中国科学家在解析独脚金内酯调控水稻株型的分子机制研究中取得突破性进展

阐明植物激素作用的分子机理一直是植物学研究的前沿和热点。如何调控作物的株型等重要农艺性状是绿色革命的核心内容。最近, 中国科学家在解析新型植物激素独脚金内酯的信号途径和阐明独脚金内酯调控水稻(Oryza sativa)株型的分子机制等方面所取得的重大原创成果入选“2014年度中国科学十大进展”。     

独脚金内酯调控植物侧枝发育的分子机制及其与生长素交互作用的研究进展

对独脚金内酯（strigolactones,SLs）调控植物侧枝发育的分子机制及其与生长素相互作用的相关研究结果进行了总结和归纳,在此基础上提出今后的重点研究方向。相关的研究结果显示：在拟南芥[Arabidops~thaliana（Linn．）Heynh．]、豌豆（Pisum sativum Linn．）和水稻（Oryza sativa Linn．）等植物多枝突变体中SLs作为可转导信号参与侧枝发育的分子调控,从这些植物中已克隆获得参与SLs生物合成及信号应答途径的一些基因。作为一种植物激素,SLs在侧枝发育调控网络中与生长素相互作用;腋芽发育与其中生长素的输出密切相关,SLs通过调控芽中生长素的输出间接抑制腋芽发育和侧枝生长,而生长素则在SLs生物合成中起调节作用。     

独脚金内酯调控侧枝发育的研究进展

植物通过内源激素或环境信号调控叶腋内腋芽的形成和发育,从而控制其分枝特性。独脚金内酯(strigolactones,SLs),一种产生于植物根部的类胡萝卜素衍生物,具有刺激寄生植物种子的萌发和促进丛枝菌根真菌菌丝分枝的作用,最近的研究表明,它还可以沿茎干向上运输,与生长素和细胞分裂素一起直接或间接抑制植物分枝,目前已经作为一种新的植物激素受到广泛认可。本文综述了独脚金内酯的结构、合成途径和生物活性,以及调控植物分枝的分子机理,并展望了其在抑制杂草或新型除草剂的研发、促进植物和有益真菌的共生,以及调控作物的分枝和株型等方面的应用前景。     

《自然》:调控水稻分枝蛋白获遗传学证实

<正>中国农业科学院作物科学研究所万建民课题组与南京农业大学作物遗传与种质改良国家重点实验室合作,首次在遗传和生化层面证实,D53蛋白可作为独脚金内酯信号途径的抑制子,参与调控植物分枝(蘖)的生长发育。相关成果于12月11日在线发表于《自然》杂志。万建民课题组利用一个部分显性水稻矮化多分蘖突变体进行了外源激素处理和内源激素测定。结果表明,d53是一个独脚金内酯不敏感突     

谷子β-胡萝卜素异构酶家族基因的表达与变异分析

株型是影响谷类作物产量的重要性状, 株型改良对提高作物产量具有重要意义。独脚金内酯(strigolactones, SLs)作为一种最新被鉴定的植物激素, 其通过抑制腋芽的伸长调控分枝/分蘖的形成。β-胡萝卜素异构酶(D27s)是SLs合成途径的关键酶, 通过对谷子(Setaria italica) β-胡萝卜素异构酶典型结构域Pfam:DUF4033进行分析, 鉴定到3个谷子D27s基因家族成员(Seita.8G168400、Seita.6G088800和Seita.3G050900)。蛋白质特性分析显示, 谷子D27s蛋白由271-277个氨基酸残基组成, 分子量为30.1-30.4 kDa, 等电点为5.85-9.31, 不稳定系数介于38.48-74.47之间, 且均定位于叶绿体; 系统进化分析发现, 谷子D27s家族成员位于3个不同进化分支; 顺式作用元件预测显示, SiD27-1 (Seita.8G168400)可能参与调控生物节律、生长素介导的生长发育以及干旱和低温等胁迫应答过程。基因表达分析显示, SiD27-1在谷子多分蘖材料中表达下调, 在低磷胁迫处理下, D27s基因均能产生不同程度的响应, 并且SiD27-1的响应较其它成员更快速。单倍型分析结果表明, SiD27-1的H001单倍型为优异单倍型, 对谷子的株高、抽穗期和产量改良具有重要应用价值。综上, 推测SiD27-1极可能在SLs合成中发挥关键作用并对谷子株型产生影响。研究结果为深入揭示D27s对谷子分蘖形成的调控机制奠定了基础, 也为谷子株型分子设计育种提供了优异的等位变异位点。     

