诱导的A或病原菌诱植株的叶片衰老加速,而在acbp3TDNA插入突变 导的代谢物 camalexin的积累。研究结果表明CYP-体和ACBP3-RNA转基因拟南芥植株中黑暗诱导的 82C2在叭A水平提高的条件下,对植物中色氨酸介导叶片衰老被延缓。在超表达植株中磷脂酰乙醇胺(ph- 的次生代谢途径有调控作用 Liu et al,2010c)。 osphatidylethanolamine,PE)的含量增加,而突变体 苯丙烷类代谢途径是植物特有的也是最主要的和RNA植株中则含量下降。此外,在超表达植株中, 次生代谢途径之一,产生包括类黄酮、木质素等次生PC和磷脂酰肌醇含量明显减少,而脂类过氧化产生 代谢物。4-香豆酸:辅酶A连接酶(4CL)负责活化4-香豆的PA、溶血磷脂以及半乳糖脂( galactolipids,也称为
袁明等: 2010 年中国植物科学若干领域重要研究进展 237 因进行了鉴定。结果表明, 淀粉合成相关基因可以分 成2类: I类负责胚乳中淀粉的合成; II类负责非贮藏组 织中临时性淀粉的合成。研究人员进一步获得了307 和621个分别与2类淀粉合成基因共表达的基因, 这 些基因涉及多种不同的生物学过程, 提示淀粉合成的 调控与多种因素相关。其中一个AP2/EPEBP家族转 录因子, 他们将其命名为RSR1(rice starch regulator1)。RSR1的表达与I类淀粉合成基因的表达呈负相 关, 其缺失后导致水稻苗期淀粉合成基因的表达增 强。通过基因敲除得到的rsr1突变体中直链淀粉的含 量增加, 支链淀粉的精细结构发生改变, 结果形成了 圆而宽松的淀粉颗粒, 从而降低了糊化温度。同时, rsr1突变体的种子变大, 产量增加。而在RSR1过表达 的转基因植株中, 支链淀粉的结构和淀粉的糊化特性 均发生了相反趋势的改变。说明RSR1基因参与调控 水稻种子的淀粉合成(Fu and Xue, 2010)。该研究成 果显示, 基因共表达分析对于研究水稻淀粉合成和其 它复杂代谢过程的调控是非常有效的, 同时所得到的 共表达基因及RSR1基因的相关结果, 为进一步改良 稻米淀粉品质提供了有利的线索。脂类分子是细胞的 重要结构组分, 其中一些还是重要的信号分子。 β-ketoacyl-[acyl carrier protein] synthase I (KASI)催 化脂肪酸(fatty acid, FA)的生物合成, 薛红卫研究组 的另一项工作表明KASI基因功能缺失导致极性脂组 分的变化和FA水平的降低, 从而抑制叶绿体的分裂 以及引起胚胎发育的异常(Wu and Xue, 2010)。 李传友研究组发现, 拟南芥茉莉酸(jasmonic acid, JA)超敏感突变体jah1-1表现出在根生长抑制反 应中对JA的敏感性增强等表型。基因克隆实验证实, jah1-1中细胞色素C P450蛋白CYP82C2发生了突变, JA诱导的抗性基因表达和吲哚硫代葡萄糖苷的积累 下调, 突变体对灰霉菌的抗性降低; 而CYP82C2的 超表达植株却具有相反的表型。进一步的研究证明, CYP82C2影响了JA诱导的吲哚硫代葡萄糖苷前体物 质色氨酸的积累, 但不影响JA诱导的IAA或病原菌诱 导的代谢物camalexin的积累。研究结果表明CYP- 82C2在JA水平提高的条件下, 对植物中色氨酸介导 的次生代谢途径有调控作用(Liu et al., 2010c)。 苯丙烷类代谢途径是植物特有的也是最主要的 次生代谢途径之一, 产生包括类黄酮、木质素等次生 代谢物。4-香豆酸:辅酶A连接酶(4CL)负责活化4-香豆 酸为4-香豆酰辅酶A, 在整个苯丙烷类代谢途径的流 量控制中起核心作用。中国科学院生物物理研究所王 大成研究组解析了毛白杨(Populus tomentosa)4CL1 的晶体结构, 包括无辅基形式和结合中间态类似物 AMP和APP的复合体形式。进一步的结构-功能研究 确定了在其催化活性和底物结合中起关键作用的氨 基酸残基, 解释了4CL酶的底物特异性, 并提出了结 合底物后通过构象变化实现催化功能的机理(Hu et al., 2010a)。该项研究为改造4CL酶, 实现人为操纵 苯丙烷类代谢途径打下了坚实的基础。 以C苷键与糖结合所形成的C-黄酮苷在植物中广 泛存在。香港大学Clive Lo研究组鉴定了催化黄酮转 变为C-黄酮苷的酶。他们证明由Os06g01250编码的 P450 CYP93G2蛋白具有黄酮-2-羟化酶的功能。CYP93G2属于CYP93B亚家族, 该家族成员组成了双子 叶植物的黄酮合成酶II。当NADPH存在时, CYP93G2 催化底物形成2-羟基黄酮。如果将CYP93G2与C-葡 糖转移酶OsCGT同时在拟南芥中表达, 能够形成C- 羟基黄酮苷, 说明在植物中CYP93G2产生的2-羟基 黄酮成为OsCGT的底物, 进一步又可形成C-羟基黄 酮苷(Du et al., 2010b)。 香港大学Mee-Len Chye研究组在分析脂酰辅酶 A结合蛋白家族成员ACBPs(acyl-CoA binding proteins)功能时发现, 拟南芥ACBP1超表达植株对冰冻 胁迫的敏感性提高, 磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine, PC)的含量下降而磷脂酸(phosphatidic acid, PA)含量增加; acbp1突变体对冰冻胁迫的抗性增强, 同时伴随PC积累和PA含量下降。在ACBP1超表达植 株中将PC水解为PA的水解酶基因PLDα1的表达量 升高, 冰冻抗性的正调节因子PLDδ的表达下调。而在 acbp1突变体中PLDδ的表达升高。ACBP1定位于质 膜和内质网, 可能通过与PA的结合调节与膜相关的 PA库, 从而调控PLDα1和PLDδ的表达(Du et al., 2010c)。该研究组的另一项工作表明, ACBP3超表达 植株的叶片衰老加速, 而在acbp3 T-DNA插入突变 体和ACBP3-RNAi转基因拟南芥植株中黑暗诱导的 叶片衰老被延缓。在超表达植株中磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)的含量增加, 而突变体 和RNAi植株中则含量下降。此外, 在超表达植株中, PC和磷脂酰肌醇含量明显减少, 而脂类过氧化产生 的PA、溶血磷脂以及半乳糖脂(galactolipids, 也称为
