植物花粉对低温冷胁迫反应的分子机制研究取得重要进展

2010-9-19 15:31 来源: 中国科学院
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  温度胁迫是影响作物产量和地理分布的重要环境因子之一,高温热害和低温冷害影响植物生长发育的各个阶段。由于人类主要的食物是由开花植物通过有性生殖过程产生的,因此认识植物在有性生殖发育阶段如何适应温度胁迫的机理,对于应对环境变化对农业生产的影响至关重要。

  目前,许多研究结果已经比较详细地阐述了温度胁迫对植物生长发育的影响,但其研究主要集中在植物根、茎、叶等组织,对发育阶段时间比较短且非常复杂的植物生殖器官的研究非常少。虽然如此,但科学家很早就注意到,植物有性生殖对低温冷胁迫高度敏感,最终导致农作物产量大幅降低。在植物有性生殖阶段,温度胁迫可以导致生殖器官结构和功能的异常,以及受精失败等严重后果。目前认为,在植物整个生命周期中,其雄性生殖器官发育对低温冷胁迫最为敏感。

  最近,中科院西双版纳热带植物园分子生物学研究组余迪求研究员指导的博士研究生邹长松以模式植物拟南芥花粉为研究材料,通过基因功能分析手段证实了植物成熟花粉粒对低温冷胁迫敏感,是由于花粉粒特异表达的转录调控因子WRKY34抑制低温诱导的CBF1, CBF2和CBF3等基因表达所致。相关研究结果发表于国际期刊Journal of Experimental Botany。

  植物WRKY基因家族是植物独有的转录调控因子超级家族,在调控植物抵抗生物和非生物逆境胁迫反应及其信号转导途径方面发挥非常重要的生物学功能。邹长松等的研究发现,拟南芥转录调控因子WRKY34基因在植物成熟花粉细胞中特异表达,同时受低温冷胁迫强烈诱导表达。遗传分析证明,WRKY34基因T-DNA插入突变体(wrky34-1和wrky34-1)的成熟花粉粒对低温冷胁迫的敏感性比野生型显著降低,其花粉活力在低温冷胁迫后显著高于野生型。通过比较分析低温冷胁迫对植物成熟花粉粒的活力、花粉萌发、花粉管伸长以及最终对植株种子产量等方面的影响,也进一步证实wrky34成熟花粉的花粉活力显著地高于野生型;而且,WRKY34高表达转基因植株的成熟花粉粒即使在没有冷处理的条件下也表现出不育。这说明WRKY34作为一个负转录调控因子,参与了成熟花粉粒对低温冷胁迫的响应。在野生型植株的成熟花粉粒中,受低温强烈诱导的CBF1, CBF2和CBF3基因不能被冷诱导,而在wrky34中CBF系列基因及其下游靶基因能够被强烈的诱导,这表明WRKY34可能在成熟花粉粒中负调控CBF系列基因的表达,从而参与成熟花粉粒对低温冷胁迫的响应。