独脚金内酯调控水稻分蘖的研究进展

水稻(Oryza sativa)作为世界上最主要的粮食作物之一, 对其主要农艺性状调控机理的研究具有重要意义。分蘖是水稻生长发育过程中一种特殊的分枝, 它不仅是与水稻产量密切相关的重要农艺性状, 也是揭示高等植物侧枝生长发育机制的理想模型。独脚金内酯(strigolactone, SL)是一类新型植物激素, 能够抑制植物分枝的生长发育。近年来, 关于SL合成与信号在调控水稻分蘖方面的研究取得了重要进展, 但对其信号转导的下游组分的研究还相对匮乏。该文综述了SL合成途径、信号途径及下游靶基因调控水稻分蘖的研究进展, 并与在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、豌豆(Pisum sativum)和矮牵牛(Petunia hybrida)中的研究进行了比较, 同时还对如何挖掘SL途径的新组分进行了讨论。     

独脚金素内酯及其信号转导通路的研究进展

独脚金素内酯（Strigolactones,SLs）是介导植物寄主与其寄生或共生生物互作的一种信号分子。SLs如何被不同的植物感知并发挥何种作用还不甚明晰。总结了天然SLs结构的多样性、生物学功能及其在植物体内的分布情况,并对植物中SLs的生物合成、信号转导途径和进化起源的研究进行了探讨。     

水稻半矮化多分蘖突变体f2-132的表型分析和基因定位

半矮化多分蘖突变体f2-132由60Co-γ辐射诱变粳稻品种F2-285A获得。遗传分析表明该性状受1对隐性基因控制,已将突变基因定位在第4染色体长臂上2个Indel标记C4-Z3和C4-Z4之间,物理距离为46 kb。该区间内包含一个已报道的多分蘖基因D17/HTD1,对f2-132中的D17基因测序发现编码区第395位的碱基由T突变为C,导致第132位的氨基酸由苯丙氨酸变成丝氨酸。D17/HTD1编码类胡萝卜素裂解双加氧酶7(CCD7,carotenoid cleavage dioxygenase 7),是植物激素独脚金内酯(SLs,strigolactones)合成途径中的重要酶之一。利用SLs的人工合成类似物GR24处理f2-132,其多分蘖表型受到抑制。     

一个新的水稻D17/HTD1基因等位突变体的分子鉴定

株高和分蘖是水稻重要的农艺性状,直接影响到产量。本研究从粳稻品种日本晴的组培苗后代中分离出一个可稳定遗传的半矮化多分蘖突变体t489,相比野生型,突变体株高明显下降、分蘖能力明显增强。遗传分析表明该性状受1对隐性基因控制。进一步基因鉴定发现,突变体中编码植物激素独脚金内酯(SLs,Strigolactones)合成途径中的类胡萝卜素裂解双加氧酶7即D17/HTD1基因编码区第916 bp位置的碱基由G突变为T,导致蛋白翻译提前终止,仅编码305个氨基酸组成的蛋白,但此突变并未造成该基因转录水平的改变。基于此突变位点开发的dCAPS-D17标记与突变体和日本晴构建的BC1F2群体中的矮化多分蘖植株共分离,这表明G916T突变与表型相关,t489可能是一个新的D17/HTD1等位突变体。     

拟南芥MAX2蛋白功能研究进展

独角金内酯(strigolactone, SLs)是一类新型植物激素,在植物生长发育的进程中发挥多种重要功能,包括调控植物的分枝,促进种子的萌发,以及影响根系建成等。MAX2 (more axillary growth 2)是SL信号传导途径的关键调控因子,位于合成途径基因MAX1、MAX3和MAX4的下游,几乎影响独脚金内酯所控制的所有表型。近年来,MAX2多样化的功能逐步得到揭示,大量数据表明MAX2不仅仅是SL信号的重要组分,同时也参与SL和多种激素信号间的交叉互作,在植物生长发育的各个环节,以及抵御生物和非生物胁迫的反应中都发挥至关重要的作用,但具体调控机制还有待更加深入的研究。对目前已知的MAX2功能进行了总结和阐述,以期为全面揭示MAX2功能及其调控多种激素信号的交叉机制提供理论参考。     