238植物学报46(3)2011 arabidopsides)含量则上升,从而可能导致叶片早运输。cSa突变体的花器官中糖水平较低,导致雄性 衰。进一步的研究发现,ACBP3是一个磷脂结合蛋白,不育,而营养器官叶和茎中糖和淀粉的积累量增加 通过调节磷脂代谢和ATG8的稳定性参与调控拟南芥( Zhang et al,2010c)。该研究揭示了植物光合产物从 叶片衰老,而其N端的信号肽/跨膜区域对于ACBP3营养器官向生殖器官转运的遗传调控机制,但目前尚 发挥功能是必需的( Xiao et a!,2010b)。 不清楚花粉败育究竟是因为碳源缺乏,还是由于花药 绒毡层和药室壁发育异常所致,有待进一步研究。 13植物生殖遗传调控 花药壁特别是绒毡层的发育和适时降解对于小 生殖发育是植物生活周期的重要组成部分,包括花器孢子的发育是非常重要的,绒毡层通常为小孢子发育 官发生、配子发生、受精和胚胎发育等过程。营养生提供营养、胼胝质降解所需的酶以及花粉壁形成所需 长向生殖生长的转换以及花器官的形成是个体发育的蛋白质和脂类物质等。以往的研究表明,bHLH类 与环境相互作用的结果。例如在胁迫条件下植物会加( AtAMs、 AtDYT1、 OSTDR、 OSUDT1)和 homeobox 快向生殖生长的转换;反之亦然,如穗发芽和假胎萌转录因子(MS1)等参与调控绒毡层的发育和功能。张 ( pseudovivipary)。后者在单子叶植物中比较普遍,但大兵研究组和英国诺丁汉大学lson研究组合作,利 对其发生的分子遗传机制并不了解。中国科学院遗传用DNA芯片和染色质免疫共沉淀(ChP)技术,确定了 与发育生物学研究所程祝宽和薛勇彪研究组合作,发受AMS直接调控的13个下游基因,它们参与绒毡层 现了一个水稻假胎萌的突变体pho,该突变体的花全发育和花粉壁的形成。其中ABC转运子WBc27的突 部发育成了小苗。遗传分析发现,该表型实际上是由变会导致花粉不育( Dou et al,2010)。通过酵母双杂 OSMADS15的遗传突变和 OSMADS1的表观突变构交技术,进而发现AMS可能通过与 Atbhlh089和At 成的双突变所致 Wang et al.,2010)。该发现表明bHLH091相互作用来调控绒毡层和花粉壁的发育(u OSMADS15和 OSMADS1可能协同作用控制植物的etal,2010a)。该研究组还发现脂转运蛋白基因 生活习性,这一结果为进一步认识假胎萌现象奠定了OSC6参与了绒毡层细胞中乌氏体的形成( Zhang et 基础 al,2010b);细胞色素P450家族成员CYP704B2催化 植物性别的分化是植物学家长期以来感兴趣的16和18碳链脂肪酸的ω-羟基化,参与水稻花粉外壁 可题之一。在黄瓜( Cucumis sativus)中,雌雄花性别和表皮几丁质的形成 Li et al,20101。同样,华中农 的决定受F、A和M三个遗传位点控制。研究发现,F业大学傅廷栋研究组也发现在油菜( Brassica napus) 和M都编码乙烯合成途径的酶ACS,说明乙烯是决定中,CYP704B1的突变造成雄性不育 Yi et al,2010)。 性别的关键因素,但并不清楚乙烯是如何调控性器官说明脂代谢对于花粉壁的形成是至关重要的。 发育的。北京大学生命科学学院白书农和许智宏研究 阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGP是一类特殊的细胞表 组的工作表明,乙烯可能是通过其受体ETR来调控面蛋白,它通过GP锚定在细胞膜上。AGP在不同细 花器官发育的。研究发现,在拟南芥雄蕊中下调胞(包括配子体细胞)的表面存在,其具体功能还不清 ETR1的表达可以诱导其向雌性花的转变;同时还证楚。研究表明,AGP18参与胚囊的发育,AGP6和 实在雌性花的发育过程中,乙烯是通过诱导雄蕊的细AGP11调控花粉萌发。武汉大学生命科学学院赵洁研 胞凋亡来促进雌花发育的 Wang et al,2010c)。这 究组发现类似成束蛋白的AGP基因FLA3在拟南芥花 结果加深了人们对乙烯调控性别发育机制的认识 粉和花粉管中特异表达,可能参与了花粉内壁的发育 碳源分配或库源关系对植物的生长发育和农业( Li et al,2010g)。中国农业大学生物学院叶徳研究组 生产非常重要,但人们对其调控的遗传机制了解甚发现真核翻译起始因子3 f(AteF3与AteF3e和At 少。上海交通大学生命科学技术学院张大兵研究组在eF3h相互作用,其突变影响花粉萌发,说明翻译活 水稻中克隆了调控碳源分配的基因cSA(CARB○N性的调控对于花粉萌发非常重要( Xia et al.,2010a)。 STARVED ANTHER),它编码一个在花药绒毡层特 花粉母细胞( pollen mother cel,PMC)与体细胞 异表达的R2R3-MYB转录因子,其通过调控单糖转有什么不同?中国科学院上海生命科学研究院植物生 运子MST8的表达来控制从营养组织向生殖器官的糖理生态研究所唐威华研究组尝试对这一问题进行解
238 植物学报 46(3) 2011 arabidopsides)含量则上升, 从而可能导致叶片早 衰。进一步的研究发现, ACBP3是一个磷脂结合蛋白, 通过调节磷脂代谢和ATG8的稳定性参与调控拟南芥 叶片衰老, 而其N端的信号肽/跨膜区域对于ACBP3 发挥功能是必需的(Xiao et al., 2010b)。 1.3 植物生殖遗传调控 生殖发育是植物生活周期的重要组成部分, 包括花器 官发生、配子发生、受精和胚胎发育等过程。营养生 长向生殖生长的转换以及花器官的形成是个体发育 与环境相互作用的结果。例如在胁迫条件下植物会加 快向生殖生长的转换; 反之亦然, 如穗发芽和假胎萌 (pseudovivipary)。后者在单子叶植物中比较普遍, 但 对其发生的分子遗传机制并不了解。中国科学院遗传 与发育生物学研究所程祝宽和薛勇彪研究组合作, 发 现了一个水稻假胎萌的突变体pho, 该突变体的花全 部发育成了小苗。遗传分析发现, 该表型实际上是由 OsMADS15的遗传突变和OsMADS1的表观突变构 成的双突变所致(Wang et al., 2010j)。该发现表明 OsMADS15和OsMADS1可能协同作用控制植物的 生活习性, 这一结果为进一步认识假胎萌现象奠定了 基础。 植物性别的分化是植物学家长期以来感兴趣的 问题之一。在黄瓜(Cucumis sativus)中, 雌雄花性别 的决定受F、A和M三个遗传位点控制。研究发现, F 和M都编码乙烯合成途径的酶ACS, 说明乙烯是决定 性别的关键因素, 但并不清楚乙烯是如何调控性器官 发育的。北京大学生命科学学院白书农和许智宏研究 组的工作表明, 乙烯可能是通过其受体ETR1来调控 花器官发育的。研究发现, 在拟南芥雄蕊中下调 ETR1的表达可以诱导其向雌性花的转变; 同时还证 实在雌性花的发育过程中, 乙烯是通过诱导雄蕊的细 胞凋亡来促进雌花发育的(Wang et al., 2010c)。这一 结果加深了人们对乙烯调控性别发育机制的认识。 碳源分配或库源关系对植物的生长发育和农业 生产非常重要, 但人们对其调控的遗传机制了解甚 少。上海交通大学生命科学技术学院张大兵研究组在 水稻中克隆了调控碳源分配的基因CSA(CARBON STARVED ANTHER), 它编码一个在花药绒毡层特 异表达的R2R3-MYB转录因子, 其通过调控单糖转 运子MST8的表达来控制从营养组织向生殖器官的糖 运输。csa突变体的花器官中糖水平较低, 导致雄性 不育, 而营养器官叶和茎中糖和淀粉的积累量增加 (Zhang et al., 2010c)。该研究揭示了植物光合产物从 营养器官向生殖器官转运的遗传调控机制, 但目前尚 不清楚花粉败育究竟是因为碳源缺乏, 还是由于花药 绒毡层和药室壁发育异常所致, 有待进一步研究。 