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广东省植物发育生物工程重点实验室

花匠小妙招
2024-08-10 08:57

实验室在长期植物生理学特别是植物生长物质研究的基础上，紧密跟踪国内外学科发展的前沿，以模式植物拟南芥和水稻为材料，从细胞和分子水平深入研究植物生长发育的调控机理；同时结合广东区域生物资源特点与社会经济发展的需要，开展热带亚热带花卉和经济作物的应用基础和资源保育研究，致力于为广东经济和社会发展做出贡献。作为学校“211工程” 重点建设学科和广东省植物学重点学科的支撑实验室，目前形成了植物生理与生长发育调控、植物基因工程、植物繁殖与保育生物学、植物次生物质代谢以及昆虫与植物相互作用等5个研究方向，承担了国家重大研究课题和省部级多项课题，取得了一系列研究成果，具体如下：

1．植物生理与生长发育的调控

本研究方向以模式植物、经济植物和观赏花卉为材料，利用植物生理学、分子遗传学、生物化学以及细胞生物学手段，开展植物生长发育的调控机理研究。主要研究：1) SUMO化修饰和脂氧信号途径在花发育和根茎发育中的作用；2)植物激素调控相关基因的功能以及激素的信号转导途径。近3年获得国家转基因重大专项、国家基金激素重大专项培育项目和面上项目、广东省自然科学基金重点项目等22 项，发表SCI刊物论文20篇，获得发明专利4项。

取得的代表性成果：

① AtMMS21是新型负调控植物主根发育的因子

SUMO化修饰在调节植物的生长发育和逆境胁迫中起重要作用，如花期的调控、芽发育调节和胁迫等。但至目前为止，尚未发现SUMO化修饰调控植物根发育的分子机制。我们首次发现拟南芥中SUMO E3连接酶基因AtMMS21通过介导细胞分裂素信号途径和影响细胞周期相关的基因而调控根分生组织的发育，是一种新型的调控植物根发育的负调节转录因子，部分相关研究成果已发表在植物学领域的著名期刊The Plant J(2009，SCI 影响因子：6.5)和Plant Signaling & Behavior(2009)。

② GASA5是植物花发育的抑制因子

GASA(GA-Stimulated in Arabidopsis)基因家族是一类受GAs调节的基因，拟南芥中共发现15个成员。我们首次利用分子生物学和遗传学手段详细研究了拟南芥GASA5基因的功能。发现GASA5是一个分泌型的胞外蛋白；GASA5通过GA开花途径抑制LFY和FT等开花基因来抑制拟南芥的开花；GASA5受GA的抑制并位于DELLA蛋白GAI的上游，可能通过促进GAI的表达来抑制花序轴的生长速率。GASA5基因与ABA、高温等生物和非生物胁迫有关。相关研究成果已发表在植物学领域的著名期刊Plant Molecular Biology(2009， SCI 影响因子：3.54)。

2．植物基因工程

本研究方向以开展植物基因工程原理和技术的研究。1)在建立检测水稻DNA 同源重组的监测系统的基础上研究提高DNA同源重组的技术；2) 构建低温诱导石斛兰花芽分化的cDNA文库并测序获得EST，克隆低温诱导表达的基因并研究基因的功能，利用基因工程获得花卉新品系；3) 利用含Ri质粒的发根农杆菌对植物的遗传转化，开展有关毛状根在药用植物次生物质生产、环境保护和品种改良等方面应用的研究工作； 4) 利用生物发光的方法研究植物细胞的程序性死亡. 近年来获得国家自然科学基金广东省联合基金等项目7 项，发表SCI刊物论文 18 篇，获得发明专利1项。

取得的代表性成果：

① RecQ 解旋酶提高水稻细胞中DNA 同源重组

在植物生长发育过程中，多种外界因素和内部因素能引起细胞内DNA的损伤。这些损伤能否被修复以及所采用的修复方式将决定细胞的存亡与变异。植物细胞内 DNA 损伤修复有多种途径，其中同源重组途径为存在于细胞有丝分裂和减数分裂中的一种保守修复途径，对其机理的研究有利于揭示其对植物遗传物质稳定性的影响。本研究采用特殊设计的重组分子，通过基因枪介导的瞬时表达重组蛋白的方法，发现来源于大肠杆菌的 RecQ 解旋酶可以通过其DNA 解旋来促进染色体外分子间的同源重组(FEBS Letters，2004，SCI 影响因子：3.264)。该工作为进一步研究水稻DN重组修复及水稻基因打靶奠定了基础。

