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2006年中国植物科学若干领域重要研究进展
【字体： 大 中 小 】 时间：2007年07月23日 来源：植物学通报
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2006年中国植物科学若干领域重要研究进展
2006年中国植物科学若干领域重要研究进展
作者：种康 瞿礼嘉 等
在我国经济持续稳定发展的背景下，国家通过各种研究计划(如973计划、863项目、NSFC 等)和国家知识创新体系等形式大力支持具有国家战略需求的基础研究，使植物科学研究飞速发展并受到国际同行的高度重视。体现在我国不少科学家担任国际学术组织负责人或重要国际期刊编委，如许智宏院士担任国际植物组织培养与生物技术联合会 (The International Association for Plant Tissue Culture and Biotechnology．IAPTC & B：现改名为 The International Association for Plant Biotechnology，IAPB) 主席，2006年8月，他作为大会主席在北京组织召开了第11届国际植物组织培养和生物技术大会，充分展示了我国在植物科学和生物技术领域的研究实力。同时，国际重要期刊也积极介绍我国总体科研实力，如 The Plant Cell 主编约请耶鲁大学邓兴旺教授和宾州州立大学马红教授撰写中国植物科学研究发展的评述(Chen et al.，2006b)。该文全面评述了我国植物生物学在不同阶段的重要发展历程，特别强调了近年来水稻生物学研究的突破性进展和拟南芥研究的快速进展以及在国际上的重大影响。2006年我国科学家在本土做出一系列具有原始创新意义的突破性研究成果，体现出我国植物科学研究队伍整体跨入一个新的高速发展阶段。例如，武维华研究组在 Cell 上发表了钾离子通道 AKT1 活性调节新模型 (Xu et al.，2006)；张大鹏研究组在 Nature 上发表了 ABA 新受体(Shen et al.，2006)等。据不完全统计，2006年中国本土植物生命科学领域的科学家在植物科学及其相关学科专业顶级学术刊物 The Plant Cell，The Plant Journal，Plant Physiology，Proteomics 和其它重要综合性期刊 Nature (及其姊妹刊)，Science，Cell，PNAS等上共发表论文78篇，比2004年(22篇)和2005年(46篇)明显增长。在这里值得一提也是我们植物科学工作者值得自豪的一件大事，那就是李振声院士在小麦远缘杂交理论和实践等研究领域的突出贡献，获得2006年度“国家最高科学技术奖”。
本文基于我国科学家发表在上述主流刊物上的最新重要成果作以简单介绍。但由于篇幅有限和统计上的困难，这些介绍难以代表我国植物研究取得的全部成果，可能是挂一漏万，但希望能部分展现我国科学家在本土所作研究工作的基本概况。实际上在2006年许智宏院士和李家洋院士在“植物激素与绿色革命”香山会议上也对我国近年来植物激素的相关研究作了全面的概括和综述(许智宏和李家洋，2006)，本刊为配合此次香山会议，特邀该领域著名专家左建儒研究员、傅向东研究员和瞿礼嘉教授负责组织出版了一期“植物激素”综述和研究论文的特别专辑。另外，我国科学家在国际期刊上发表了相关研究的综述文章，如瞿礼嘉和朱玉贤综述了拟南芥转录因子研究进展(Qu and Zhu，2006)等。这些文章有助于读者在国际植物科学发展的背景下了解我国植物科学的主要进展。
1 植物抗性与信号转导
植物抵御生物和非生物胁迫分子机理对于了解细胞接受信号并做出应答具有重要的意义，也是作物分子设计的理论基础。分子遗传学手段和细胞生物学、生理学等手段的结合是揭示分子机制的有效途径。我国科学家在植物营养胁迫、ABA 信号转导和抗病分子机理方面取得了突破性的进展。武维华研究组研究表明，拟南芥根细胞钾离子通道 AKT1 的活性受一蛋白激酶 CIPK23 的正向调控，而 CIPK23 的上游受2种钙信号感受器 CBL1 和 CBL9 的正向调控。在拟南芥植物中过量表达LKS1、CBL1 或 CBL9 基因以增强 AKT1 的活性，能显著提高植株对低钾胁迫的耐受性。基于研究结果，提出了包括 CBL1/9、CIPK23 和 AKT1 等因子的植物响应低钾胁迫的钾吸收分子调控理论模型 (Xu et al.，2006)。
ABA 介导植物对环境胁迫(如水分、盐分等)应答的信号转导途径。ABA 受体的研究有助于人们理解其应答机制。张大鹏研究小组多年来通过生物化学的方法分离 ABA 结合蛋白，最近他们提纯了一种高亲和力的 ABA 特异结合蛋白，命名为 ABAR，其化学性质是镁螯合酶 H 亚基，分子遗传学实验证明该蛋白是 ABA 受体(Shen et al.，2006)。这是继 FCA 具有 ABA 受体功能报道后的又一新受体。最近，马力耕研究组在拟南芥中发现 G 蛋白耦联受体 GCR2 也具有受体的性质和功能(Liu et al.，2007)。迄今 ABA 已有34个不同的受体，对这些受体特异性功能的深入研究有助于理解植物发育过程中 ABA 作用的多样性。王石平研究组在水稻中发现水稻 Xa13 基因对于花粉发育是必需的，该基因启动子突变导致水稻对白叶枯病抗性的改变(Chu et al.，2006)。该研究可能提供一个提高水稻抗病性并增加产量的育种新思路。