花药壁特别是绒毡层的发育和适时降解对于小 孢子的发育是非常重要的, 绒毡层通常为小孢子发育 提供营养、胼胝质降解所需的酶以及花粉壁形成所需 的蛋白质和脂类物质等。以往的研究表明, bHLH类 (AtAMS、AtDYT1、OsTDR、OsUDT1)和homeobox 转录因子(MS1)等参与调控绒毡层的发育和功能。张 大兵研究组和英国诺丁汉大学Wilson研究组合作, 利 用DNA芯片和染色质免疫共沉淀(ChIP)技术, 确定了 受AMS直接调控的13个下游基因, 它们参与绒毡层 发育和花粉壁的形成。其中ABC转运子WBC27的突 变会导致花粉不育(Dou et al., 2010)。通过酵母双杂 交技术, 进而发现AMS可能通过与AtbHLH089和AtbHLH091相互作用来调控绒毡层和花粉壁的发育(Xu et al., 2010a)。该研究组还发现脂转运蛋白基因 OsC6参与了绒毡层细胞中乌氏体的形成(Zhang et al., 2010b); 细胞色素P450家族成员CYP704B2催化 16和18碳链脂肪酸的ω-羟基化, 参与水稻花粉外壁 和表皮几丁质的形成(Li et al., 2010f)。同样, 华中农 业大学傅廷栋研究组也发现在油菜(Brassica napus) 中, CYP704B1的突变造成雄性不育(Yi et al., 2010)。 说明脂代谢对于花粉壁的形成是至关重要的。 阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGP)是一类特殊的细胞表 面蛋白, 它通过GPI锚定在细胞膜上。AGP在不同细 胞(包括配子体细胞)的表面存在, 其具体功能还不清 楚。研究表明, AGP18参与胚囊的发育, AGP6和 AGP11调控花粉萌发。武汉大学生命科学学院赵洁研 究组发现类似成束蛋白的AGP基因FLA3在拟南芥花 粉和花粉管中特异表达, 可能参与了花粉内壁的发育 (Li et al., 2010g)。中国农业大学生物学院叶德研究组 发现真核翻译起始因子3f(AteIF3f)与AteIF3e和AteIF3h相互作用, 其突变影响花粉萌发, 说明翻译活 性的调控对于花粉萌发非常重要(Xia et al., 2010a)。 花粉母细胞(pollen mother cell, PMC)与体细胞 有什么不同?中国科学院上海生命科学研究院植物生 理生态研究所唐威华研究组尝试对这一问题进行解
袁明等:2010年中国植物科学若干领域重要研究进展239 答。他们通过激光显微切割和芯片技术,分析了水稻种程度上参与了精卵识别,其作用机理有待揭示。 PMC的表达谱。共发现了1158个在PMC中优势表达 在动物和大多数被子植物中,线粒体和质体等细 和127个特异表达的基因,包括与DNA复制与修复 胞器DNA多是通过母性遗传(单向遗传)的方式传递 减数分裂、MADS类转录因子以及细胞分裂素合成和的,但在少数被子植物中,细胞器基因组存在双亲 赤霉素信号相关的基因,其中有关激素在PMC中的( biparental)或父性遗传( paternal的现象。目前了解 作用值得进一步探讨( Tang et al,2010a)。联会复合的有2种细胞生物学机制,一是在减数分裂母细胞或 体( synaptonemal complex,SC是减数分裂特异的蛋合子中线粒体极性分布,通过细胞不对称分裂达到排 白结构,在减数分裂前期l增强同源染色体之间的附除细胞器的双亲遗传;另一种机制是线粒体、质体 着。程祝宽硏究组与扬州大学顾铭洪硏究组合作,在DNA在精细胞发育和成熟过程中被降解或在受精过 水稻中发现了一个SC横向丝蛋白zEP1,其定位于程中发生精子细胞质丢失。北京大学生命科学学院苏 sC的中心区。该基因的突变体中SC不能很好地组装,都莫日根研究组定量测定了不同遗传类型植物生殖 源染色体交换频率增加,同时PAR2和MER3的解细胞的线粒体 DNA(mtDNA)拷贝数,发现卵细胞中 聚延迟 Wang et al,2010o)这些结果提示在水稻中 mtDNA拷贝数与体细胞相当,但精细胞中的 mtDNA 染色体交换与联会的关系不大。另外,程祝宽硏究组拷贝数变化非常大。在母性遗传型植物如拟南芥中 还发现,作为一个SC蛋白,PAR3是 Bouquet形成、精子一般没有 mtDNA或者 mtDNA拷贝数少于1,平均 同源染色体配对、重组和SC组装所必需的,并与只有0.083拷贝/精子;而在双亲和父性遗传类型植物 PAR2和染色体的联系有关 Wang et a,2011)。 如香瓜( Cucumis melo)中,精细胞mDNA的拷贝数 南京农业大学园艺学院张绍铃研究组利用膜片是体细胞的21倍,达到12963拷贝/精子。此外,在母 钳技术结合突变体分析,发现亚精胺通过其氧化产生性遗传型植物中, mtDNA在花粉发育过程中逐渐减 的过氧化氢信号激活超极化钙离子通道,从而使花粉少,生殖细胞中尤其明显。这说明在被子植物生殖细 管中钙离子浓度升高,促进花粉管的生长( Wu et al.,胞发生过程中,存在特殊的调控机制控制 mtDNA的 2010a)。有意思的是,该研究组还发现在 S-RNase介遗传,既有mDNA的清除,也有复制和扩增,因其遗 导的自交不亲和反应中, S-RNase特异地阻止不亲和传类型而异( Wang et al,2010d)。这种物种特异的 花粉管尖端的线粒体和细胞壁中活性氧〔 eactive mtDNA遗传的分子机制还有待进一步研究 oxygen specIes,ROS)的产生,进而影响钙离子流和 长期以来,虽然植物激素对生殖发育的作用是植 肌动蛋白骨架解聚( Wang et al.2010b)。在茄科等自物学家感兴趣的问题,但其对配子体发育的影响最近 交不亲和体系中,一般认为柱头分泌的S- RNase被才取得比较大的进展。在胚囊发育中,生长素对配子 花粉决定因子SLF介导的SCF复合体识别,产生亲和体细胞命运起着决定作用,但对于细胞分裂素的作用 与不亲和反应。中国科学院遗传与发育生物学研究所并不清楚。中国科学院遗传与发育生物学研究所左建 薛勇彪研究组在矮牵牛( Petunia hybrida)中分离到一儒研究组发现,拟南芥组氨酸激酶CK|作用于AHP 个SLF互作蛋白 PhSSK1。 PhSSK1在花粉中特异表的上游,独立于细胞分裂素受体AHKs发挥作用。 达,其表达下调会明显降低异交亲和性反应( Zhao et CK/1突变导致胚囊发育异常,而该异常表型可以通 al,2010a)。说明在异交亲和反应中,花粉因子抑制过表达细胞分裂素合成相关的基因|PT8得以恢复 了非己 S-RNase活性。 说明细胞分裂素也是胚囊发育所必需的 Deng et al 精卵细胞识别、融合是受精的最后过程,然而人2010b)。油菜素内酯( brassinosteroid,BR)最初是从 们对这个过程的了解非常少,目前已知GCS1/HAP2花粉中分离出来的,但一直不清楚它在生殖发育中究 融合蛋白参与了精卵细胞核的融合过程。湖南师范大竟起什么作用。复旦大学生命科学学院王学路研究组 学生命科学学院李东屏与加州大学栾升研究组合作,系统地研究了一系列BR合成和信号通路突变体中花 发现线粒体蛋白ANK6的突变导致精卵细胞不能融药的发育,发现花粉数目、活力和花粉释放效率在这 合,同时部分胚囊发育停止在功能大孢子时期(Yuet些突变体中都受到了不同程度的影响。通过chP实验 al,2010a)。这是非常有趣的发现,表明线粒体在某发现,一个在BR信号转导中重要的转录因子,BES1
