《植物学报》：2016年中国植物科学若干领域重要研究进展

王小菁等:2016年中国植物科学若干领域重要研究进展409 片段的自抑制活性。CC和NTD功能域独立并加成性抵抗褐飞虱不同生物型群体( Zhao et al,2016)。该 地增强NB-LRR的自我抑制活性。在病毒性的诱导因研究对解析寄主-虫害互作的共同进化,以及抗性品 子存在时,Sw-5b的NB-LRR功能域被特异性激活,种的选育均具重要意义 诱导过敏反应。奇怪的是,SW5b的CC功能域能抑制 病毒诱导的基因沉默系统(GS是研究植物基 NB-LRR的激活,而额外的NTD能正调控和激活抗性因功能的一个非常强大的工具,这个系统是基于植物 蛋白,这可能是由于去除了CC功能域的抑制效应。当对RNA病毒防御机制发展起来的一种技术,但单子 对转基因植物进行接种时, NB-LRR片段不能单独对叶植物可用的VGS载体很少。刘玉乐研究组报道了 番茄斑萎病毒产生抗性,NTD和CC功能域对NB-LRR狼尾草花叶病毒FoM能被加工作为一个有效的 的调控对于Sw-5b的抗性是必需的( Chen et al.,ⅥGS系统来诱导大麦、小麦和谷子等单子叶植物中 2016)。该研究表明,为了克服CC功能域对 NB-LRR基因的沉默。这个基于FoM载体的系统在很多体系 的负调节,Sw5b进化出额外的NTD来与CC互作,形中被证实有效,如大麦中茄红素脱氢酶(PDS)和镁螯 成了对Sw-5b自抑制和激活的多层次调控机制 合酶的基因沉默,以及谷子中lspH的基因沉默( Liu et 卵菌病原体能对许多植物造成严重病害,但相比al.,2016h)。该研究中的FoMV系统为单子叶作物高 细菌和真菌类病害,引起植物对卵菌感病的寄主因子通量的功能基因组分析提供了有效工具。 尚未见报道。单卫星研究组在拟南芥中发现了1个与 结瘤素相关的MN21家族中膜定位的RTP1基因,该32环境胁迫的应答调控 基因可介导植物对寄生疫霉 Phytophthora parasitica32.1千旱和盐碱胁迫 的感病性。RTP1过表达株系对寄生疫霉的感病性增千旱和盐碱胁迫是世界性的环境问题,极大地限制了 强,RNAi株系则表现出抗性。与野生型(Co}-0)相比,粮食作物的产量。因此,研究植物对干旱及盐碱胁迫 尺TP1的突变体r1-1对 P. parasitica表现出局部的细的应答机制,是提高植物抗旱和抗盐碱性的重要手 胞坏死、过氧化物增加以及PR1基因上调表达。rt1-1段。作物的抗旱性是十分复杂的性状,通过传统的数 突变体对细菌病原菌尸 seudomonas syringae pv.量性状定位(QTL)等方法很难获得主效的抗旱基因 tomato( Pst)DC3000也表现出相似的表型( Pan et秦峰研究组利用不同地区的玉米自交系自然变异群 al,2016a)。这些结果表明,RTP1可能通过调控过氧体,对苗期抗旱性展开全基因组关联分析,获得1个 化物产生、细胞坏死和PR1基因的表达来负调控植物位于第9号染色体上的基因 ZmVPP1( VACUOLAR 对寄生型病原菌的抗性 TYPE H- PYROPHOSPHATASE1)。该基因编码定 虫害是全球范围内农作物产量和质量的一个主位于液泡膜上的质子泵——焦磷酸水解酶。抗旱品种 要限制因子。提高寄主植物抗性通常是控制害虫的关中该基因启动子前端插入了366个碱基的DNA片段 键策略。褐飞虱是水稻主要的害虫之一,目前在水稻(nde379),包括3个MYB正向作用元件,使得抗旱 中已鉴定出30个BPH抗性基因,这些基因大多集中品种中的 Zm VPP1基因在干旱条件下表达水平上调。 在几个染色体区域。何光存研究组与张启发研究组合过表达 ZmVPP1的转基因玉米光合效率增强,根系更 作,在水稻12号染色体长臂上成功克隆了1个褐飞虱发达,具有更强的抗旱能力。将抗旱材料的 ZmVPP1 抗性基因BPH9。该基因编码一种罕见的含NLR结构基因导入干旱敏感材料中能有效提高玉米苗期的抗 域的蛋白。BPH9蛋白定位于质膜系统,具致细胞死旱性。在田间干旱缺水条件下, ZmVPP1过表达植株 亡表型。研究表明,BPH9可激活水杨酸和JA信号途的产量显著高于对照植株,且受干旱影响较小Wang 径,且同时对褐飞虱有排趋性及抗生性。进一步研究etal,2016q)。该研究既为阐明玉米抗旱性的自然变 发现,在12号染色体这一段区域共有8个褐飞虱抗性异提供了遗传证据,也为玉米抗旱新品种的培育提供 基因,包括已经广泛利用的BPH1,均是BPH9的等位了重要的基因资源 基因。研究组将这8个等位基因分成BPH19-1、 水分亏缺时,ABA诱导的植物气孔关闭有利于植 BPH19-2、BPH19-7和BPH19-9四个等位型,定位物应对干旱胁迫。我国科学家在揭示气孔运动的分子 克隆的BPH1属BPH1/9-1型。这些等位变异使水稻能机制研究中取得了重要成果。王永飞研究组发现,S ⊙植物学报 Chinese Bulletin of Botany

王小菁等: 2016 年中国植物科学若干领域重要研究进展 409 片段的自抑制活性。CC和NTD功能域独立并加成性 地增强NB-LRR的自我抑制活性。在病毒性的诱导因 子存在时, Sw-5b的NB-LRR功能域被特异性激活, 诱导过敏反应。奇怪的是, Sw-5b的CC功能域能抑制 NB-LRR的激活, 而额外的NTD能正调控和激活抗性 蛋白, 这可能是由于去除了CC功能域的抑制效应。当 对转基因植物进行接种时, NB-LRR片段不能单独对 番茄斑萎病毒产生抗性, NTD和CC功能域对NB-LRR 的调控对于Sw-5b的抗性是必需的(Chen et al., 2016l)。该研究表明, 为了克服CC功能域对NB-LRR 的负调节, Sw-5b进化出额外的NTD来与CC互作, 形 成了对Sw-5b自抑制和激活的多层次调控机制。 卵菌病原体能对许多植物造成严重病害, 但相比 细菌和真菌类病害, 引起植物对卵菌感病的寄主因子 尚未见报道。单卫星研究组在拟南芥中发现了1个与 结瘤素相关的MtN21家族中膜定位的RTP1基因, 该 基因可介导植物对寄生疫霉Phytophthora parasitica 的感病性。RTP1过表达株系对寄生疫霉的感病性增 强, RNAi株系则表现出抗性。与野生型(Col-0)相比, RTP1的突变体rtp1-1对P. parasitica表现出局部的细 胞坏死、过氧化物增加以及PR1基因上调表达。