邓兴旺教授最新《自然》解析新分子基础

　　

生物通报道：来自耶鲁大学分子，细胞与发育生物学系，北京生命科学研究所，北大-耶鲁植物分子遗传学及农业生物技术联合中心，西班牙马德里自治大学（Campus Universidad Autónoma de Madrid，生物通注），德国弗莱堡大学（Albert-Ludwigs-Universität Freiburg）等处的研究人员揭示了一直以来并不了解的赤霉素与光元素相互作用的信级联号，这对于这对于进一步了解生长激素与光元素的信号传导作用，以及植物发育过程都意义重大。这一研究结果公布在《Nature》杂志上。

赤霉素是一类植物激素，简称GAs。最初是从引起水稻恶苗病的赤霉菌分泌物中分离出来的，之后又从高等植物和真菌中分离出许多赤霉素。一般植物体内至少有两种或两种以上的赤霉素，不同赤霉素之间可以相互转变。高等植物中的赤霉素主要在未成熟种子、营养芽、幼叶、根尖等部位合成。赤霉素能刺激茎的伸长生长，特别对遗传上矮化型效果更为显著。此外，还有打破休眠，促进发芽，诱导开花，促进果实生长，诱导α-淀粉酶、蛋白酶的合成等作用。

这种生长激素与光的相互作用介导了了许多植物发育过程，是植物发育至关重要的元素，但是这一方面目前了解的并不多，在这篇研究论文中，研究人员发现了一个核蛋白相互作用信号级联系统，能有助于光和赤霉素对植物生长进行协调地控制。

这个信号系统的一个关键蛋白就是DELLA蛋白，DELLA蛋白属于GRAS家族，能阻遏植物生长发育，赤霉素促进植物生长发育是通过形成一个SCFSLY1/GID2 E3 Ligase复合体并与DELLA蛋白发生亲和作用，进而通过26S Proteasome蛋白质降解途径特异性降解DELLA蛋白，从而实现抑制作用。

研究人员发现，在没有GA存在的情况下，定位在细胞核的DELLA蛋白能积累至较高水平，与光敏色素相互作用因子3（phytochrome-interacting factor 3，PIF3，一种bHLH-type转录因子，生物通注）相互作用，调控基因表达，从而导致PIF3介导的对胚轴伸长的光调控的失效。另一方面，在有赤霉素存在的情况下，GA受体：GID1蛋白会增加其与DELLA蛋白核内的相互作用，引发DELLA蛋白的泛素化，以及蛋白酶体（proteasome，生物通注）介导的降解，从而将PIF3从DELLA蛋白的负效应中释放出来。

这些研究成果说明DELLA蛋白，以及PIF家族成员之间的竞争性相互作用，也许就是光与赤霉素联系在一起的关键因素，这对于进一步了解生长激素与光元素的信号传导作用，以及植物发育过程都意义重大。
（生物通：张迪）

原文摘要：
Nature 451, 475-479 (24 January 2008) |
doi:10.1038/nature06448; Received 28 September 2007; Accepted 1 November 2007
Coordinated regulation of Arabidopsisthaliana development by light and gibberellins
『Abstract』

 

名词解释：

 

1.赤霉素

赤霉素是一类属于双萜类化合物的植物激素。1926年日本病理学家黑泽在水稻恶苗病的研究中发现水稻植株发生徒长是由赤霉菌的分泌物所引起的。1935年日本薮田从水稻赤霉菌中分离出一种活性制品，并得到结晶，定名为赤霉素（GA）。第一种被分离鉴定的赤霉素称为赤霉酸（GA3），现已从高等植物和微生物中分离出70余种赤霉素。因为赤霉素都含有羧基，故呈酸性。内源赤霉素以游离和结合型两种形态存在，可以互相转化。

赤霉素pH值3~4的溶液中最稳定，pH值过高或过低都会使赤霉素变成无生理活性的伪赤霉素或赤霉烯酸。赤霉素的前体是贝壳杉烯。某些生长延缓剂，如阿莫-1618和矮壮素等能抑制贝壳杉烯的形成，福斯方-D能抑制贝壳杉烯转变为赤霉素。赤霉素在植物体内的形成部位一般是嫩叶、芽、幼根以及未成熟的种子等幼嫩组织。不同的赤霉素存在于各种植物不同的器官内。幼叶和嫩枝顶端形成的赤霉素通过韧皮部输出，根中生成的赤霉素通过木质部向上运输。

赤霉素中生理活性最强、研究最多的是GA3，它能显著地促进植物茎、叶生长，特别是对遗传型和生理型的矮生植物有明显的促进作用；能代替某些种子萌发所需要的光照和低温条件，从而促进发芽；可使长日照植物在短日照条件下开花，缩短生活周期；能诱导开花，增加瓜类的雄花数，诱导单性结实，提高坐果率，促进果实生长，延缓果实衰老。除此之外，GA3还可用于防止果皮腐烂；在棉花盛花期喷洒能减少蕾铃脱落；马铃薯浸种可打破休眠；大麦浸种可提高麦芽糖产量等等。

