陈凡等:2017年中国植物科学若干领域重要研究进展401 制作用 Wu et al,2017b)。该研究证实了水稻AGO蛋要的生物学过程。CRWN( CROWDED NUCLE)家族 白在水稻抗病毒防御中的重要作用,并揭示了植物抗蛋白是拟南芥中核纤层的类似蛋白,但目前对其功能 病毒防御网络的复杂性与多样性。此外,范在丰研形尚知之甚少。方玉达研究组对拟南芥进行了研究,发 码究组在研究玉米时,发现了一类叶绿体蛋白——紫现其cnw1/cnm2双突变体对病原菌具有较强的抗 黄质脱环氧化酶( ZmVDE),该酶具有特异性抑制甘性。CRWN基因在转录和转录后水平均受到病原菌 蔗花叶病毒(SCMV的能力。他们研究发现,SCM在及水杨酸的调控。CRWN1与抗病途径的NAC类转录 侵染时所产生的辅助成分蛋白酶( HC-Pro)具有抑制因子NTL9互作,加强NTL9对下游抗病基因尸R1的转 RNA沉默以及促进病毒颗粒合成等多种功能,而录抑制。进一步研究表明,cηw〃cw2的抗病相关表 zmDE可与 SCMV HC-Pro在胞内特异性结合,进而型依赖于抗病通路中的关键蛋白NPR1( Guo et al 抑制 HC-Pro的RSS活性,使其无法干预植物体自身2017c)。该研究发现了由CRWN1、NTL9及NPR1等 启动的免疫性RNA沉默并进一步抑制病毒的积累蛋白组成的调控PR1基因表达的分子遗传网络 ( Chen et al,2017b)。该研究揭示了病毒宿主因子直 叶锈病、黑斑病和叶枯病等真菌病害对杨树的生 接参与单子叶植物抗病毒反应的分子机制。周涛研究长危害极大,如何提高杨树的抗真菌能力对杨树的生 组则解析了玉米苗期2个不同发育阶段的叶片响应甘产造林极其重要。罗克明研究组在毛白杨中分析了与 蔗花叶病毒系统侵染的蛋白质组学异同和光合作用拟南芥TT2( TRANS尸 ARENT TESTA2)基因类似的 等生理指标的差异,明确了玉米蛋白在sCMV増殖中转录因子MYB115对原花青素(PA)合成的影响。发现 的功能,为深入揭示玉米矮花叶病发生机制和设计抗在杨树中MYB115与TTG1和TT8通过形成1个三元复 病毒新策略提供了重要线索( Chen et al.,2017a)。另合物,共同参与PA合成的调控( Wang et al,2017k)。 外,洪益国研究组与英国的科研单位合作,在烟草该研究为杨树的抗病分子育种提供了新思路 ( Nicotiana tabacum)中发现了双重防御调节机制控 灰葡萄孢菌( Botrytis cinerea)是一类可感染多种 制植物细胞内的自发性RNA沉默及细胞间的非自发作物并在侵染时破坏宿主细胞的死体营养型病原。当 性RNA沉默。得岀一种调节机制模型,即由最初被感作物受到该病原侵害时,会激活损伤及抗病双重反 染的DCL4诱发细胞内自发性RNA沉默作为第一重防应。李传友研究组与李常保研究组合作,发现茉莉酸 御,此时DCL2被DCL4抑制;而当第一重防御被破坏信号通路的核心转录因子MYC2通过正向调控机械损 时,DCL2不再被抑制,而是产生由DCL2处理的伤相关基因,及病程相关基因等与抗病抗虫密切相关 SIRNA,其作为信号分子转导至相邻细胞内引发细胞基因的表达实现植物对病虫侵害的有效防御。他们在 间的非自发性RNA沉默,此作为第二重防御(inet番茄全基因组范围内确定了一系列MYC2直接结合的 al,2017a)。之后,郭军研究组利用RNA干涉(RNA)靶标基因;并发现这些靶标基因中富含转录因子基 构建了对条锈病具持续高抗的转基因小麦。小麦条锈因,表明MY℃2是茉莉酸信号通路中高层级的转录调 病主要由真菌Pst( Puccinia striiformis f.sp.ttic)引控元件。进一步研究发现,MYC2与其直接结合的次 起。Ps門Uz7是Ps中编码丝裂原活化蛋白激酶级转录因子形成一系列的转录级联调控模块 (MAPK)的基因,MAPK在植物病原真菌中高度保守,( transcription module),在免疫转录重编程的激活和 且直接参与菌丝形态与发育的调控,对Ps的侵染具级联放大中起至关重要的作用 Du et al,2017c)。该 重要作用。在小麦中表达基于 PsFUZ7构建的双链研究对深入理解茉莉酸调控植物抗病抗虫的机理具 RNA( dsRNA)时,受到 PSFUZ7基因沉默的影响,PSt有重要意义。 在宿主中的生长发育被抑制( Zhu et al,2017d)。该研 究为小麦条锈病的持续防治提供了新的技术策略 313抗性相关的信号转导 植物激素除了作用于植物的生长发育,还是植物抗性 312抗性相关的转录调控 反应中重要的信号分子。植物体存在多种由植物激素 除基因沉默外,植物还可在转录水平上发挥自身的抗介导的抗病相关信号通路,茉莉素被证实介导多种植 病性。核纤层蛋白在动物细胞中参与众多细胞核内重物的抗病反应。陈建平研究组发现在受到水稻黑条矮
陈凡等: 2017 年中国植物科学若干领域重要研究进展 401 制作用(Wu et al., 2017b)。该研究证实了水稻AGO蛋 白在水稻抗病毒防御中的重要作用, 并揭示了植物抗 病毒防御网络的复杂性与多样性。此外, 范在丰研形 码究组在研究玉米时, 发现了一类叶绿体蛋白——紫 黄质脱环氧化酶(ZmVDE), 该酶具有特异性抑制甘 蔗花叶病毒(SCMV)的能力。他们研究发现, SCMV在 侵染时所产生的辅助成分蛋白酶(HC-Pro)具有抑制 RNA沉默以及促进病毒颗粒合成等多种功能, 而 ZmVDE可与SCMV HC-Pro在胞内特异性结合, 进而 抑制HC-Pro的RSS活性, 使其无法干预植物体自身 启动的免疫性RNA沉默并进一步抑制病毒的积累 (Chen et al., 2017b)。该研究揭示了病毒宿主因子直 接参与单子叶植物抗病毒反应的分子机制。周涛研究 组则解析了玉米苗期2个不同发育阶段的叶片响应甘 蔗花叶病毒系统侵染的蛋白质组学异同和光合作用 等生理指标的差异, 明确了玉米蛋白在SCMV增殖中 的功能, 为深入揭示玉米矮花叶病发生机制和设计抗 病毒新策略提供了重要线索(Chen et al., 2017a)。另 外, 洪益国研究组与英国的科研单位合作, 在烟草 (Nicotiana tabacum)中发现了双重防御调节机制控 制植物细胞内的自发性RNA沉默及细胞间的非自发 性RNA沉默。