406植物学报53(4)2018 程,促进植物的生长与发育。过去研究发现,当植物低时出现,与NO3浓度无关。突变体根中K与NO3 面对磷缺乏的环境时,会表现出一系列的适应性生长浓度均高于野生型,地上部则相反,木质部分泌液中 变化来增强磷的获取和利用。这些生长发育的改变很K浓度也显著降低,说明突变体中K与NO3从根向 多都是由1个重要的MYB转录因子PHR1(PHOS-地上部运输受阻。对Sko和chx21,以及nrt17和 PHATE STARVATION RESPONSE1)调控。但是nr18在低钾条件下的分析表明,NRT15自身在将K PHR1响应磷缺乏和其它环境信号来启动磷缺乏反应运输至木质部的过程中具重要作用,且不依赖于 的分子机理目前尚不清楚。王海洋研究组发现,光作SKOR。推测NRT17和NRT18可能不直接参与K的 为调控植物生长和发育最重要的环境信号因子之一,运输。利用非洲爪蟾卵母细胞分析NRT15在K运输 可促进PHR1基因的表达。3个重要的光信号转导因子中的作用,发现蛋白结构直接与运输活性相关,胞外 (FHY3、FAR1和HY5)可直接与PHR1的启动子结合,pH值越高,运输活性越低。进一步分析发现,NRT15 其中FHY3和FAR促进,而HY5抑制PHR的转录。主要将K从胞内运输至胞外,将H从胞外运输至胞 另外,植物激素乙烯通过其信号转导关键转录因子内,且不受NO3ˉ的影响。电压钳技术(TEVC)分析显 E|N3直接激活PHR1的转录。FHY3还可与EN3直接示,NRT15主要调节H和K的电中性运输 Li et al 互作,而HY5能抑制FHY3和EN3对PHR1的转录激2017e)。该研究揭示了NRT15NPF73在植物体内是 活。光和乙烯均可促进FHY3蛋白的积累,而乙烯可1个HK逆向转运体,对KNa在体内的分布具重要 抑制HY5蛋白的积累( Liu et al.,201⑦)。该研究揭示的调控作用。 了PHR1响应植物磷缺乏的分子机理,为培育磷高效 此外,康国章研究组发现,茉莉酸在植物对钾离 利用作物新品种提供了理论依据 子胁迫响应过程中起重要作用。他们基于质谱蛋白质 此外,Pi缺乏还会诱导根系结构重塑。刘栋研究组学分析,发现植物在缺钾条件下差异表达的蛋白质 组发现拟南芥突变体hps10在P供应充足的条件下,大部分为参与JA合成的蛋白。丙二烯氧合酶( TaAOs) 形态正常,但在Pi缺乏条件下,表现出主根生长受阻,是JA合成途径的关键酶,其在缺钾小麦幼苗中的表 侧根增多的表型。分析发现,hps10是ALS3基因的等达显著上升,引起K和JA含量显著升高以此响应钾 位基因(as3-3),与铝毒的耐受性有关。进一步研究发胁迫。同时水稻中 OSAOS的功能缺失会增强植物对 现,as33是单基因控制的隐性突变,在缺門i条件下,钾胁迫的敏感性 Li et al,2017b)。该研究为深入探索 as33突变体根系中累积大量的Fe3。酵母双杂交以植物响应钾缺乏的分子机制提供了新线索。 及 Western Blot等分析发现,ALS3及其互作蛋白 AtSTAR在液泡膜中形成ATP结合盒(ABC转运蛋343其它营养元素 白复合物。在拟南芥中,L尸R1和LPR2编码铁氧化酶,氮占植物干重的1%-3%,在植物生命活动中具重要 LPR12突变后,其根中的Fe3积累量降低,根系生作用。作物自身进行生物固氮一直是人们关注的热 长对P缺乏不敏感。经研究证实,ALS3和LPR1/2在相点。生物固氮是一个高能耗过程,需要消耗大量的 同的调控途径中发挥作用,缺Pi诱导的as3-3根系结ATP和还原力。因此,实现植物自主固氮需解决的首 构重塑可能是由于其根中Fe”的过度累积所致(Dong要问题是将固氮酶系统导入植物细胞。固氮酶系统包 etal,2017b)。 括电子传递链(ETC)、金属原子簇和核心酶三大模块, 其中电子传递链提供固氮过程中所必需的大量还原 342钾的转运与胁迫适应 力。