2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 - 种康 - 图文

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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

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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

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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