7  细胞物质运输与离子平衡的调节

膜泡发生和运输  细胞内物质运输和蛋白的极性定位大多是通过胞内膜泡来完成的，因此，研究胞内膜泡的动态及其在细胞功能和植物个体发育中的作用尤为重要。香港中文大学姜里文研究组利用 GFP 和免疫荧光等技术，研究了拟南芥中7个液泡分选受体 (VSR) 的亚细胞定位，发现它们都定位在多囊泡体 (MVB) 上 (Miao et al.,2006b)。利用类似的技术，该研究组还研究了植物液泡前体 (prevacuolar compartment，PVC) 动态及其对 Brefeldin A(BFA) 的反应情况(Tse et al.,2006)，发现 BFA 的作用不只限于内质网和高尔基体，其实对 PVC 也是有作用的。这些结果对深入研究膜泡发生和运输提供了很好的基础。

GTP 酶蛋白在植物的生长发育过程中起着重要作用。Song 等(2006)的研究表明拟南芥 RPA，一个 ARF GTP 酶激活蛋白质，可能通过影响高尔基体与内质网间的囊泡运输调节根毛与花粉管的极性生长。种康研究组证明小麦 TaRAN1，一个 Ran 类型的 GTP 酶基因，在拟南芥和水稻中过量表达导致细胞周期延迟、对生长素敏感性的增加和侧根分化与发育的抑制 (Wang et al.,2006e)。

极性运输  蛋白的极性定位对于植物激素的运输是非常重要的，尤其是生长素的极性运输。对拟南芥的研究发现生长素是由输入载体 AUX1 和流出载体 PIN1 在细胞膜的不对称分布来实现的。PlN1 在胞内的运输和膜定位是由鸟嘌呤核苷酸交换因子 GNOM 介导的，但对 AUX1 不对称定位的调节机理还不清楚。中国科学院植物研究所种康研究组发现水稻 ADP 核糖基化因子-GTPase激活因子OsAGAP可能是介导AUX1细胞极性分布的蛋白(Zhuang et al.,2006)。研究发现OsAGAP过量表达干扰了生长素的极性运输和根的发育，而且，根的发育缺陷可以通过外源施加不需要输入载体生长素NAA，而需要输入载体生长素IAA和2,4-D则不行：同样，OsAGAP 在拟南芥表达可以影响生长素输入载体AUX1的胞内运输和膜定位以及生理活性，而不影响输出载体，囊泡运输介导的内膜系统参与这一过程。这是小G蛋白特异调节输入载体活性进而控制极性运输的最新进展。

韧皮部卸载运输  物质运输和合理分配对作物产量和瓜果质量同样是至关重要的。光合产物通过共质体运输运到胞外，再经质外体运输和维管系统把物质运到其储存和所需要的部位。其中一个重要的步骤是韧皮部卸载(phloem unloading)，物质从韧皮部卸出后是通过质外体运输呢，还是通过共质体运输？中国农业大学张大鹏研究组利用电镜技术、荧光标记等方法研究了葡萄 (Vitis vinifera) 浆果发育过程中韧皮部卸载运输途径，发现发育早期和中期是以共质体运输为主，而后期则是以质外体运输为主，二者的转换标志着浆果成熟发育的开始(Zhang et al.,2006d)。这对提高葡萄品质具有重要的指导意义。

离子吸收平衡的调节  离子是所有有机体所必需的，参与许多细胞活动。拟南芥为了从土壤中获得离子，需要通过三价铁螯合还原酶(FRO)将高铁还原成亚铁。许多植物种中，FRO基因表现出特定的表达模式，但是关于FRO基因的调控机制目前还不是很清楚。中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究组系统鉴定了AtFRO6基因在植物生长发育过程中的表达模式(Feng et al.．2006)。AtFRO6基因编码一个高铁螯合还原酶，该研究组发现AtFRO6基因主要在绿色气生组织中表达，并且这种表达是光依赖性的。启动子缺失和突变分析结果表明，该基因的启动子区域的多个光响应元件可能协同作用赋予AtFRO6启动子的光响应性。此外，在kor1-2去分化的绿色愈伤组织或来自野生型外植体的非分化愈伤组织中都检测不到AtFRO6的表达。这些结果说明。光调控的AtFRO6的表达表现出绿色组织特异性和细胞分化特异性。该研究阐明了在光诱导的发育过程以及细胞分化过程中。植物通过增强高铁还原酶的活性来响应对离子需求的增多，为进一步研究植物吸收离子的机制提供了很好的线索。