得出一种调节机制模型, 即由最初被感 染的DCL4诱发细胞内自发性RNA沉默作为第一重防 御, 此时DCL2被DCL4抑制; 而当第一重防御被破坏 时, DCL2不再被抑制, 而是产生由DCL2处理的 siRNA, 其作为信号分子转导至相邻细胞内引发细胞 间的非自发性RNA沉默, 此作为第二重防御(Qin et al., 2017a)。之后, 郭军研究组利用RNA干涉(RNAi) 构建了对条锈病具持续高抗的转基因小麦。小麦条锈 病主要由真菌Pst (Puccinia striiformis f. sp. tritici)引 起 。 PsFUZ7 是 Pst 中编码丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK)的基因, MAPK在植物病原真菌中高度保守, 且直接参与菌丝形态与发育的调控, 对Pst的侵染具 重要作用。在小麦中表达基于PsFUZ7构建的双链 RNA (dsRNA)时, 受到PsFUZ7基因沉默的影响, Pst 在宿主中的生长发育被抑制(Zhu et al., 2017d)。该研 究为小麦条锈病的持续防治提供了新的技术策略。 3.1.2 抗性相关的转录调控 除基因沉默外, 植物还可在转录水平上发挥自身的抗 病性。核纤层蛋白在动物细胞中参与众多细胞核内重 要的生物学过程。CRWN (CROWDED NUCLEI)家族 蛋白是拟南芥中核纤层的类似蛋白, 但目前对其功能 尚知之甚少。方玉达研究组对拟南芥进行了研究, 发 现其crwn1/crwn2双突变体对病原菌具有较强的抗 性。CRWN1基因在转录和转录后水平均受到病原菌 及水杨酸的调控。CRWN1与抗病途径的NAC类转录 因子NTL9互作, 加强NTL9对下游抗病基因PR1的转 录抑制。进一步研究表明, crwn1/crwn2的抗病相关表 型依赖于抗病通路中的关键蛋白NPR1 (Guo et al., 2017c)。该研究发现了由CRWN1、NTL9及NPR1等 蛋白组成的调控PR1基因表达的分子遗传网络。 叶锈病、黑斑病和叶枯病等真菌病害对杨树的生 长危害极大, 如何提高杨树的抗真菌能力对杨树的生 产造林极其重要。罗克明研究组在毛白杨中分析了与 拟南芥TT2 (TRANSPARENT TESTA2)基因类似的 转录因子MYB115对原花青素(PA)合成的影响。发现 在杨树中MYB115与TTG1和TT8通过形成1个三元复 合物, 共同参与PA合成的调控(Wang et al., 2017k)。 该研究为杨树的抗病分子育种提供了新思路。 灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)是一类可感染多种 作物并在侵染时破坏宿主细胞的死体营养型病原。当 作物受到该病原侵害时, 会激活损伤及抗病双重反 应。李传友研究组与李常保研究组合作, 发现茉莉酸 信号通路的核心转录因子MYC2通过正向调控机械损 伤相关基因, 及病程相关基因等与抗病抗虫密切相关 基因的表达实现植物对病虫侵害的有效防御。他们在 番茄全基因组范围内确定了一系列MYC2直接结合的 靶标基因; 并发现这些靶标基因中富含转录因子基 因, 表明MYC2是茉莉酸信号通路中高层级的转录调 控元件。进一步研究发现, MYC2与其直接结合的次 级转录因子形成一系列的转录级联调控模块 (transcription module), 在免疫转录重编程的激活和 级联放大中起至关重要的作用(Du et al., 2017c)。该 研究对深入理解茉莉酸调控植物抗病抗虫的机理具 有重要意义。 3.1.3 抗性相关的信号转导 植物激素除了作用于植物的生长发育, 还是植物抗性 反应中重要的信号分子。植物体存在多种由植物激素 介导的抗病相关信号通路, 茉莉素被证实介导多种植 物的抗病反应。陈建平研究组发现在受到水稻黑条矮
402植物学报53(4)2018 缩病毒(RBSD∽感染的植株中,JA介导的反应通路被号受体 OsMPKK4可激活 OSMPK3/6并最终引起植物 激活,而油菜素内酯介导的反应通路则被抑制。当在细胞的抗病反应;而 OSMAPKKKE作为上游的调控蛋 水稻叶片上分别施加茉莉酮酸甲酯(MeJA)或表油菜白,可与 OSMPKK4结合并将其磷酸化。当 OSMAPK 素内酯(B凵)人工诱导各自的信号通路时,发现施加KKE的表达受RNA影响降低时,水稻对稻瘟病的抗 MeJA的植株表现为对 RBSDV抗病,而施加BL的植性显著减弱( Wang et al,2017a)。该研究揭示了由 株表现为易感,同时施加MeJA和BL的植株依然表现 OSCERK-1开始,经 OSRLCK185至 OSMAPK级联 为抗病。由此推测,JA通路可能抑制BR通路。进一步以磷酸化为手段最终激活细胞抗病反应的几丁质信 硏究发现,接收JA信号的受体Co丨1在激活调控抗病号通路模型,为水稻抗稻瘟病硏究奠定了基础。之后, 性的JA通路时,也在抑制调控感病性的BR通路中起王石平研究组发现,MPKK10.2作为水稻 MAPKK的1 关键作用( He et al.,2017)。之后,陈晓亚研究组对JA个成员,对水稻的生物和非生物胁迫抗性均发挥重要 介导的植物抗虫反应进行了研究,发现随着拟南芥植作用。过量表达MPKK10.2时,水稻对引起病毒性条 株的发育成熟,JA的累积及其介导的反应随之降低,斑病的水稻白叶枯病菌( Xanthomonas oryzae pv 但与发育成熟的植株相比幼苗具有更强的抗虫性。 oryzicola,xoc)及干旱胁迫的抗性均显著提升;而 sPL9( SQUAMOSA PROMOTER BINDING PRO-MPKK10.2的表达量受RNAi影响而降低时,这两种 TEIN-LIKE9)是拟南芥中受 miRNA156调控的可作用抗性也随之降低。进一步研究显示,当水稻受到X 于植株发育成熟的一类蛋白,而 miRNA156-SPL9对或干旱影响时,需分别通过JA或ABA信号通路来激 JA的积累具抑制作用并可降低植株的抗虫性。酵母双活MPKK10.2。MPK6和MPK3作为MPKK102下游的 杂交实验显示,SPL9可与多个JA信号通路的抑制子日标激酶,均可被MPKK102磷酸化并激活,进而分 JAZ(JAzM- DOMAIN)蛋白互作,并可显著促进别激活抗病或抗旱反应( Ma et al,2017a)。该研究表 JAZ3的积累。因此,mRNA156-SPL9-AZ3形成了 明水稻MPKK102是抗生物与非生物胁迫反应的关键 个调控模块,随着植株的成熟逐渐降低JA的积累和激酶。 影响。