中国植物科学若干领域重要研究进展（三）-生物技术-农博网

　　脱落酸、茉莉酸和赤霉素ABA主要调节种子发育、幼苗生长、叶片气孔行为和植物对逆境的适应。在执行其生物学功能的过程中，ABA信号首先通过其受体被识别，然后通过一系列细胞内下游信号转导，从而发挥其生理效应。由于ABA受体在ABA信号通路中的关键地位而始终是国际植物科学界最关注的焦点之一，然而ABA受体的鉴定一直是一个亟待解决的重要问题。中国农业大学张大鹏研究组发现ABAR基因编码一个已知蛋白质，即定位于质体内的参与叶绿素合成和质体-核信号转导的镁螯合酶H亚基。通过超表达技术上调ABAR/CHLH基因表达，可以使植物在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA反应“超敏”；而用稳定表达的RNA干扰、反义RNA、化学诱导的RNA干扰技术或通过稳定表达的突变体对ABAR/CHLH基因表达下调，发现使植物在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA反应“脱敏”。ABAR的基因敲除突变体，由于种子不能正常成熟，是致死突变。进一步的证据表明，ABAR介导的ABA信号转导是一个独立于叶绿素合成和质体-核信号转导的不同的细胞信号过程。所以，ABAR是一种介导种子发育、幼苗生长和叶片气孔行为的ABA受体(Shenetal.，2006)。该成果以研究论文的形式发表在Nature上，是对ABA受体研究的重大突破，为深入阐明ABA的信号转导途径奠定了重要的基础。

　　ABA在活性氧的产生、诱导抗活性氧基因表达以及激活抗氧化酶活性等方面都有重要的作用，但是有关ABA与植物抗氧化防御体系间的信号转导过程仍有待研究。南京农业大学生命科学学院蒋明义与香港浸会大学张建华等人通过研究发现玉米叶中46kDa的MAPK(mitogen-activatedproteinkinase)参与了ABA诱导的植物抗氧化防御体系(Zhangetal.，2006a)。他们的研究证明：MAPK与活性氧的交互作用在ABA信号转导过程中起着关键的作用；ABA诱导产生活性氧，活性氧激活MAPK，而激活的MAPK进一步诱导抗氧化基因的表达和抗氧化酶的激活；MAPK的激活同时促进H2O2的产生，形成正反馈途径。他们的研究结果为深入了解植物的抗氧化机制中ABA信号转导途径提供了新的思路。此外，ABA是重要的植物激素，而MAPK级联信号转导途径是细胞中主要信号转导途径之一，因此该研究对植物生长发育以及植物的抗逆性等方面的研究也有重要启示作用。

　　三聚体G-蛋白介导的信号转导途径在真核生物响应外界刺激的生理和生化过程中起着非常重要的作用。G-蛋白介导的信号转导途径受到细胞中多种因子的调控。RGS(regulatorofG-proteinsignaling)蛋白通过促进G蛋白α亚基的GTPase活性使其从GTP结合状态转变为GDP结合状态，从而调控G-蛋白介导的信号转导途径。扬州大学生物科学与生物技术学院梁建生与香港浸会大学张建华等研究了拟南芥种子萌发过程对ABA和糖信号进行响应的两条途径中AtRGS1蛋白的作用(Chenetal.，2006g)。他们通过对AtRGS1和G-蛋白的拟南芥突变体的分析，证明了AtRGS1蛋白参与了对种子萌发的调节；rgs1-2突变体种子萌发对葡萄糖的超敏反应可能是由于种子萌发过程中ABA生物合成被减弱的缘故。他们提出假设：在种子萌发过程中，高浓度的葡萄糖通过诱导ABA积累而抑制种子萌发，而AtRGS1蛋白作为ABA生物合成的正调控因子刺激ABA合成关键酶基因NCED3和ABA2的表达。这一研究结果，不仅证明了AtRGS1蛋白在种子萌发中的重要调控作用，而且进一步说明了种子萌发过程对ABA和糖信号进行响应的两条途径中AtRGS1蛋白的可能作用机制，为阐明种子萌发的复杂调控机理提供了新的研究方向。

