植物学报ChineseBulletinofBotany20502145147.www.chinbullbotany.com doi:10.3724/sPJ.12592015.00145 ·热点评 中国科学家在植物应答低温信号研究中取得突破性进展 左建儒1,陈凡2 中国科学院遗传与发育生物学研究所,植物基因组学国家重点实验室,2分子发育生物学国家重点实验室,北京100101 摘要植物具有复杂而精巧的机制以适应各种逆境。最近,中国科学家在水稻( Oryza sativa)感受冷信号的分子机理、冷信 号感应分子在水稻驯化过程中的演化及拟南芥( Arabidopsis thaliana)中磷酸化调控冷信号转导的分子机理等研究中取得了 突破性进展 关键词冷胁迫,信号感受与转导,驯化,水稻,拟南芥 左建儡,陈凡(2015).中国科学家在植物应答低温信号研究中取得突破性进展.植物学报50,145-147 植物对环境的适应,包括对低温生境的适应,是导?植物低温适应性是如何演化选择的?最近,我国 在长期演化过程中获得的,对植物在不同环境条件下科学家对相关问题的研究取得了突破性进展(Maet 的生长发育乃至生存具有重要意义。在农业生产中,al,2015; Ding et al.,2015)。 低温危害日趋严重。研究植物耐受低温逆境的分子机 亚洲栽培稻( Oryza sativa)分为籼稻( indica)和粳 制,对改良农作物耐寒性状具有重要意义。前人的研稻 japonica)2个亚种。籼稻起源于亚热带,具有不耐 究表明,低温能够激活植物细胞中的钙离子信号,并低温的特性,种植于热带和亚热带地区;粳稻品种相 对下游冷信号和响应因子的转录激活具重要作用对耐寒,种植在纬度较高的温带和寒带地区(Sang ( Knight et al,1996),而钙离子通道蛋白CNGC被认 and Ge,2007)。粳稻与籼稻的耐寒性差异为解析其 为参与温度的感受和应答( Finka et al,2012)。在植分子机制与演化提供了一个很好的遗传学研究模式 物响应低温信号过程中,目前已知的一个主要途径是前人的研究表明耐寒性状受到数量性状位点 通过cE1-CBF-COR转录级联信号传递。CE1(n-( quantitative trait locus,QTL)的调控( Saito et al., ducer of CBF expression1)基因编码一个bHLH类转2001)。但目前对耐寒相关QTL的研究尚未获得实质 录因子。在响应低温信号后,ICE1直接结合在CBF性进展。最近,中国科学院植物研究所种康研究组与 (C- repeat- binding factors)基因的启动子区激活CBF中国科学院植物研究所葛颂研究员、中国水稻研究所 基因的表达aCBF转录因子进一步激活下游一系列称钱前研究员和中国科学院昆明动物研究所王文研究 为cOR(cod- responsive gene)基因的表达,从而介员合作克隆了1个调控水稻耐冷性的QTL位点cO 导植物的耐低温能力( Chinnusamy et al,2003;ShLD1( chilling-tolerance divergence1)。通过对cO etal!,2015)。lCE1基因处于该级联信号通路的上游,LD1的系统深入研究,揭示了水稻感受低温信号的重 其转录不受低温信号调控,但lCE1蛋白的稳定性受要机制,并解析了粳稻与籼稻耐寒性差异的分子机理 到E3连接酶HOS1( nigh osmotic expression1)的负与演化机制( Ma et a,2015)。 调控;HOS1介导CE1泛素化并通过26S蛋白酶途径 利用粳稻与籼稻耐寒性差异的特点,种康研究组 降解CE1( Shi et al.,2015)。 ( Ma et al!,2015)构建了耐冷粳稻品种日本晴(Nip- 尽管我们目前对低温信号通路有一定的了解,但 ponbare,NP)与冷敏感籼稻品种93-11的重组自交系 对若干重要问题的认识还非常局限或知之甚少。例如,( (recombinant inbred lines,RLs)。他们通过对151个 植物如何通过钙离子通路感受环境中的低温信号?RLs分析检测到5个与耐寒性相关的QTLs,其中 经典的蛋白激酶级联系统是否参与调控低温信号转cOLD1是一个主效QTL。同时通过构建近等基因系 收稿日期:2015-02-25;接受日期:2015-0227 通讯作者。 E-mail: zuo@ genetics.accn; chen@ genetics.accn植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (2): 145–147, www.chinbullbotany.com doi: 10.3724/SP.J.1259.2015.00145 —————————————————— 收稿日期: 2015-02-25; 接受日期: 2015-02-27 * 通讯作者。