而与JA降低相对的葡萄糖异硫氰酸盐(GLSs) 此外,刘俊研究组发现, LecRK-Ⅸ.2蛋白在 随着植株的生长成熟含量不断上升,提高了拟南芥的PRRs诱发的免疫反应中具有正调控作用。病原菌Pst 抗虫性( Mao et al.,2017)。该研究不仅揭示了植物精Dc300侵染能激活 LecRK-Ⅸ2的转录, LecRK-Ⅸ2 妙的抗虫机制,而且对设计更加科学合理的农田及森缺失突变体表现出超敏表型。遗传生化实验表明,拟 林虫害防治策略也具有重要的指导意义 南芥中 LecRK-Ⅸ2可能通过募集钙离子依赖蛋白激 植物细胞表面有多种与抗性及信号转导相关的酶( Calcium- dependent protein kinases,CPKs)触发 模式识别受体(PRR)蛋白,这些蛋白在识别病原相关 RbohD的磷酸化,从而导致ROS产生。 LecRKⅨ2 分子模式(PAMP)及激活下游相关抗病反应时起重要的过表达能使ROS含量升高,并增加SA含量,从而 作用。MAPκ级联由MAPK、MAPK激酶( MAPKK及增强植物的系统获得性免疫能力( Luo et al.,2017c)。 MAPK激酶激酶( MAPKKK)组成,涉及多种植物的抗该研究表明 LecRKs在植物免疫和SA的生物合成中 性相关反应。水稻几丁质诱导子受体激酶-1(osCE-具重要作用。另外,钙依赖蛋白激酶(CPK也是调控 RK-1)在细胞表面可识别作为PAMP的几丁质和引起植物抗病免疫反应的PRR蛋白。唐定中研究组揭示 MAPK反应的PRR蛋白。许玲研究组与王二涛研究组钙依赖蛋白激酶CPK5与胞吐复合体成员EXO70B1 合作,发现水稻中存在的一种胞内PRR联合类受体和非典型性免疫蛋白TN2之间的关系,以及在植物免 激酶( OSRLCK185)是将信号从 OSCERK-1传递至疫中的作用( Liu et al,20171。继而,该研究组发现 MAPK级联的重要蛋白。他们的研究表明,当OsCE-了免疫模式受体复合体的新成员LLG1,并通过分子 RK-1接收到几丁质分子信号时,可以将 OSRLCK185生物学及细胞生物学方法解析了LLG1调控植物免疫 磷酸化,而被激活的 OSRLCK185可与MAPK级联中的分子机理( Shen et al,2017a)。该研究为深入理解 上游的 OSMAPKKκε结合,并将其磷酸化以激活植物生长发育与植物免疫的交互应答提供了新线索 MAPK信号通路。在该信号通路中,已知的几丁质信 NLR是植物细胞内的类免疫受体。与细胞表面的
402 植物学报 53(4) 2018 缩病毒(RBSDV)感染的植株中, JA介导的反应通路被 激活, 而油菜素内酯介导的反应通路则被抑制。当在 水稻叶片上分别施加茉莉酮酸甲酯(MeJA)或表油菜 素内酯(BL)人工诱导各自的信号通路时, 发现施加 MeJA的植株表现为对RBSDV抗病, 而施加BL的植 株表现为易感, 同时施加MeJA和BL的植株依然表现 为抗病。由此推测, JA通路可能抑制BR通路。进一步 研究发现, 接收JA信号的受体COI1在激活调控抗病 性的JA通路时, 也在抑制调控感病性的BR通路中起 关键作用(He et al., 2017)。之后, 陈晓亚研究组对JA 介导的植物抗虫反应进行了研究, 发现随着拟南芥植 株的发育成熟, JA的累积及其介导的反应随之降低, 但与发育成熟的植株相比幼苗具有更强的抗虫性。 SPL9 (SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE9)是拟南芥中受miRNA156调控的可作用 于植株发育成熟的一类蛋白, 而miRNA156-SPL9对 JA的积累具抑制作用并可降低植株的抗虫性。酵母双 杂交实验显示, SPL9可与多个JA信号通路的抑制子 JAZ (JA ZIM-DOMAIN)蛋白互作, 并可显著促进 JAZ3的积累。因此, miRNA156-SPL9-JAZ3形成了一 个调控模块, 随着植株的成熟逐渐降低JA的积累和 影响。而与JA降低相对的葡萄糖异硫氰酸盐(GLSs) 随着植株的生长成熟含量不断上升, 提高了拟南芥的 抗虫性(Mao et al., 2017)。该研究不仅揭示了植物精 妙的抗虫机制, 而且对设计更加科学合理的农田及森 林虫害防治策略也具有重要的指导意义。 植物细胞表面有多种与抗性及信号转导相关的 模式识别受体(PRR)蛋白, 这些蛋白在识别病原相关 分子模式(PAMP)及激活下游相关抗病反应时起重要 作用。MAPK级联由MAPK、MAPK激酶(MAPKK)及 MAPK激酶激酶(MAPKKK)组成, 涉及多种植物的抗 性相关反应。水稻几丁质诱导子受体激酶-1 (OsCERK-1)在细胞表面可识别作为PAMP的几丁质和引起 MAPK反应的PRR蛋白。许玲研究组与王二涛研究组 合作, 发现水稻中存在的一种胞内PRR联合类受体 激酶(OsRLCK185)是将信号从OsCERK-1传递至 MAPK级联的重要蛋白。他们的研究表明, 当OsCERK-1接收到几丁质分子信号时, 可以将OsRLCK185 磷酸化, 而被激活的OsRLCK185可与MAPK级联中 上游的OsMAPKKKε结合, 并将其磷酸化以激活 MAPK信号通路。在该信号通路中, 已知的几丁质信 号受体OsMPKK4可激活OsMPK3/6并最终引起植物 细胞的抗病反应; 而OsMAPKKKε作为上游的调控蛋 白, 可与OsMPKK4结合并将其磷酸化。当OsMAPKKKε的表达受RNAi影响降低时, 水稻对稻瘟病的抗 性显著减弱(Wang et al., 2017a)。该研究揭示了由 OsCERK-1开始, 经OsRLCK185至OsMAPK级联, 以磷酸化为手段最终激活细胞抗病反应的几丁质信 号通路模型, 为水稻抗稻瘟病研究奠定了基础。之后, 王石平研究组发现, MPKK10.2作为水稻MAPKK的1 个成员, 对水稻的生物和非生物胁迫抗性均发挥重要 作用。过量表达MPKK10.2时, 水稻对引起病毒性条 斑病的水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzicola, Xoc)及干旱胁迫的抗性均显著提升; 而 MPKK10.2的表达量受RNAi影响而降低时, 这两种 抗性也随之降低。进一步研究显示, 当水稻受到Xoc 或干旱影响时, 需分别通过JA或ABA信号通路来激 活MPKK10.2。MPK6和MPK3作为MPKK10.2下游的 目标激酶, 均可被MPKK10.2磷酸化并激活, 进而分 别激活抗病或抗旱反应(Ma et al., 2017a)。