　　转录因子功能的解析是植物科学中的另一研究热点，薛勇彪研究组发现水稻锌指蛋白质编码基因OsDOS可能通过协调发育与茉莉酸信号转导，在延迟叶衰老过程中起重要作用。SPL(SQUAMOSApromoter-binding-like)蛋白是一类植物特异性的转录因子，Xie等(2006a)从水稻基因组序列数据库中预测了19SPL基因(OsSPL)与12OsmiR156前体，发现其中11OsSPL可能是OsmiR156的靶序列。Liang等(2006)建立了检测目标基因功能的载体(invivo)反式转录激活实验系统(binaryGAL4-VP16-UAStransactivationsystem)，利用该系统成功地分析了一些水稻转录因子基因的功能(Kongetal.，2006)。番茄伤害反应基因的诱导剂苯丁抑制素(bestatin)是一些氨基肽酶的有效抑制剂。李传友研究组证实苯丁抑制素可以特异性激活植物中的茉莉酸(JA)信号转导途径(Zhengetal.，2006)。苯丁抑制素能激活番茄和拟南芥中JA诱导基因的表达，这种诱导作用是通过COl1依赖的JA信号途径，但不严格依赖于JA的生物合成；芯片分析表明，苯丁抑制素处理后的植物基因表达谱与JA处理的相似；苯丁抑制素还促进JA相关的植株表型的出现。推测苯丁抑制素通过调节JA信号途径中一些关键调节因子起作用。作者以苯丁抑制素抑制根伸长为指标，筛选获得了3类拟南芥苯丁抑制素抗性突变体(bestatin-resistant：JA不敏感、JA超敏感、对苯丁抑制素不敏感但正常应答JA的ber突变体)。通过对ber突变体的研究，已经分离出几个参与JA信号途径的新位点，这对阐明苯丁抑制素生物学功能以及进一步阐明JA信号途径有重要意义。

　　水稻隐性高秆突变体eui(elongateduppermostinternode)的最上部节间在抽穗期急剧伸长，活性赤霉素含量高。何祖华研究组(Zhuetal.，2006)利用图位克隆技术证实，Eui基因编码一个细胞色素P450单加氧酶CYP714D1。该酶催化非13-羟基化GAs的16a,17-环氧化，这种环氧化作用降低水稻GA4的活性。结果表明，水稻节间生长过程中存在一个未被认知的EUI钝化GA的途径。Eui的发现为研究GA代谢途径与调控水稻生长发育提供新的线索。

　　生长素与原活化蛋白激酶信号途径生长素极性运输(PAT)在调控植物生长发育的过程中发挥着重要的作用。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组鉴定了一个半显性突变体bud1，该突变体表现出多分支、矮化、纯合体不育以及一些明显的生长素活性缺陷的表型，如高温下(29℃)下胚轴没有明显的伸长、侧根数目减少、更简单的叶脉模式以及增强的向地性响应等。遗传和分子生物学分析表明bud1的表型是由MKK7基因上调引起的，MKK7是植物促分裂原活化蛋白激酶D类的成员之一，其激酶活性是其发挥功能所必需的(Daietal.，2006)。进一步的生化和遗传分析表明，MKK7是生长素极性运输的负调控因子。该研究为阐明促分裂原活化蛋白激酶信号途径与生长素活性的关系提供了新的遗传证据，同时也为进一步研究植物中D类促分裂原活化蛋白激酶的功能提供了新的线索和思路。

　　光信号转导机制植物蓝光受体(cryptochromes,CRY)介导各种植物的光反应。在拟南芥中已经证明CRY通过与光形态建成的负调控因子COP1之间的相互作用，参与抑制下胚轴生长、促进子叶扩张、花青苷积累以及气孔开张等许多光反应过程，并且在许多植物中对CRY进行了分析。但是并不清楚这一光反应体系在单子叶植物中的功能和反应机制。中国科学院上海植物生理生态研究所杨洪全研究组对水稻的CRY(OsCRY1)进行了研究(Zhangetal.，2006b)。他们的研究结果证明：水稻OsCRY1参与了水稻在早期苗发育阶段兰光抑制下胚轴和叶片伸长的反应；在水稻中OsCRY1的信号转导过程中同样有OsCRY1与OsCOP1的直接相互作用。这一研究结果将拟南芥中研究得比较清楚的CRY光反应信号转导机制扩展到单子叶模式植物水稻，证明了这是一个在植物中普遍存在的光反应信号转导途径。这也是将模式植物中获得的基础研究结果结合模式作物进行研究的很好的例子，为进一步的应用研究奠定了很好的基础。