赤霉素很多生理效应与它调节植物组织内的核酸和蛋白质有关，它不仅能激活种子中的多种水解酶，还能促进新酶合成。研究最多的是GA3诱导大麦粒中α-淀粉酶生成的显著作用。另外还诱导蛋白酶、β-1,3-葡萄糖苷酶、核糖核酸酶的合成。赤霉素刺激茎伸长与核酸代谢有关，它首先作用于脱氧核糖核酸（DNA），使DNA活化，然后转录成信使核糖核酸（mRNA），从mRNA翻译成特定的蛋白质。

 

附：
邓兴旺 博士
北京生命科学研究所资深研究员
耶鲁大学植物生物学冠名教授
北大-耶鲁植物分子遗传学及农业生物技术联合中心主任
E-mail：[e-mail]

教育经历

1982
北京大学生物系植物生理生化专业学士


1989
加利福尼亚大学伯克利分校植物生理及分子生物学博士

工作经历

2003
北京生命科学研究所所长


2003-present
耶鲁大学植物生物学冠名教授


2001-present
耶鲁大学分子与细胞发育生物学系教授


2000-present
北大-耶鲁植物分子遗传学及农业生物技术联合中心主任


1998-2001
耶鲁大学分子与细胞发育生物学系终身职副教授


1995-1998
耶鲁大学分子与细胞发育生物学系副教授


1992-1995
耶鲁大学分子与细胞发育生物学助理教授


1989-1991
博士后研究—拟南芥光形态建成的分子生物学和遗传学分析，及燕麦PhyA基因核蛋白—启动子相互作用的体外Dnase I指纹分析


1986‑1989
博士学位研究—高等植物质体基因的表达


1985-1986
研究生新生研究—高等植物类囊体膜蛋白磷酸化及其与两个光合系统中光能吸收的关系


1982‑1985
硕士学位研究—高等植物两个光合系统中光能分布的调节


1981‑1982
学士学位研究—一个细胞核编码的小麦雄性不育突变体的生化特征



SOCIETY

Member of the American society of plant physiologists

Member of the American Society for the Advancement of Science


EXTRAMURAL SERVICES


Scientific Advisory Board Member for MPI for Plant Breeding

Research (2003-2008)

Scientific Review Group Member for Sansbury Laboratory (2003)

Associate Editor for “Genes to Cell” journal

Associate editor for “Photochemistry and Photobiology” journal（1997-2003）

Associate editor for “Plant Molecular Biology” journal

Advisory board member of “Signal Transduction”

Advisory board member of “Plant journal”(1996-2003)

Adhoc Member for two NIH study sections


Co-session Chair for Plant Development in 18th International Congress of Genetics, August 10-5, 1998, Beijing, China.


Co-organizer of CSHL Summer Course

"Arabidopsis Molecular Genetics", 1995-1997 and 1999


Photomorphogenesis session chair in "Signaling in Plant Development", a CSHL meeting bewteen. Sept. 27-Oct. 1, 1995. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY.


Environmental Response session chair in 7th International Conference

On Arabidopsis Research, Norwich, UK. 23-27 June, 1996



NOTABLE HONORS

2003
The Kumho Science International Award-2003 by

The International Society for Plant Molecular Biology (ISPMB)

1995
Presidential Faculty Fellow Award

1989
Post‑doctoral Fellowship of Life Sciences Research Foundation.


研究概述：

本实验室研究领域之一是在植物中从基因组水平探讨DNA甲基化/组蛋白修饰和染色质结构以及基因表达之间存在的关系。我们已经建立了一系列的实验技术平台，包括全基因组表达芯片，高密度寡核苷酸tilling芯片，以及ChIP-chip分析方法，运用这些技术和平台我们已经在水稻及拟南芥中展开了探讨染色质结构和基因表达以及植物发育之间的关系的研究；同时利用这些芯片和相关技术，我们还开展了寻找水稻栽培过程中杂种优势形成的分子及遗传基础的研究，取得了初步的进展；此外，最近我们刚刚开始了对水稻和拟南芥ncRNA（non-coding RNA）全基因组系统分析，运用严格的方法分离水稻不同组织器官在关键发育时期的ncRNA，运用高通量方法进行测序，验证并加以分类，从中挑选了部分正在进行生物学功能的研究。

本实验室另外一个研究兴趣是关于光调控的拟南芥幼苗发育过程的分子和生化机制。我们实验室在研究参与光调控的拟南芥发育过程的遗传通路时，找到了12个多效性COP/DET/FUS位点，确定它们介导了光对拟南芥幼苗发育过程的调节。其中，COP1是拟南芥光形态建成的关键的抑制因子，暗中在细胞核内作为E3通过26S蛋白体降解促进光形态建成的转录因子，而在光下COP1活性被抑制且在核内的丰度降低；另外一个基因COP10编码一个类似E2的蛋白；其余的多数基因编码一个高度保守的多亚基蛋白COP9复合体（COP9 signalosome）的不同亚基，COP9复合体是一个新的E3连接酶的调节因子，可以促进NEDD8/RUB1从特定的E3连接酶上解离下来。COP9复合体是细胞对外界刺激或胁迫产生反应的新的调节成分。目前，本实验室正在通过分子遗传和基因组学的方法，进一步深入地研究这类在所有多细胞有机体中保守的细胞调节复合体的功能。