rtp1-1 突变体对细菌病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst) DC3000也表现出相似的表型(Pan et al., 2016a)。这些结果表明, RTP1可能通过调控过氧 化物产生、细胞坏死和PR1基因的表达来负调控植物 对寄生型病原菌的抗性。 虫害是全球范围内农作物产量和质量的一个主 要限制因子。提高寄主植物抗性通常是控制害虫的关 键策略。褐飞虱是水稻主要的害虫之一, 目前在水稻 中已鉴定出30个BPH抗性基因, 这些基因大多集中 在几个染色体区域。何光存研究组与张启发研究组合 作, 在水稻12号染色体长臂上成功克隆了1个褐飞虱 抗性基因BPH9。该基因编码一种罕见的含NLR结构 域的蛋白。BPH9蛋白定位于质膜系统, 具致细胞死 亡表型。研究表明, BPH9可激活水杨酸和JA信号途 径, 且同时对褐飞虱有排趋性及抗生性。进一步研究 发现, 在12号染色体这一段区域共有8个褐飞虱抗性 基因, 包括已经广泛利用的BPH1, 均是BPH9的等位 基因。研究组将这8个等位基因分成BPH1/9-1、 BPH1/9-2、BPH1/9-7和BPH1/9-9四个等位型, 定位 克隆的BPH1属BPH1/9-1型。这些等位变异使水稻能 抵抗褐飞虱不同生物型群体(Zhao et al., 2016i)。该 研究对解析寄主-虫害互作的共同进化, 以及抗性品 种的选育均具重要意义。 病毒诱导的基因沉默系统(VIGS)是研究植物基 因功能的一个非常强大的工具, 这个系统是基于植物 对RNA病毒防御机制发展起来的一种技术, 但单子 叶植物可用的VIGS载体很少。刘玉乐研究组报道了 狼尾草花叶病毒FoMV能被加工作为一个有效的 VIGS系统来诱导大麦、小麦和谷子等单子叶植物中 基因的沉默。这个基于FoMV载体的系统在很多体系 中被证实有效, 如大麦中茄红素脱氢酶(PDS)和镁螯 合酶的基因沉默, 以及谷子中IspH的基因沉默(Liu et al., 2016h)。该研究中的FoMV系统为单子叶作物高 通量的功能基因组分析提供了有效工具。 3.2 环境胁迫的应答调控 3.2.1 干旱和盐碱胁迫 干旱和盐碱胁迫是世界性的环境问题, 极大地限制了 粮食作物的产量。因此, 研究植物对干旱及盐碱胁迫 的应答机制, 是提高植物抗旱和抗盐碱性的重要手 段。作物的抗旱性是十分复杂的性状, 通过传统的数 量性状定位(QTL)等方法很难获得主效的抗旱基因。 秦峰研究组利用不同地区的玉米自交系自然变异群 体, 对苗期抗旱性展开全基因组关联分析, 获得1个 位于第9号染色体上的基因ZmVPP1 (VACUOLAR￾TYPE H+ -PYROPHOSPHATASE1)。该基因编码定 位于液泡膜上的质子泵——焦磷酸水解酶。抗旱品种 中该基因启动子前端插入了366个碱基的DNA片段 (indel-379), 包括3个MYB正向作用元件, 使得抗旱 品种中的ZmVPP1基因在干旱条件下表达水平上调。 过表达ZmVPP1的转基因玉米光合效率增强, 根系更 发达, 具有更强的抗旱能力。将抗旱材料的ZmVPP1 基因导入干旱敏感材料中能有效提高玉米苗期的抗 旱性。在田间干旱缺水条件下, ZmVPP1过表达植株 的产量显著高于对照植株, 且受干旱影响较小(Wang et al., 2016q)。该研究既为阐明玉米抗旱性的自然变 异提供了遗传证据, 也为玉米抗旱新品种的培育提供 了重要的基因资源。 水分亏缺时, ABA诱导的植物气孔关闭有利于植 物应对干旱胁迫。我国科学家在揭示气孔运动的分子 机制研究中取得了重要成果。王永飞研究组发现, S © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany

410植物学报52(4)2017 型阴离子通道蛋白SLAC1(Sˉ type anion channels)株具有ABA敏感表型,同时表现出S型阴离子通道激 和SLAH3通过与细胞质膜内向κ通道KAT1蛋白互活及气孔关闭等表型,从而增强植物的抗旱性。利用 作,抑制气孔开放。他们还发现干旱处理可上调保卫酵母双杂交,他们筛选到TH1互作因子钙依赖蛋白 细胞中SLAC1和SLAH3的表达,过表达SLAC1可有激酶CPK33Ca2 dependent protein kinase33)。该 效抑制K内流及光诱导的气孔开放( Zhang et al,激酶活性是负向调控气孔关闭及维持离子通道活性 2016a)。该研究揭示了ABA信号通道蛋白SLAC1与所必需的,而TH1能抑制其活性( Li et al,2016a)。该 K拮抗调控气孔运动的新机制。 研究揭示了TH1及激酶在ABA影响的气孔运动及植 活性氧(ROS)作为信号分子参与调控干旱胁迫物抗旱方面的新功能 下植物气孔的关闭过程。研究表明,叶绿体在气孔调 精氨酸脱羧酶(ADC)介导的腐胺生物合成在植物 控及抗旱方面具重要作用,但具体机制仍不清楚。朱胁迫应答中起着重要的调控作用。刘继红研究组在系 健康研究组通过筛选叶绿体基因的T-DNA插入突变统解析枳(柑橘砧木)ADC基因功能的基础上,通过 体库,获得了抗旱突变体hcf1σ6( high chlorophyl酵母单杂交技术筛选获得调控ADC基因的转录因子 fluorescence106)。HCF106基因的敲除突变体致死, PtrNAC72。实时定量PCR分析显示,PNAC72的表 但具有明显的抗旱表型。HCF106是类囊体蛋白转运达与多种非生物胁迫相关。序列分析显示, PtrNAC72 的重要组分,突变体的保卫细胞积累高水平的ROS,在C端含有一个核定位信号,亚细胞定位证实了其定 从而促进气孔关闭,减少在干旱条件下植株的水分流位于细胞核内。 PtrNAC72具有转录活性,且其C端对 失。HCF蛋白可与类囊体形成的关键组分THF1发生其功能十分重要。另外, PtrNAC72可与PADC启动子 互作。tf1突变体与hcf106类似,保卫细胞中也积累区的CACG结合;并具有转录抑制活性,是一个转录 了较高水平的RoS,表现出气孔关闭及抗旱性增强抑制子。对过表达Pt№AC72的转基因株系及其 的表型。双突变体tf1hcf106的表型与力f抗旱表型千-DNA插入缺失突变体进行表型与干旱胁迫处理, 类似,说明HCF106与THF1在遗传上处于同一条信结果表明腐胺在过表达 PtrNAC72的转基因株系中明 号通路。