　　植物等生物的形态建成过程受光照控制，这种现象被称为光形态建成(photomorphogenesis)。COP9信号复合体(CSN)、CDD复合体和COP1复合体是植物体内的蛋白复合体，它们对植物的光合形态建成具有抑制作用，但是，人们不知道这3个复合体是如何共同作用于光合形态建成的抑制。北京生命科学研究所等单位的研究人员以拟南芥为材料，揭示了光形态发生抑制作用过程中CSN、CDD和COP1的相互调节作用。他们发现拟南芥CULLIN4(CUL4)与CDD复合体及一个催化亚基结合，形成一个有活性的遍在蛋白连接酶(ubiquitinligase，E3)(Chenetal.，2006a)。CUL4部分功能的丧生导致组成型光形态发生表型(constitutivephoto-morphogenicphenotype)的产生光调控基因表达的升高。另外，CUL4表现出与COP10和DET1有很强的遗传交互作用。因此，基于CUL4的E3连接酶是抑制光形态建成所必须的。同时，以CUL4为核心的E3连接酶与COP1E3连接酶有相互作用，并对COP1调控下的光形态建成转录因子的降解具有促进作用，CSN复合体则通过对CUL4的修饰调控以CUL4为核心的E3连接酶的活性。

　　糖的信号分子功能在植物中，糖不仅是提供细胞生长所必需的物质和能量基础，同时也具有信号分子的功能。在谷类作物中，种子发芽受到GA和缺糖的诱导，以及受到ABA及糖的抑制。种子萌发和苗生长中的关键酶α-淀粉酶的表达受到胚中糖的负调控，而胚乳中GA则通过糖反应复合体(sugarresponsecomplex，SRC)以及GA反应复合体(GAresponsecomplex，GARC)对其进行正调控。“中央研究院”(中国台湾)余淑美研究组分析了水稻α-淀粉酶的2个启动子αAmy3及αAmy8，发现：αAmy3仅含有SRC，而αAmy8含有重叠的SRC和GARC；在胚及胚乳中αAmy3对糖敏感而对GA无反应，αAmy8则在胚中对糖敏感而在胚乳中对GA反应；αAmy8中GA反应元件(GARE)的突变使αAmy8丧失其GA反应，但是促进其对糖的敏感性；而在αAmy3插入GARE使其在胚乳中获得GA反应活性但对糖不敏感；在胚乳中GA诱导与GARE作用的转录因子MYBGA的表达，而在敲除MYBGA的突变体胚乳中αAmy8变得对糖敏感，说明MYBGA-GARE的相互作用抑制了αAmy8的糖敏感性；在胚中过量表达MYBGA使αcAmy8变为糖不敏感性；在胚乳中有活性的α-淀粉酶的启动子含有GARE，而在胚中有活性的α-淀粉酶的启动子则有或没有GARE，说明GARE与GA诱导的MYBGA的相互作用阻止了糖对胚乳的α-淀粉酶基因的反馈抑制。他们的研究证明了MYBGA-GARE相互作用影响水稻苗生长过程的能量生产平衡中糖的反馈控制，阐明了糖和GA信号相互作用对α-淀粉酶表达的组织特异性调控机制(Chenetal.，2006c)。

　　MAPK级联信号转导MAPK(mitogen-activatedproteinkinase)级联信号转导途径是细胞中主要的信号转导途径之一。烟草中的2个MAPK:Ntf4与SIPK在氨基酸序列上具有93.6％的同源性。中国农业大学生物学院任东涛的研究表明，ntf4在包括根、茎、叶和花等组织中均有与SIPK类似的表达，Ntf4持续激活后导致与病原菌诱导的HR类似的细胞死亡，Ntf4和SIPK拥有共同的上游MAPKK(NtMEK2)，在包括对病原菌等多种胁迫响应的信号传递过程中具有类似的功能，指出Ntf4和SIPK基因可能是烟草进化中同一个原始基因复制的结果(Renetal.，2006)。他们的研究结果对有关Ntf4和SIPK基因的不同研究报道和争论提供了新的思路，今后进行ntf4和SIPK功能研究时，必须考虑2个基因的功能冗余问题。