该研究表 明水稻MPKK10.2是抗生物与非生物胁迫反应的关键 激酶。 此外 , 刘俊研究组发现 , LecRK-IX.2蛋白在 PRRs诱发的免疫反应中具有正调控作用。病原菌Pst DC3000侵染能激活LecRK-IX.2的转录, LecRK-IX.2 缺失突变体表现出超敏表型。遗传生化实验表明, 拟 南芥中LecRK-IX.2可能通过募集钙离子依赖蛋白激 酶(Calcium-dependent protein kinases, CPKs)触发 RbohD的磷酸化, 从而导致ROS产生。LecRK-IX.2 的过表达能使ROS含量升高, 并增加SA含量, 从而 增强植物的系统获得性免疫能力(Luo et al., 2017c)。 该研究表明LecRKs在植物免疫和SA的生物合成中 具重要作用。另外, 钙依赖蛋白激酶(CPK)也是调控 植物抗病免疫反应的PRR蛋白。唐定中研究组揭示了 钙依赖蛋白激酶CPK5与胞吐复合体成员EXO70B1 和非典型性免疫蛋白TN2之间的关系, 以及在植物免 疫中的作用(Liu et al., 2017f)。继而, 该研究组发现 了免疫模式受体复合体的新成员LLG1, 并通过分子 生物学及细胞生物学方法解析了LLG1调控植物免疫 的分子机理(Shen et al., 2017a)。该研究为深入理解 植物生长发育与植物免疫的交互应答提供了新线索。 NLR是植物细胞内的类免疫受体。与细胞表面的
陈凡等:2017年中国植物科学若干领域重要研究进展403 模式识别受体PRR不同,NLR类受体通过识别病原物稀疏。进一步研究表明,P69通过与GLK结合抑制其 编码的一些特定的效应蛋白发挥作用。陶小荣研究组与所调控基因的启动子结合,进而引起一系列光合作 与美国的科研单位合作发现,来自番茄的免疫受体蛋用相关基因的转录水平下调,并最终导致如浅叶色等 白Sw5b可通过识别美洲型番茄斑萎病毒编码的移植株感病表型( Ni et al,2017)。 动蛋白NSm中的一段高度保守(21个氨基酸组成)的 稻瘟病是水稻的重要病害之一。 CAMP-PKA信号 肽段(NSm21),从而实现其对该类病毒的广谱抗性途径在稻瘟病菌的形态分化和致病过程中发挥重要 ( Zhu et al,2017c)。该研究阐明了番茄免疫受体蛋白的调节作用。由于PKA的2个催化亚基cPKA和cPK2 sw5b对番茄斑萎病毒的广谱抗性机制。 存在功能冗余,PKA的作用目前尚不十分清楚。许金 植物超敏反应蛋白(HR)在植物受到病原菌侵染荣研究组创制了cpka和cpk2的双突变体菌株,并发 时参与自发超敏反应坏死斑的形成过程,并且HR的现突变菌株在侵染植物过程中分生孢子和附着胞的 蛋白水平与宿主被侵染部位的细胞死亡及防卫反应形成及菌丝的生长都表现异常。而在另外2个抑制菌 相关。但是 AthIRs参与植物免疫的调控机制目前仍不株中,突变菌株的生长异常现象却被恢复。经鉴定, 清楚。林金星研究组发现AtHR1存在于植物细胞膜组抑制菌株中的失活基因为与酵母中PKA的下游靶标 织结构的膜微区中,并与膜微区标记蛋白REM13共SFL1基因同源的转录因子 MOSFL1基因。 MOSFL1的 定位。他们通过单分子跟踪分析,进一步发现膜微区C端与PKA途径的另一个负调控子 MoCo8发生互 和细胞骨架调控AtHR1在质膜上的横向移动并促进作。因此, MOSFL1的失活可造成PKA途径中断,从而 其寡聚化。此外,通过蛋白质邻近性指数测量,荧光恢复因cpka和cpk2突变造成的生长异常( Li et al., 相关光谱和生化实验分析,证明在感应病原体时2017o)。该研究有助于人们更深入地理解病原菌的致 AtHR1复合物的形成需要完整的膜微区和细胞骨架病机理 ( Lv et al,2017)。该研究为阐明病原菌感应的防御调 控机制提供了新思路。 33环境胁迫的应答调控 33.1温度胁迫 32病原侵染及宿主细胞防御机制 温度是植物生长发育过程中不可或缺的环境因子之 大豆疫霉根腐病是大豆生产上的毁灭性病害之一。其一。但温度过低或过高都会对植物造成伤害,甚至导 防治始终是困扰国内外大豆生产的重要难题。董莎萌致植物死亡。因此,科学家们一直致力于研究植物响 研究组发现,大豆疫霉菌分泌的效应蛋白PsAv3c能应温度胁迫的生理及分子机制,旨在为培育抗低温或 够进入大豆的细胞核内,通过与可变剪切复合体上的高温的作物新品种提供丰富的基因资源。 亚基 Gm SKRPs蛋白互作,抑制 GmSKRPs的降解 随着研究的不断深入,关于植物响应低温胁迫的 进而影响其蛋白的稳定性。进一步研究发现,在大豆机理取得了很大进展。然而,低温信号如何从细胞膜 体内瞬时表达效应蛋白PsAW3c以及靶标蛋白Gm-传递到细胞核还不清楚。杨淑华研究组筛选到1个细 SKRPs均能使寄主防卫相关基因的可变剪切发生改胞膜定位的蛋白激酶CRPK1( Cold responsive pro 变,进而导致大豆对大豆疫霉菌的抗病性显著降低 tein kinase1),并证实其参与了这一过程。CRPK激 ( Huang et al.2017)。该研究首次发现了病原菌在酶受低温诱导激活,激活的cRPK1通过磷酸化 mRNA剪切水平上调控寄主免疫反应的1种新机制,14-3-3蛋白促使其从细胞质向细胞核迁移。有意思的 有望应用于农作物的抗病性改良。此外,周雪平研究是,细胞核中的14-3-3蛋白能够与低温信号重要的转 组与戚益军研究组合作对芜菁黄花叶病毒(TYM进录因子CBF1和CBF3(C- epeat-binding factors)互 行了研究,发现P69可与GARP转录因子家族中的作,并促使CBF1与CBF3蛋白在低温下降解,从而负 GLK1和GL≌2结合,GLK1与LK2定位于叶肉细胞的调控植物的抗冻能力( Liu et al.,2017k)。该研究首次 细胞核中。通过观察过表达P69的转基因植株P69-阐明了低温信号由细胞膜传递到细胞核的分子机理。 HAoX与gk1/gk2双突变植株,他们发现二者的叶绿先前的研究表明,bHLH家族转录因子CE1( inducer 体均小于野生型,且叶绿体中的类囊体片层更薄并更 of CBF gene expression1)蛋白作用于CBF基因的上