磷是植物生长发育与繁殖所必需的矿物质营养之一，无机磷酸盐是磷元素被植物根吸收以及在植物体内转运的主要形式。植物通过调节体内无机磷酸盐的动态平衡来适应环境中可利用的磷的变化，但目前对于调节这一复杂过程的机制了解很少。“中央研究院”农业生物科技研究中心(中国台湾)邱子珍研究组提出通过一个特异的microRNA，miR399抑制泛素结合酶E2的调节机制(Chiou et al.,2006)。该研究组发现磷饥饿可以诱导miR399的聚集，而其靶基因AtUBC24(一个泛素结合酶E2)则受到抑制。在miR399过量表达的转基因植株中，AtUBC24的转录受到抑制，植株中积累的无机磷水平比正常高5-6倍，并表现出无机磷中毒的症状，与AtUBC24功能缺失突变体的表型一致。进一步的研究发现无机磷中毒是由于磷的吸收、转运以及在植株中的保持能力增强导致的，而且miR399过量表达植株老叶子中无机磷的再动员能力也减弱了。这一研究的意义在于提出了植物通过miRNA调节蛋白质水解装置的组分来控制体内无机磷酸盐动态平衡的假说，为进一步了解无机磷酸盐动态平衡的调节机制打下基础。

酸性土壤中常有铝害和缺磷共存的现象，这严重限制着大豆生长与发育。华南农业大学严小龙研究组与国外研究者合作，运用均相和非均相营养液培养研究大豆根生长和根中有机酸分泌中铝和磷的相互作用(Liao et al.,2006a)。在均相溶液实验中，增加磷含量时，4种磷效率不同的大豆基因型都明显地提高了对铝的耐性。在高磷条件下，2种磷高效基因型的植株比2个磷低效基因型有更高的铝耐受性。根的分泌物分析表明，铝害诱导柠檬酸盐的渗出，缺磷激活了草酸的分泌，而铝害和缺磷都可诱导苹果酸盐的释放。研究还表明，尽管在实验室中根释放出3种相同的有机酸，但它们的分泌模式不同于均相溶液体系的模式。2个磷高效基因型植株从主根尖端分泌更多的苹果酸盐，这暗示了磷营养的改善可能是通过提高根中有机酸的释放来增强植物对铝的耐受能力。大豆磷效率可能对铝的耐受性起着一定的作用。磷高效基因型不但能直接通过铝-磷相互作用增强铝的耐受性，也可以间接通过刺激特定的根和根区域中不同铝鳌合有机酸的分泌来起作用。

8  环境胁迫与适应

生物胁迫的适应机理  由稻瘟病菌引起的水稻枯萎是世界范围破坏性最大的疾病之一。水稻变种Digu中的显性抗性基因Pi-d2(曾命名Pi-d(t)2)，对中国枯萎菌株表现出基因对基因抗性。李士贵、朱立煌等研究组的合作研究(Chen et al.,2006e)，采用图位克隆的方法分离了Pi-d2基因，其编码受体样激酶蛋白，具有一个推测的特异结合凝集素(B-lectin)的球形甘露醇胞外域和胞内丝氨酸-苏氨酸结构域。Pi-d2是一个单拷贝基因，组成型表达于水稻变种Digu。携带有Pi-d2基因的转基因植株对稻瘟病菌ZB15有种的特异抗性。Pi-d2蛋白定位于细胞膜，第441位一个氨基酸的不同使水稻枯萎抗性基因Pi-d2等位基因的抗性和易感性不同。由于具有新的胞外结构域，Pi-d2代表了一类新型的植物抗性基因。

萌发素(germins)及其类似蛋白(germin-like proteins，GLPs)在植物的抗病中起作用，但是否参与对植食性昆虫的防卫应答反应还不清楚。浙江大学娄永根与德国科学家合作，发现烟草天蛾(Manduca sexta)侵害烟草或注射幼虫口腔分泌物(larval oral secretions，OS)到植株时，引起GLP的转录上调(Lou and Baldwin，2006)。他们克隆了 NaGLP 的全长，并且用反义抑制和病毒诱导基因沉默的方法在烟草中沉默该基因的表达。结果表明，单插入位点纯合突变体和基因沉默植株中NaGLP的转录水平都明显下降。NaGLP沉默改变了烟草植食昆虫M.sexta和Tupiocoris notatus的行为表现，削弱了OS诱导的H₂O₂、双萜糖苷以及胰蛋白酶抑制剂的产生，但NaGLP沉默并不影响OS诱导的茉莉酸和水杨酸的猝发和释放。研究结果说明NaGLP可能是通过H₂O₂或乙烯信号转导途径来影响烟草的植食性昆虫的防卫应答反应。