二者形成复合体共同参与保卫细胞中ROS显下降,而在PNAC72的TDNA插入缺失突变体中 的产生以及干旱胁迫下气孔的运动( Nang et al.,明显上升。过表达PNAC72的转基因株系对干旱更 2016w)该研究揭示了叶绿体蛋白在植物响应干旱胁加敏感, PtrNAo72的TDNA插入缺失突变体则对干 迫中的作用机制。此外,该研究组还对mR165/166早具有更强的耐受性。由此揭示了腐胺生物合成中关 在植物发育和非生物胁迫响应中的调控机制进行了键酶ADC的转录调控参与了植物的胁迫应答Wuet 探索,发现miR165/16低表达植物的抗旱和抗冻能al.,2016a)。 力下降,且种子萌发和幼苗生长对ABA表现超敏感。 盐碱胁迫是影响植物生长、发育和产量的重要因 进一步研究证实,ABA信号转导途径中的转录因子素。植物响应盐胁迫时会提高细胞内的Ca2水平。钙 AB|4作为mR165/166介导通路的下游因子,直接被调蛋白(CaM作为重要的钙信号受体,接受Ca2传递 miR165/166靶标基因PHB所调控。此外,他们还发的信号,调控下游逆境响应蛋白NO作为另一种信号 现,miR165/166表达降低所致的ABA水平升高部分分子,同样参与植物对逆境的响应。在动物中,已证 是通过miR165/166靶标PHB直接增加BG1的表达水实两种信号分子之间存在相互交叉。赵立群研究组的 平,进而将非活性ABA转化为活性ABA引起的(Yuet研究表明,拟南芥cCaM1和CaM4基因表达受盐胁迫 al,2016c)。该研究揭示了miR165/166在植物干旱、诱导。cam突变体表现出盐敏感表型,说明CaM1和 低温胁迫以及ABA响应中的重要作用,为理解CaM4正向调控植物对盐胁迫的响应。进一步研究表 miRNA调控植物生长发育和非生物胁迫应答提供了明,NO淸除因子亚硝基谷胱甘肽还原酶( GSNOR)负 重要的理论依据。 调控植物对盐胁迫的抗性。CaM蛋白在盐胁迫下通过 另外,张伟硏究组对拟南芥中ABA介导的气孔关结合 GSNOR抑制其活性,从而增强植物体内的NO 闭及植物对干旱的响应进行了探讨,发现拟南芥硫胺水平,正向调控植物对盐胁迫的抗性( Zhou et al 素(维生素B1)噻唑合酶(TH1)参与该过程。过表达植2016b)。该研究首次证明了caM直接参与植物对盐害 ⊙植物学报 Chinese Bulletin of Botany

410 植物学报 52(4) 2017 型阴离子通道蛋白SLAC1 (S-type anion channels) 和SLAH3通过与细胞质膜内向K+ 通道KAT1蛋白互 作, 抑制气孔开放。他们还发现干旱处理可上调保卫 细胞中SLAC1和SLAH3的表达, 过表达SLAC1可有 效抑制K+ 内流及光诱导的气孔开放(Zhang et al., 2016a)。该研究揭示了ABA信号通道蛋白SLAC1与 K+ 拮抗调控气孔运动的新机制。 活性氧(ROS)作为信号分子参与调控干旱胁迫 下植物气孔的关闭过程。研究表明, 叶绿体在气孔调 控及抗旱方面具重要作用, 但具体机制仍不清楚。朱 健康研究组通过筛选叶绿体基因的T-DNA插入突变 体库, 获得了抗旱突变体hcf106 (high chlorophyll fluorescence 106)。HCF106基因的敲除突变体致死, 但具有明显的抗旱表型。HCF106是类囊体蛋白转运 的重要组分, 突变体的保卫细胞积累高水平的ROS, 从而促进气孔关闭, 减少在干旱条件下植株的水分流 失。HCF蛋白可与类囊体形成的关键组分THF1发生 互作。thf1突变体与hcf106类似, 保卫细胞中也积累 了较高水平的ROS, 表现出气孔关闭及抗旱性增强 的表型。双突变体thf1/hcf106的表型与thf1抗旱表型 类似, 说明HCF106与THF1在遗传上处于同一条信 号通路。二者形成复合体共同参与保卫细胞中ROS 的产生以及干旱胁迫下气孔的运动(Wang et al., 2016w)。该研究揭示了叶绿体蛋白在植物响应干旱胁 迫中的作用机制。此外, 该研究组还对miR165/166 在植物发育和非生物胁迫响应中的调控机制进行了 探索, 发现miR165/166低表达植物的抗旱和抗冻能 力下降, 且种子萌发和幼苗生长对ABA表现超敏感。 进一步研究证实, ABA信号转导途径中的转录因子 ABI4作为miR165/166介导通路的下游因子, 直接被 miR165/166靶标基因PHB所调控。此外, 他们还发 现, miR165/166表达降低所致的ABA水平升高部分 是通过miR165/166靶标PHB直接增加BG1的表达水 平, 进而将非活性ABA转化为活性ABA引起的(Yu et al., 2016c)。该研究揭示了miR165/166在植物干旱、 低温胁迫以及 ABA 响应中的重要作用 , 为理解 miRNA调控植物生长发育和非生物胁迫应答提供了 重要的理论依据。 另外, 张伟研究组对拟南芥中ABA介导的气孔关 闭及植物对干旱的响应进行了探讨, 发现拟南芥硫胺 素(维生素B1)噻唑合酶(THI1)参与该过程。过表达植 株具有ABA敏感表型, 同时表现出S型阴离子通道激 活及气孔关闭等表型, 从而增强植物的抗旱性。利用 酵母双杂交, 他们筛选到THI1互作因子钙依赖蛋白 激酶CPK33 (Ca2+-dependent protein kinase33)。该 激酶活性是负向调控气孔关闭及维持离子通道活性 所必需的, 而THI1能抑制其活性(Li et al., 2016a)。该 研究揭示了THI1及激酶在ABA影响的气孔运动及植 物抗旱方面的新功能。 精氨酸脱羧酶(ADC)介导的腐胺生物合成在植物 胁迫应答中起着重要的调控作用。刘继红研究组在系 统解析枳(柑橘砧木) ADC基因功能的基础上, 通过 酵母单杂交技术筛选获得调控ADC基因的转录因子 PtrNAC72。实时定量PCR分析显示, PtrNAC72的表 达与多种非生物胁迫相关。序列分析显示, PtrNAC72 在C端含有一个核定位信号, 亚细胞定位证实了其定 位于细胞核内。PtrNAC72具有转录活性, 且其C端对 其功能十分重要。另外, PtrNAC72可与PtADC启动子 区的CACG结合; 并具有转录抑制活性, 是一个转录 抑制子。