E-mail: jrzuo@genetics.ac.cn; fchen@genetics.ac.cn 中国科学家在植物应答低温信号研究中取得突破性进展 左建儒1*, 陈凡2* 中国科学院遗传与发育生物学研究所, 1 植物基因组学国家重点实验室, 2 分子发育生物学国家重点实验室, 北京100101 摘要 植物具有复杂而精巧的机制以适应各种逆境。最近, 中国科学家在水稻(Oryza sativa)感受冷信号的分子机理、冷信 号感应分子在水稻驯化过程中的演化及拟南芥(Arabidopsis thaliana)中磷酸化调控冷信号转导的分子机理等研究中取得了 突破性进展。 关键词 冷胁迫, 信号感受与转导, 驯化, 水稻, 拟南芥 左建儒, 陈凡 (2015). 中国科学家在植物应答低温信号研究中取得突破性进展. 植物学报 50, 145–147. 植物对环境的适应, 包括对低温生境的适应, 是 在长期演化过程中获得的, 对植物在不同环境条件下 的生长发育乃至生存具有重要意义。在农业生产中, 低温危害日趋严重。研究植物耐受低温逆境的分子机 制, 对改良农作物耐寒性状具有重要意义。前人的研 究表明, 低温能够激活植物细胞中的钙离子信号, 并 对下游冷信号和响应因子的转录激活具重要作用 (Knight et al., 1996), 而钙离子通道蛋白CNGC被认 为参与温度的感受和应答(Finka et al., 2012)。在植 物响应低温信号过程中, 目前已知的一个主要途径是 通过ICE1-CBF-COR转录级联信号传递。ICE1 (in￾ducer of CBF expression 1)基因编码一个bHLH类转 录因子。在响应低温信号后, ICE1直接结合在CBF (C-repeat-binding factors)基因的启动子区激活CBF 基因的表达。CBF转录因子进一步激活下游一系列称 为COR (cold-responsive gene)基因的表达, 从而介 导植物的耐低温能力(Chinnusamy et al., 2003; Shi et al., 2015)。ICE1基因处于该级联信号通路的上游, 其转录不受低温信号调控, 但ICE1蛋白的稳定性受 到E3连接酶HOS1 (high osmotic expression 1)的负 调控; HOS1介导ICE1泛素化并通过26S蛋白酶途径 降解ICE1 (Shi et al., 2015)。 尽管我们目前对低温信号通路有一定的了解, 但 对若干重要问题的认识还非常局限或知之甚少。例如, 植物如何通过钙离子通路感受环境中的低温信号？ 经典的蛋白激酶级联系统是否参与调控低温信号转 导？植物低温适应性是如何演化选择的？最近, 我国 科学家对相关问题的研究取得了突破性进展(Ma et al., 2015; Ding et al., 2015)。 亚洲栽培稻(Oryza sativa)分为籼稻(indica)和粳 稻(japonica) 2个亚种。籼稻起源于亚热带, 具有不耐 低温的特性, 种植于热带和亚热带地区; 粳稻品种相 对耐寒, 种植在纬度较高的温带和寒带地区(Sang and Ge, 2007)。粳稻与籼稻的耐寒性差异为解析其 分子机制与演化提供了一个很好的遗传学研究模式。 前人的研究表明耐寒性状受到数量性状位点 (quantitative trait locus, QTL)的调控(Saito et al., 2001)。但目前对耐寒相关QTL的研究尚未获得实质 性进展。最近, 中国科学院植物研究所种康研究组与 中国科学院植物研究所葛颂研究员、中国水稻研究所 钱前研究员和中国科学院昆明动物研究所王文研究 员合作克隆了1个调控水稻耐冷性的QTL位点CO￾LD1 (chilling-tolerance divergence 1)。通过对CO￾LD1的系统深入研究, 揭示了水稻感受低温信号的重 要机制, 并解析了粳稻与籼稻耐寒性差异的分子机理 与演化机制(Ma et al., 2015)。 利用粳稻与籼稻耐寒性差异的特点, 种康研究组 (Ma et al., 2015)构建了耐冷粳稻品种日本晴(Nip￾ponbare, NIP)与冷敏感籼稻品种93-11的重组自交系 (recombinant inbred lines, RILs)。他们通过对151个 RILs分析检测到5个与耐寒性相关的QTLs, 其中 COLD1是一个主效QTL。同时通过构建近等基因系 ·热点评·