CYP51固醇脱甲基酶(sterol demethylases)是动物、植物以及真菌必需固醇合成中唯一一个功能保守的细胞色素P450酶。中国科学院植物研究所漆小泉(Qi et al.,2006)与国外科学家合作，发现了CYP51酶的另一种新功能。研究表明，植物AsCYP51H10对于必需固醇的合成来说不是必要的，而在燕麦抗菌物质(燕麦素avenacins)的合成中是必需的。AsCYP51H10基因与先前报道的Sad2同源。而作者先前报道的Sad1编码燕麦素合成过程的第一个限速酶。Sad2和Sad1存在着一个共有的70 kb片段，这2个基因在根尖的表皮细胞内表达，这也是燕麦素积累的位点。研究表明了固醇和燕麦素合成之间存在着密切的进化关系，对与防卫相关代谢途径成员的聚集、共进化以及调节相关的研究提供线索。

像动物一样，植物对入侵的细菌有先天免疫反应。植物先天免疫反应已知的诱导方式有两类，一类是由病原相关分子特征(PAMPs)如细菌的鞭毛蛋白、脂多糖等引发的免疫反应(PTI)；另一类是由细菌的效应蛋白引发的免疫反应(ETI)，后者在传统植物病理学中被称为基因对基因抗性。植物PTI的存在，使大多数病源菌不能致病；而一些病原细菌进化出的效应蛋白能抑制其寄主的PTI，导致植物的感病；而植物进一步进化出识别细菌效应蛋白的相应抗性基因，引发ETI，产生抗病性。目前，效应因子的致病分子机理以及同ETI在进化中的联系还不清楚。在感病植物上，假单胞细菌的效应蛋白AvrB能,调节植物的感病性以促进细菌繁殖。北京生命科学研究所周俭民研究组的研究发现，拟南芥RAR1是一个PTI负调控蛋白(Shang et al.,2006)。AvrB通过作用于寄主蛋白RAR1而抑制PTI并帮助细菌繁殖。免疫共沉淀实验证明RAR1和AvrB在同一个蛋白复合体中。而RAR1过去所知的功能是作为HSP90的共同分子伴侣，调节抗病蛋白的稳定性，对ETI不可或缺。他们提出，抗病蛋白可能是在细菌效应蛋白借助RAR1抑制PTI的选择压力下进化产生的，它们通过RAR1感应细菌效应蛋白从而激活抗病。该研究为解释效应因子的致病分子机理以及同ETI在进化联系提供了新的研究证据，为植物抗病性的研究提供了新思路。

非生物胁迫的适应机理  植物随水分、盐分和温度等非生物胁迫有一些共同的适应机制，在拟南芥研究中有很好的进展，但各自也有特异性。在植物抗冷反应的信号转导中，转录因子ICE1和相关蛋白通过激活C-repeat(CRT)-binding factors(CBFs)表达，引起下游效应基因的转录。中国科学院遗传与发育生物学研究所张一跃、谢旗与国外研究者合作，鉴定了1个拟南芥冷害应答的负调控因子HOS1 (high expression of OS-motically responsive gene 1(Dong et al.,2006)。HOS1是泛素E3连接酶，在离体和活体条件下可介导ICE1的泛素化。HOS1介导的ICE1泛素化/蛋白体途径减弱拟南芥对冷胁迫的应答反应。推测HOS1也可能介导CBFs基因以及其它调节蛋白的泛素化和降解。研究还发现，hos1突变体提前开花，且FLC基因表达水平下降，说明HOS1还可能是FLC的调节因子。