前期研究表明,叶绿体、白体或线粒体是真核生 钾在植物生长发育中发挥重要作用。植物根系吸收K物中表达固氮酶的适宜场所。因此,开展不同固氮酶 和植物体内运输K主要依靠K通道和K转运蛋白。目体系与这些潜在宿主靶细胞器中原有功能元件之间 前,普遍认为№O3的吸收和转运与κ耦联。王毅研究的适配性研究,是最终实现植物自主固氮的重要步 组利用正向遗传学方法鉴定到编码NRT15NPF7.3骤。王忆平研究组对来自质体和线粒体中的ETC模块 的基因LKS2。拟南芥LKS2突变后,对低浓度K表现是否能使大肠杆菌中MoFe和FeFe固氮系统具有活 出敏感表型,叶片萎黄、干重减轻,且仅在κ浓度偏性进行了探究。他们发现来自莱茵衣藻、拟南芥、玉
406 植物学报 53(4) 2018 程, 促进植物的生长与发育。过去研究发现, 当植物 面对磷缺乏的环境时, 会表现出一系列的适应性生长 变化来增强磷的获取和利用。这些生长发育的改变很 多都是由1个重要的MYB转录因子PHR1 (PHOSPHATE STARVATION RESPONSE1)调控。但是 PHR1响应磷缺乏和其它环境信号来启动磷缺乏反应 的分子机理目前尚不清楚。王海洋研究组发现, 光作 为调控植物生长和发育最重要的环境信号因子之一, 可促进PHR1基因的表达。3个重要的光信号转导因子 (FHY3、FAR1和HY5)可直接与PHR1的启动子结合, 其中FHY3和FAR1促进, 而HY5抑制PHR1的转录。 另外, 植物激素乙烯通过其信号转导关键转录因子 EIN3直接激活PHR1的转录。FHY3还可与EIN3直接 互作, 而HY5能抑制FHY3和EIN3对PHR1的转录激 活。光和乙烯均可促进FHY3蛋白的积累, 而乙烯可 抑制HY5蛋白的积累(Liu et al., 2017j)。该研究揭示 了PHR1响应植物磷缺乏的分子机理, 为培育磷高效 利用作物新品种提供了理论依据。 此外, Pi缺乏还会诱导根系结构重塑。刘栋研究 组发现拟南芥突变体hps10在Pi供应充足的条件下, 形态正常, 但在Pi缺乏条件下, 表现出主根生长受阻, 侧根增多的表型。分析发现, hps10是ALS3基因的等 位基因(als3-3), 与铝毒的耐受性有关。进一步研究发 现, als3-3是单基因控制的隐性突变, 在缺Pi条件下, als3-3突变体根系中累积大量的Fe3+。酵母双杂交以 及Western Blot等分析发现, ALS3及其互作蛋白 AtSTAR1在液泡膜中形成ATP结合盒(ABC)转运蛋 白复合物。在拟南芥中, LPR1和LPR2编码铁氧化酶, LPR1/2突变后, 其根中的Fe3+积累量降低, 根系生 长对Pi缺乏不敏感。经研究证实, ALS3和LPR1/2在相 同的调控途径中发挥作用, 缺Pi诱导的als3-3根系结 构重塑可能是由于其根中Fe3+的过度累积所致(Dong et al., 2017b)。 3.4.2 钾的转运与胁迫适应 钾在植物生长发育中发挥重要作用。植物根系吸收K+ 和植物体内运输K+ 主要依靠K+ 通道和K+ 转运蛋白。目 前, 普遍认为NO3 – 的吸收和转运与K+ 耦联。王毅研究 组利用正向遗传学方法鉴定到编码NRT1.5/NPF7.3 的基因LKS2。拟南芥LKS2突变后, 对低浓度K+ 表现 出敏感表型, 叶片萎黄、干重减轻, 且仅在K+ 浓度偏 低时出现, 与NO3 – 浓度无关。突变体根中K+ 与NO3 – 浓度均高于野生型, 地上部则相反, 木质部分泌液中 K+ 浓度也显著降低, 说明突变体中K+ 与NO3 – 从根向 地上部运输受阻。对Skor和chx21, 以及nrt1.7和 nrt1.8在低钾条件下的分析表明, NRT1.5自身在将K+ 运输至木质部的过程中具重要作用, 且不依赖于 SKOR。推测NRT1.7和NRT1.8可能不直接参与K+ 的 运输。利用非洲爪蟾卵母细胞分析NRT1.5在K+ 运输 中的作用, 发现蛋白结构直接与运输活性相关, 胞外 pH值越高, 运输活性越低。