对过表达PtrNAC72的转基因株系及其 T-DNA插入缺失突变体进行表型与干旱胁迫处理, 结果表明腐胺在过表达PtrNAC72的转基因株系中明 显下降, 而在PtrNAC72的T-DNA插入缺失突变体中 明显上升。过表达PtrNAC72的转基因株系对干旱更 加敏感, PtrNAC72的T-DNA插入缺失突变体则对干 旱具有更强的耐受性。由此揭示了腐胺生物合成中关 键酶ADC的转录调控参与了植物的胁迫应答(Wu et al., 2016a)。 盐碱胁迫是影响植物生长、发育和产量的重要因 素。植物响应盐胁迫时会提高细胞内的Ca2+水平。钙 调蛋白(CaM)作为重要的钙信号受体, 接受Ca2+传递 的信号, 调控下游逆境响应蛋白。NO作为另一种信号 分子, 同样参与植物对逆境的响应。在动物中, 已证 实两种信号分子之间存在相互交叉。赵立群研究组的 研究表明, 拟南芥CaM1和CaM4基因表达受盐胁迫 诱导。cam突变体表现出盐敏感表型, 说明CaM1和 CaM4正向调控植物对盐胁迫的响应。进一步研究表 明, NO清除因子亚硝基谷胱甘肽还原酶(GSNOR)负 调控植物对盐胁迫的抗性。CaM蛋白在盐胁迫下通过 结合GSNOR抑制其活性, 从而增强植物体内的NO 水平, 正向调控植物对盐胁迫的抗性(Zhou et al., 2016b)。该研究首次证明了CaM直接参与植物对盐害 © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany

王小菁等:2016年中国植物科学若干领域重要研究进展411 的响应,揭示了Ca2与NO信号协同调控植物响应盐 thionine sulfoxide reductase b protein)。该蛋白是甲 胁迫的分子机制 硫氨酸硫氧化物还原酶,过表达 GSCBRLK与GsMS- 种子萌发是植物生命周期中至关重要的一环,而RB5a均可提高拟南芥的抗碱性。进一步研究表明, 种子萌发效果常受到盐胁迫的影响,但盐胁迫抑制种 GSCBRLK与 GSMSRE5a可通过调控ROS的合成及 子萌发的分子机制还不清楚。黄荣峰研究组发现,盐信号途径的基因表达来抑制ROS的产生( Sun et al. 胁迫与乙烯拮抗调节￠○P1蛋白在细胞中的定位,进2016c)。该研究为碱胁迫下ROS信号的调控机制提供 而控制种子萌发。正常情况下,COP1定位在细胞核了新证据。 中,识别底物HY5并促使其泛素化降解,抑制HY5靶 基因ABJ5的表达。当植物受盐胁迫时,COP1进入细3.22温度胁迫 胞质,HY5不被降解而启动ABJ5的转录,进而抑制种温度是植物生长发育过程中不可或缺的环境因子之 孑萌发;乙烯处理则能促使αoP1正确定位到细胞核一。然而,随着全球气候的改变,温度过高或过低已 中,维持种子正常萌发( Yu et al.,2016g)。该研究对成为限制植物地理分布以及影响作物产量和品质的 提高农业生产中种子萌发率具有潜在的应用价值 重要因素,严重威胁着人类文明的发展与延续。在过 植物对二次胁迫的响应是植物适应的重要机制。去近20年里,科学家发现CBFs( C-repeat-binding 华学军研究组和金京波研究组探究了植株对高盐胁 factors)转录因子是植物抵抗低温胁迫的关键调控蛋 迫的记忆。植物在高盐胁迫下迅速积累脯氨酸是植株白。但在拟南芥中CBF亻-3串联排列在同一条染色体 抵抗胁迫的生理响应机制。脯氨酸合成的关键限速酶上且功能高度冗余,很难得到CBF1-3基因功能缺失 基因P5cS在短至1小时的盐胁迫预处理下即可形成三突变体,因此关于CBF基因的确切功能还不十分清 记忆,在后续受到更强的盐胁迫时被迅速活化,此时楚。杨淑华研究组和朱健康研究组利用 CRISPR/ 基因表达水平远高于初次预胁迫。此外,P5CS的记忆Cas9技术,分别独立成功获得cb1/cbf3双突变体和 时间(即2次胁迫之间的时间间隔)可长达5天,多次胁cbs(cbf1/cb2/cb3)三突变体。两个研究组的研究结 迫刺激可增强这种记忆响应。进一步研究发现,这种果表明,冷驯化后的cbfs表现出极度冻敏感表型,大 记忆响应局限于植株的地上部分,且依赖于光,即植量冷响应基因( COLD RESPONSIVEIREGULATED 株只有在光照下受到第2次胁迫时才能够迅速诱导 GENES,COR在cbs突变体中发生了改变。此外,由 尸5CS的活化。光照下,P5CS翻译起始密码子附近的于两个研究组所获得的材料存在差异,故在一些研究 5UTR区、内含子区域以及外显子区域的H3K4m3修结果上有不同之处:杨淑华研究组发现,cbs三突变 饰增强,且持续光照可加强该基因H3K4m3的积累和体对零上低温的应答受到破坏,具体表现为零上低温 增长基因表达活化的持续时间。对启动子区域的分析时植株干重较野生型重;而朱健康研究组没有发现这 表明,翻译起始密码子上游-2.6--2.3kb区段是控制一现象。另外,杨淑华研究组发现,cbf1/cb3双突变 上述记忆响应的必要区域,另外还需要HY以及HYH体表现弱的冻敏感表型;而朱健康研究组的研究显 蛋白参与。蛋白结合在启动子的C/Abox上,募集示,cbf1cbf3双突变体表现抗冻表型。作者猜测这 H3K4m3,促进基因的表达和脯氨酸的积累( Feng et结果可能是cb1/cbf3双突变体中CBF2基因过表达所 al,2016c)。研究结果从侧面揭示了植物适应高盐的致,暗示着CBF2在植物冷驯化过程中的作用更大 机制,并提供了一种可操作的增强植株抗性的可能途( Jia et al!,2016; Zhao et al.,2016c)。两个研究组通 径 过 CRISPR/Cas9技术获得的cbfs突变体材料为今后 土壤酸碱性是影响土壤肥力和作物生长的重要研究CBF的功能及其依赖的低温信号提供了理想的 因素之一。土壤偏(过)酸或偏(过)碱都会不同程度地遗传材料。 降低土壤养分的有效性。朱延明研究组以拟南芥为材 光与植物激素互作不仅影响植物的生长发育,也 料对植物的抗碱胁迫进行了硏究。他们通过互作蛋白调控植物的抗性反应。周艳虹研究组发现,番茄中远 筛选获得了大豆钙依赖激酶 GSCBRLK(Ca2CAM-红光与红光的受体光敏色素A(phyA)和光敏色素B dependent kinase)的相互作用蛋白 GSMSRB5a(me-(phyB)拮抗调控植物的抗冷反应。进一步研究表明 ⊙植物学报 Chinese Bulletin of Botany