环境胁迫下植物体内产生的活性氧(ROS)如果过量，会对许多生物分子造成伤害。NADPH作为一种具有还原能力的物质是抗氧化体系所必需的。然而，NADPH的来源以及维持细胞质氧化还原平衡的分子机制还不是很清楚。中国农业大学王学臣研究组报道了拟南芥中一个在几种非生物胁迫应答中具有生物功能的潜在的胞质NADH激酶(NADK3)(Chai et al.,2006)。研究发现，NADK3是NADPH的胞质来源，它对多种非生物胁迫应答来说是必需的。ABA、MV、高盐以及渗透压变化都会影响NADK3的表达。NADK3无义突变体在种子萌发以及幼苗生长中都显示出对氧化胁迫的超敏感性，并在种子萌发时对ABA、盐以及甘露醇的敏感性增强。此外．在这个突变体中还找到了几个甘露醇和MV上调的胁迫相关基因。河南大学与中国农业大学的合作研究，从拟南芥中筛选到2个拟南芥谷胱甘肽过氧化物酶(GLUTATHIONE PEROXIDASE3,ATGPX3)T-DNA插入突变体(Miao et al.,2006a)。这2个突变体在干旱胁迫下具有更高的失水率，种子萌发和幼苗发育期对H₂O₂有较高的敏感性，而且保卫细胞中H₂O₂的含量提高。相比之下，ATGPX3的超表达植株对干旱胁迫的敏感性比野生型降低，蒸腾失水减弱，叶片表面的温度升高。atgpx3突变体抑制了ABA激活的钙通道和ABA诱导的胁迫相关基因的表达。ATGPX3与PP2C-类蛋白磷酸酶ABI2有较强的相互作用，而与ABI1的相互作用较弱。此外，H₂O₂可以调节ATGPX3和ABI2的氧化还原状态。ATGPX3被氧化后，ABI2的磷酸酶活性降低约5倍。体外添加氧化状态的ATGPX3，ABI2由还原状态转变为氧化状态，这一过程可能介导了ABA和氧化信号传递过程。这些结果表明，ATGPX3在H₂O₂的动态平衡中可能起到双重而独特的功能，第一它有清除H₂O₂的功能，第二在ABA和干旱胁迫信号途径中它作为氧化信号转导子有传递H₂O₂信号的作用。

华中农业大学张启发研究组发现，在生殖期遇严重干旱胁迫下，胁迫应答基因SNAC1(STRESS-RESPONSIVE NAC 1)超表达能明显地提高转基因水稻对干旱的抗性，但对其表型及产量并没有影响(Hu et al.,2006)。在营养生长期转基因水稻也显示出对干旱和盐胁迫耐受增强的现象。与野生型相比较，转基因水稻对ABA的敏感性增强，气孔关闭更多失水更慢，但光合速率并没有明显的不同。干旱主要诱导保卫细胞中SNAC 1产生，SNAC 1编码具有转录活性的NAM、ATAF和CUC(NAC)转录因子。DNA芯片分析发现SNAC1超表达水稻中许多的胁迫应答基因都被上调。这些都说明SNAC1在改良水稻对干旱和盐度的耐受中有很大的前景。

Activation sequence-1(as-1)同族启动子元件普遍存在于植物防卫相关基因和植物病原体启动子中， as-1类元件能对多种胁迫刺激做出应答， 为研究不同信号途径之间的交叉点以及新组分提供机会。中国科技大学向成斌与国外研究人员合作， 建立了一个能对JA、SA、H₂O₂、宾主共栖生物以及重金属做出应答的as-1类顺式元件控制的绿色荧光蛋白报告体系(Devi et al.,2006)。在此基础上开展了大规模的T-DNA突变， 进而建立了一个能对不同的胁迫刺激做出不同应答的高效的突变体筛选方法。他们获得了许多能对胁迫做出应答的突变体， 其中一些已被确定为是as-1信号转导途径的新成员。对Δ8L4突变体进行的功能分析证明了高效筛选胁迫信号突变体方法的可行性。中国科学院植物研究所黄芳(Huang et al., 2006a)与国外研究者合作， 以蛋白质组学方法从盐胁迫集胞藻PCC6803(Synechocystis sp. strain PCC6803) 细胞的原生质膜蛋白中筛选出66个不同基因编码的109种蛋白， 其中20种蛋白表达水平因盐胁迫增强或诱导， 5种蛋白表达水平则降低。大多数盐增强或诱导蛋白属于ABC转运蛋白的外周结合蛋白或假似蛋白(hypothetical proteins)。增强最明显的包括FutA1(Slr1295)和Vipp1(Sll0617)，这2种蛋白被认为分别参与缺铁的光系统保护以及类囊体的形成。其它盐胁蛋白还包括调节蛋白如PII 蛋白，LrtA 以及属于CheY 亚家族成员的蛋白。

中国科学院遗传与发育生物学研究所朱桢研究组利用直接进化策略， 鉴定了水稻EPSPS (5-Enolpyruvylshikimate3-phosphate synthase)草干膦抗性突变体(Zhou et al., 2006)。EPSPS 能够被除草剂草干膦识别。他们利用定点突变， 转化大肠杆菌， 筛选对草干膦不敏感的有效突变位点。该突变基因转化烟草植株表现出抗草干膦的特征， 这一基因具有用于作物的潜力。

