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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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

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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