② 非生物胁迫初期实时观测活性氧产生及定位

以模式植物拟南芥及烟草细胞为材料，研究非生物胁迫下细胞死亡过程中活性氧产生和光合功能的差异变化、PCD系统下自噬的产生及发生机理。发现非生物胁迫下(Cd2+，SA，MeSA)可以诱导PCD产生，Cd2+，SA及MeSA胁迫下细胞活性氧首先产生在线粒体后延伸至叶绿体；转基因NahG的ROS产生量在Cd2+胁迫下较wt多，而在SA胁迫下ROS产生量少。相关研究成果已发表在国际著名期刊Biology of the Cell(2009，SCI 影响因子：3.438)。

3．植物繁殖与保育生物学

本研究方向主要以热带亚热带的重要花卉和药用种质资源植物为研究对象，开展植物繁殖与保育生物学方面的研究：1)植物繁殖与进化生物学研究，主要以姜科和苦苣苔为材料，探讨重要和关键植物类群的传粉模式和繁育系统进化以及繁殖生态策略；2)花卉种质资源保存与培育研究，以姜科、兰科和苦苣苔科等重要野生花卉种质资源植物为材料，开展繁育技术、栽培生理、品种培育和种质保存技术等方面的研究。近5 年获得国家自然科学基金、教育部科学技术研究重点项目、广东省自然科学基金重点等项目13 项，发表SCI 刊物论文 5 篇，获批发明专利 1 项。

取得的代表性成果：

姜科植物繁育系统进化与花粉滑动自花传粉机制的生态进化意义

姜科植物被认是热带单子叶植物中依靠动物传粉的一个大科，花形态多样性表明其传粉者的多样性，包括鸟类、膜翅目昆虫、鳞翅目昆虫等。然而，王英强等在黄花大苞姜中首次发现了植物界全新的花粉滑动自花传粉机制(Nature， 2004. 431，2 Sept: 39 -40)。在此基础上，近5年来课题组在国产姜科植物中进行了大尺度的传粉生物学和繁育系统的研究，目前已基本完成了茴香砂仁属(Etlingera)、姜花属 (Hedychium)、山奈属(Kaempferia)、长果姜属(Siliquamomum)、象牙参属(Roscoea)、距药姜属(Cautleva )、姜属(Zingiber)、拟豆蔻属(Elettariopsis)、大豆蔻属(Hornstedtia)、偏穗姜属(Plagiostachys)、姜黄属(Curcuma)、苞叶姜属(Pyrgophyllum)、豆蔻属(Amomum)和舞花姜属(Globba)等14属28种姜科植物传粉生物学和繁育系统的野外观察研究，发现了姜科植物中除黄花大苞姜的花粉滑动自花传粉外还存在一些新的自花传粉机制，如珊瑚姜花柱弯卷滞后自交、大豆蔻伸长滞后自花传粉、距药姜自花传粉和苞叶姜闭花机制，表明黄花大苞姜花粉滑动自花传粉机制的出现并非是姜科植物系统发育中的一个偶然事件，自花传粉机制在姜科的基部类群和进化类群中都存在。证明姜科植物的自花传粉现象是一个次生的性状，在姜科系统发育过程中是多次发生的，它是在属内或种内的特定水平上从一个原始的异花传粉的类型进化而来，常伴随着单花花粉量的降低。研究成果正在投稿中。

4．植物次生物质代谢

本研究方向以经济植物花生、甘薯等为材料，开展植物次生代谢调控和工程技术的研究；1)植物药物代谢酶与功能蛋白基因的克隆及转微生物和植物的研究；2)天然活性物质及其代谢的基因工程研究；3)植物天然药用功能成分的提取分离与生产工艺研究；近五年获国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广东科技攻关等项目19 项，发表SCI刊物论文21 篇，获得发明专利4项。

取得的代表性成果：

① 脱落酸(ABA)提高花生抗旱的作用分子机制。

我们从花生耐旱品种(yue7)中克隆了AhNCED1基因，转化旱敏花生品种(shan523)和拟南芥，植株在水分胁迫下AhNCED1基因和蛋白表达上调，ABA水平提高、降低对水分胁迫的敏感性；耐旱品种接受干旱信号1h，叶片中AhNCED1蛋白分布和表达迅速增强，随后茎、根分布和表达提高，明显高于敏感花生品种；基因上游启动子序列含有ABRE和NACR；ABA处理激活启动子活性，诱导花生转录因子AhNAC2的表达，进一步发现AhNAC2在花生响应干旱与ABA信号中起调控作用。相关研究成果已发表在国际著名期刊Biochemical and Biophysical Research Communications (2006，SCI 影响因子：2.648)。

