中国科学家获多项植物学研究成果

　　

生物通综合：中国属于农业大国，在植物学方面的探索一直以来都是国内生物科学研究的重点之一，近期又获得了几项重要的研究成果：

1. 中科院植物研究所的研究人员通过对木质素代谢与基因表达分析，揭示了木质素合成与小麦抗倒伏之间的关系，并定位了与抗倒伏相关的木质素基因。这一成果发表在Journal of Experimental Botany（2009, 60: 2763–2771）杂志上。

领导这一研究的是植物研究所的马庆虎博士，其早年毕业于河北大学生物系，主要研究方向为木质素及逆境代谢的分子调控，植物激素与生长发育的调控及基因工程。植物生长发育的调控与植物逆境反应适应性的关系，包括木质素代谢和其他次生物质与植物逆境的适应性，相关基因的分离和功能分析等，目前任植物研究所教授，“逆境代谢基因工程”创新研究组首席研究员。

小麦的倒伏是影响其稳产高产的一个重要因素。倒伏是一个由生理、遗传、栽培和环境等多因素调控的数量性状，对其分子水平的调控机理尚需要深入的研究。在农业生产上，通过矮化基因的开发和育种曾经有效地缓解了小麦倒伏危害的发生，但是随着株高的降低会影响小麦生物产量的潜力，因此通过增强茎秆强度，在不降低株高的情况下提高小麦的抗倒伏特性对开发高产小麦具有重要意义。木质素是植物细胞壁中起机械支持的重要高分子物质。马庆虎研究组分离了在小麦茎秆中高度表达的木质素合成关键酶基因—咖啡酸甲基转移酶基因（COMT），通过生化和转基因分析证明COMT 在控制松柏醇型木质素上发挥着重要作用，COMT基因的表达在抗倒伏小麦生长发育后期明显高于易倒伏品种，这种基因的高表达进一步促进了COMT酶蛋白和酶活力的提高，并增强了木质素的合成。小麦的COMT基因定位在3B染色体上。

该研究成果对阐明木质素代谢与倒伏关系，并通过调控木质素代谢培育抗倒伏的高产超级小麦具有重要意义。

2.中科院上海生科院植物生理生态所植物分子遗传国家重点实验室的研究在水稻重要性状遗传与功能基因研究上又取得重要进展。最新成果公布在国际著名学术杂志《自然-细胞生物学》（Nature Cell Biology）在线版上，并将刊登在7月份期的该杂志上。

领导这一研究的是植物生理生态所的林鸿宣博士，其早年毕业于中国农业科学院研究生院，现为 植物生理生态研究所研究员，博士生导师，中国科学院“****”入选者。

林鸿宣研究组通过对水稻耐盐相关基因OsHAL3的功能分析，揭示了光调控植物发育的一个新机制。这是该研究组自2005年以来，继分离克隆水稻耐盐功能基因SKC1、水稻粒重功能基因GW2和水稻株型驯化基因PROG1之后，第四次将研究成果发表在Nature系列杂志上。

植物的生长速度和形态受到很多环境因子的影响，其中阳光是最为重要的一个因子。在弱光或黑暗的条件下，植物生长速度较快，形态幼嫩；而强光下则反之。这种现象对于植物适应光环境变化，完成生活史以及提高生物产量具有决定性的意义，因而一直以来是植物研究的基本问题之一。长期以来，传统的光受体调控机制是解释这一现象的主流模式。

HAL3（halotolerance3）是前人在筛选酵母耐盐基因的过程中分离克隆的抗逆相关基因，研究发现其编码一种促进细胞分裂以及提高耐盐性的核黄素蛋白。它的过量表达不仅可以提高植物的耐盐性，还可以加速植物的生长。林鸿宣研究员指导博士生孙世勇和晁代印等通过大量的实验，对水稻中HAL3同源基因OsHAL3开展了深入的功能和作用机理研究，发现这一基因介导了一个与普通光受体模式不同的光控发育机制。他们的研究证明，该基因编码的蛋白以三聚体的形式行使功能，而阳光，特别是蓝光可以促使三聚体解体，从而导致该蛋白功能失活；同时，光线还能抑制该基因的表达。光的这种双重抑制，使得细胞分裂减慢，最终导致水稻的生长变缓。他们的分析还表明，光照产生的活性氧以及光线对于HAL3配体FMN（flavin mononucleotide，黄素单核苷酸）的直接作用，可能是三聚体解聚的原因。进一步的试验显示，HAL3与一种可能参与降解细胞分裂抑制因子的E3泛素连接酶HIP1互作，并激活后者而促进细胞分裂。而先前发现的磷酸泛酰半胱氨酸脱羧酶的功能则被证明和其参与的细胞分裂作用不相关。这一结果也是第一次发现HAL3扮演细胞分裂信号传导的角色。同时，由于HAL3基因广泛存在于包括人类在内的生物界，使得这一研究具有更广泛的意义。正如该论文评阅人所评论：“这项工作本来以其在植物学方面的贡献就可以得到我的支持发表于Nature Cell Biology上，但很显然，它应具有更为广泛的影响”。

该研究得到国家科技部973项目、863专项、国家自然基金委和中科院知识创新工程等的资助。

3.北京生命科学研究所发表文章首次报道了细菌效应蛋白AvrPtoB和植物中对应的抗性蛋白Pto复合物AvrPtoB-Pto的晶体结构，揭示了同一个植物抗性蛋白（Pto）如何识别两个完全不同的细菌效应蛋白（AvrPto 和AvrPtoB）的分子机制。

植物的抗性蛋白精确识别病原菌中的效应蛋白,对引发植物防御响应非常重要。植物的抗性蛋白Pto能够识别两个序列完全不同源的效应蛋白AvrPto和AvrPtoB，并通过NB-LRR蛋白Prf激活下游免疫反应。文章解析了AvrPtoB的Pto-binding domain（AvrPtoB 121-205）的晶体结构（1.9埃），以及AvrPtoB121-205-Pto复合物的结构（3.3埃）。该复合物的晶体结构揭示了AvrPtoB与Pto相互作用通过两个界面调节，其中一个界面与AvrPto-Pto复合物的结合面完全不同。实验表明，替换了位于这个界面上氨基酸的Pto，不需要效应蛋白AvrPto或AvrPtoB ，就能引发Prf介导的免疫反应。该结果进一步证实了效应蛋白通过解除Pto对植物抗病的抑制作用从而引起宿主免疫反应。同时，文章从结构的角度揭示了同一个植物抗性蛋白（Pto）如何识别不同细菌效应蛋白的分子机制。

该文章的共同第一作者董靖是北京生命科学研究所和中国科学院生物物理研究所联合培养的博士生，共同第一作者樊粉霞是北京生命科学研究所和北京师范大学联合招生的博士生，论文其他的作者还有论文的其他作者还有：共同第一作者Fangming Xiao，谷立川博士，仓怀兴博士 。北京生命科学研究所的柴继杰博士和康奈尔大学的Gregory B. Martin为本文共同通讯作者。此项研究为科技部863和北京市科委资助课题，结构与生化部分工作在北京生命科学研究所完成。