陈凡等: 2017 年中国植物科学若干领域重要研究进展 403 模式识别受体PRR不同, NLR类受体通过识别病原物 编码的一些特定的效应蛋白发挥作用。陶小荣研究组 与美国的科研单位合作发现, 来自番茄的免疫受体蛋 白Sw-5b可通过识别美洲型番茄斑萎病毒编码的移 动蛋白NSm中的一段高度保守(21个氨基酸组成)的 肽段(NSm21), 从而实现其对该类病毒的广谱抗性 (Zhu et al., 2017c)。该研究阐明了番茄免疫受体蛋白 Sw-5b对番茄斑萎病毒的广谱抗性机制。 植物超敏反应蛋白(HIR)在植物受到病原菌侵染 时参与自发超敏反应坏死斑的形成过程, 并且HIR的 蛋白水平与宿主被侵染部位的细胞死亡及防卫反应 相关。但是AtHIRs参与植物免疫的调控机制目前仍不 清楚。林金星研究组发现AtHIR1存在于植物细胞膜组 织结构的膜微区中, 并与膜微区标记蛋白REM1.3共 定位。他们通过单分子跟踪分析, 进一步发现膜微区 和细胞骨架调控AtHIR1在质膜上的横向移动并促进 其寡聚化。此外, 通过蛋白质邻近性指数测量, 荧光 相关光谱和生化实验分析, 证明在感应病原体时 AtHIR1复合物的形成需要完整的膜微区和细胞骨架 (Lv et al., 2017)。该研究为阐明病原菌感应的防御调 控机制提供了新思路。 3.2 病原侵染及宿主细胞防御机制 大豆疫霉根腐病是大豆生产上的毁灭性病害之一。其 防治始终是困扰国内外大豆生产的重要难题。董莎萌 研究组发现, 大豆疫霉菌分泌的效应蛋白PsAvr3c能 够进入大豆的细胞核内, 通过与可变剪切复合体上的 亚基GmSKRPs蛋白互作, 抑制GmSKRPs的降解, 进而影响其蛋白的稳定性。进一步研究发现, 在大豆 体内瞬时表达效应蛋白PsAvr3c以及靶标蛋白GmSKRPs均能使寄主防卫相关基因的可变剪切发生改 变, 进而导致大豆对大豆疫霉菌的抗病性显著降低 (Huang et al., 2017)。该研究首次发现了病原菌在 mRNA剪切水平上调控寄主免疫反应的1种新机制, 有望应用于农作物的抗病性改良。此外, 周雪平研究 组与戚益军研究组合作对芜菁黄花叶病毒(TYMV)进 行了研究, 发现P69可与GARP转录因子家族中的 GLK1和GLK2结合, GLK1与GLK2定位于叶肉细胞的 细胞核中。通过观察过表达P69的转基因植株P69- HAox与glk1/glk2双突变植株, 他们发现二者的叶绿 体均小于野生型, 且叶绿体中的类囊体片层更薄并更 稀疏。进一步研究表明, P69通过与GLK结合抑制其 与所调控基因的启动子结合, 进而引起一系列光合作 用相关基因的转录水平下调, 并最终导致如浅叶色等 植株感病表型(Ni et al., 2017)。 稻瘟病是水稻的重要病害之一。cAMP-PKA信号 途径在稻瘟病菌的形态分化和致病过程中发挥重要 的调节作用。由于PKA的2个催化亚基CPKA和CPK2 存在功能冗余, PKA的作用目前尚不十分清楚。许金 荣研究组创制了cpka和cpk2的双突变体菌株, 并发 现突变菌株在侵染植物过程中分生孢子和附着胞的 形成及菌丝的生长都表现异常。而在另外2个抑制菌 株中, 突变菌株的生长异常现象却被恢复。经鉴定, 抑制菌株中的失活基因为与酵母中PKA的下游靶标 SFL1基因同源的转录因子MoSFL1基因。MoSFL1的 C端与PKA途径的另一个负调控子MoCyc8发生互 作。因此, MoSFL1的失活可造成PKA途径中断, 从而 恢复因cpka和cpk2突变造成的生长异常(Li et al., 2017o)。该研究有助于人们更深入地理解病原菌的致 病机理。 3.3 环境胁迫的应答调控 3.3.1 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。但温度过低或过高都会对植物造成伤害, 甚至导 致植物死亡。因此, 科学家们一直致力于研究植物响 应温度胁迫的生理及分子机制, 旨在为培育抗低温或 高温的作物新品种提供丰富的基因资源。 随着研究的不断深入, 关于植物响应低温胁迫的 机理取得了很大进展。然而, 低温信号如何从细胞膜 传递到细胞核还不清楚。杨淑华研究组筛选到1个细 胞膜定位的蛋白激酶CRPK1 (Cold responsive protein kinase 1), 并证实其参与了这一过程。CRPK1激 酶受低温诱导激活 , 激活的 CRPK1通过磷酸化 14-3-3蛋白促使其从细胞质向细胞核迁移。有意思的 是, 细胞核中的14-3-3蛋白能够与低温信号重要的转 录因子CBF1和CBF3 (C-repeat-binding factors)互 作, 并促使CBF1与CBF3蛋白在低温下降解, 从而负 调控植物的抗冻能力(Liu et al., 2017k)。该研究首次 阐明了低温信号由细胞膜传递到细胞核的分子机理。 先前的研究表明, bHLH家族转录因子ICE1 (Inducer of CBF gene expression 1)蛋白作用于CBF基因的上
404植物学报53(4)2018 游,参与调控CBF基因的表达。CE1蛋白存在许多翻 OsbHLH002 OS TPP1调控水稻对低温响应和耐受的 译水平的修饰,如SUMO化和磷酸化( Dong et al,新途径,对水稻分子设计育种具有重要的理论意义 2006; Miura et al.2007; Ding et al,2015),表明 水稻孕穗期是关乎水稻产量和品质的关键时期 lCE1蛋白的稳定性对调整植物的耐冷性十分重要,若水稻在该时期遭受低温胁迫则会导致水稻谷粒不 但是CE1蛋白水平的精密调控方式并不清楚。杨淑华能正常发育而严重减产。李自超研究组通过构建水稻 研究组和朱健康研究组以背靠背形式分别发文阐明孕穗期耐冷粳稻“昆明小白谷”和冷敏感粳稻 了这一过程。两个研究组发现,拟南芥MPK36(Mito-和田”的近等基因系,利用QTL方法鉴定到1个水稻 gen- activated protein kinase3/6)的激酶活性受低温孕穗期耐冷基因CTB4a( Cold tolerance at booting 诱导激活;激活的MPK36与lCE1互作并磷酸化|CE1 stage)。该基因编码1个类受体蛋白激酶,其与 蛋白。该过程导致cCE1蛋白降解,从而造成植物的抗 ATPase的β亚基AtpB互作,从而增强水稻在低温下 冻性降低( Li et al,2017c; Zhao et al.,2017b)。此外,的ATP酶活性和ATP的含量。此过程可增强水稻花粉 杨淑华研究组还与李继刚研究组合作,发现了光信号的育性,从而提高水稻的结实率和产量。单倍型分析 关键转录因子PF3( Phytochrome- interacting factor表明,耐冷单倍型 Tej-Hap- KMXBG是温带粳稻(Tem 3)负调控植物的抗冻性。