王小菁等: 2016 年中国植物科学若干领域重要研究进展 411 的响应, 揭示了Ca2+与NO信号协同调控植物响应盐 胁迫的分子机制。 种子萌发是植物生命周期中至关重要的一环, 而 种子萌发效果常受到盐胁迫的影响, 但盐胁迫抑制种 子萌发的分子机制还不清楚。黄荣峰研究组发现, 盐 胁迫与乙烯拮抗调节COP1蛋白在细胞中的定位, 进 而控制种子萌发。正常情况下, COP1定位在细胞核 中, 识别底物HY5并促使其泛素化降解, 抑制HY5靶 基因ABI5的表达。当植物受盐胁迫时, COP1进入细 胞质, HY5不被降解而启动ABI5的转录, 进而抑制种 子萌发; 乙烯处理则能促使COP1正确定位到细胞核 中, 维持种子正常萌发(Yu et al., 2016g)。该研究对 提高农业生产中种子萌发率具有潜在的应用价值。 植物对二次胁迫的响应是植物适应的重要机制。 华学军研究组和金京波研究组探究了植株对高盐胁 迫的记忆。植物在高盐胁迫下迅速积累脯氨酸是植株 抵抗胁迫的生理响应机制。脯氨酸合成的关键限速酶 基因P5CS在短至1小时的盐胁迫预处理下即可形成 记忆, 在后续受到更强的盐胁迫时被迅速活化, 此时 基因表达水平远高于初次预胁迫。此外, P5CS的记忆 时间(即2次胁迫之间的时间间隔)可长达5天, 多次胁 迫刺激可增强这种记忆响应。进一步研究发现, 这种 记忆响应局限于植株的地上部分, 且依赖于光, 即植 株只有在光照下受到第2次胁迫时才能够迅速诱导 P5CS的活化。光照下, P5CS翻译起始密码子附近的 5'UTR区、内含子区域以及外显子区域的H3K4m3修 饰增强, 且持续光照可加强该基因H3K4m3的积累和 增长基因表达活化的持续时间。对启动子区域的分析 表明, 翻译起始密码子上游–2.6– –2.3 kb区段是控制 上述记忆响应的必要区域, 另外还需要HY以及HYH 蛋白参与。蛋白结合在启动子的C/Abox上, 募集 H3K4m3, 促进基因的表达和脯氨酸的积累(Feng et al., 2016c)。研究结果从侧面揭示了植物适应高盐的 机制, 并提供了一种可操作的增强植株抗性的可能途 径。 土壤酸碱性是影响土壤肥力和作物生长的重要 因素之一。土壤偏(过)酸或偏(过)碱都会不同程度地 降低土壤养分的有效性。朱延明研究组以拟南芥为材 料对植物的抗碱胁迫进行了研究。他们通过互作蛋白 筛选获得了大豆钙依赖激酶GsCBRLK (Ca2+/CAM￾dependent kinase)的相互作用蛋白GsMSRB5a (me￾thionine sulfoxide reductase B protein)。该蛋白是甲 硫氨酸硫氧化物还原酶, 过表达GsCBRLK与GsMS￾RB5a均可提高拟南芥的抗碱性。进一步研究表明, GsCBRLK与GsMSRB5a可通过调控ROS的合成及 信号途径的基因表达来抑制ROS的产生(Sun et al., 2016c)。该研究为碱胁迫下ROS信号的调控机制提供 了新证据。 3.2.2 温度胁迫 温度是植物生长发育过程中不可或缺的环境因子之 一。然而, 随着全球气候的改变, 温度过高或过低已 成为限制植物地理分布以及影响作物产量和品质的 重要因素, 严重威胁着人类文明的发展与延续。在过 去近20年里, 科学家发现CBFs (C-repeat-binding factors)转录因子是植物抵抗低温胁迫的关键调控蛋 白。但在拟南芥中CBF1-3串联排列在同一条染色体 上且功能高度冗余, 很难得到CBF1-3基因功能缺失 三突变体, 因此关于CBF基因的确切功能还不十分清 楚。杨淑华研究组和朱健康研究组利用CRISPR/ Cas9技术, 分别独立成功获得cbf1/cbf3双突变体和 cbfs (cbf1/cbf2/cbf3)三突变体。两个研究组的研究结 果表明, 冷驯化后的cbfs表现出极度冻敏感表型, 大 量冷响应基因(COLD RESPONSIVE/REGULATED GENES, COR)在cbfs突变体中发生了改变。此外, 由 于两个研究组所获得的材料存在差异, 故在一些研究 结果上有不同之处: 杨淑华研究组发现, cbfs三突变 体对零上低温的应答受到破坏, 具体表现为零上低温 时植株干重较野生型重; 而朱健康研究组没有发现这 一现象。另外, 杨淑华研究组发现, cbf1/cbf3双突变 体表现弱的冻敏感表型; 而朱健康研究组的研究显 示, cbf1/cbf3双突变体表现抗冻表型。作者猜测这一 结果可能是cbf1/cbf3双突变体中CBF2基因过表达所 致, 暗示着CBF2在植物冷驯化过程中的作用更大 (Jia et al., 2016; Zhao et al., 2016c)。两个研究组通 过CRISPR/Cas9技术获得的cbfs突变体材料为今后 研究CBF的功能及其依赖的低温信号提供了理想的 遗传材料。 光与植物激素互作不仅影响植物的生长发育, 也 调控植物的抗性反应。周艳虹研究组发现, 番茄中远 红光与红光的受体光敏色素A (phyA)和光敏色素B (phyB)拮抗调控植物的抗冷反应。进一步研究表明, © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany

412植物学报52(4)2017 phyA与phyB通过调节植物体内ABA和JA含量、ABA( Wang et al.,2017)这两项研究均表明,环境信号通 和JA相关基因以及CBF信号通路基因的表达来调控过调控COR27与cOR28来影响植物的生物节律和低 植物对冷胁迫的抗性。phyA突变体中红光/远红光比温应答 率的降低不影响ABA和JA含量及相关基因的表达, 高温胁迫影响水稻育性,严重危害水稻的产量和 因而也不影响植物的抗冷反应。ρhyB突变体与野生型品质。为选育出良好的抗高温水稻品系,薛勇彪研究 材料中,红光/远红光比率的降低则明显增加了植物组和程祝宽研究组合作,成功克隆了1个耐热基因 激素的含量和相关基因的表达,增强了植物的耐冷7oGR1( THERMOTOLERANT GROWTH REQU 性。红光/远红光比率的降低则不影响ABA和JA缺陷RED1)。该基因编码细胞核定位的DEAD- box RNA 突变体的抗冷反应,但能上调JA缺陷突变体Spr2中解旋酶。TOGR1作为pre-TRNA的分子伴侣保证了高 ABA的含量。