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2006年中国植物科学若干领域重要研究进展

2007.7.23

2 植物发育与生殖的遗传调控

顶端分生组织的遗传调控顶端分生组织是植物胚后发育的关键，研究其遗传调控机理对了解植物生长和农作物生产具有重要意义。中国科学院植物研究所刘春明研究员与国外科学家合作研究证明了拟南芥 CLAVATA3 (CLV3) 编码一个多肽配体，它通过与 CLV1/CLV2 受体作用，调控顶端分生组织干细胞数。最近的研究显示 CLV3 的 CLE 基元是 CLV3 的功能区(Fiers et al.，2006)。上海交通大学张大兵研究组和中国水稻研究所的钱前等通过图位克隆法克隆了决定水稻花器官数目的基因 FON4。该基因功能缺失导致顶端分生组织异常变大，花器官数目增加，类似拟南芥 clavata 突变体的表型。分析发现 FON4 是 CLV3 的同源基因，编码一个分泌的小蛋白。通过原位表达谱分析和用合成 FON4 和 CLV3 中的保守区 (CLE) 小肽体外处理分生组织，进一步证明 FON4 和 CLV3 在功能上是相同的。该研究结果表明单子叶和双子叶植物在顶端分生组织的分子调控机理上是保守的(Chu et al.，2006)。有趣的是，和 CLV3 一样，FON4 对根顶端分生组织并没有影响，说明茎和根顶端分生组织的调控机理是不同的。浙江大学吴平研究组发现组氨酸平衡可能对于根顶端分生组织的维持起着关键作用 (Mo et al.，2006)。当编码磷酸组氨醇氨基转移酶的基因 HPA 突变后，导致胚胎致死。而在 Ala69Thr 点突变体 hpa1 中，其组氨酸含量仅为野生型的30％，但并不表现组氨酸饥饿表型，其明显特征是主根生长不正常。通过对大量根尖细胞特异的形态和分子标记的分析，发现根顶端分生组织在种子萌发2天后开始发育异常，分生区和根冠变短，最后完全失去顶端分生组织，不能生长。虽然表型很清楚，但其背后的分子机理还需要进一步探讨。比如组氨酸合成受阻是否会导致其合成途径上游的中间产物(如谷氨酸)的积累，继而造成根的表型？谷氨酸是植物氮代谢的关键分子之一。北京生命科学研究所邓兴旺研究组发现当谷氨酸受体同源基因 GLR3，1突变后，水稻根也变短，细胞凋亡加快，最终丧失根顶端分生组织 (Li et al.，2006a)。这些研究结果提示谷氨酸这个神经信号转导中的重要分子在植物发育特别是根顶端分生组织发育中具有重要作用，值得深入探讨。

花粉管生长的细胞生化基础花粉管是研究细胞极性生长的好材料之一，也是研究细胞骨架和囊泡运输的理想体系。清华大学李一勤研究组通过 DNA 微阵列法从百合 (Lilium longiflorum) 中分离到一个在花粉管高度表达的基因 LIANK,LIANK(编码一个含有5个 ANKYRIN 重复结构域的 RING 锌指蛋白。LIANK 蛋白定位在细胞膜泡上，在体外具有泛素连接酶活性。LIANK 瞬时过表达和 RNAi 都影响百合花粉管的正常生长，说明 LIANK 参与了花粉管极性生长，但具体机理还有待进一步研究(Huang et al.，2006)。中国科学院植物研究所林金星研究组发现蛋白酶体抑制剂 MG132 和 Epoxomicin 抑制花粉管生长和改变花粉管形态。进一步分析发现抑制剂处理引起内质网液泡化并积累泛素化的蛋白，同时细胞骨架系统也受到破坏，但对钙离子梯度影响不大，其结果是果胶和纤维素等细胞壁物质不能运输到快速生长的花粉管顶部，导致花粉管生长受阻(Sheng et al.，2006)。以上研究结果为了解泛素/蛋白酶体途径在花粉管中的作用机制提供了细胞学证据。

新技术手段对植物科学研究起了极大的促进作用。近来，全内反射荧光显微技术的兴起，实现了对单个荧光分子的直接探测，用全内反射产生的隐失波可使照明区域限定在样品表面的一薄层范围内，对于观察膜泡类细胞器尤为有效。林金星研究组探索了用消散波显微技术研究花粉管极性生长过程中膜泡的动态变化 (Wang et al.，2006d)，发现膜泡呈现复杂的震荡现象，而不是以前认为的简单布朗运动，肌动蛋白细胞骨架对膜泡动态影响比微管骨架大。同样，利用蛋白组学手段，林金星研究组发现简单的肌动蛋白聚合抑制剂 Latrunculin B 处理，会引起细胞器和蛋白组学水平的巨大变化 (Chen et al.，2006f)。这些工作加深了我们对花粉管极性生长的认识。