Pl3基因突变使植物的抗冻 perate japonica)驯化过程中在特定低温环境中产生 能力增强,而过表达P∥F3的植物表现出冻敏感表型 的新等位基因( Zhang et al,2017a)。该研究系统阐 进一步研究证实,在常温光照下,PIF3蛋白与E3泛素释了水稻在育性阶段抵抗低温胁迫的生理及分子机 连接酶EBF1和EBF2(EN3 binding F-box1/2)互作,制,为培育水稻耐冷新品种提供了线索 通过26S蛋白酶体途径降解;低温黑暗下促使 植物生殖阶段是保证植物产量的关键。刘建祥研 EBF1/2蛋白降解,从而使PF3蛋白更加稳定(jang究组与常芳研究组合作,通过转录组分析挖掘出大量 etal,2017a)。另外,该研究组也对BR在植物抗冻过参与拟南芥生殖器官对高温胁迫响应过程的基因,包 程中的作用进行了探索,发现油菜素内酯信号通路中括花药和胚珠发育早期相关基因、减数分裂早期基因 的蛋白激酶B|N2( Brassinosteroid insensitive2)和下和UPR( Unfolded protein response)通路相关基因 游关键转录因子BzR1( Bassinazole-resistant1)在植( Zhang et al,2017s)。该成果揭示了植物生殖组织抵 物抗冻过程中发挥非常重要的作用。当突变BN2及其抗高温的分子机理,为理解UPR通路在植物高温下 同源基因时,植株表现出抗冻表型;过表达BN2则使育性中的作用提供了直接的分子证据。植物的花器官 植物的抗冻能力大大减弱。进一步研究发现,BZR1对高温极为敏感,但是,关于植物花絮抵抗高温胁迫 作用于CBF的上游,通过正调节CBF基因的表达进而的分子机理研究不多。陈晓亚研究组揭示了植物花絮 调控植物的抗冻性。此外,BzR1还通过不依赖CBF的抵抗高温胁迫的分子机理。他们发现突变SPL1和 途径调控植物的抗冻性( Li et al.,2017d) SPL12 Squamosa promoter binding protein like 其次,水稻中也存在以OsCE1为主要节点的寒1/12)基因可造成植物花絮对高温超敏感,过表达 害耐受机制,种康研究组在水稻中发现了与拟南芥SPL112则使植物在生殖生长阶段表现出极高的抗 MAPK-CE1不同的耐寒信号途径。他们对以Osb-高温能力。进一步研究表明,在花絮组织中,SPL1和 HLHo02osCE1为核心的调控途径进行了研究,发SPL12在高温调控的转录重编程(transcriptional re- 现当水稻遇到低温胁迫时, OSMAPK3被激活,通过 programming)中发挥重要作用。这其中包含了一些高 直接磷酸化 OsbHLHO02增强后者的转录激活能力,温诱导的ABA应答基因。外源施加ABA能増强植株花 其靶基因sTPP1介导海藻糖的合成,提高植物的耐絮的抗高温能力( Chao et al.,2017)。该研究为植物花 寒性。同时,此二者之间的互作抑制了 OsHO1与絮组织抵抗高温胁迫提供了直接的分子依据。 OsbHLH002的互作,进而减少了 OsbHLH002的泛素 化和降解过程( Zhang et al.2017z)。该研究通过转录332盐碱和干旱胁迫 因子 OsbhLH002,建立起激酶级联信号、渗透保护物干旱和盐碱胁迫严重影响植物的生长发育,对作物生 质和非生物胁迫之间的联系,揭示了 OS MAPK3-长造成了极大的危害。研究植物应答盐碱和干旱胁迫
404 植物学报 53(4) 2018 游, 参与调控CBF基因的表达。ICE1蛋白存在许多翻 译水平的修饰, 如SUMO化和磷酸化(Dong et al., 2006; Miura et al., 2007; Ding et al., 2015), 表明 ICE1蛋白的稳定性对调整植物的耐冷性十分重要, 但是ICE1蛋白水平的精密调控方式并不清楚。杨淑华 研究组和朱健康研究组以背靠背形式分别发文阐明 了这一过程。两个研究组发现, 拟南芥MPK3/6 (Mitogen-activated protein kinase 3/6)的激酶活性受低温 诱导激活; 激活的MPK3/6与ICE1互作并磷酸化ICE1 蛋白。该过程导致ICE1蛋白降解, 从而造成植物的抗 冻性降低(Li et al., 2017c; Zhao et al., 2017b)。此外, 杨淑华研究组还与李继刚研究组合作, 发现了光信号 关键转录因子PIF3 (Phytochrome-interacting factor 3)负调控植物的抗冻性。PIF3基因突变使植物的抗冻 能力增强, 而过表达PIF3的植物表现出冻敏感表型。 进一步研究证实, 在常温光照下, PIF3蛋白与E3泛素 连接酶EBF1和EBF2 (EIN3 binding F-box 1/2)互作, 通 过 26S 蛋白酶体途径降解 ; 低温黑暗下促使 EBF1/2蛋白降解, 从而使PIF3蛋白更加稳定(Jiang et al., 2017a)。另外, 该研究组也对BR在植物抗冻过 程中的作用进行了探索, 发现油菜素内酯信号通路中 的蛋白激酶BIN2 (Brassinosteroid insensitive 2)和下 游关键转录因子BZR1 (Bassinazole-resistant 1)在植 物抗冻过程中发挥非常重要的作用。当突变BIN2及其 同源基因时, 植株表现出抗冻表型; 过表达BIN2则使 植物的抗冻能力大大减弱。进一步研究发现, BZR1 作用于CBF的上游, 通过正调节CBF基因的表达进而 调控植物的抗冻性。此外, BZR1还通过不依赖CBF的 途径调控植物的抗冻性(Li et al., 2017d)。 其次, 水稻中也存在以OsICE1为主要节点的寒 害耐受机制, 种康研究组在水稻中发现了与拟南芥 MAPK-ICE1不同的耐寒信号途径。他们对以OsbHLH002/OsICE1为核心的调控途径进行了研究, 发 现当水稻遇到低温胁迫时, OsMAPK3被激活, 通过 直接磷酸化OsbHLH002增强后者的转录激活能力, 其靶基因OsTPP1介导海藻糖的合成, 提高植物的耐 寒性。同时, 此二者之间的互作抑制了OsHOS1与 OsbHLH002的互作, 进而减少了OsbHLH002的泛素 化和降解过程(Zhang et al., 2017z)。