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。
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。
3 蛋白质组学、功能基因组学与基因进化
蛋白质组学分析 北京大学朱玉贤研究组利用 2-DE、 MALDI-TOF MS 和 ESI-MS/MS 等蛋白质组学的方法研究了拟南芥中的 cp29A 和 cp29B 蛋白。cp29A 和 cp29B 是拟南芥8个叶绿体核糖核蛋白 (cpRNPs) 基因中起主导作用的2个基因(Wang et al.，2006a)。2 -DE、MALDI-TOF MS 和 nano-ESI-MS/MS 的分析发现，cp29A 蛋白可以在 N 端发生乙酰化修饰，而 cp29B 蛋白具有2种不同的修饰方式，一是在蛋白质 N 端发生5个氨基酸残基的切除，二是在蛋白质 N 端 发生乙酰化修饰。对 cp29A 和 cp29B 蛋白的不同存在形式在种子萌发后各个时期的表达量分析表明，二 者从种子萌发后0小时起表达量开始升高，到萌发后48—96小时达到稳定值。另外，虽然在暗条件下萌发 的拟南芥白化幼苗中 cp29A 和 cp29B 的表达量同光照条件下萌发时的水平相差不大，但 cp29A 和 cp29B 相应的修饰形式(N-乙酰化和 N 端5个氨基酸残基的切除)的含量远低于光照条件下萌发的拟南芥幼 苗。并且，对这些暗条件下萌发的拟南芥幼苗进行光照处理后，可导致 cp29A 和 cp29B 的修饰形式含量 上升。这说明对 cp29A 和 cp29B 蛋白的修饰受到光信号的调控，是一种翻译后调控而非转录调控。研究 表明这种对叶绿体核糖核蛋白的修饰可能导致 CP29A 和 cp29B 与 RNA 分子的结合能力降低，从而释放 更多的 RNA 分子参与翻译过程。
水稻中连接下部茎秆与穗的最上部节间形成了运输来自根系矿物质和叶片( 特别是剑叶)光合产物的重要通道。乳熟期是种子成熟的第一个时期，水稻乳熟期的最上部节间对种子品 质和产量极为重要。中国科学院植物研究所沈世华研究组利用蛋白质组学方法对水稻(籼稻)最上部节间总 的可溶性蛋白进行了分析，对在 2-D 胶分离到的762种蛋白质中的132种丰度较高的蛋白质进行了 MALDI -TOF-MS 分析，根据蛋白质数据库的分析，确定了80个基因产物的98种蛋白质：这些蛋白质分别属于主要 与能量生成相关的11个功能组：蛋白质的大量积累与代谢、信号以及抗逆等过程有关，说明水稻最上部节 间具有较高的生理和抗逆活性(Yang et al.，2006b)。这一研究结果同时也丰富了水稻蛋白组数据库的内 容，为研究水稻的生理学研究提供了重要的依据。中国科学院北京基因组研究所刘思奇研究组比较了杂交 水稻 LYP 及其亲本 99311 和 PA64S 胚乳与幼胚的蛋白质表达谱的差异，发现杂交稻与其亲本胚乳蛋白 数目和分布模式都非常相似，但是，它们的胚蛋白质表达谱的分布模式却存在显著的差异，子代胚中的蛋 白质点或来自于父本或遗传于母本。其自身不存在新的蛋白(Xie et al.，2006)。这一研究成果为水稻杂 交品种的优势品质的预测提供了新的思路和可操作性的实验技术。
Lee 等(2006)利用蛋白质组学方法分析了 Prunus campanulata 种子休眠 的蛋白质基础，通过比较休眠与休眠解除后种子的蛋白质表达谱的变化，发现了一些可能参与种子休眠调 节的蛋白质。Wu 等(2006)利用竹子幼茎的水溶性蛋白质制备了单克隆抗体库，获得了192种单克隆抗体， 并利用免疫印渍验证了这些抗体的有效性，为研究蛋白质的互作关系提供了新的材料。
木材的形成是一个复杂的、包含许多生物学反应的过程。为阐述木材形成 的关键发育阶段，中国林业科学院林业研究所卢孟柱研究组利用毛白杨剥皮再生系统模拟形成层细胞的形 成和分化，研究在形成层细胞形成和分化的不同时期的差异表达蛋白质(Du et al.，2006)。他们通讨形 态学观察，证明在毛白杨剥皮后的几周内有新的形成层和木质部细胞的再生：利用蛋白质组学技术研究不 同再生阶段蛋白质表达的变化，通过肽质量指纹鉴定共获得244种差异表达蛋白质，对其中199种进行功能 分类的结果表明，调控细胞周期、细胞分化的基因主要在形成层形成过程中表达；参与调控细胞次生壁形 成的基因主要在木质部发育阶段表达。他们的研究结果表明，基因表达类型的变化与次生维管系统再生发 生的时间和部位相对应。这一研究结果，不仅有助于揭示木材形成的分子机制，而且也为进一步通过基因 工程手段提高木材质量奠定基础。