黄芪幼苗根系生长发育与GR24和IAA的关系北大核心CSCD

为探究独脚金内酯和生长素对黄芪根系生长发育的影响,该研究以膜荚黄芪和蒙古黄芪幼苗为材料,在种子萌发袋中添加不同浓度GR24和IAA(2μmol·L^(-1) GR24、5μmol·L^(-1) IAA和2μmol·L^(-1) GR24+5μmol·L^(-1) IAA),7 d后检测黄芪幼苗主根长和侧根数,并测定内源激素含量、生长素和独脚金内酯相关基因表达量的变化。结果表明:(1)GR24处理显著促进黄芪主根生长。(2)IAA处理下主根生长受到抑制,侧根数明显增加。(3)GR24+IAA处理下主根的生长同样受到抑制,膜荚黄芪侧根数较IAA处理下减少,说明GR24有抑制IAA对侧根发育的诱导作用,但不能缓解IAA对黄芪主根生长的抑制。(4)3种处理下黄芪幼苗根系内源激素含量、生长素和独脚金内酯相关基因表达量发生了显著变化,说明GR24和IAA对黄芪幼苗主根长和侧根数的影响可能与生长素和独脚金内酯相关基因表达及内源激素水平的变化有关。该研究结果初步阐明了黄芪幼苗根系生长发育与GR24和IAA之间的关系,为黄芪规范化育苗和幼苗质量控制提供理论依据,对进一步探索独脚金内酯和生长素调控黄芪根系生长发育的分子机制具有一定的意义。     

独脚金内酯信号感知揭示配体-受体作用新机制

植物激素在调控细胞与细胞及细胞与环境的相互作用中起着至关重要的作用。作为一种信号分子, 植物激素如何被植物细胞感知一直是植物生物学研究的热点。与底物-酶相互作用的结果不同, 激素分子与受体结合后会触发信号转导, 但激素分子一般不会被受体修饰, 信号转导起始后激素分子通常会从复合体中释放出来被重新利用或降解。近期, 我国科学家通过对独脚金内酯及其受体复合体(AtD14-D3-ASK1)的结构学解析, 发现独脚金内酯的生物活性分子CLIM (covalently linked intermediate molecule)是独脚金内酯被其受体水解后得到的中间分子。研究表明, CLIM与受体AtD14的催化中心以共价键相结合, 进而激活其信号转导。该研究揭示了一种全新的“底物-酶-活性分子-受体”激素识别机制。这种配体-受体作用新机制的发现为植物激素研究开拓了新的视野。     

李家洋院士等在水稻分蘖分子机制研究中再次取得重大进展

水稻的分蘖是决定产量的一个重要农艺性状。适当的分蘖数目直接决定水稻的产量。水稻的分蘖不仅是直接调控产量的一个关键农艺性状,同时也是在植物生物学中决定株型建成的一个核心科学问题。在过去十余年,植物基因组学国家重点实验室的李家洋院士及其合作者对水稻分蘖的调控机制进行了系统深入研究。     

作物抗倒伏相关性状及其信号转导调控机理的研究进展

倒伏是影响作物品种选育和产业化推广的重要限制因子,会使作物籽粒与秸秆的产量和品质显著降低且易引发病虫害,不利于机械化收割使作物经济效益显著降低.株高、茎秆强度、壁厚、分蘖数、分蘖夹角等性状同作物茎秆抗倒伏特性密切相关.倒伏主要分为为根倒伏和茎倒伏,茎倒伏与茎秆特性相关,其中株高与分蘖数分别受赤霉素信号转导和独脚金内酯信...     

植物激素对分枝发育的协同调控作用研究进展

植物分枝与其适应环境、生存竞争能力及产量形成密切相关。近年的研究表明植物激素信号在调控植物分枝发育过程中起关键作用。文章主要介绍了生长素、细胞分裂素以及独脚金内酯协同调控植物分枝发育的研究进展,为深入了解植物分枝发育的调控机制提供参考。     

