****课题组4年研究解析植物细胞生长机制

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【字体：大中小】 时间：2010年06月24日 来源：生物通

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　　来自北京大学生命科学学院，加拿大麦吉尔大学（McGill University），中国农业科学院的研究人员在棉花等线性伸长细胞生长发育机制研究方面获得了新突破，这一研究成果公布在MOL. CELL. PROTEOMICS杂志上（Pang et al., MCP, 2010）。

生物通报道：来自北京大学生命科学学院，加拿大麦吉尔大学（McGill University），中国农业科学院的研究人员在棉花等线性伸长细胞生长发育机制研究方面获得了新突破，这一研究成果公布在MOL. CELL. PROTEOMICS杂志上（Pang et al., MCP, 2010）。

领导这一研究的是北京大学生命科学学院蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室朱玉贤教授，其1989年在美国康奈尔大学植物科学系获得博士学位，1991年回国后一直在北京大学生命科学学院工作。

朱玉贤教授课题组的主要研究方向之一就是棉纤维细胞伸长机制，他们在2006年发现了乙烯在棉花纤维细胞伸长过程中的主导作用（Shi et al, Plant Cell 18: 651-664），2007年发现了超长链脂肪酸位于乙烯信号上游，在转录水平调控乙烯生物合成，从而影响棉纤维伸长（Qin et al, Plant Cell 19: 3692-3704）。

在这篇最新的文章中，研究人员通过比较野生型和无长绒、无短绒突变体棉花胚珠的蛋白质组学数据发现，核苷糖合成途径在棉纤维快速伸长期最显著高调，而植物激素乙烯可能通过促进植物细胞初生壁中果胶的生物合成来调控纤维等具有线性伸长机制的细胞生长。这是有关棉花等线性伸长细胞生长发育机制研究中的又一重要贡献。

朱玉贤教授课题组曾以陆地棉徐州142和它的无长绒无短绒突变体（fuzless-lintless, fl）为实验材料，建立大规模功能基因筛选与分离克隆的新体系，建立广泛的植物功能基因组学研究、高通量基因组信息分析和大规模基因功能分析的技术平台，已建成目前为止世界上规模最大的含有29,000多个棉花cDNA的基因芯片并利用该芯片分离和克隆了一批在纤维突起、特别是伸长阶段特异性表达的棉花基因。

他们的研究发现乙烯合成是纤维伸长过程中最显著上调的代谢途径，研究人员还筛选了13个钙调蛋白依赖型蛋白激酶基因，发现钙调蛋白依赖型蛋白激酶抑制剂TFP可以抑制纤维细胞的伸长，乙烯不能恢复这种抑制作用，表明CDPK介导的钙信号通路可能位于乙烯信号下游。发现GhAPX1基因受H2O2和乙烯的调控，外加H2O2能够促进纤维伸长，而乙烯能促进内源H2O2的释放，表明乙烯可能通过CDPK激活NADPH氧化酶，释放活性氧，促进纤维伸长。

除此之外，研究人员克隆并鉴定了10个VLCFA延伸酶基因，研究了棉花VLCFA合成途径关键酶GhKCR和GhKCS的功能，发现VLCFA能够显著促进棉纤维伸长并诱导ACO基因高表达，促进乙烯释放。外源施加VLCFA抑制剂ACE能抑制纤维细胞的伸长和内源乙烯的释放。ACE的抑制作用可以被乙烯所恢复，但VLCFA不能恢复AVG的抑制作用。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Comparative proteomics indicate that biosynthesis of pectic precursors is important for cotton fiber and Arabidopsis root hair elongation

The quality of cotton fiber is determined by its final length and strength, which is a function of primary and secondary cell wall deposition. Using a comparative proteomics approach, we identified 104 proteins from cotton ovules 10 days post-anthesis, with 93 preferentially accumulated in the wild-type and 11 accumulated in the fuzzless-lintless mutant. Bioinformatics analysis indicated that nucleotide sugar metabolism was the most significantly up-regulated biochemical process during fiber elongation. Seven protein spots potentially involved in pectic cell wall polysaccharide biosynthesis were specifically accumulated in wild-type samples at both the protein and transcript levels. Protein and mRNA expression of these genes increased when either ethylene or lignoceric acid (C24:0) was added to the culture medium, suggesting that these compounds may promote fiber elongation by modulating the production of cell wall polymers. Quantitative analysis revealed that fiber primary cell walls contained significantly higher amounts of pectin, whereas more hemicellulose was found in ovule samples. Significant fiber growth was observed when UDP-Rha, UDP-GalA or UDP-GlcA, all of which were readily incorporated into the pectin fraction of cell wall preparations, was added to the ovule culture medium. The short root hairs of Arabidopsis uer1-1 and gae6-1 mutants were complemented either by genetic transformation of the respective cotton cDNA or by adding a specific pectin precursor to the growth medium. When two pectin precursors, produced by either UDP-4-keto-6-deoxy-D-glucose 3,5-epimerase 4-reductase or by UDP-D-glucose dehydrogenase and UDP-D-glucuronic acid 4-epimerase successively, were used in the chemical complementation assay, wild-type root hair lengths were observed in both cut1 and ein2-5 Arabidopsis seedlings, which showed defects in C24:0 biosynthesis or ethylene signaling, respectively. Our results suggest that ethylene and C24:0 may promote cotton fiber and Arabidopsis root hair growth by activating the pectin biosynthesis network, especially UDP-Rha and UDP-GalA synthesis.