胚胎发育与细胞增殖与分化中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才研究组利用增强子诱捕的方法，筛选到一个后代抗性分离比偏离孟
德尔遗传学比例的拟南芥突变体，进一步研究发现这种分离比的偏差是由于 GRP23 基因的缺失引起1/4的拟南芥早期胚胎发育停滞在16细胞时期所致 (Ding et al.，2006)。该基因在胚胎发育至心型胚时期表达，并且通过酵母双杂交实验和双分子荧光互补实验发现 GRP23 蛋白可以通过其 C 端富含 Gin 的 WQQ 重复结构域与 RNA 聚合酶 Ⅱ 的一个36-kDa 亚基 Ⅲ (RBP36B)相互作用。在起始转录时，RNA 聚合酶 Ⅱ 需要通过“招募”形成复合物，因而他们推测，GRP23 可能先利用其 N 端的连甘酸拉链结构与 DNA 结合，然后通过招募 RNA 聚合酶 Ⅱ 的方式调控下游基因的表达。这也可能是 GRP23 的缺失导致胚胎早期发育停滞的原冈。

植物的器官发生几乎完全是胚后发育过程，细胞的增殖与分化是严格耦联的。植物 RBR 蛋白通过调节 E2F 转录因子来限制细胞增殖，其功能的缺失影响了配子的形成与早期发育而导致胚胎致死。为了确定在胚后的器官发生过程中，RBR/E2F 途径除了参与细胞分裂还有哪些作用，中国科学院遗传与发育生物学研究所的谢旗与西班牙科学家合作，利用一个可诱导的系统，以拟南芥叶片为材料，使 RBR 功能失活并释放 E2F 的活性，结果表明在叶发育过程中 RBR 在早期细胞增殖占主导时限制细胞分裂，而在晚期阶段调节内循环事件(Desvoyes et al.，2006)。刚刚离开细胞周期后，大部分叶表皮鳞状细胞保持再进入细胞周期并增殖的能力，而内层的叶肉细胞对 RBR 活性缺失并没有这种响应。可见在拟南芥叶发育过程中，为了维持细胞分化与内复制之间的平衡，不同的细胞对 RBR 失活具有不同的响应，即 RBR/E2F 途径在叶发育过程中的功能具有细胞类型特异性。这一研究为研究植物器官发生过程中细胞增殖与分化之间的平衡问题提供新的证据与思路。

自交不亲和与细胞质雄性不育花粉 S 位点的 F-box (SLF/SFB) 是 Solanaceae、Scrophulariaceae 和 Rosaceae 科植物自交不亲和反应中的关键因子，一般认为它是泛素连接酶 SCF(SKP1-CUL1-F-box) 的一个亚基，但缺乏直接的实验证据。薛勇彪研究组通过酵母双杂交实验发现一个与金鱼草 (Antirrhinum hispanicum) 花粉 AnSLF 互作的蛋白 AhSSK1 (SLF-interacting SKP1-like1)，证明 AhSSK1 具有将 AnSLF 连接到 CUL1-like 蛋白的作用，这为深入研究自交不亲和的机制提供了新的切入点(Huang et al.，2006)。

细胞质雄性不育及其育性恢复广泛存在于高等植物，目前已在超过150个植物种中观察到这种有性生殖现象。细胞质雄性不育是一种母体遗传性状，经常与线粒体基因组产生的异常编码产物密切相关。而这种细胞质雄性不育系的育性往往可以被核编码的基因恢复。因此，细胞质雄性不育及其育性恢复不仅由于其在杂种优势育种中的应用备受关注，而且也是研究细胞质核互作的好材料。华南农业大学刘耀光研究组发现，水稻 Boro Ⅱ 型细胞质雄性不育性状是由于异常的线粒体阅读框 orf79 与加倍 (dupliated) 基因 atp6(B-atp6) 共转录的产物编码一个细胞毒多肽引起的(Wang et al.，2006f)。这种有毒多肽特异地在小孢子中积累，导致小孢子败育。该研究组同时也鉴定了2个相关的育性恢复基因，即 Rf1a 和 Rf1b。两者都编码含有 pentatricopeptide 重复序列的蛋白质，并且定位在线粒体，它们通过降解 B-atp6/orf79 mRNA，阻止毒肽的形成，恢复育性。该研究组还发现，在裂解 mRNA 方面，RF1A 上位于 RF1B。而且，RF1A 除了能裂解 B-atp6/orf79 mRNA 外，还能促进 atp6 mRNAs 的编辑。他们的这项研究成果解释了水稻 Boro Ⅱ 型细胞质雄性不育性状及其育性恢复的分子机制，对促进雄性不育系在杂种优势育种上的应用具有重要意义。