9  植物生态学与系统进化

随着全球变化研究的深入， 碳循环研究受到人们的普遍关注， 成为当前全球变化研究的热点之一。土壤有机碳的分布及其转化由于其对预测气候变化具有重要的意义而日益成为全球有机碳循环研究的热点。经典生态学理论认为， 与非成熟森林相比， 成熟森林作为碳汇的功能较弱， 甚至接近于零， 故其作为碳汇的意义不大。而中国科学院华南植物园的周国逸研究员及其同事对位于广东省中部的鼎湖山国家自然保护区内成熟森林(林龄>400年)土壤有机碳进行了长达25年的观测， 结果显示，该森林0-20 cm 土壤层的有机碳贮量以平均每年610kg.hm^-2 的速度增加(Zhou et al., 2006a)。这表明成熟森林可持续积累碳，因此可能是重要的碳汇，这为确认成熟森林作为一个新的碳汇奠定了理论基础。“成熟森林可持续积累碳”这一发现有力冲击了成熟森林土壤有机碳平衡理论的传统观念，从根本上改变了学术界对现有生态系统碳循环过程的看法，并将催生生态系统碳循环非平衡理论框架的建立。这一成果被评为2006 年度中国科学十大成就之一。

植物物种灭绝速度的逐渐加快及其对生态系统功能的作用也是生态研究中热点问题之一。以往大多数工作都是在人工植物群落中研究物种多样性和生产力之间的关系， 最近中国科学院植物研究所周志勇等在我国北方的半干旱草原生态系统中连续2个生长季探索了物种多样性与地上部分初级生产力之间的关系， 发现其受不同土地利用方式支配。他们认为在半干旱草原生态系统中， 干扰的方式和严重程度是解释物种多样性和生产力之间关系的重要因素(Zhou et al., 2006b)。

氮素利用效率的概念对于理解生态系统功能具有重要作用， 一般认为草原生态系统中的植物生长主要受土壤氮素和湿度的限制。中国科学院植物研究所李凌浩研究组在内蒙古草原选取了20个样地， 通过测定净初级生产力中的氮素含量探索了2种针茅属植物(大针茅和克氏针茅)的氮吸收和氮利用效率， 发现净初级生产力的氮素含量随土壤氮素和水分利用率增加而增加， 而单株植物的氮素利用、吸收和响应效率随土壤氮素和水分的减少而增加， 且贫瘠地区(干旱)高于肥沃地区(湿润)(Yuan et al., 2006)。贺金生等对我国草原生态群系中的199 个样地的213 个物种进行了叶片碳、氮及碳氮比的系统调查，发现在内蒙古、西藏高原和新疆维吾尔自治区这3个不同的气候区中，尽管其共存的物种及不同的植被类型之间存在相当大的差异，但叶片的碳氮比没有明显的差异。在生物群系尺度上，温度影响叶片氮主要通过物种组成而不是通过温度本身(He et al.，2006)。另外，邓建明等研究了中国西北地区植物沿水分梯度的植物生物量-密度关系，认为代谢尺度理论(metabolic scaling theory)可能适用于多种生长条件，但是不适用于干旱胁迫下的地上生物量(Deng et al.，2006)。

中国科学院南京地质古生物研究所陈均远研究员等在中国贵州瓮安前寒武纪陡山沱组磷块岩中发现了与现生具极叶胚胎类似的胚胎化石，化石数量丰富，并构成了一个发育系列，这个发育系列可以和现生具极叶动物胚胎的不同发育阶段相对比。这一发现确定了瓮安胚胎化石与现代生物的亲缘性，不仅进一步证明了两侧对称动物的出现，也暗示它们已经进一步分化为辐射和螺旋卵裂两大类群，螺旋卵裂胚胎不对称机制和细胞早期分化的机制可能已经开始。这一发现把以极叶伸缩方式导致胚胎不对称形成的机制前推到寒武纪之前4000 万年(Chen et al.，2006h)。

西北大学舒德干等在早寒武世澄江动物群中发现了保存有软躯体构造细节的春光虫化石，并发现春光虫既保留有“蕨叶”状文德生物的基本构型，又具有双胚层动物特别是栉水母类的一些特有性状，因而很可能代表着栉水母的一种祖先类型。他们同时研究了另一类双胚层动物——刺胞类的早寒武世代表八射珊瑚。这2种动物代表着整个动物界中除演化“侧枝”海绵类之外已知最原始的“真动物”类群。他们认为，文德生物并不构成一个单谱系类群，而是既包括某些特殊的原生生物，也包含一些绝灭了的原始双胚层动物的复合体(Shu et al.，2006)。

（全文结束）

    注：

    （1）文章来源：植物学通报，2007年 第24卷 第3期；

    （2）作者单位：中国科学院植物研究所 等。