袁明等: 2010 年中国植物科学若干领域重要研究进展 239 答。他们通过激光显微切割和芯片技术, 分析了水稻 PMC的表达谱。共发现了1 158个在PMC中优势表达 和127个特异表达的基因, 包括与DNA复制与修复、 减数分裂、MADS类转录因子以及细胞分裂素合成和 赤霉素信号相关的基因, 其中有关激素在PMC中的 作用值得进一步探讨(Tang et al., 2010a)。联会复合 体(synaptonemal complex, SC)是减数分裂特异的蛋 白结构, 在减数分裂前期I增强同源染色体之间的附 着。程祝宽研究组与扬州大学顾铭洪研究组合作, 在 水稻中发现了一个SC横向丝蛋白ZEP1, 其定位于 SC的中心区。该基因的突变体中SC不能很好地组装, 同源染色体交换频率增加, 同时PAIR2和MER3的解 聚延迟(Wang et al., 2010o)。这些结果提示在水稻中 染色体交换与联会的关系不大。另外, 程祝宽研究组 还发现, 作为一个SC蛋白, PAIR3是Bouquet形成、 同源染色体配对、重组和SC组装所必需的, 并与 PAIR2和染色体的联系有关(Wang et al., 2011)。 南京农业大学园艺学院张绍铃研究组利用膜片 钳技术结合突变体分析, 发现亚精胺通过其氧化产生 的过氧化氢信号激活超极化钙离子通道, 从而使花粉 管中钙离子浓度升高, 促进花粉管的生长(Wu et al., 2010a)。有意思的是, 该研究组还发现在S-RNase介 导的自交不亲和反应中, S-RNase特异地阻止不亲和 花粉管尖端的线粒体和细胞壁中活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生, 进而影响钙离子流和 肌动蛋白骨架解聚(Wang et al., 2010b)。在茄科等自 交不亲和体系中, 一般认为柱头分泌的S-RNase被 花粉决定因子SLF介导的SCF复合体识别, 产生亲和 与不亲和反应。中国科学院遗传与发育生物学研究所 薛勇彪研究组在矮牵牛(Petunia hybrida)中分离到一 个SLF互作蛋白PhSSK1。PhSSK1在花粉中特异表 达, 其表达下调会明显降低异交亲和性反应(Zhao et al., 2010a)。说明在异交亲和反应中, 花粉因子抑制 了非己S-RNase活性。 精卵细胞识别、融合是受精的最后过程, 然而人 们对这个过程的了解非常少, 目前已知GCS1/HAP2 融合蛋白参与了精卵细胞核的融合过程。湖南师范大 学生命科学学院李东屏与加州大学栾升研究组合作, 发现线粒体蛋白ANK6的突变导致精卵细胞不能融 合, 同时部分胚囊发育停止在功能大孢子时期(Yu et al., 2010a)。这是非常有趣的发现, 表明线粒体在某 种程度上参与了精卵识别, 其作用机理有待揭示。 在动物和大多数被子植物中, 线粒体和质体等细 胞器DNA多是通过母性遗传(单向遗传)的方式传递 的, 但在少数被子植物中, 细胞器基因组存在双亲 (biparental)或父性遗传(paterntal)的现象。目前了解 的有2种细胞生物学机制, 一是在减数分裂母细胞或 合子中线粒体极性分布, 通过细胞不对称分裂达到排 除细胞器的双亲遗传; 另一种机制是线粒体、质体 DNA在精细胞发育和成熟过程中被降解或在受精过 程中发生精子细胞质丢失。北京大学生命科学学院苏 都莫日根研究组定量测定了不同遗传类型植物生殖 细胞的线粒体DNA(mtDNA)拷贝数, 发现卵细胞中 mtDNA拷贝数与体细胞相当, 但精细胞中的mtDNA 拷贝数变化非常大。在母性遗传型植物如拟南芥中, 精子一般没有mtDNA或者mtDNA拷贝数少于1, 平均 只有0.083拷贝/精子; 而在双亲和父性遗传类型植物 如香瓜(Cucumis melo)中, 精细胞mtDNA的拷贝数 是体细胞的21倍, 达到1 296.3拷贝/精子。此外, 在母 性遗传型植物中, mtDNA在花粉发育过程中逐渐减 少, 生殖细胞中尤其明显。这说明在被子植物生殖细 胞发生过程中, 存在特殊的调控机制控制mtDNA的 遗传, 既有mtDNA的清除, 也有复制和扩增, 因其遗 传类型而异(Wang et al., 2010d)。这种物种特异的 mtDNA遗传的分子机制还有待进一步研究。 长期以来, 虽然植物激素对生殖发育的作用是植 物学家感兴趣的问题, 但其对配子体发育的影响最近 才取得比较大的进展。在胚囊发育中, 生长素对配子 体细胞命运起着决定作用, 但对于细胞分裂素的作用 并不清楚。中国科学院遗传与发育生物学研究所左建 儒研究组发现, 拟南芥组氨酸激酶CKI1作用于AHP 的上游, 独立于细胞分裂素受体AHKs发挥作用。 CKI1突变导致胚囊发育异常, 而该异常表型可以通 过表达细胞分裂素合成相关的基因IPT8得以恢复, 说明细胞分裂素也是胚囊发育所必需的(Deng et al., 2010b)。油菜素内酯(brassinosteroid, BR)最初是从 花粉中分离出来的, 但一直不清楚它在生殖发育中究 竟起什么作用。复旦大学生命科学学院王学路研究组 系统地研究了一系列BR合成和信号通路突变体中花 药的发育, 发现花粉数目、活力和花粉释放效率在这 些突变体中都受到了不同程度的影响。通过ChIP实验 发现, 一个在BR信号转导中重要的转录因子, BES1
240植物学报46(3)2011 可以直接调控许多花药和花粉发育的关键基因,如用。GS3基因编码产物包含相互拮抗的前后2个部分。 SPL/NZZ、TDF1、AMS、MS1和MS2,从而揭示了其中前一段(N-端)是控制粒型的关键区域,即OSR BR在植物生殖发育中的功能( Ye et al,2010) ( organ size regulation),OSR缺失型水稻表现出长粒 表型;后面一段(C-端)的 TNFR/NGFR和VWFC结构 14水稻农艺性状的遗传调控 域对OSR的功能有抑制作用,这2个功能域缺失的突 增加作物产量是现代农业的主要目标。水稻等作物的变体粒型非常小。GS3蛋白的首尾2部分相互作用, 株型是决定其产量的核心因素之一。水稻株型的形成最终决定籽粒的大小。没有GS3蛋白(或该蛋白无功 主要取决于植株高度、分蘗数目、分蘖角度以及穗形能)的稻谷品种为长粒型(谷粒长度约10mm,含有 态等因素。在水稻育种中,株型的改良对水稻产量的完整GS3蛋白的水稻品种粒型中等(谷粒长度约8 提高发挥了重要作用,并且一直是品种选育的重要指mm),而只有OSR的水稻品种的谷粒为短粒(长度约 标。李家洋研究组和钱前研究组合作,利用具有理想6mm)。说明GS3负调控谷粒和器官的大小,而OSR 株型特征的水稻材料“少蘗粳”,通过系统的遗传学区域作为负调控子是充分且必要的。