　　6　蛋白降解、RNA代谢和DNA修饰

　　小分子RNA是近年来的研究热点。其中miRNA是真核生物中普遍存在的内源的非编码RNA。由miRNA的前体pri-miRNA加工产生pre-miRNA是miRNA成熟过程的第一步。中国科学院上海植物生理生态研究所黄海研究组发现以前认为参与染色质修饰的锌指蛋白SERRATE可能与一个RNA结合蛋白HYL1一起与DCL1蛋白共同执行pri-miRNA加工的第一步，对于miRNA和ta-siRNA的积累起关键作用(Yangetal.，2006a)。这项研究成果为揭示SERRATE蛋白在真核生物miRNA成熟过程的作用奠定了基础。

　　叶片近-远轴(ad/abaxialaxis)的建立是叶形态建成中最重要的过程之一。以往研究发现对叶片极性建成的调控主要由转录因子和miRNA参与。中国科学院上海植物生理生态研究所黄海研究组通过遗传筛选发现26S蛋白酶体的亚基RPN8a缺失后可以加重叶近轴属性部分丧失的突变体as2的表型，进一步研究发现26S蛋白酶体的部分其他亚基突变后均可加重as2的表型(Huangetal.，2006c)。这些遗传学证据说明26S蛋白酶体的蛋白降解功能对于叶片近轴属性的建立是必需的，因而揭示了翻译后水平的调控在叶形态建成中的重要作用。

　　转录水平的基因沉默(TGS)参与浓缩染色质的结构建成，这种结构建成通常是与DNA的过度甲基化相关的。中国农业大学巩志忠研究组通过EMS筛选ros1的抑制子鉴定到ros1突变体背景下的2个等位突变体ror1-7和ror1-2，图位克隆结果表明ROR1基因编码一个与DNA复制蛋白A2(RPA2A)类似的31kDa的蛋白(Xiaetal.，2006)。该基因的突变可以重新激活ros1突变体中沉默的Pro35S:NPTⅡ基因，并且这种作用不依赖于DNA甲基化，而是与染色质组蛋白修饰的改变有关。此外，该研究组还发现ROR1/RPA2A基因在细胞分裂活跃的分生组织和幼嫩组织中大量表达，同时该基因的突变还影响了分生组织的细胞分裂和DNA修复功能。该研究深入分析了ROR1/RPA2A基因在表观基因沉默和调控植物发育过程中的重要作用，为进一步研究转录水平基因沉默(TGS)的形成和维持的分子机制提供了新的线索。

　　木质素是细胞壁中除纤维素外的第二个重要生物大分子多聚物。中国科学院遗传与发育生物学研究所与中国水稻研究所、扬州大学、中国科学院研究生院等4家单位合作，对gh2突变体进行研究(Zhangetal.，2006c)，证实GH2编码一个肉桂醇脱氢酶(CAD)。gh2突变体是一个木质素生物合成缺失的突变体，它的根、节间、谷壳以及圆锥花序的提取物中CAD活性显著降低，并且检测不到芥子醇(sinapylalcohol)脱氢酶的活性。研究表明，GH2是一种多功能的CAD，在水稻木质素合成途径中催化松柏醇和芥子醇前体物质的合成。该研究为改善水稻木质素的含量与组成提供潜在的可能性。

　　伴随着现代农业和工业的高速发展，大量的土壤和水体受到有机化合物的污染。由于一些芳香化合物难以降解，对环境的破坏更严重。利用细菌体降解基因在植物中的表达清除有机化合物对环境的污染被认为是解决有机污染的好方法。有机污染物的芳香环结构是造成其难以降解的主要原因。氯儿茶酚1,2-双加氧酶(TfdC)能够裂解芳香环。复旦大学将一个来自邻单胞菌属(Plesiomonas)氯儿茶酚1,2-双加氧酶基因(tfdC)转入拟南芥。与野生植株相比较，转基因植株在表型和生长方面均无差别，但是，转基因植株对儿茶酚的抗性明显增强(Liaoetal.，2006b)。转基因植株能吸收培养基中的儿茶酚，并将其转变为芳香环代谢中间产物顺、顺-己二烯二酸(cis，cis-muconicacid)。这项研究表明，TfdC在植物中的表达是植物降解儿茶酚所必需的，同时也说明了微生物降解基因可以通过基因工程的方法转到植物中，并将这种植物应用到由芳香化合物造成污染的环境的生物修复。

　　(未完待续)

　　注：

　　（1）文章来源：植物学通报，2007年第24卷第3期；

　　（2）作者单位：中国科学院植物研究所等。