探索植物适应环境胁迫的奥秘

　　 生意社12月7日讯　

　　聚焦创新研究群体

　　是哪些基因的表达和细胞活动导致植物对环境胁迫(如干旱、高盐、营养缺乏等)特别敏感或不敏感？植物活细胞是如何对环境胁迫做出“恰当”反应以求生存？尽管植物“植立不动”，但在遭遇干旱、高盐、营养缺乏等逆境胁迫时却能通过自身调节而“努力”使自身适应环境。从基因、生理生化反应以及细胞活动等层面上探索植物适应环境胁迫的机理，正是中国农业大学“植物响应环境胁迫的信号转导及基因表达调控机理”创新研究群体的工作内容。

　　群体学术带头人、中科院院士武维华介绍说，我国农作物生产中淡水、土地等资源严重匮乏已严重制约我国农业的可持续发展，而愈来愈多的耕地大面积盐渍化、荒漠化和淡水资源短缺等问题日益加剧，又使作物生产中的环境胁迫问题更加严峻。同时，我国磷、钾矿产资源匮乏，每年要耗巨资进口磷钾化肥，农作物生产中磷钾肥施用量不足严重限制了作物产量的提高，而且还造成了氮肥利用率低下和浪费及由此带来的环境污染。总之，干旱、盐碱、磷钾亏缺等非生物环境胁迫已成为制约我国农业可持续发展的重要因素。

　　同时，过去半个多世纪对植物响应和适应非生物逆境的生理生化及分子遗传机制的研究表明，植物的抗逆性状是受遗传基因控制的。因此，通过培育适宜于在干旱、盐碱、土壤贫瘠等地区栽培的农作物抗逆新品种将不仅能够有效增加我国农作物产量，还能通过有效利用干旱、荒漠化和部分盐渍化土地而大大缓解我国土地资源匮乏的问题。

　　因此，开展植物抗逆高效的生理及分子生物学基础研究是我国农业可持续发展的重大需求之一。中国农大植物生理学与生物化学国家重点实验室于2002年成立，在植物生理学研究方面取得诸多成果。在此基础上，“植物响应环境胁迫的信号转导及基因表达调控机理”创新研究群体于2005年得到国家自然科学基金委资助，研究内容包括植物感受及响应逆境胁迫的细胞信号转导分子机制、植物响应逆境胁迫的基因表达转录调控机制、植物抗逆/高效相关基因的克隆及功能研究等。

　　6年来，该群体在植物响应低钾胁迫的分子调控网络以及植物细胞钾离子通道分子调控机制、植物激素ABA信号转导分子机理、植物细胞钙依赖型蛋白激酶(CDPKs)的功能分析、细胞骨架与新的植物微管结合蛋白的功能分析、基因转录调控分子机理(ROS和WRKY的功能分析)等多个方面取得了重要进展。

　　从1996年开始，该团队就开始了植物磷钾高效及耐盐突变体的筛选工作。针对每一性状，数十万株幼苗培养、观测的实验工作异常艰辛。2006年，他们最终发现了调控植物钾营养性状的重要机制。随后又在植物磷高效研究方面获得重要研究结果。在这项研究中，他们证明了模式植物拟南芥根细胞钾离子通道AKT1的活性受蛋白激酶CIPK23的正向调控，而CIPK23的上游受两种钙信号感受器CBL1和CBL9的正向调控。在拟南芥植物中过量表达CIPK23、CBL1或CBL9基因以增强AKT1的活性，能显著提高植株对低钾胁迫的耐受性。基于研究结果，他们提出了包括CBL1/9、CIPK23和AKT1等因子的植物响应低钾胁迫的钾吸收分子调控理论模型。该项研究成果在认知植物钾吸收利用的分子调控机理方面有理论科学意义，也可能在利用分子操作技术改良植物钾营养性状方面有潜在应用价值。

　　在植物基因转录调控研究方面，该群体获得多个ROS1基因的抑制因子，并克隆了多个与其相关的基因。这些与DNA复制有关的蛋白可以同多个与基因沉默相关的蛋白相互作用，这说明DNA复制的同时伴随着表观遗传修饰的复制，从而保证了细胞中遗传信息的稳定性以及表观遗传修饰的动态变化。此外，他们还在WRKY转录因子调控PHO1基因的表达机制研究、转录因子调控拟南芥花器官的脱落等方面取得重要进展。而在逆境相关新基因的克隆和功能分析领域，团队成员建立了一套干旱相关突变体的筛选体系，筛选获得了多个与植物抗旱性状相关的突变体，并详细研究了其中两个突变体，揭示了其在植物响应干旱胁迫中的重要作用和分子机理。