研究还发现,几 分析和图位克隆等手段,对水稻的半显性数量性状乎所有的优良粳稻品种都含有完整的GS3蛋白,表现 ∥PA1进行了克隆和定位,分离鉴定了控制水稻理想为中等粒型,而优良长粒型籼稻品种的GS3蛋白无功 株型的主效数量性状基因PA(lea! Plant Arch-能。通过对该基因的导入和替换,能有效地改变水稻 tecture)。PA1基因编码一个含SBP-box的转录因品种的粒型,表明GS3对水稻的产量和品质有重要的 子,其翻译与稳定性受 microRNA osmiA156的调控。决定作用,是粒型变异和演化的主要决定因子之 ∥PA1参与调控多个生长发育过程,能极度改变水稻( Mao et al,2010)。该研究将GS3蛋白质结构域的功 的植株形态,并且充分提升水稻产量,因而是一个多能与水稻种子籽粒大小的自然变异联系起来。在其它 效基因。为了探索PA1基因的应用价值,研究人员通物种,包括玉米、大麦( Hordeum vulgare)和大豆等中 过回交转育方法将突变ja1基因导入水稻品种秀水也发现了与GS3同源的基因。GS3基因的变异可作为 11中。通过对回交后代的近等基因系的分析发现,与分子标记直接应用于水稻籽粒大小的选育,提高水稻 其亲本秀水11相比较,含突变ia1基因的株系具有的产量;此外,根据水稻的研究信息,可以对其它物 理想株型”的典型特征:植株分蘖数减少、茎秆粗种的GS3同源基因进行克隆,从而指导相应物种的品 壮、穗粒数和千粒重显著增加,在田间小区实验中产种改良。 量增加了10%以上( Jiao et al,2010)。该研究结果揭 稻穗的构成主要包括籽粒大小和穗的形态,二者 示了调控理想株型形成的一个重要分子机制,在阐明直接决定最终产量。直立穗作为中国北方水稻理想株 水稻理想株型形成的分子机理方面取得了突破性进型的重要性状已受到越来越多育种专家的重视。中国 展,被菲律宾国际水稻研究所的水稻遗传学家He科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组在直 Leung评价为“从遗传学上阐明水稻产量控制机制的立穗研究方面获得了新的进展。研究人员利用一个直 卓越成果”。 立密穗突变体dep2展开相关研究。研究发现DE尸2基 水稻单株的有效分蘗数、每穗粒数和千粒重是影因编码一个目前功能未知的植物特有蛋白,主要在幼 响水稻产量的3个主要性状。谷粒大小是决定谷类作嫩组织(尤其是幼穗)中表达。形态和表达分析表明, 物产量的主要因素之一,并对谷粒的外观品质有着重DEP2主要影响穗轴、一次枝梗和二次枝梗的伸长, 要影响。华中农业大学张启发研究组在谷粒大小和粒但并不减弱穗原基的启动和形成。进一步的分析表明, 型的调控研究方面取得重大进展。他们分离克隆了控dep2的穗长减少是因为在穗指数生长时细胞增殖减 制谷粒大小的QπL——GS3,并对GS3的遗传和分子少所致。尽管dep2植株具有更加紧凑的株型,但其在 特征进行了研究。结果表明,GS3野生型等位基因由4产量方面与野生型并未有显著差异( Li et al,2010e)。 个区域组成,即N端的OSR区域、1个横向跨膜区 该研究结果可以加深人们对稻穗发育的了解,而且在 TNFR/NGFR家族的富含半胱氨酸区和C端的FC水稻育种中具有重要的应用价值。 区。这些区域在调节谷粒大小方面发挥着不同的作 叶倾角是一个重要的农艺性状,对作物的株型形
240 植物学报 46(3) 2011 可以直接调控许多花药和花粉发育的关键基因, 如 SPL/NZZ、TDF1、AMS、MS1和MS2, 从而揭示了 BR在植物生殖发育中的功能(Ye et al., 2010)。 1.4 水稻农艺性状的遗传调控 增加作物产量是现代农业的主要目标。水稻等作物的 株型是决定其产量的核心因素之一。水稻株型的形成 主要取决于植株高度、分蘖数目、分蘖角度以及穗形 态等因素。在水稻育种中, 株型的改良对水稻产量的 提高发挥了重要作用, 并且一直是品种选育的重要指 标。李家洋研究组和钱前研究组合作, 利用具有理想 株型特征的水稻材料“少蘖粳”, 通过系统的遗传学 分析和图位克隆等手段, 对水稻的半显性数量性状 IPA1进行了克隆和定位, 分离鉴定了控制水稻理想 株型的主效数量性状基因IPA1(Ideal Plant Architecture 1)。IPA1基因编码一个含SBP-box的转录因 子, 其翻译与稳定性受microRNA OsmiR156的调控。 IPA1参与调控多个生长发育过程, 能极度改变水稻 的植株形态, 并且充分提升水稻产量, 因而是一个多 效基因。为了探索IPA1基因的应用价值, 研究人员通 过回交转育方法将突变ipa1基因导入水稻品种秀水 11中。通过对回交后代的近等基因系的分析发现, 与 其亲本秀水11相比较, 含突变ipa1基因的株系具有 “理想株型”的典型特征: 植株分蘖数减少、茎秆粗 壮、穗粒数和千粒重显著增加, 在田间小区实验中产 量增加了10%以上(Jiao et al., 2010)。该研究结果揭 示了调控理想株型形成的一个重要分子机制, 在阐明 水稻理想株型形成的分子机理方面取得了突破性进 展, 被菲律宾国际水稻研究所的水稻遗传学家Hei Leung评价为“从遗传学上阐明水稻产量控制机制的 卓越成果”。 水稻单株的有效分蘖数、每穗粒数和千粒重是影 响水稻产量的3个主要性状。谷粒大小是决定谷类作 物产量的主要因素之一, 并对谷粒的外观品质有着重 要影响。华中农业大学张启发研究组在谷粒大小和粒 型的调控研究方面取得重大进展。他们分离克隆了控 制谷粒大小的QTL——GS3, 并对GS3的遗传和分子 特征进行了研究。结果表明, GS3野生型等位基因由4 个区域组成, 即N端的OSR区域、1个横向跨膜区、 TNFR/NGFR家族的富含半胱氨酸区和C端的VWFC 区。这些区域在调节谷粒大小方面发挥着不同的作 用。GS3基因编码产物包含相互拮抗的前后2个部分。 其中前一段(N-端)是控制粒型的关键区域, 即OSR (organ size regulation), OSR缺失型水稻表现出长粒 表型; 后面一段(C-端)的TNFR/NGFR和VWFC结构 域对OSR的功能有抑制作用, 这2个功能域缺失的突 变体粒型非常小。GS3蛋白的首尾2部分相互作用, 最终决定籽粒的大小。没有GS3蛋白(或该蛋白无功 能)的稻谷品种为长粒型(谷粒长度约10 mm), 含有 完整GS3蛋白的水稻品种粒型中等(谷粒长度约8 mm), 而只有OSR的水稻品种的谷粒为短粒(长度约 6 mm)。说明GS3负调控谷粒和器官的大小, 而OSR 区域作为负调控子是充分且必要的。研究还发现, 几 乎所有的优良粳稻品种都含有完整的GS3蛋白, 表现 为中等粒型, 而优良长粒型籼稻品种的GS3蛋白无功 能。通过对该基因的导入和替换, 能有效地改变水稻 品种的粒型, 表明GS3对水稻的产量和品质有重要的 决定作用, 是粒型变异和演化的主要决定因子之一 (Mao et al., 2010)。该研究将GS3蛋白质结构域的功 能与水稻种子籽粒大小的自然变异联系起来。