紫杉醇(taxol)在癌症的治疗方面有重要的应用。传统上主要通过从紫杉中 提取这种植物次生代谢产物。为了保护生态环境及珍稀植物，人们一直试图利用细胞培养的方法获得紫杉 醇。但是培养细胞中紫杉醇含量很低，难以形成有经济价值的生产体系。因此对培养条件下紫杉醇生物合 成的基础性研究显得尤为重要。天津大学化工学院元英进研究组通过蛋白组学的分析方法，比较了悬浮培 养和固着培养紫杉(Taxus cuspidata)细胞的蛋白组，结果发现：两种培养方式下细胞蛋白组存在一些丰 度差异显著的蛋白质，其中6种蛋白质与碳水化合物、氮以及硫代谢的调控相关；与悬浮培养方式相比， 固着培养方式下中间层细胞和中部细胞的紫杉醇产量增加；这种紫杉醇产量的增加与细胞的分裂指数呈负 相关，细胞分裂指数较高的培养细胞中紫杉醇产量较低，细胞分裂指数较低的培养细胞中紫杉醇产量则较 高；固着培养细胞中丰度差异显著的蛋白质S-腺苷甲硫氨酸合成酶(S-adenosylmethionine synthetase) 的丰度与细胞分裂活性呈正相关。他们的研究结果为改进紫杉细胞的培养条件，获得有经济价值的紫杉醇 生产体系提供了重要的理论依据(Cheng and Yuan，2006)。
基因组与基因进化 Wang等(2006c)将水稻所有全长 cDNA 序列，经过去冗余、剔除可能非编码蛋白质的基因(开放读码框＜100个氨基酸)，并过滤掉可能是转 座子的序列，得到13089个较可信的编码蛋白质的基因，并利用这些序列在水稻(ssp.indica)全基 因组中进行比对，最终得到898个可能由反转录转座机制(retroposition)形成的新基因。这些基因中的大 部分在进化中受到负选择作用，因而可能是具有功能的反转座基因(retrogene)。在这898个基因中，42％ 的序列在进化的过程中“招募”了其它序列，从而形成具有新功能的嵌合基因(chimeric gene)。这些嵌 合基因有的还相当“年轻”，暗示着通过反转录转座机制形成新基因可能是一个持续进行的过程，并且其 发生速率要比在灵长类动物中的速率大得多。长期以来，人们认为在植物中很少通过反转录转座机制形成 新基因。2005年 Plant Physiology 上发表的一篇文章，也报道了在拟南芥中仅找到69个可能通过反转录 转座机制形成的新基因，并且其中大于1/3的基因被认为是假基因，而剩下的那些基因具有未知的功能(种 康等，2006)。中国科学院王文、王俊等人与芝加哥大学龙漫远等人合作的研究通过在水稻的全基因组中 搜索反转座基因，并利用 RT-PCR 实验对其进行验证，反驳了这种观点，并且认为通过反转录转座形成新 基因是水稻等禾本科植物中非常普遍的机制。
全长 cDNA 对于基因组注释和基因的功能分析是十分重要的，但是目前已 知的玉米全长 cDNA 的数量十分有限。中国农业科学院作物科学研究所王国英研究细通过改进的 CAP trapper 方法，构建了玉米苗在渗透逆境条件下富含全长 cDNA 的文库。他们从中得到 1728 (83.4％)个 新的基因全长 cDNA 序列(Jia et al.，2006)。用 cDNA 微列阵芯片对这2073个玉米全长 cDNA 的表达进 行分析的结果表明：79个基因被逆境处理上调，而329个基因被下调；在上调的79个基因中，30个基因在 启动子中含有 ABRE,DRE,MYB,MYC 等核心序列或者含有其他对非生物逆境反应的顺式作用元件。这些研究 结果说明这些顺式作用元件以及它们相应的转录因子参与了植物对渗透胁迫的反应。此外，分析结果还表 明乙烯信号途径可能也参与了玉米对干旱的反应。这一研究结果对玉米基因组分析以及基因功能分析都具 有重要的意义，同时也为植物对干旱逆境的研究提供了重要的信息。
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。
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)。
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(Yang et al.，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/abaxial axis)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(Huang et al.，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31 kDa 的蛋白 (Xia et al.，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 (Zhang et al.，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 (sinapyl alcohol) 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 (Liao et al.，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-muconic acid)。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。
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。
