2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 - 种康 - 图文

428 植物学报 50(4) 2015

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

种康等: 2014年中国植物科学若干领域重要研究进展 429

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

430 植物学报 50(4) 2015

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