在其它 物种, 包括玉米、大麦(Hordeum vulgare)和大豆等中 也发现了与GS3同源的基因。GS3基因的变异可作为 分子标记直接应用于水稻籽粒大小的选育, 提高水稻 的产量; 此外, 根据水稻的研究信息, 可以对其它物 种的GS3同源基因进行克隆, 从而指导相应物种的品 种改良。 稻穗的构成主要包括籽粒大小和穗的形态, 二者 直接决定最终产量。直立穗作为中国北方水稻理想株 型的重要性状已受到越来越多育种专家的重视。中国 科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组在直 立穗研究方面获得了新的进展。研究人员利用一个直 立密穗突变体dep2展开相关研究。研究发现DEP2基 因编码一个目前功能未知的植物特有蛋白, 主要在幼 嫩组织(尤其是幼穗)中表达。形态和表达分析表明, DEP2主要影响穗轴、一次枝梗和二次枝梗的伸长, 但并不减弱穗原基的启动和形成。进一步的分析表明, dep2的穗长减少是因为在穗指数生长时细胞增殖减 少所致。尽管dep2植株具有更加紧凑的株型, 但其在 产量方面与野生型并未有显著差异(Li et al., 2010e)。 该研究结果可以加深人们对稻穗发育的了解, 而且在 水稻育种中具有重要的应用价值。 叶倾角是一个重要的农艺性状, 对作物的株型形
袁明等:2010年中国植物科学若干领域重要研究进展241 态和产量都具有重要的作用。薛红卫研究组与钱前研和细胞壁组分的改变使bc12表现出脆秆的表型;突 究组合作,在控制水稻叶倾角大小的分子机理研究方变体的细胞周期进程受到了影响,BC12可能受到 面取得重要突破。研究人员利用图位克隆的方法成功CDKA;3的调控。由此可见,BC12参与了单子叶植物 分离出LC2基因,发现其编码一个类 vernalization in-水稻的细胞周期进程、纤维素微纤维的积累和细胞壁 sensitive3N3)蛋白。在叶片发育过程中Lc2主要组分的构成( Zhang et al,2010g)。 在叶片和叶鞘连接处表达,并且其表达受到脱落酸、 产量、植株高度和开花时间是水稻的3个重要农 赤霉素、生长素和油菜素内酯的诱导。LC2是一个核艺性状,是由多基因位点控制的。中国农业科学院作 定位蛋白,lc2突变体中细胞分裂和激素响应基因的物科学研究所万建民研究组鉴定了一个新的能够同 表达发生改变;与野生型相比,lc2突变体的叶片和叶时调节这3个农艺性状的QTL基因DTH8。该基因编码 鞘连接处上皮细胞的分裂增强,从而导致叶角变大 个含有 CCAAT-box- binding结构域的HAP3亚基 遗传互补实验能恢复突变体的表型( Zhao et al,研究人员将 Asominori中有功能的DTH8等位基因导 2010c)。上述结果表明LC2通过调节叶枕细胞分裂控cSSL61(一个含有DTH8功能缺失等位基因的染色 制叶倾角的大小,在激素响应中起着重要作用。 体片段置换系),发现在长日照条件下,该基因能显 质膜和细胞内间隔区之间的膜运输是调节细胞著延长后者的抽穗期,同时增加株高和每穗粒数。 壁多糖沉积和新陈代谢的一个重要过程。DRPs( dyn- DTH8在许多组织中表达,DTH8蛋白主要定位于细胞 amin- related proteins)在管膜和囊泡形成中发挥作核内。荧光定量PCR分析表明,DTH8在长日照条件下 用,与细胞壁的生物发生密切相关。然而,关于DRPs能够下调Ehd1和Hd3a的转录。其它光周期基因Gha7 如何参与细胞壁合成的分子机制还知之甚少。中国科和Hd1也能够下调Ehd1和Hd3a的表达。研究组还证 学院遗传与发育生物学研究所周奕华研究组对编码实,DTH8的表达独立于Ghd7和Hd1,并且该基因的 OSDRP2B蛋白的 Brittle Culm3(BC3)基因进行了功自然突变会导致植物光周期敏感性减弱和株高降低 能特征分析,该蛋白是水稻DRP2亚家族的3个成员 Wei et al!,2010b)。以上研究结果表明,DTH8作为 之一。研究发现,bc3突变体中纤维素含量减少,次生一个新的开花抑制因子,可能在光周期调控开花的信 细胞壁的结构发生改变,从而导致植株机械强度降号网络中发挥着重要作用,同时还影响植物的株髙和 低。体外生物化学分析证明 OS DRP2B是真正的膜相产量性状。 关动力蛋白。在原生质体中对荧光标记的 OSDRP2B 杂交水稻的推广在很大程度上解决了全世界的 进行亚细胞定位,结果显示该蛋白不仅存在于质膜和粮食问题,但是一些优良品种尤其是一些籼型品种在 网格蛋白介导的囊泡中,而且也定位于反式高尔基体中后期衰老快,限制了更多有机物的形成和积累,不 网络( trans-Golgi network,TGN)。在转基因植株中表利于结实率和千粒重等产量相关性状的提高。华中农 达绿色荧光蛋白标记的 OSDRP2B并结合FM4-64吸业大学林拥军研究组在减缓水稻衰老研究方面取得 收实验,证实 OSDRP2B参与了细胞的内吞作用途了重要突破。研究人员利用与拟南芥衰老相关蛋白 径。BC3基因的突变和过表达均能改变质膜和内膜系SAG12有55%同源性的水稻半胱氨酸蛋白酶SAG39 统中纤维素合成酶催化亚基4( OSCESA4)的含量 展开研究。他们分离了SAG39的启动子(PsAG3)并进 OSDRP2B的突变破坏了膜运输,影响了次生细胞壁行表达分析,发现在成熟叶片中SAG39的表达量较 的正常纤维素合成,从而最终导致水稻植株机械强度低,在胚乳中则完全不表达。在衰老进程中SAG39的 的降低( ong et al,2010) 转录积累增多,导致其mRNA水平增加。凝胶阻滞 植物中的驱动蛋白由一个大基因家族编码,它参(EMSA)实验表明,PsAG39中的2个顺式作用组分HB 与植物发育的许多基本过程。然而,在水稻中对这些 OXCONSENSUSPVCHS和WRKY710S能够响应叶 功能的认知还比较有限。周奕华研究组借助图位克隆片衰老。为了验证尸sAG3g能否通过增加细胞分裂素含 方法分离到一个编码双靶向驱动蛋白-4的基因BC12,量和延缓衰老来增加水稻的产量,研究人员把jpt基 并对其功能进行了分析。研究表明,bc12突变体中细因与PsA39相连接并转化中花11,获得了纯合的转基 胞数日显著减少,导致植株矮化;纤维素微纤维方向因作物。通过检测剑叶的叶绿素水平发现转基因植物