进一步分析发现, NRT1.5 主要将K+ 从胞内运输至胞外, 将H+ 从胞外运输至胞 内, 且不受NO3 – 的影响。电压钳技术(TEVC)分析显 示, NRT1.5主要调节H+ 和K+ 的电中性运输(Li et al., 2017e)。该研究揭示了NRT1.5/NPF7.3在植物体内是 1个H+ /K+ 逆向转运体, 对K+ /Na+ 在体内的分布具重要 的调控作用。 此外, 康国章研究组发现, 茉莉酸在植物对钾离 子胁迫响应过程中起重要作用。他们基于质谱蛋白质 组学分析, 发现植物在缺钾条件下差异表达的蛋白质 大部分为参与JA合成的蛋白。丙二烯氧合酶(TaAOS) 是JA合成途径的关键酶, 其在缺钾小麦幼苗中的表 达显著上升, 引起K+ 和JA含量显著升高以此响应钾 胁迫。同时水稻中OsAOS的功能缺失会增强植物对 钾胁迫的敏感性(Li et al., 2017b)。该研究为深入探索 植物响应钾缺乏的分子机制提供了新线索。 3.4.3 其它营养元素 氮占植物干重的1%–3%, 在植物生命活动中具重要 作用。作物自身进行生物固氮一直是人们关注的热 点。生物固氮是一个高能耗过程, 需要消耗大量的 ATP和还原力。因此, 实现植物自主固氮需解决的首 要问题是将固氮酶系统导入植物细胞。固氮酶系统包 括电子传递链(ETC)、金属原子簇和核心酶三大模块, 其中电子传递链提供固氮过程中所必需的大量还原 力。前期研究表明, 叶绿体、白体或线粒体是真核生 物中表达固氮酶的适宜场所。因此, 开展不同固氮酶 体系与这些潜在宿主靶细胞器中原有功能元件之间 的适配性研究, 是最终实现植物自主固氮的重要步 骤。王忆平研究组对来自质体和线粒体中的ETC模块 是否能使大肠杆菌中MoFe和FeFe固氮系统具有活 性进行了探究。他们发现来自莱茵衣藻、拟南芥、玉
陈凡等:2017年中国植物科学若干领域重要研究进展407 米、水稻和小麦的质体铁氧还蛋白与(铁氧还蛋白)氧片和茎秆等器官的表面,对植物具有重要的保护作 化还原酶NifJ组成杂合ETC,能将电子直接传递至固用。目前,表皮毛作为表皮细胞分化和形态建成研究 氮酶,从而不同程度地激活MoFe和FeFe固氮系统,的模式已得到广泛研究,然而关于水稻表皮毛发育的 而线粒体铁氧还蛋白却无此活性。他们还发现来自植遗传基础和分子机理还不清楚。余四斌研究组发现, 物的FNRs与Ni组成的杂合ETC模块不能激活固氮HL6( Hairy Leaf6)编码1个AP2/ERF转录因子,可转 酶系统;而与 As FdxH组成的杂合模块可部分恢复固录调控水稻表皮毛的伸长。HL6与调控水稻表皮毛起 氮酶活性,且来自拟南芥的MFDR与 AsFdxB组合时始的关键因子 OsWOX3B存在互作,其调控表皮毛的 能将电子传递至固氮酶。对2个模块进行活性检测后,伸长依赖于有功能的 OsWOX3B。同时,HL6与Os- 发现由植物质体的FNRs与铁氧化还原蛋白组成的完WOx3B也存在分子互作,它们形成蛋白复合体共同 整ETC均能部分恢复固氮酶系统活性,而各自独立存调控生长素代谢相关基因的表达,影响生长素的含量 在时以及来自线粒体的组分不具有活性( Yang et al,与分布,进而调控表皮毛的起始和伸长。HL6除了调 2017d)。该研究对实现植物自主固氮这一终极目标具控表皮毛的发育外,还影响水稻的产量性状。群体遗 有极其重要的指导意义 传学分析表明,HL6在水稻驯化过程中受到了强烈的 铜是植物正常生命活动所必需的7种微量元素之负向选择,导致现有栽培稻中HL6有毛等位基因的频 其不仅参与植物生长发育过程中的多种代谢反应,率稀少( Sun et al.,2017c)。该研究揭示了HL6和 还可作为辅助因子在乙烯受体的生物合成及特定功 OsWOX3B参与生长素介导的水稻表皮毛发育的调 能中发挥重要作用。