该研究揭示了远红光与ABA和JA信号相温下细胞分裂所需的rRNA有效加工,从而增强了水 互作用调控植物抗冷反应的工作机制( Wang et al.,稻的耐热能力( Wang et al,2016b)。该研究不仅阐明 2016c)。 了水稻耐高温的分子机制,而且为分子培育耐高温水 些植物需要经过一段时间的低温处理才能从稻品种提供了基因资源。此外,薛勇彪研究组与钱文 营养生长向生殖生长转变,即春化作用。前人的研究峰研究组合作还对影响水稻花器官稳态发育的基因 表明,长期低温(春化)可通过PcG( polycomb group)EG1( EXTRA GLUME1)进行了研究,发现其编码一 蛋白关闭开花基因FLc( FLOWERING LOCUS)的个线粒体定位的脂酶。高温调控了EG1的转录水平、 表达,即使植物生长于温暖环境下,这种抑制也会被蛋白稳定性及酶活性。转录组分析表明,EG1调控了 维持,从而使植物进入开花阶段。然而,关于长期低大量的逆境基因以及花器官决定基因的表达,如 温诱导PcG表观沉默FLC的分子机制并不清楚。何跃 OSMADS1和OsG1等( Zhang et al,2016c)。这些结 辉研究组发现,門LC上的1个用于PcG沉默成核区域果表明,EG1通过介导高温依赖的线粒体脂酶途径来 中的顺式调节DNA元件,以及能同时识别该元件和保证花器官决定基因的正常表达,进而促进不同环境 组蛋白标记的反式蛋白VAL1( vernalization1)及中花器官的稳态发育。高温胁迫下,ROS的产生会调 ∨AL2调控春化介导的FLC沉默。VAL1和∨AL2与节ABA介导的气孔关闭过程。涂巨民研究组发现,水 LHP1( like heterochromatin protein1)蛋白互作并介稻E3泛素连接酶 OsHATS( heat tolerance at seed 导LHP1结合到FLC上,从而在春化过程中在FLC成 ling stage)通过调节H2O2介导的气孔关闭增强了水 核区域建立H3K27me3峰值,并能被植物记忆,使植稻的抗髙温能力。 OsHATS定位于细胞质和细胞核中, 物仅在温暖的条件下开花 Yuan et al,2016b)。该研调节高温下ROS的产生;并正调控高温时ABA的合 究为花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。 成,从而调控高温下气孔的关闭过程 Liu et al 温度不仅影响开花,还影响植物的周期节律。刘2016。该研究为解析水稻耐高温机理提供了新的理 宏涛研究组发现冷响应基因cOR27和cOR28的表达论依据 受蓝光与生物钟的调控。除此之外,COR27和COR28 可通过抑制生物钟中央振荡器PRR5与TOC1的表达,323氧化胁迫 进而调控植物的生物节律。COR27和coR28基因缺低氧-复氧反应是植物抗涝的重要过程,乙烯是调控 失导致植物拥有更长的生物周期。表型分析显示,植物低氧-复氧的关键激素。施明哲研究组发现, coR27和cOR28正调控植物开花时间而负调控植物GDH2是EN3的靶基因,编码谷氨酸脱氢酶的1个亚 的抗冻性,暗示COR27与COR28可能是植物开花和基,参与植物的缺氧和复氧反应。缺氧-复氧过程能诱 抵抗低温胁迫的重要平衡因子( Li et al,2016。同时,导GDH2及其同源基因GDH1的表达;且在此过程中 徐小冬研究组也报道了相同的机制。他们发现cCA1乙烯突变体ei2-5ei3ei1的GDH活性降低。代谢产 能依赖于温度结合到cOR27和cOR28基因的启动子物分析发现,GDH具有脱氨基活性,在复氧过程中能 区的EE元件上,从而调控其节律性表达。COR27与再生有利于丙氨酸分解的辅助底物α-酮戊二酸。进 cOR28参与抑制傍晚基因和冷响应基因的表达步研究发现,复氧过程中,gh1gdh2和乙烯突变体 ⊙植物学报 Chinese Bulletin of Botany

412 植物学报 52(4) 2017 phyA与phyB通过调节植物体内ABA和JA含量、ABA 和JA相关基因以及CBF信号通路基因的表达来调控 植物对冷胁迫的抗性。phyA突变体中红光/远红光比 率的降低不影响ABA和JA含量及相关基因的表达, 因而也不影响植物的抗冷反应。phyB突变体与野生型 材料中, 红光/远红光比率的降低则明显增加了植物 激素的含量和相关基因的表达, 增强了植物的耐冷 性。红光/远红光比率的降低则不影响ABA和JA缺陷 突变体的抗冷反应, 但能上调JA缺陷突变体spr2中 ABA的含量。该研究揭示了远红光与ABA和JA信号相 互作用调控植物抗冷反应的工作机制(Wang et al., 2016c)。 一些植物需要经过一段时间的低温处理才能从 营养生长向生殖生长转变, 即春化作用。前人的研究 表明, 长期低温(春化)可通过PcG (polycomb group) 蛋白关闭开花基因FLC (FLOWERING LOCUS C)的 表达, 即使植物生长于温暖环境下, 这种抑制也会被 维持, 从而使植物进入开花阶段。然而, 关于长期低 温诱导PcG表观沉默FLC的分子机制并不清楚。何跃 辉研究组发现, FLC上的1个用于PcG沉默成核区域 中的顺式调节DNA元件, 以及能同时识别该元件和 组蛋白标记的反式蛋白VAL1 (vernalization 1)及 VAL2调控春化介导的FLC沉默。VAL1和VAL2与 LHP1 (like heterochromatin protein 1)蛋白互作并介 导LHP1结合到FLC上, 从而在春化过程中在FLC成 核区域建立H3K27me3峰值, 并能被植物记忆, 使植 物仅在温暖的条件下开花(Yuan et al., 2016b)。该研 究为花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。 温度不仅影响开花, 还影响植物的周期节律。刘 宏涛研究组发现冷响应基因COR27和COR28的表达 受蓝光与生物钟的调控。除此之外, COR27和COR28 可通过抑制生物钟中央振荡器PRR5与TOC1的表达, 进而调控植物的生物节律。COR27和COR28基因缺 失导致植物拥有更长的生物周期。表型分析显示, COR27和COR28正调控植物开花时间而负调控植物 的抗冻性, 暗示COR27与COR28可能是植物开花和 抵抗低温胁迫的重要平衡因子(Li et al., 2016l)。同时, 徐小冬研究组也报道了相同的机制。