袁明等: 2010 年中国植物科学若干领域重要研究进展 241 态和产量都具有重要的作用。薛红卫研究组与钱前研 究组合作, 在控制水稻叶倾角大小的分子机理研究方 面取得重要突破。研究人员利用图位克隆的方法成功 分离出LC2基因, 发现其编码一个类vernalization insensitive 3 (VIN3)蛋白。在叶片发育过程中LC2主要 在叶片和叶鞘连接处表达, 并且其表达受到脱落酸、 赤霉素、生长素和油菜素内酯的诱导。LC2是一个核 定位蛋白, lc2突变体中细胞分裂和激素响应基因的 表达发生改变; 与野生型相比, lc2突变体的叶片和叶 鞘连接处上皮细胞的分裂增强, 从而导致叶角变大; 遗传互补实验能恢复突变体的表型(Zhao et al., 2010c)。上述结果表明LC2通过调节叶枕细胞分裂控 制叶倾角的大小, 在激素响应中起着重要作用。 质膜和细胞内间隔区之间的膜运输是调节细胞 壁多糖沉积和新陈代谢的一个重要过程。DRPs (dynamin-related proteins)在管膜和囊泡形成中发挥作 用, 与细胞壁的生物发生密切相关。然而, 关于DRPs 如何参与细胞壁合成的分子机制还知之甚少。中国科 学院遗传与发育生物学研究所周奕华研究组对编码 OsDRP2B蛋白的Brittle Culm3 (BC3)基因进行了功 能特征分析, 该蛋白是水稻DRP2亚家族的3个成员 之一。研究发现, bc3突变体中纤维素含量减少, 次生 细胞壁的结构发生改变, 从而导致植株机械强度降 低。体外生物化学分析证明OsDRP2B是真正的膜相 关动力蛋白。在原生质体中对荧光标记的OsDRP2B 进行亚细胞定位, 结果显示该蛋白不仅存在于质膜和 网格蛋白介导的囊泡中, 而且也定位于反式高尔基体 网络(trans-Golgi network, TGN)。在转基因植株中表 达绿色荧光蛋白标记的OsDRP2B并结合FM4-64吸 收实验, 证实OsDRP2B参与了细胞的内吞作用途 径。BC3基因的突变和过表达均能改变质膜和内膜系 统中纤维素合成酶催化亚基4(OsCESA4)的含量。 OsDRP2B的突变破坏了膜运输, 影响了次生细胞壁 的正常纤维素合成, 从而最终导致水稻植株机械强度 的降低(Xiong et al., 2010)。 植物中的驱动蛋白由一个大基因家族编码, 它参 与植物发育的许多基本过程。然而, 在水稻中对这些 功能的认知还比较有限。周奕华研究组借助图位克隆 方法分离到一个编码双靶向驱动蛋白-4的基因BC12, 并对其功能进行了分析。研究表明, bc12突变体中细 胞数目显著减少, 导致植株矮化; 纤维素微纤维方向 和细胞壁组分的改变使bc12表现出脆秆的表型; 突 变体的细胞周期进程受到了影响, BC12可能受到 CDKA;3的调控。由此可见, BC12参与了单子叶植物 水稻的细胞周期进程、纤维素微纤维的积累和细胞壁 组分的构成(Zhang et al., 2010g)。 产量、植株高度和开花时间是水稻的3个重要农 艺性状, 是由多基因位点控制的。中国农业科学院作 物科学研究所万建民研究组鉴定了一个新的能够同 时调节这3个农艺性状的QTL基因DTH8。该基因编码 一个含有CCAAT-box-binding结构域的HAP3亚基。 研究人员将Asominori中有功能的DTH8等位基因导 入CSSL61(一个含有DTH8功能缺失等位基因的染色 体片段置换系), 发现在长日照条件下, 该基因能显 著延长后者的抽穗期, 同时增加株高和每穗粒数。 DTH8在许多组织中表达, DTH8蛋白主要定位于细胞 核内。荧光定量PCR分析表明, DTH8在长日照条件下 能够下调Ehd1和Hd3a的转录。其它光周期基因Ghd7 和Hd1也能够下调Ehd1和Hd3a的表达。研究组还证 实, DTH8的表达独立于Ghd7和Hd1, 并且该基因的 自然突变会导致植物光周期敏感性减弱和株高降低 (Wei et al., 2010b)。以上研究结果表明, DTH8作为 一个新的开花抑制因子, 可能在光周期调控开花的信 号网络中发挥着重要作用, 同时还影响植物的株高和 产量性状。 杂交水稻的推广在很大程度上解决了全世界的 粮食问题, 但是一些优良品种尤其是一些籼型品种在 中后期衰老快, 限制了更多有机物的形成和积累, 不 利于结实率和千粒重等产量相关性状的提高。华中农 业大学林拥军研究组在减缓水稻衰老研究方面取得 了重要突破。研究人员利用与拟南芥衰老相关蛋白 SAG12有55%同源性的水稻半胱氨酸蛋白酶SAG39 展开研究。他们分离了SAG39的启动子(PSAG39)并进 行表达分析, 发现在成熟叶片中SAG39的表达量较 低, 在胚乳中则完全不表达。在衰老进程中SAG39的 转录积累增多, 导致其mRNA水平增加。凝胶阻滞 (EMSA)实验表明, PSAG39中的2个顺式作用组分HBOXCONSENSUSPVCHS和WRKY71OS能够响应叶 片衰老。为了验证PSAG39能否通过增加细胞分裂素含 量和延缓衰老来增加水稻的产量, 研究人员把ipt基 因与PSAG39相连接并转化中花11, 获得了纯合的转基 因作物。通过检测剑叶的叶绿素水平发现转基因植物
242植物学报46(3)2011 尸sAG3sjp出现持绿表型,而野生型则没有该表型。细al,2010c)。该研究揭示了一个新的调控机制,相关 胞分裂素含量的变化导致转基因植物萌发后70天提论文被 Journa/ of Proteome research评为当年的热 前开花并出现大量小穗。对剑叶中含糖量和含氮量的点论文。中国科学院植物研究所王台研究组针对胚乳 测定结果显示,转基因植物的库源关系发生变化,相细胞发育和淀粉合成的协调机制,通过蛋白质组学和 对于野生型其植物含氮量减少得更慢,而含糖量损失细胞学研究发现,水稻胚乳细胞淀粉粒包装的完成伴 速度则较快,因而减缓了叶片的衰老。同时该研究随着活性氧的爆发,随后胚乳细胞进入程序性死亡 也就上述改变对水稻生理、产量和早熟的影响进行了( programmed cell death,PCD),此间近70%的差异 相关的讨论 Liu et al,20101)。研究结果为延缓水稻表达蛋白是氧化还原反应的靶蛋白,它们参与淀粉合 叶片衰老提供了一条新途径,进而为提高有机物在作成、糖异生及其它生物大分子代谢过程。这些结果表 物籽粒中的积累奠定了坚实的理论基础。 明氧化还原稳态可能是协调淀粉合成、PCD过程中细 胞组分来源碳骨架流向淀粉合成的重要因子(Xuet 2“组学”与基因进化 al,2010c)。 棉纤维的长度和强度依赖于细胞壁合成特性,是 2.1蛋白质组学分析 决定棉纤维质量的重要特征。北京大学生命科学学院 据不完全统计,2010年中国植物科学家在蛋白质组学朱玉贤研究组比较了棉花无棉绒突变体(z/ess 主要国际学术期刊上发表植物蛋白质组方面的研究 inkless))与野生型胚珠的蛋白质组差异,发现果胶多 论文约12篇,涉及植物发育( Li et al,2010c; Pang et糖合成相关蛋白及其转录本在野生型胚珠中特异性 al,2010a; Xu et al,2010c; Zhao et al,2010b)和光积累。在离体培养条件下,施加促进棉纤维合成的试 合作用( Chen et al,2010d),对高温、干旱与盐胁迫剂乙烯或二十四烷酸能上调上述蛋白质及其转录本 响应( Li et al,2010b; Pang et al.,2010b; Wang et的水平;研究还证明棉纤维含高水平的果胶,而胚珠 al,2010t; Zhang et al,2010f,2010h)以及植物与微包含更多的半纤维素,离体培养条件下在培养基中添 生物的相互作用( Chi et al,2010a; Ma et al,2010c)加果胶合成的前体能促进纤维伸长。相应地,拟南芥 等。在技术方法上,主要是基于双向电泳与质谱的蛋短根毛突变体uer1-1和gae6-1分别显示二十四烷酸 白质定量分析。