拟南芥中铜转运蛋白RAN1控机制,对利用HL6改良水稻的叶片及产量等性状具 ( RESPONSIVE-TO-ANTAGONIST1)为铜离子转运有重要的指导意义。 所必需,但铜离子如何被运输至RAN1以及如何影响 细胞壁是植物细胞的特征性结构之一,细胞壁上 乙烯受体的合成尚不清楚。赵阳研究组鉴定到1个新乙酰化修饰的丰度与分布在不同植物及不同发育阶 型化学小分子 tripling,其可通过螯合铜离子激活乙烯段被严格调控。周奕华研究组与储成才研究组合作发 信号通路,从而导致暗生长的拟南芥幼苗表现出三重现了1个水稻脆鞘并矮生突变体bs1。BS亻基因编码1 反应表型。乙烯抗性突变体etr1-1和ein2对 tripling也有个GDSL酯酶家族( Plant GDSL lipase/esterase-like 抗性,而铜转运蛋白的突变体ran1-1和ran1-2对 family)成员,定位于多糖“合成工厂”高尔基体上。 tripling高度敏感,在培养基上添加铜离子可部分回复通过对野生型和突变体细胞壁成分与结构进行分析, 由 Tripling导致的植株表型。质谱分析显示, tripling可结发现bs1突变体细胞壁中总乙酰酯含量升高,且差异 合铜离子。与已知的螯合剂相比, tripling表现出更好的来自水稻中最主要的半纤维素木聚糖。核磁共振 铜离子结合特异性并可抑制过量铜离子对根系生长(HsQ∽)分析进一步明确了突变体中乙酰化修饰变异 的毒副作用。AT×1( ANTIOXIDANT PROTE|N1)的位置。重组BS1蛋白具有特异的木聚糖乙酰酯酶活 的突变体对 tripling也敏感,但敏感程度低于ran1-1和性,反应产物得到了液相质谱(LC-QTOF)与核磁共 ran1-2,表明AT×1可能作用于铜转运蛋白RAN1的振分析的验证,表明BS1确为木聚糖乙酰酯酶。BS1 上游。亚细胞定位结果显示,ATX1和RAN1共定位于在富含次生壁的维管束和厚壁组织中高表达,影响木 内质网。酵母双杂交及Co-P实验表明,AⅨ1与RA-质部导管的结构,进而影响植株形态等农艺性状 N1存在互作( Li et al,2017)。该研究证实了铜离子为( Zhang et al,2017c)。该研究不仅发现了细胞壁乙酰 乙烯受体生物合成所必需,并揭示了其信号转导是从化修饰存在去乙酰化过程,也首次提出了细胞壁乙酰 ATX1到RAN1最后到乙烯受体 化修饰调控的新理论——双向调控理论。 巫永睿研究组对经典玉米胚乳粉质突变体 4发育、代谢与生殖生物学 floury3进行了基因克隆和功能解析,发现突变体千粒 重比野生型下降近60%,但对营养和生殖生长没有明 41植物发育生物学 显的影响。FL3基因编码1个 PLATZ( plant AT-rich 表皮毛是特化的植物表皮细胞,广泛分布于植物的叶 sequence- and zinc- binding)家族蛋白,其 PLATZ结
陈凡等: 2017 年中国植物科学若干领域重要研究进展 407 米、水稻和小麦的质体铁氧还蛋白与(铁氧还蛋白)氧 化还原酶NifJ组成杂合ETC, 能将电子直接传递至固 氮酶, 从而不同程度地激活MoFe和FeFe固氮系统, 而线粒体铁氧还蛋白却无此活性。他们还发现来自植 物的FNRs与NifF组成的杂合ETC模块不能激活固氮 酶系统; 而与AsFdxH组成的杂合模块可部分恢复固 氮酶活性, 且来自拟南芥的MFDR与AsFdxB组合时 能将电子传递至固氮酶。对2个模块进行活性检测后, 发现由植物质体的FNRs与铁氧化还原蛋白组成的完 整ETC均能部分恢复固氮酶系统活性, 而各自独立存 在时以及来自线粒体的组分不具有活性(Yang et al., 2017d)。该研究对实现植物自主固氮这一终极目标具 有极其重要的指导意义。 铜是植物正常生命活动所必需的7种微量元素之 一。其不仅参与植物生长发育过程中的多种代谢反应, 还可作为辅助因子在乙烯受体的生物合成及特定功 能中发挥重要作用。