他们发现CCA1 能依赖于温度结合到COR27和COR28基因的启动子 区的EE元件上, 从而调控其节律性表达。COR27与 COR28参与抑制傍晚基因和冷响应基因的表达 (Wang et al., 2017)。这两项研究均表明, 环境信号通 过调控COR27与COR28来影响植物的生物节律和低 温应答。 高温胁迫影响水稻育性, 严重危害水稻的产量和 品质。为选育出良好的抗高温水稻品系, 薛勇彪研究 组和程祝宽研究组合作, 成功克隆了1个耐热基因 TOGR1 (THERMOTOLERANT GROWTH REQUI￾RED 1)。该基因编码细胞核定位的DEAD-box RNA 解旋酶。TOGR1作为pre-rRNA的分子伴侣保证了高 温下细胞分裂所需的rRNA有效加工, 从而增强了水 稻的耐热能力(Wang et al., 2016b)。该研究不仅阐明 了水稻耐高温的分子机制, 而且为分子培育耐高温水 稻品种提供了基因资源。此外, 薛勇彪研究组与钱文 峰研究组合作还对影响水稻花器官稳态发育的基因 EG1 (EXTRA GLUME1)进行了研究, 发现其编码一 个线粒体定位的脂酶。高温调控了EG1的转录水平、 蛋白稳定性及酶活性。转录组分析表明, EG1调控了 大量的逆境基因以及花器官决定基因的表达, 如 OsMADS1和OsG1等(Zhang et al., 2016c)。这些结 果表明, EG1通过介导高温依赖的线粒体脂酶途径来 保证花器官决定基因的正常表达, 进而促进不同环境 中花器官的稳态发育。高温胁迫下, ROS的产生会调 节ABA介导的气孔关闭过程。涂巨民研究组发现, 水 稻E3泛素连接酶OsHATS (heat tolerance at seed￾ling stage)通过调节H2O2介导的气孔关闭增强了水 稻的抗高温能力。OsHATS定位于细胞质和细胞核中, 调节高温下ROS的产生; 并正调控高温时ABA的合 成, 从而调控高温下气孔的关闭过程(Liu et al., 2016f)。该研究为解析水稻耐高温机理提供了新的理 论依据。 3.2.3 氧化胁迫 低氧-复氧反应是植物抗涝的重要过程, 乙烯是调控 植物低氧-复氧的关键激素。施明哲研究组发现, GDH2是EIN3的靶基因, 编码谷氨酸脱氢酶的1个亚 基, 参与植物的缺氧和复氧反应。缺氧-复氧过程能诱 导GDH2及其同源基因GDH1的表达; 且在此过程中, 乙烯突变体ein2-5/ein3eil1的GDH活性降低。代谢产 物分析发现, GDH具有脱氨基活性, 在复氧过程中能 再生有利于丙氨酸分解的辅助底物α-酮戊二酸。进一 步研究发现, 复氧过程中, gdh1/gdh2和乙烯突变体 © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany

王小菁等:2016年中国植物科学若干领域重要研究进展413 中三羧酸循环补给效率较低,会破坏碳水化合物的代达则受到抑制。研究表明,ARF2可直接结合到HAK5 谢,降低甾醇的生物合成,延迟能量再生( Tsai et al,的启动子,并在K充足的条件下抑制HAK5的表达 2016)。该研究揭示了EN3介导的GDH活性调节对植低钾处理后ARF2则会被磷酸化,从而消除其与 物缺氧-复氧反应的重要作用,为促进作物抗涝性状HAK5启动子的DNA结合活性,解除对HAK5的转录 改良提供了新的切入点。 抑制作用。由此推测在低钾条件下转录抑制因子 钙/钙调素依赖的蛋白激酶( CCaMK)被认为在ARF2通过负调控HAK5的表达响应低钾胁迫(zhao ABA诱导的氧化抗性中起重要作用。然而,其下游的etal2016f。 分子机制仍不是很清楚。张阿英研究组鉴定了玉米中 此外,王毅研究组还筛选了拟南芥cjk23突变 的1个NAC转录因子 ZmNAC84,它能在体内和体外与体,获得了其抑制突变体Ss1。图位克隆显示,Sks1是 ZmCCaMK互作。ABA处理后, ZmNAC84与 Zucca-由于AKC1编码的蛋白发生了G322D碱基替换引起 MK有重叠的表达模式。功能分析表明, ZmNAC84在依的功能获得性突变体。该突变体表现为K吸收能力及 赖于 ZmccaMK的ABA诱导的氧化抗性中起关键作用。低钾耐受性提高。结构分析表明,G322在K通道中高 ZmccaMK在体外可直接磷酸化 ZmNAC84的Se113度保守,并在植物 Shaker K通道中作为门铰链发挥 位点,该位点对于ABA诱导产生的由 ZmCCaMK引起作用。相较于AtKC1,AKC1D对AKT1活性的抑制作 的氧化抗性至关重要( Zhu et al,2016b) 用更强;在低钾条件下,通过AKT1能更强地降低K 此外,向成斌研究组也对植物的抗氧化胁迫进行的渗漏( Wang et al.,2016s)。该研究阐明了CIPK23 了相关研究。他们通过筛选激活标签库( activation-和AtKC1通过不同方式参与对AKT1的调控,从而平 tagging library)获得1个百草枯耐受突变体pq3衡了低钾条件下拟南芥对K的吸收与渗漏。 ( paraquat tolerance3)。该突变体中氧化胁迫应答基 因APX1和GPX1的表达上调,而PQT3基因表达受到332其它营养元素 氧化胁迫的抑制。尸Q3基因编码1个E3泛素连接酶。氮是植物正常生长发育所必需的大量元素,而硝酸盐 他们利用酵母双杂交技术获得了PQT3的互作蛋白是植物获取氮元素的主要形式。目前人们对植物体利 PRMT4b。该蛋白通过增强APX1以及GPX1基因的用硝酸盐及相关信号转导过程知之甚少。王勇研究组 H3R17甲基化,正向调控这两个基因的表达水平,从在拟南芥中克隆到参与调控硝酸盐信号转导的新基 而在植物应答氧化胁迫过程中发挥正调控作用(LUo因NRG2。研究表明,NRT11在突变体ng2-1和 etal,2016)。该研究揭示了E3泛素连接酶参与植物g2-2根中表达量明显降低,而叶中NRT18的表达 响应氧化胁迫的分子机制。 量增加。用各种浓度的硝酸盐处理后,mg2突变体根 中硝酸盐的浓度在任何时间点都明显低于野生型,说 33营养转运及胁迫适应 明NRG2在硝酸盐信号转导过程中呈组成型发挥作 331钾的转运及胁迫适应 用。qPCR检测和GUS染色显示,NRG2主要在根和叶 钾在植物生长发育过程中至关重要,在植物细胞中参的维管束细胞中表达,说明NRG2主要参与硝酸盐的 与了许多生理过程。