一些研究在蛋白质组的工作基础上结合成和乙烯信号转导途径的异常,利用棉花果胶合成 合遗传学、细胞学和生理学实验详细探讨了相关过程途径的相关基因或果胶合成的前体能恢复这2个突变 的调控机制。由于受目前国内植物蛋白质组研究的设体短根毛的表型。以上结果表明,乙烯和二十四烷酸 备条件的制约,基于质谱技术的同位素标记或非标记通过调控果胶的合成促进棉纤维或根毛的伸长(Pang label-freel)的高通量定量蛋白质组技术在植物蛋白etal,2010a)。中国科学院微生物研究所夏桂先研究 质组研究中尚未得到普遍应用,因此从系统生物学角组比较了短棉绒突变体( Ligon lintless,Li)与野生型 度在全蛋白质组水平揭示重要生物学过程的调控机棉花纤维的蛋白质组的差异,发现细胞骨架相关蛋白 制的目标还难以实现。此外,蛋白质修饰方面的研究的表达水平在突变体纤维中被显著下调,与之相对应 尚待加强 的是微丝骨架与囊泡运输显著异常,同时发现未折叠 导致株高改变的细胞伸长、影响种子品质的胚乳蛋白质响应途径相关的蛋白表达被显著上调( Zhao et 细胞发育以及淀粉合成的协调机制的研究对粮食生a,2010b)。 产至关重要。中国科学院植物研究所种康研究组以新 蕨类植物 Selaginella tamariscina是最原始的维 发现的赤霉素不敏感的半显性矮秆小麦( Triticum管复苏植物,其在脱水状态下能够生存,当水分适应 estrum突变体gad为材料,通过蛋白质组学策略时可以恢复生长。东北林业大学戴绍军研究组利用蛋 研究发现,类亲环蛋白在突变体中的表达量升高,转白质组学和生理学等技术手段研究了 Selaginella 基因实验证明该基因过量表达可导致植株矮化。进 tamariscina耐脱水的机制。结果显示在脱水过程中, 步的生化分析证明该蛋白通过调控阻止 DELLA蛋白其内源脱落酸、渗透调节剂可溶性多糖和脯氨酸水平 降解的赤霉素信号途径,调节细胞伸长和株高( 增加,抗氧化相关酶的活性提高,而光合作用速率和
242 植物学报 46(3) 2011 PSAG39:ipt出现持绿表型, 而野生型则没有该表型。细 胞分裂素含量的变化导致转基因植物萌发后70天提 前开花并出现大量小穗。对剑叶中含糖量和含氮量的 测定结果显示, 转基因植物的库源关系发生变化, 相 对于野生型其植物含氮量减少得更慢, 而含糖量损失 的速度则较快, 因而减缓了叶片的衰老。同时该研究 也就上述改变对水稻生理、产量和早熟的影响进行了 相关的讨论(Liu et al., 2010i)。研究结果为延缓水稻 叶片衰老提供了一条新途径, 进而为提高有机物在作 物籽粒中的积累奠定了坚实的理论基础。 2 “组学”与基因进化 2.1 蛋白质组学分析 据不完全统计, 2010年中国植物科学家在蛋白质组学 主要国际学术期刊上发表植物蛋白质组方面的研究 论文约12篇, 涉及植物发育(Li et al., 2010c; Pang et al., 2010a; Xu et al., 2010c; Zhao et al., 2010b)和光 合作用(Chen et al., 2010d), 对高温、干旱与盐胁迫 响应(Li et al., 2010b; Pang et al., 2010b; Wang et al., 2010t; Zhang et al., 2010f, 2010h)以及植物与微 生物的相互作用(Chi et al., 2010a; Ma et al., 2010c) 等。在技术方法上, 主要是基于双向电泳与质谱的蛋 白质定量分析。一些研究在蛋白质组的工作基础上结 合遗传学、细胞学和生理学实验详细探讨了相关过程 的调控机制。由于受目前国内植物蛋白质组研究的设 备条件的制约, 基于质谱技术的同位素标记或非标记 (label-free)的高通量定量蛋白质组技术在植物蛋白 质组研究中尚未得到普遍应用, 因此从系统生物学角 度在全蛋白质组水平揭示重要生物学过程的调控机 制的目标还难以实现。此外, 蛋白质修饰方面的研究 尚待加强。 导致株高改变的细胞伸长、影响种子品质的胚乳 细胞发育以及淀粉合成的协调机制的研究对粮食生 产至关重要。中国科学院植物研究所种康研究组以新 发现的赤霉素不敏感的半显性矮秆小麦(Triticum aestivum)突变体gaid为材料, 通过蛋白质组学策略 研究发现, 类亲环蛋白在突变体中的表达量升高, 转 基因实验证明该基因过量表达可导致植株矮化。进一 步的生化分析证明该蛋白通过调控阻止DELLA蛋白 降解的赤霉素信号途径, 调节细胞伸长和株高(Li et al., 2010c)。该研究揭示了一个新的调控机制, 相关 论文被Journal of Proteome Research评为当年的热 点论文。中国科学院植物研究所王台研究组针对胚乳 细胞发育和淀粉合成的协调机制, 通过蛋白质组学和 细胞学研究发现, 水稻胚乳细胞淀粉粒包装的完成伴 随着活性氧的爆发, 随后胚乳细胞进入程序性死亡 (programmed cell death, PCD), 此间近70%的差异 表达蛋白是氧化还原反应的靶蛋白, 它们参与淀粉合 成、糖异生及其它生物大分子代谢过程。这些结果表 明氧化还原稳态可能是协调淀粉合成、PCD过程中细 胞组分来源碳骨架流向淀粉合成的重要因子(Xu et al., 2010c)。 棉纤维的长度和强度依赖于细胞壁合成特性, 是 决定棉纤维质量的重要特征。北京大学生命科学学院 朱玉贤研究组比较了棉花无棉绒突变体(fuzzlesslintless)与野生型胚珠的蛋白质组差异, 发现果胶多 糖合成相关蛋白及其转录本在野生型胚珠中特异性 积累。在离体培养条件下, 施加促进棉纤维合成的试 剂乙烯或二十四烷酸能上调上述蛋白质及其转录本 的水平; 研究还证明棉纤维含高水平的果胶, 而胚珠 包含更多的半纤维素, 离体培养条件下在培养基中添 加果胶合成的前体能促进纤维伸长。相应地, 拟南芥 短根毛突变体uer1-1和gae6-1分别显示二十四烷酸 合成和乙烯信号转导途径的异常, 利用棉花果胶合成 途径的相关基因或果胶合成的前体能恢复这2个突变 体短根毛的表型。以上结果表明, 乙烯和二十四烷酸 通过调控果胶的合成促进棉纤维或根毛的伸长(Pang et al., 2010a)。中国科学院微生物研究所夏桂先研究 组比较了短棉绒突变体(Ligon lintless, Li1)与野生型 棉花纤维的蛋白质组的差异, 发现细胞骨架相关蛋白 的表达水平在突变体纤维中被显著下调, 与之相对应 的是微丝骨架与囊泡运输显著异常, 同时发现未折叠 蛋白质响应途径相关的蛋白表达被显著上调(Zhao et al., 2010b)。 蕨类植物Selaginella tamariscina是最原始的维 管复苏植物, 其在脱水状态下能够生存, 当水分适应 时可以恢复生长。东北林业大学戴绍军研究组利用蛋 白质组学和生理学等技术手段研究了Selaginella tamariscina耐脱水的机制。结果显示在脱水过程中, 其内源脱落酸、渗透调节剂可溶性多糖和脯氨酸水平 增加, 抗氧化相关酶的活性提高, 而光合作用速率和