拟南芥中铜转运蛋白RAN1 (RESPONSIVE-TO-ANTAGONIST1)为铜离子转运 所必需, 但铜离子如何被运输至RAN1以及如何影响 乙烯受体的合成尚不清楚。赵阳研究组鉴定到1个新 型化学小分子triplin, 其可通过螯合铜离子激活乙烯 信号通路, 从而导致暗生长的拟南芥幼苗表现出三重 反应表型。乙烯抗性突变体etr1-1和ein2对triplin也有 抗性, 而铜转运蛋白的突变体ran1-1和ran1-2对 triplin高度敏感, 在培养基上添加铜离子可部分回复 由triplin导致的植株表型。质谱分析显示, triplin可结 合铜离子。与已知的螯合剂相比, triplin表现出更好的 铜离子结合特异性并可抑制过量铜离子对根系生长 的毒副作用。ATX1 ( ANTIOXIDANT PROTEIN 1) 的突变体对triplin也敏感, 但敏感程度低于ran1-1和 ran1-2, 表明ATX1可能作用于铜转运蛋白RAN1的 上游。亚细胞定位结果显示, ATX1和RAN1共定位于 内质网。酵母双杂交及Co-IP实验表明, ATX1与RAN1存在互作(Li et al., 2017l)。该研究证实了铜离子为 乙烯受体生物合成所必需, 并揭示了其信号转导是从 ATX1到RAN1最后到乙烯受体。 4 发育、代谢与生殖生物学 4.1 植物发育生物学 表皮毛是特化的植物表皮细胞, 广泛分布于植物的叶 片和茎秆等器官的表面, 对植物具有重要的保护作 用。目前, 表皮毛作为表皮细胞分化和形态建成研究 的模式已得到广泛研究, 然而关于水稻表皮毛发育的 遗传基础和分子机理还不清楚。余四斌研究组发现, HL6 (Hairy Leaf 6)编码1个AP2/ERF转录因子, 可转 录调控水稻表皮毛的伸长。HL6与调控水稻表皮毛起 始的关键因子OsWOX3B存在互作, 其调控表皮毛的 伸长依赖于有功能的OsWOX3B。同时, HL6与OsWOX3B也存在分子互作, 它们形成蛋白复合体共同 调控生长素代谢相关基因的表达, 影响生长素的含量 与分布, 进而调控表皮毛的起始和伸长。HL6除了调 控表皮毛的发育外, 还影响水稻的产量性状。群体遗 传学分析表明, HL6在水稻驯化过程中受到了强烈的 负向选择, 导致现有栽培稻中HL6有毛等位基因的频 率稀少(Sun et al., 2017c)。该研究揭示了HL6和 OsWOX3B参与生长素介导的水稻表皮毛发育的调 控机制, 对利用HL6改良水稻的叶片及产量等性状具 有重要的指导意义。 细胞壁是植物细胞的特征性结构之一, 细胞壁上 乙酰化修饰的丰度与分布在不同植物及不同发育阶 段被严格调控。周奕华研究组与储成才研究组合作发 现了1个水稻脆鞘并矮生突变体bs1。BS1基因编码1 个GDSL酯酶家族(Plant GDSL lipase/esterase-like family)成员, 定位于多糖“合成工厂”高尔基体上。 通过对野生型和突变体细胞壁成分与结构进行分析, 发现bs1突变体细胞壁中总乙酰酯含量升高, 且差异 来自水稻中最主要的半纤维素木聚糖。核磁共振 (HSQC)分析进一步明确了突变体中乙酰化修饰变异 的位置。重组BS1蛋白具有特异的木聚糖乙酰酯酶活 性, 反应产物得到了液相质谱(LC-QTOF)与核磁共 振分析的验证, 表明BS1确为木聚糖乙酰酯酶。BS1 在富含次生壁的维管束和厚壁组织中高表达, 影响木 质部导管的结构, 进而影响植株形态等农艺性状 (Zhang et al., 2017c)。该研究不仅发现了细胞壁乙酰 化修饰存在去乙酰化过程, 也首次提出了细胞壁乙酰 化修饰调控的新理论——双向调控理论。 巫永睿研究组对经典玉米胚乳粉质突变体 floury3进行了基因克隆和功能解析, 发现突变体千粒 重比野生型下降近60%, 但对营养和生殖生长没有明 显的影响。FL3基因编码1个PLATZ (plant AT-rich sequence- and zinc-binding)家族蛋白, 其PLATZ结