② 植物天然药用功能成分的提取分离与生产工艺研究

虫草中虫草素的提取分离与生产工艺研究.虫草素是天然冬虫夏草和人工虫草所共有的主要功能成分，含量很低.因提取分离工艺复杂，生产成本高，限制了其应用。我们用柱层析提取法从虫草及其固体培养基废料中提取虫草素等药用功能成分，经特殊的分离纯化工艺，可生产高纯度(≥98%)的药用级和生化级产品，生产工艺已达到中试生产水平，新的提取分离工艺可使虫草素的生产成本降低80%以上，申请发明专利2个（植物功能成分层析提取新方法，专利申请号: 200810026061.X和高效节能的高纯度虫草素提取与生产方法，专利申请号: 200910036611.0)。

用柱层析提取法从喜树叶中提取喜树碱，用5倍体积的提取液循环提取，可使提取率超过95%，大大减少了提取液用量和浓缩液体积，经特殊的优化工艺分离纯化，可低成本生产纯度大于95%的喜树碱，生产工艺正在放大试验中。

用柱层析提取法从茶叶次废品原料中提取茶多酚，咖啡因和茶氨酸等功能成分，大大减少提取液用量，节约加温和浓缩等过程的能源消耗，同时提高提取物的品质.应用此方法提取和生产高质量的速溶茶粉及分离纯化各功能成分的工艺已研究成功，正在逐步放大试验中。

收集和引进了20多个紫色甘薯品种或品系，筛选出了色素含量和积累部位差异显著的不同紫色甘薯突变株系。建立和优化了紫色甘薯色素的提取、纯化、制粉及微胶囊保存工艺；获得国家发明专利（紫色甘薯色素的提取方法，专利号为ZL 2006 1 0123451. X）和实用新型专利（检测紫色甘薯花青素相对含量的色卡，ZL 2008 2 0042869. 2）。

5．昆虫与植物的相互作用

本研究方向开展昆虫发育分子生物学和昆虫与植物的相互作用的研究。 1) 昆虫中肠基因和蛋白表达谱的研究；2) 功能基因的克隆与分析；3) 昆虫变态发育的研究；4) 昆虫抗药性研究。近4年获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金重点、国家863和973计划等项目13 项，发表SCI 刊物论文15 篇。

取得的代表性成果：

①斜纹夜蛾胆固醇吸收和运输

胆固醇是细胞膜的重要成分和昆虫蜕皮激素生物合成的前体。但是昆虫是不能自主地从简单的化合物从头合成胆固醇的，必须从食物中吸收甾醇类化合物。昆虫对胆固醇的吸收是通过甾醇运输蛋白（sterol carrier protein 2/3-oxoacyl-CoA thiolase， SCPx）实现的。因此，这个基因对于昆虫的生长发育来说是至关重要的。我们从斜纹夜蛾克隆了这个基因，并对其在不同组织和发育时期的表达，组织和细胞中的分布和定位，mRNA和蛋白合成后的剪切形式，对胆固醇吸收的作用以及对生长发育的影响进行了详细研究。发现干扰了该基因的表达影响了昆虫对胆固醇的吸收和幼虫向蛹的变态发育，表明该基因可以作为害虫防治的分子靶点。研究结果已被BMC Molecular Biology（2009，SCI 影响因子：2.81）发表。

② 家蚕变态发育的研究

如何延长家蚕蛹期发育是蚕丝生产中的重大科学和应用问题。我们研究了家蚕表皮专一表达的翅膀原基几丁质蛋白(Wing Dics Cuticle Protein 4， WCP4)基因的结构、表达和分子调控机理。研究发现这个基因是同时受蜕皮激素正调控和受保幼激素负调控的。蜕皮激素首先激活了与蜕皮变态相关的转录因子Broad complex的表达，后者再激活转录因子POUM2的表达；POUM2结合到wcp4基因调节区的顺式反应元件上，从而启动了wcp4的表达，导致幼虫向蛹期的发育。这是首次实验证明了POUM2转录因子参与了蜕皮激素诱导的昆虫蜕皮变态发育的调控。研究为进一步发展延长家蚕蛹期发育的策略提供了重要的理论基础。系列研究结果将陆续提交发表。