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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

4 光合作用与碳循环

光系统Ⅱ (PSⅡ)是叶绿体类囊体膜中的一个色素蛋白复合体，在光合作用光反应过程中起重要作用。为了阐明 PSⅡ 的组装过程，中国科学院植物研究所张立新研究组对 PSⅡ 低含量的拟南芥突变体(lpa1)进行了研究。结果表明，体外蛋白质标记实验显示 lpa1 突变体中的 D1 和 D2 合成受到抑制，但是其它质体编码蛋白质的合成速率与野生型的相似(Peng et al.，2006)。另外， lpa1 突变体中 PSⅡ 核心蛋白 CP47、CP43、D1 和 D2 更新率比野生型的高。lpa1 突变体中新合成的 PSⅡ 蛋白质可以装配成有功能的蛋白复合体，但组装效率较低。LPA1 基因编码一个含有2个 tetratricopeptide repeat domains 的叶绿体蛋白，是一种膜内在蛋白，但不属于 PSⅡ。酵母双杂交实验表明，LPA1 与 D1 相互作用。因此。LPA1 可能是通过 D1 作用于 PSⅡ 组装的膜内在伴侣蛋白。

在高等植物中，光合作用的循环电子传递途径受到 NAD(P)H 脱氧酶(NDH) 复合体的调节。米华玲研究组与国外研究者合作，以烟草 ndhC-ndhK-ndhJ (ΔDndhCKJ) 缺失突变体为材料，研究了热胁迫(42℃)和冷胁迫(4℃)条件下，依赖 NDH 的途径中活性氧的积累、光合电子传递活性、 CO2 同化以及磷酸化等的变化(Wang et al.，2006b)。结果表明，在热胁迫下，当卡尔文循环受阻时，NDH 介导的 PSⅠ-循环电子传递在光合机构的优化过程中发挥重要作用。该作用的实现是通过叶绿体呼吸，为 CO2 同化的调节提供额外的 ΔpH 和 ATP，平衡电子传递物质的氧化还原水平，从而减少了 ROS 的产生。

大部分叶绿体蛋白质由细胞核基因编码，他们在细胞质中合成后再转入到叶绿体中执行功能。这些胞质前体蛋白质在叶绿体外被膜和内被膜上的一些运输蛋白复合体的帮助下，被运输到叶绿体中。位于叶绿体外膜的运输蛋白复合体叫做 Toc 蛋白，位于内被膜的被称为 Tic 蛋白。邓伊珊等(Teng et al.，2006) 利用标记基因 (marker gene) 的方法，筛选到了蛋白质输入叶绿体机制缺失的拟南芥突变体 cia5 (chloroplast import apparatus 5)。研究结果表明，CIA5 是一个位于叶绿体内被膜中的内在膜蛋白，它的分子量为 21 kDa，并有4个预测的跨膜区。cia5 突变株白化，并积累未加工蛋白。在 cia5 中，蛋白质可以结合在叶绿体的表面，但是不能被运输到叶绿体中。进一步研究表明， CIA5 和拟南芥中的 At Tic20 蛋白在叶绿体生物合成中具有相似的功能。他们将 CIA5 重新命名为 Arabidopsis Tic21 (At Tic21)，并认为它不但与叶绿体内被膜蛋白质传导通道功能有关，还可能在叶片的后期发育中扮演更重要的角色。

海洋中的浮游植物除了利用 CO2，还可利用 HCO3- 进行光合作用。但吸收 HCO3- 的机制还不清楚。通过测定 pH 值变化、比较光合速率与重碳酸根(HCO3-)向理论 CO2 的转化率等方法，研究海硅藻属的三角褐指藻 (Phaeodactylum tricornutum) 对无机碳的光合利用。发现只有在较高的碱性条件下才可诱导产生 K+ 依赖的 HCO3- 转运。K+ 参与海藻对 HCO3- 的吸收为 HCO3- 吸收机制的深入研究奠定了基础(Chen et al.，2006d)。

磷脂酰甘油(PG)是构成光合膜脂的重要甘油脂，在光合膜的结构和功能中起重要的作用。PG生物合成最后一步是磷脂酰甘油磷酸(PGP)的脱磷酸反应，反应过程由 PGP 磷酸酶催化。但是，编码 PGP 磷酸酶的基因一直没有从高等植物或蓝细菌中克隆得到。中国科学院植物研究所匡廷云研究组从 Cyanobacterium Anabaena sp.PCC7120 筛选到了一个 alrl715 基因遭受破坏的突变体，其 PG 含量降低了30％。伴随着 PG 含量的降低，突变体光合自养生长受到限制，细胞中的叶绿素含量降低。突变体单细胞的净光合活性和光合系统Ⅱ(PSⅡ)活性均降低(Wu et al.，2006a)。同时，PSⅡ 的光化学效率降低，传向 PSⅡ 的激发能减少。这些结果表明，从 Anabaena sp.PCC7120 克隆得到的基因 alrl715 是一个与 PG 生物合成有关的基因。

5 植物激素与信号转导

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(Shen et al.，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46 kDa 的 MAPK (mitogen-activated protein kinase) 参与了 ABA 诱导的植物抗氧化防御体系 (Zhang et al.，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 (regulator of G-protein signaling) 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 (Chen et al.，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 (SQUAMOSA promoter-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 19 SPL 基因(OsSPL)与12 OsmiR156 前体，发现其中11 OsSPL 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(in vivo)反式转录激活实验系统(binary GAL4-VP16-UAS transactivation system)，利用该系统成功地分析了一些水稻转录因子基因的功能(Kong et al.，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(Zheng et al.，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(elongated uppermost internode) 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(Zhu et al.，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 (Dai et al.，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(Zhang et al.，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 (ubiquitin ligase，E3) (Chen et al.，2006a)。CUL4 部分功能的丧生导致组成型光形态发生表型 (constitutive photo-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 COP1 E3 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 (sugar response complex，SRC) 以及 GA 反应复合体 (GA response complex，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(Chen et al.，2006c)。

MAPK 级联信号转导 MAPK(mitogen-activated protein kinase) 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 (Ren et al.，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。