作者简介：

朱玉贤

北京大学生命科学学院教授, 蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室主任, 博士生导师

Email: zhuyx(AT)water.pku.edu.cn

北京市海淀区颐和园路5号，北京大学生命科学学院 , 北京 , 中国 , postcode：100871

科研领域描述
基本情况

朱玉贤，北京大学教授，博士生导师，蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室主任。1989年12月在美国康奈尔大学植物科学系获得博士学位，并去华盛顿大学生物系做博士后。91年6月回国后一直在北京大学生命科学学院工作。97年9月至98年12月去美国加州伯克利大学做访问教授。现为中国植物学会副理事长，中国生物工程学会理事，农业生物技术专业委员会副主任；《遗传学报》副主编，《科学通报》特邀编辑，植物分子遗传国家重点实验室、农作物基因组学国家重点实验室学术委员会委员，教育部科学技术委员会生命科学学部委员。1997年获得国家自然科学基金委“国家杰出青年科学基金”资助，2001年被教育部聘为“****”，2003年成为国家自然科学基金委“创新团队”学术带头人。培养博士后3名、博士9名、硕士15名。已在包括世界权威性科学刊物《植物细胞》、《美国科学院院报》、《核酸研究》、《植物生理学》等杂志上发表SCI收录的学术论文80余篇。主持多项国家级重大科研项目，并著有全国通用教材《现代分子生物学》和《分子生物学实验技术》，译有《PCR传奇》和《细胞的起源》等。

主要研究方向

棉纤维细胞伸长机制、植物激素的作用机制、基因表达调控机制

主要研究成果：

1、棉花纤维发育早期特异性表达基因的大规模分离与克隆。

以陆地棉徐州142和它的无长绒无短绒突变体（fuzless-lintless, fl）为实验材料，建立大规模功能基因筛选与分离克隆的新体系，建立广泛的植物功能基因组学研究、高通量基因组信息分析和大规模基因功能分析的技术平台，已建成目前为止世界上规模最大的含有29,000多个棉花cDNA的基因芯片并利用该芯片分离和克隆了一批在纤维突起、特别是伸长阶段特异性表达的棉花基因，研究并发现发现乙烯合成是纤维伸长过程中最显著上调的代谢途径。筛选了13个钙调蛋白依赖型蛋白激酶基因，发现钙调蛋白依赖型蛋白激酶抑制剂TFP可以抑制纤维细胞的伸长，乙烯不能恢复这种抑制作用，表明CDPK介导的钙信号通路可能位于乙烯信号下游。发现GhAPX1基因受H2O2和乙烯的调控，外加H2O2能够促进纤维伸长，而乙烯能促进内源H2O2的释放，表明乙烯可能通过CDPK激活NADPH氧化酶，释放活性氧，促进纤维伸长。克隆并鉴定了10个VLCFA延伸酶基因，研究了棉花VLCFA合成途径关键酶GhKCR和GhKCS的功能，发现VLCFA能够显著促进棉纤维伸长并诱导ACO基因高表达，促进乙烯释放。外源施加VLCFA抑制剂ACE能抑制纤维细胞的伸长和内源乙烯的释放。ACE的抑制作用可以被乙烯所恢复，但VLCFA不能恢复AVG的抑制作用。

2、拟南芥转录调控因子家族基因的克隆与研究

克隆了146个AP2/EREBP转录调控因子家族基因（该家族最多可能有147个基因），并进行了大规模基因表达谱分析，找到了一批可能参与调控各种生理过程的受不同环境条件或处理诱导表达的转录调控因子基因。通过对拟南芥ATH1基因芯片数据的分析, 鉴定了一个受干旱胁迫高水平诱导的cDNA片段, 并用RACE方法获得了其全长cDNA。PCR及定量实时PCR分析表明, 该基因在经干旱、紫外线照射、脱落酸、高盐以及水杨酸等胁迫条件处理后表达量均有显著提高, 特别是干旱处理后短时间内表达量迅速提高，3 h后即提高到对照样品的430多倍。通过多序列比对和系统进化分析,将该基因归于DREB亚家族。由于该基因编码蛋白含有典型的AP2/EREBP DNA结合结构域，并在N端有一段富含谷氨酰氨残基的区域，所以将它命名为QRAP2 (Glutamine-rich AP2)。凝胶阻滞实验结果显示, QRAP2蛋白能够特异结合DRE顺式元件序列但不能与mDRE和GCC等非相关元件结合。酵母单杂交实验表明，QRAP2蛋白全长序列或其N端112个氨基酸与GAL4 DNA结合结构域形成的融合蛋白表现出转录激活功能，而其C端135个氨基酸与GAL4 DNA结合结构域的融合蛋白则没有表现出转录激活活性。现有资料的分析表明，QRAP2是AP2/EREBP转录因子家族的新成员，可能在干旱胁迫条件下参与激活相关下游基因的表达。还研究了TINY2等多个转录因子的表达特性。正在通过拟南芥缺失突变体对参与植物抗性反应及植物激素ABA信号转导相关基因进行系统性功能研究。