该研究通过转录 因子OsbHLH002, 建立起激酶级联信号、渗透保护物 质和非生物胁迫之间的联系, 揭示了OsMAPK3- OsbHLH002-OsTPP1调控水稻对低温响应和耐受的 新途径, 对水稻分子设计育种具有重要的理论意义。 水稻孕穗期是关乎水稻产量和品质的关键时期。 若水稻在该时期遭受低温胁迫则会导致水稻谷粒不 能正常发育而严重减产。李自超研究组通过构建水稻 孕穗期耐冷粳稻“昆明小白谷”和冷敏感粳稻“十 和田”的近等基因系, 利用QTL方法鉴定到1个水稻 孕穗期耐冷基因CTB4a (Cold tolerance at booting stage)。该基因编码1个类受体蛋白激酶, 其与 ATPase的β亚基AtpB互作, 从而增强水稻在低温下 的ATP酶活性和ATP的含量。此过程可增强水稻花粉 的育性, 从而提高水稻的结实率和产量。单倍型分析 表明, 耐冷单倍型Tej-Hap-KMXBG是温带粳稻(Temperate japonica)驯化过程中在特定低温环境中产生 的新等位基因(Zhang et al., 2017aa)。该研究系统阐 释了水稻在育性阶段抵抗低温胁迫的生理及分子机 制, 为培育水稻耐冷新品种提供了线索。 植物生殖阶段是保证植物产量的关键。刘建祥研 究组与常芳研究组合作, 通过转录组分析挖掘出大量 参与拟南芥生殖器官对高温胁迫响应过程的基因, 包 括花药和胚珠发育早期相关基因、减数分裂早期基因 和UPR (Unfolded protein response)通路相关基因 (Zhang et al., 2017s)。该成果揭示了植物生殖组织抵 抗高温的分子机理, 为理解UPR通路在植物高温下 育性中的作用提供了直接的分子证据。植物的花器官 对高温极为敏感, 但是, 关于植物花絮抵抗高温胁迫 的分子机理研究不多。陈晓亚研究组揭示了植物花絮 抵抗高温胁迫的分子机理。他们发现突变SPL1和 SPL12 (Squamosa promoter binding protein like 1/12)基因可造成植物花絮对高温超敏感, 过表达 SPL1/12则使植物在生殖生长阶段表现出极高的抗 高温能力。进一步研究表明, 在花絮组织中, SPL1和 SPL12在高温调控的转录重编程(transcriptional reprogramming)中发挥重要作用。这其中包含了一些高 温诱导的ABA应答基因。外源施加ABA能增强植株花 絮的抗高温能力(Chao et al., 2017)。该研究为植物花 絮组织抵抗高温胁迫提供了直接的分子依据。 3.3.2 盐碱和干旱胁迫 干旱和盐碱胁迫严重影响植物的生长发育, 对作物生 长造成了极大的危害。研究植物应答盐碱和干旱胁迫
陈凡等:2017年中国植物科学若干领域重要研究进展405 的分子机制,是提高植物抗盐碱和抗旱的有效手段之基因的表达严重受阻。免疫沉淀和质谱分析显示, 在自然界中,植物通常会通过胁迫记忆( stress NUP85、HOS1、其它核孔蛋白及中介体亚基结合在 memory)来快速应对遭遇的胁迫。光信号是否参与了 起形成nup107-160复合体。进一步分析发现,在 胁迫记忆响应目前还不清楚。华学军研究组发现,植MED18与NUP85之间有直接的物理交互作用。与 物对盐胁迫诱导的脯氨酸积累是可记忆的。脯氨酸作NUP85突变相似,med18突变体也可减弱相关应答基 为1种代谢产物能够在逆境胁迫下快速积累以应对所因的表达( Zhu et a,2017e)。该研究不仅揭示了 遭遇的伤害。当植物再次遭受盐胁迫时,脯氨酸合成NUP85及其它核孔蛋白参与调节ABA和盐胁迫反应 酶P5cS1(△1- pyrroline-5- carboxylatesynthetase1)的过程,还揭示了核孔蛋白复合体及中介体复合体调 基因表达显著增强,并且这种记忆诱导依赖光。进 控干旱基因表达的分子机制。此外,该研究组还利用 步研究发现,光信号重要组分HY5能够直接结合到生物化学等方法,对已知的ABA受体激动剂AM1的 尸5CS1启动子区的cA-box顺式元件上,调控盐胁迫苯甲基环人为添加氟原子,得到了1种新的ABA活性 诱导的P5CS1的H3K4me3甲基化修饰,进而调控类似物AMF4AMF4可与ABA受体PYL形成更多的氢 P5CS1在胁迫条件下的转录记忆( Feng et al,2016)。键,显著增强其对ABA受体的亲和性。外源喷施AMF 该研究揭示了1种全新的植物应对胁迫环境所产生的能持续抑制气孔的开放和激活干旱逆境响应基因,有 胁迫记忆调节机制。 效提高植物的抗旱能力。在拟南芥和大豆中,过表达 AHKT1(High- affinity potassium transporter1)ABA受体家族成员PYL2的转基因植株,可进一步增 编码1个KNa共转运体,是植物耐盐所必须的关键强AMF4化合物的效果( Cao et al,2017)。该研究提 基因。晁代印研究组发现, AtHKT1的自然变异确实影出了通过跨学科交叉来提高作物抗逆性的新理念 响了拟南芥的耐盐性。之前的研究发现,沿海地区的PP2C-A磷酸酶在ABA信号途径和干旱胁迫中发挥重 AtHKT1弱等位基因品种Tsu-1在盐胁迫下花中的钠要作用。但是人们对自然变异的PP2CA基因直接影 含量降低。相关性分析显示, AtHKT1的表达水平与拟响干旱胁迫的分子机制并不十分清楚。代明球研究组 南芥对盐的适应性呈正相关。 AtHKT1基因是影响野利用368个不同玉米品种对ZmPP2CA家族基因进行 生型与Tsu-1对盐适应性不同的关键基因。此外,嫁关联分析,发现干旱响应基因ZmPP2CA-0与干旱 接实验揭示Tsu-1的耐盐性由地上部的AHKT1基因胁迫紧密相关。玉米栽培品种耐干旱的程度与Zm- 决定,而Co0的耐盐性由根中的AHKT1基因决定。PP2C-A-10基因表达呈负相关。同时,与其拟南芥中 进一步研究发现,Tsu-1的 AtHKT1基因在茎中高表的同源基因类似,ZmPP2C-A-10同样与玉米ABA受 达,并且比野生型的 AtHKT1基因更能限制花中的钠体 ZmPYL及激酶 ZmSnRK2互作,暗示ZmPP2C 积累,使得Tsu-1在盐胁迫下比Col-0具有更高的育A-10可能参与调控玉米中ABA信号响应。过表达 性,有助于Tsu-1对沿海环境的适应( An et al.,ZmPP2CA-10转基因植株负调控玉米的抗旱性。进 2017b)。该研究不仅证明了AHKT1基因在植物盐适步研究发现,在1个缺失片段的ZmPP2CA-10自 应性中的作用,还揭示了植物新的耐盐机制。 