Nature：我科学家找到自由调控植物发育的“钥匙”

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Nature：我科学家找到自由调控植物发育的“钥匙”

    植物遇到干旱，叶面气孔为什么会关闭？是什么原因调节控制了植物的生长发育，并在失水干燥的状态下仍能存活？中国农业大学生物学院教授张大鹏领导的科研小组，历时10年的一项基础研究，首次发现了一种参与叶绿素生物合成的蛋白质———植物脱落酸(ABA)受体，从而找到了控制植物气孔运动和种子发育的“钥匙”。科学家说，用这把“钥匙”，可以打开脱落酸作用机理和应用的“大门”，科学家就能自由地控制植物气孔运动和种子发育。   

　　本月最新一期出版的英国《自然》杂志，以主题论文的形式发表了这一研究成果。   

　　对生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯和脱落酸等植物激素“五兄弟”的研究，一直被科学界视作生命科学的前沿热点。这是因为植物激素参与调控植物生长发育的全过程，而脱落酸掌管着植物气孔运动和种子发育等。研究表明，当植物处于干旱时，体内的脱落酸会自动增加，以帮助叶面关闭气孔，控制水分流失，从而战胜干旱；当种子发育到接近成熟时，脱落酸又会控制种子的休眠和萌发，使其不在植株(树)上或恶劣的环境下发芽。   

　　此外，研究还发现，脱落酸也是调节幼苗生长、植物对逆境适应能力的一个生命攸关的化学“信号”。张大鹏解释说，同其它植物激素等化学“信号”一样，脱落酸实质上是一个细胞“信号”的转导过程。这一“信号”首先通过细胞受体被识别，识别后，最终导致植物的生理效应。   

　　过去，科学家也曾发现过一种脱落酸受体。然而，仅只限于知道脱落酸对植物开花和侧根形成的控制。对控制植物种子发育、气孔以及对干旱适应性的脱落酸受体，一直是未解之谜。张大鹏教授发现的是“一种参与叶绿素生物合成的蛋白质的脱落酸受体”，张大鹏将这种蛋白质命名为“ABAR”。分子克隆研究发现，“ABAR”是参与叶绿素合成和质体—核信号转导的蛋白质，其名称为“镁螯合酶H亚基”。   

　　科学家说，对植物激素的研究，是人类进行植物遗传改良和育种的重要理论源头，同时，可以对作物遗传改良和育种的实践起到革命性的作用。20世纪中期的“绿色革命”，之所以能使水稻、小麦等作物的产量大幅提高，就是利用了植物激素途径的关键基因对作物生长发育的状况进行了调控，从而提高了新品种的同化、代谢能力和抗逆能力。   

　　当张大鹏教授领导科研小组的这篇创新论文在《自然》杂志发表时，适逢“植物激素与绿色革命”的香山科学会议召开。与会专家认为，探索主要植物激素在植物生长发育中的调控作用，将有可能使作物产量再次实现新突破。随着包括对脱落酸在内各种植物激素研究的深入，也许有一天，又会迎来一场新的惠及全人类的“绿色革命”。

    近日，中国农业大学科研工作再结新硕果，该校生物学院张大鹏教授的研究小组成功发现植物激素脱落酸(ABA)的一个受体ABAR。10月19日出版的《自然》杂志以主题论文(Article)的形式发表了该成果。   

    据介绍，生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯和脱落酸(ABA)等植物激素“五兄弟”一直是生命科学研究的热点。植物激素参与调控植物生长发育过程的几乎每一个方面，而ABA主要掌管植物气孔运动和种子发育：当植物处于干旱状态时，体内的ABA会自动增加，帮助叶面的气孔关闭，以控制水分散失，帮助植物战胜干旱；当果实中的种子发育到接近成熟时，从生理上已获得发芽能力，ABA会控制种子的休眠和萌发，使种子不会在植株上或恶劣的环境下发芽。   

    过去，科学家发现了一种ABA受体，认识了ABA对植物开花和侧根形成的控制。而对于控制植物种子发育、气孔和对干旱适应性的ABA受体却一直是个未知的谜团。张大鹏研究小组找到了答案，他们发现一种参与叶绿素生物合成的蛋白质也是一种ABA受体，并于最近完成了鉴定这种介导种子发育、幼苗生长和叶片气孔行为的ABA受体——ABAR。   

     张大鹏教授研究小组几年前提纯了一种ABA特异结合蛋白，命名为ABAR，并克隆了编码ABAR的基因。结果发现ABAR基因编码一个已知蛋白质，即定位于质体内的参与催化叶绿素合成和质体—核信号转导的蛋白质CHLH。他们在模式植物拟南芥中研究了ABAR／CHLH与ABA信号识别的关系。研究表明，通过超表达技术上调ABAR／CHLH基因表达，可以使植物在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA反应“超敏”；而用稳定表达的RNA干扰、反义RNA、化学诱导的RNA干扰技术或通过稳定表达的突变体对ABAR／CHLH基因表达下调，发现使植物在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA反应“脱敏”。ABAR／CHLH的基因敲除突变体，由于种子不能正常成熟，是致死突变。叶绿素合成和质体—核信号转导的突变体，如果不影响ABAR／CHLH的表达，就不影响植物对ABA信号的响应。以上研究结果证明，ABAR是一个ABA受体。ABAR介导的ABA信号转导是一个独立于叶绿素合成和质体—核信号转导的不同的细胞信号过程。   

    据悉，发现脱落酸受体ABAR，无疑是找到了控制植物气孔运动和种子发育的“金钥匙”。找到了这把钥匙，将进一步深入揭示脱落酸执行生物学功能的过程，使人们更加自由地控制植物气孔运动和种子发育成为可能，为脱落酸作用机理和应用研究打开了一扇新大门。   

    据悉，该论文是中国农业大学第一篇在《自然》杂志上发表的论文。

来源：科技日报