钾元素占植物干重的2%-10%,运输。双突变体表型分析发现,NRG2作用于NRT11 土壤中钾的含量相对较低且具有较大的波动性,因此的上游,与NLP7位于不同的调控通路上。NRG2能直 植物必须拥有多重K转运系统来吸收土壤中的K。王接与NLP7在细胞核内互作。ng2-2、ch1-13和nlp74 毅研究组发现,拟南芥突变体ar2在低钾含量的培养的高通量测序结果也验证了NRG2主要参与硝酸盐的 基上表现为主根较野生型更长;在钾充足的培养基信号转导,与NRT1.1位于同一条通路中,与NLP7则 上,这种根伸长的优势则不明显。ARF2过表达植株存在部分相互独立的功能( Xu et al,2016b)。该研究 表现为对低钾敏感,主根较野生型变短。因此认为解析了NRG2在硝酸盐信号转导过程中的重要作用 ARF2作为一个转录抑制因子参与拟南芥的低钾调加深了人们对植物体内硝酸盐调节机制的了解。 控。在a2突变体中,尤其在低钾情况下,HAK5的表 磷是生物体生存必需的元素,对植物生长发育非 达量显著升高,而在ARF2过表达植株中,HAK5的表常重要。在根部产生和分泌磷酸酶是植物对磷(P)缺 ⊙植物学报 Chinese Bulletin of Botany

王小菁等: 2016 年中国植物科学若干领域重要研究进展 413 中三羧酸循环补给效率较低, 会破坏碳水化合物的代 谢, 降低甾醇的生物合成, 延迟能量再生(Tsai et al., 2016)。该研究揭示了EIN3介导的GDH活性调节对植 物缺氧-复氧反应的重要作用, 为促进作物抗涝性状 改良提供了新的切入点。 钙/钙调素依赖的蛋白激酶(CCaMK)被认为在 ABA诱导的氧化抗性中起重要作用。然而, 其下游的 分子机制仍不是很清楚。张阿英研究组鉴定了玉米中 的1个NAC转录因子ZmNAC84, 它能在体内和体外与 ZmCCaMK互作。ABA处理后, ZmNAC84与ZmCCa￾MK有重叠的表达模式。功能分析表明, ZmNAC84在依 赖于ZmCCaMK的ABA诱导的氧化抗性中起关键作用。 ZmCCaMK在体外可直接磷酸化ZmNAC84的Ser-113 位点, 该位点对于ABA诱导产生的由ZmCCaMK引起 的氧化抗性至关重要(Zhu et al., 2016b)。 此外, 向成斌研究组也对植物的抗氧化胁迫进行 了相关研究。他们通过筛选激活标签库(activation￾tagging library) 获 得 1 个百草枯耐受突变体 pqt3 (paraquat tolerance3)。该突变体中氧化胁迫应答基 因APX1和GPX1的表达上调, 而PQT3基因表达受到 氧化胁迫的抑制。PQT3基因编码1个E3泛素连接酶。 他们利用酵母双杂交技术获得了PQT3的互作蛋白 PRMT4b。该蛋白通过增强APX1以及GPX1基因的 H3R17甲基化, 正向调控这两个基因的表达水平, 从 而在植物应答氧化胁迫过程中发挥正调控作用(Luo et al., 2016)。该研究揭示了E3泛素连接酶参与植物 响应氧化胁迫的分子机制。 3.3 营养转运及胁迫适应 3.3.1 钾的转运及胁迫适应 钾在植物生长发育过程中至关重要, 在植物细胞中参 与了许多生理过程。钾元素占植物干重的2%–10%, 土壤中钾的含量相对较低且具有较大的波动性, 因此 植物必须拥有多重K+ 转运系统来吸收土壤中的K+ 。王 毅研究组发现, 拟南芥突变体arf2在低钾含量的培养 基上表现为主根较野生型更长; 在钾充足的培养基 上, 这种根伸长的优势则不明显。ARF2过表达植株 表现为对低钾敏感, 主根较野生型变短。因此认为 ARF2作为一个转录抑制因子参与拟南芥的低钾调 控。在arf2突变体中, 尤其在低钾情况下, HAK5的表 达量显著升高, 而在ARF2过表达植株中, HAK5的表 达则受到抑制。研究表明, ARF2可直接结合到HAK5 的启动子, 并在K+ 充足的条件下抑制HAK5的表达; 低钾处理后ARF2则会被磷酸化, 从而消除其与 HAK5启动子的DNA结合活性, 解除对HAK5的转录 抑制作用。由此推测在低钾条件下转录抑制因子 ARF2通过负调控HAK5的表达响应低钾胁迫(Zhao et al., 2016f)。 此外, 王毅研究组还筛选了拟南芥cipk23突变 体, 获得了其抑制突变体sls1。图位克隆显示, sls1是 由于AtKC1编码的蛋白发生了G322D碱基替换引起 的功能获得性突变体。该突变体表现为K+ 吸收能力及 低钾耐受性提高。结构分析表明, G322在K+ 通道中高 度保守, 并在植物Shaker K+ 通道中作为门铰链发挥 作用。相较于AtKC1, AtKC1D对AKT1活性的抑制作 用更强; 在低钾条件下, 通过AKT1能更强地降低K+ 的渗漏(Wang et al., 2016s)。该研究阐明了CIPK23 和AtKC1通过不同方式参与对AKT1的调控, 从而平 衡了低钾条件下拟南芥对K+ 的吸收与渗漏。 3.3.2 其它营养元素 氮是植物正常生长发育所必需的大量元素, 而硝酸盐 是植物获取氮元素的主要形式。目前人们对植物体利 用硝酸盐及相关信号转导过程知之甚少。王勇研究组 在拟南芥中克隆到参与调控硝酸盐信号转导的新基 因NRG2。研究表明, NRT1.1在突变体nrg2-1和 nrg2-2根中表达量明显降低, 而叶中NRT1.8的表达 量增加。用各种浓度的硝酸盐处理后, nrg2突变体根 中硝酸盐的浓度在任何时间点都明显低于野生型, 说 明NRG2在硝酸盐信号转导过程中呈组成型发挥作 用。qPCR检测和GUS染色显示, NRG2主要在根和叶 的维管束细胞中表达, 说明NRG2主要参与硝酸盐的 运输。双突变体表型分析发现, NRG2作用于NRT1.1 的上游, 与NLP7位于不同的调控通路上。NRG2能直 接与NLP7在细胞核内互作。nrg2-2、chl1-13和nlp7-4 的高通量测序结果也验证了NRG2主要参与硝酸盐的 信号转导, 与NRT1.1位于同一条通路中, 与NLP7则 存在部分相互独立的功能(Xu et al., 2016b)。该研究 解析了NRG2在硝酸盐信号转导过程中的重要作用, 加深了人们对植物体内硝酸盐调节机制的了解。 磷是生物体生存必需的元素, 对植物生长发育非 常重要。在根部产生和分泌磷酸酶是植物对磷(Pi)缺 © 植物学报 Chinese Bulletin of Botany