然变异品种中,ZmPP2CA-10基因的5-UTR区内质 核孔蛋白复合体( nuclear pore complex,NPC)网应激响应元件(ERSE)缺失,该段缺失导致内质网 是核被膜上沟通核质和细胞质的复杂隧道结构,由多应激响应所诱导的ZmPP2C-A-10基因表达被抑制, 种核孔蛋白构成,研究表明,在植物中NPC参与非生从而提高了玉米的抗旱性( Xiang et al.,2017b)。该研 物胁迫过程,但其调控机制尚不清楚。朱健康研究组究揭示了内质网应激响应与抗旱性的关联性,为培育 利用正向遗传学方法在sic-1( sickle-1)突变体背景下抗旱栽培玉米品种提供了基因资源。 筛选到1个抑制因子,该抑制因子由NUP85(Muce opm85基因突变所致。研究结果表明,ABA与盐胁34营养转运与胁迫适应 迫诱导了RD29A、cOR15A和COR47等基因的表达。341磷的转运与胁迫适应 在nup85突变体和其它核孔突变体(如nup160)中,磷(P)是植物生长发育与繁殖必需的营养元素之 ABA与盐胁迫诱导的RD29A、COR15A和COR47等在植物体内参与光合作用、呼吸作用和能量储存等过
陈凡等: 2017 年中国植物科学若干领域重要研究进展 405 的分子机制, 是提高植物抗盐碱和抗旱的有效手段之 一。在自然界中, 植物通常会通过胁迫记忆(stress memory)来快速应对遭遇的胁迫。光信号是否参与了 胁迫记忆响应目前还不清楚。华学军研究组发现, 植 物对盐胁迫诱导的脯氨酸积累是可记忆的。脯氨酸作 为1种代谢产物能够在逆境胁迫下快速积累以应对所 遭遇的伤害。当植物再次遭受盐胁迫时, 脯氨酸合成 酶P5CS1 (∆1-pyrroline-5-carboxylatesynthetase 1) 基因表达显著增强, 并且这种记忆诱导依赖光。进一 步研究发现, 光信号重要组分HY5能够直接结合到 P5CS1启动子区的C/A-box顺式元件上, 调控盐胁迫 诱导的P5CS1的H3K4me3甲基化修饰, 进而调控 P5CS1在胁迫条件下的转录记忆(Feng et al., 2016)。 该研究揭示了1种全新的植物应对胁迫环境所产生的 胁迫记忆调节机制。 AtHKT1 (High-affinity potassium transporter 1) 编码1个K+ /Na+ 共转运体, 是植物耐盐所必须的关键 基因。晁代印研究组发现, AtHKT1的自然变异确实影 响了拟南芥的耐盐性。之前的研究发现, 沿海地区的 AtHKT1弱等位基因品种Tsu-1在盐胁迫下花中的钠 含量降低。相关性分析显示, AtHKT1的表达水平与拟 南芥对盐的适应性呈正相关。AtHKT1基因是影响野 生型与Tsu-1对盐适应性不同的关键基因。此外, 嫁 接实验揭示Tsu-1的耐盐性由地上部的AtHKT1基因 决定, 而Col-0的耐盐性由根中的AtHKT1基因决定。 进一步研究发现, Tsu-1的AtHKT1基因在茎中高表 达, 并且比野生型的AtHKT1基因更能限制花中的钠 积累, 使得Tsu-1在盐胁迫下比Col-0具有更高的育 性 , 有助于 Tsu-1 对沿海环境的适应 (An et al., 2017b)。该研究不仅证明了AtHKT1基因在植物盐适 应性中的作用, 还揭示了植物新的耐盐机制。 核孔蛋白复合体(nuclear pore complex, NPC) 是核被膜上沟通核质和细胞质的复杂隧道结构, 由多 种核孔蛋白构成, 研究表明, 在植物中NPC参与非生 物胁迫过程, 但其调控机制尚不清楚。朱健康研究组 利用正向遗传学方法在sic-1 (sickle-1)突变体背景下 筛选到1个抑制因子, 该抑制因子由NUP85 (Nucleoporin 85)基因突变所致。研究结果表明, ABA与盐胁 迫诱导了RD29A、COR15A和COR47等基因的表达。 在nup85突变体和其它核孔突变体(如nup160)中, ABA与盐胁迫诱导的RD29A、COR15A和COR47等 基因的表达严重受阻。免疫沉淀和质谱分析显示, NUP85、HOS1、其它核孔蛋白及中介体亚基结合在 一起形成nup107-160复合体。进一步分析发现, 在 MED18与NUP85之间有直接的物理交互作用。与 NUP85突变相似, med18突变体也可减弱相关应答基 因的表达(Zhu et al., 2017e)。该研究不仅揭示了 NUP85及其它核孔蛋白参与调节ABA和盐胁迫反应 的过程, 还揭示了核孔蛋白复合体及中介体复合体调 控干旱基因表达的分子机制。此外, 该研究组还利用 生物化学等方法, 对已知的ABA受体激动剂AM1的 苯甲基环人为添加氟原子, 得到了1种新的ABA活性 类似物AMF4。AMF4可与ABA受体PYL形成更多的氢 键, 显著增强其对ABA受体的亲和性。外源喷施AMF 能持续抑制气孔的开放和激活干旱逆境响应基因, 有 效提高植物的抗旱能力。在拟南芥和大豆中, 过表达 ABA受体家族成员PYL2的转基因植株, 可进一步增 强AMF4化合物的效果(Cao et al., 2017)。该研究提 出了通过跨学科交叉来提高作物抗逆性的新理念。 PP2C-A磷酸酶在ABA信号途径和干旱胁迫中发挥重 要作用。但是人们对自然变异的PP2C-A基因直接影 响干旱胁迫的分子机制并不十分清楚。代明球研究组 利用368个不同玉米品种对ZmPP2C-A家族基因进行 关联分析, 发现干旱响应基因ZmPP2C-A-10与干旱 胁迫紧密相关。玉米栽培品种耐干旱的程度与ZmPP2C-A-10基因表达呈负相关。同时, 与其拟南芥中 的同源基因类似, ZmPP2C-A-10同样与玉米ABA受 体 ZmPYL及激酶 ZmSnRK2互 作 , 暗示 ZmPP2CA-10可能参与调控玉米中ABA信号响应。过表达 ZmPP2C-A-10转基因植株负调控玉米的抗旱性。进 一步研究发现, 在1个缺失片段的ZmPP2C-A-10自 然变异品种中, ZmPP2C-A-10基因的5′-UTR区内质 网应激响应元件(ERSE)缺失, 该段缺失导致内质网 应激响应所诱导的ZmPP2C-A-10基因表达被抑制, 从而提高了玉米的抗旱性(Xiang et al., 2017b)。该研 究揭示了内质网应激响应与抗旱性的关联性, 为培育 抗旱栽培玉米品种提供了基因资源。 3.4 营养转运与胁迫适应 3.4.1 磷的转运与胁迫适应 磷(Pi)是植物生长发育与繁殖必需的营养元素之一, 在植物体内参与光合作用、呼吸作用和能量储存等过