2016年中国植物科学若干领域重要研究进展

2016年中国植物科学持续稳步发展, 表现在中国植物科学家在国际主流高影响力学术期刊发表文章的数量稳中有升, 中国植物科学领域的期刊逆风出行, 进入研究性期刊世界前三甲行列。中国科学家在植物学诸多领域取得了丰硕的成果。水稻(Oryza sativa)产量性状杂种优势的分子遗传机制解析入选2016年中国科学十大进展; 植物受精过程中雌雄配子体信号识别机制的研究和独脚金内酯的受体感知机制入选2016年生命科学十大进展。我国植物科学, 特别是以水稻为代表的作物研究在国际学术界已占有一席之地。例如, 在水稻组学(如基因组和转录组等)资源和技术平台的建立、重测序的开发及功能基因的克隆和调控网络的解析方面取得了系列重要成果(如揭示了独脚金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制、从分子水平上阐释了水稻籼粳杂种不育和广亲和性基因S5的作用机理及发现了控制水稻耐冷的基因组位点), 已经引领世界水稻乃至作物科学研究。该文对2016年中国本土植物科学若干领域取得的重要研究进展进行了概括性评述, 旨在全面追踪当前中国植物科学领域的发展前沿和研究热点, 与读者共享我国科学家所取得的杰出成就。     

油菜素内酯对水稻根系发育的调控作用

在油菜素甾醇(brassinosteroids,BRs)化合物中,油菜素内酯(brassinolide,BL)具有活性最高、广谱和无毒等显著特点,而且具有改良植物株型、提高抗逆性等功效。根系是植物吸收水分和矿质元素的主要器官,因此阐明油菜素内酯调控根系发育的遗传、生理和生化机制,有利于更有效地利用BRs激素,实现株型的定向设计。该研究利用叶面喷施的方法分析油菜素内酯对根系侧根、根毛发育的影响;利用植物显微技术分析油菜素内酯对根系侧根结构及发育的作用;利用高压液相色谱法检测油菜素内酯对根系内其他植物激素含量的影响;利用蛋白质组学技术鉴定受油菜素内酯调控的蛋白质,分析油菜素内酯调控根系发育的生化机制。研究表明,一定浓度的油菜素内酯促进种子根、侧根、根毛的发生;提高根系细胞分裂素和赤霉素含量;可能通过调控逆境相关蛋白质来提高植物的抗逆性。     

苹果MAX1基因的克隆和表达及启动子分析

MAX1(MORE AXILLARY GROWTH1)是独脚金内酯(Strigolactones,SLs)合成途径中的关键基因,为了研究MAX1在苹果分枝调控中的功能,以苹果‘长富2号’(Malus domestica‘Nagafu 2’)腋芽为材料,采用PCR方法,克隆MdMAX1基因,进行生物信息学和表达水平分析;采用瞬时表达转化烟草,进行GUS染色,分析MdMAX1启动子活性。结果表明:(1)成功克隆得到苹果MAX1,其开放阅读框(ORF)1620 bp,编码539个氨基酸;系统进化和基序分析表明,MdMAX1和已知的A1型MAX1相似。(2)qRT-PCR分析表明,MAX1基因在‘长富2号’嫁接苗茎中高表达,并在腋芽本身有表达;RNA-seq分析表明,细胞分裂素(6-BA)处理苹果腋芽96 h后MAX1基因的表达水平显著降低。(3)成功克隆获得‘长富2号’MAX1启动子序列片段(1500 bp),顺式作用元件预测显示MdMAX1启动子序列中存在光响应元件,GUS活性分析表明光照处理能够减弱MAX1启动子的活性。该研究为进一步研究苹果MAX1参与SLs合成、调控苹果分枝的功能奠定了基础。     

水稻株型功能基因及其在育种上的应用

株型是与水稻产量密切相关的重要农艺性状,开展水稻株型功能基因组研究具有重要的现实意义。随着水稻全基因组测序工作的完成,在水稻株型形成的分子机理研究方面取得了一系列重大研究进展。现简要回顾株型的研究历史,分别从株高、叶型、分蘖数目、分蘖角度和穗型方面简要概述在水稻株型形成的分子机理方面取得的研究成果,并简要介绍水稻株型功能基因在育种上的应用情况。     

2014年中国植物科学若干领域重要研究进展

2014年中国植物科学高速稳步发展,表现在具有原创意义的高质量论文迅速增长。中国科学家在植物学诸多领域,如水稻(Oryza sativa)独脚金内酯信号转导途径、水稻代谢遗传调控、水稻育性的遗传调控机理及农业与环境生物学等取得了大量重要成果,基因组研究从功能到进化、从模式作物扩散到各类经济作物,表现出全方位多维度的整合研究态势。全球气候变化下碳汇响应机制取得重要进展。Nature等国际学术刊物高度关注中国植物科学特别是水稻生物学研究进展。该文概括性综述了2014年中国本土植物科学若干领域取得的重要研究进展,旨在全面追踪当前中国植物科学领域发展的最新前沿和热点事件,并与国内读者分享我国科学家所取得的杰出成就。