博士生导师
研究员

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植物一氧化氮信号转导及高温胁迫适应机制

植物分子遗传国家重点实验室

（1）由于二氧化碳排放量的增加，地球温室效应的加剧，导致高温胁迫日益成为我国及世界现代农业生产体系所面临的严峻挑战。叶绿体是植物细胞进行光合作用的场所，也是高温逆境因子作用的敏感位点。高温胁迫导致叶绿体类囊体膜结构发生显著的改变，从而对光合作用和植物其他生理过程产生显著伤害。植物在高温胁迫条件下的热激反应是启动体内大量热激转录因子（HSF）和热激蛋白（HSP)基因的转录，而对于启动这些热激响应基因表达的信号来源并不清楚。我们将从植物热激转录因子调控的角度，阐释植物在高温胁迫下如何维持叶绿体稳定性这一科学问题。实验室在高等植物耐热机制研究方面取得了重要的研究进展，发现了植物高温胁迫响应基因表达的叶绿体逆向调控新机制。我们的发现支持叶绿体作为植物感受高温胁迫的“感应器”（sensor），叶绿体是细胞启动胞内热激反应的信号源，同时明确地阐释了植物高温下维持叶绿体光合作用场所-类囊体膜系统稳定性的分子机制。证实植物存在高温胁迫叶绿体逆向调控信号途径，为研究植物的耐热性反应机制开辟了一个全新的领域。

（2）一氧化氮（NO）作为信号分子参与了众多的植物生长发育过程的调控以及对环境胁迫因子的响应过程。我们的主要研究兴趣在于探索植物是如何感知NO信号，并通过何种途径将信号传递到细胞核从而调控基因表达的。重点的研究方向是关于植物衰老过程的调控以及NO在这一过程中的作用。

近年来在高等植物衰老和细胞死亡调控机制以及耐热机制研究方面取得了突破性的研究进展，发现了植物高温胁迫引起植物叶片衰老和死亡的叶绿体逆向调控新机制同时明确地阐释了植物高温下维持叶绿体光合作用场所-类囊体膜系统稳定性及光合效率的分子机制。与此同时，就细胞衰老和死亡拮抗经典植物激素-细胞分裂素调控水稻和拟南芥分生组织发生、维持以及水稻产量性状形成方面取得了重要的研究进展。相关研究成果如下：（1）证实了高等植物细胞存在热激反应的叶绿体逆向（retrograde）调控信号途径，发现了植物高温胁迫引起植物叶片衰老和光合机能衰退的叶绿体逆向调控新机制( PLoS Genetics, 2012)。（2）明确地阐释了依赖于小热蛋白HSP21的植物高温下维持叶绿体光合作用场所-类囊体膜系统稳定性及光合效率的分子机理( Plant Journal, 2017)。（3）揭示高等植物调节三个光合作用复合体（Photosystem I, cytochromeb6f and NADH dehydrogenase complexes）的协同生成及稳定性的维持的分子机制 (Cell Discovery, 2016)。（4）揭示叶绿体光合碳同化卡尔文循环关键酶SBPase为活性氧氧化损伤的敏感靶点，证实该酶为氧化胁迫影响植物碳同化速率和生长发育的关键节点 (Molecular Plant, 2012)。（5）揭示一氧化氮作为信号分子介导细胞分裂素诱导的细胞增殖过程，并调节植物分生组织的形成和维持 (Molecular Plant, 2013)。（6）揭示水稻穗发育细胞命运决定的SPL6-IRE1调控机制及内质网胁迫信号过激导致细胞衰老退化和穗“秃顶”性状产生的分子机理 (Nature Plants, 2018)。

代表性研究进展和成果如下：
（1）证实高等植物细胞存在热激反应的叶绿体逆向（retrograde）调控信号途径
该成果揭示高等植物叶绿体是细胞启动胞内热激反应的信号源，首次建立了叶绿体蛋白翻译效率和细胞核热胁迫响应转录因子HsfA2表达启动的遗传关系，证实了高等植物细胞存在热激反应的叶绿体逆向（retrograde）调控信号途径。上述的重要研究进展为细胞核-质体信号互做参与植物逆境胁迫适应机制提供了新的证据，为进一步研究高等植物的耐热性状形成机理开启了一个全新的视角( PLoS Genetics, 2012)。

（2）揭示依赖于小热蛋白HSP21的植物高温下维持叶绿体类囊体膜系统稳定性及光合效率的分子机理
课题组前期研究首次证实高等植物细胞存在热激反应的叶绿体逆向（retrograde）调控信号途径（Yu et al., 2012; Sun and Guo, 2016）。该项研究进一步证实，HSP21作为典型的热激响应基因，其高温诱导表达受叶绿体逆向调控途径关键组分GUN5的调控。突变体遗传证据显示，组成型表达HSP21可以显著提高高温胁迫敏感突变体gun5的存活率。上述研究进展为细胞核-质体信号互做参与植物高温逆境胁迫适应机制提供了新的证据，进一步丰富和完善了植物细胞热激反应的叶绿体逆向调控机制模型( Plant Journal, 2017)。

（3）发现高等植物调节三个光合作用复合体的协同生成及稳定性的维持的分子机制
植物光合作用过程极为复杂，作为地球上最大规模利用太阳能将二氧化碳和水同化为有机化合物的途径，是地球上绝大部分生命体所需能量和氧气的来源。叶绿体作为半自主性的细胞器，其光合复合体亚基分别由叶绿体基因组和核基因组编码。因此，探索两个基因组之间交流、对话和协调的分子机制，成为植物光合复合体生成及稳定性维持研究领域一个持续的热点科学问题。研究发现高等植物核基因组编码的RNA结合蛋白PBR1，通过调控叶绿体基因组巨大编码基因Ycf1在叶绿体中的翻译效率，进而调节三个光合作用复合体（Photosystem I, cytochrome b6f and NADH dehydrogenase complexes）的协同生成及稳定性的维持。蛋白互做验证结果支持Ycf1通过其CC1结构域与光合复合体亚基结合，在三个光合作用复合体生成组装过程中可能扮演脚手架(scaffold)或“底盘”（platform）的功能。PBR1-Ycf1调控模型的建立，为人们深入了解细胞核编码调控因子选择性调节叶绿体光合复合体生成和稳定性维持机制开启了一个新的窗口(Cell Discovery, 2016)。

（4） 揭示水稻穗发育细胞命运决定的SPL6-IRE1调控机制
水稻穗顶部退化造成的白化现象(俗称“秃顶”)是水稻生产实践过程中一个不利性状，导致每穗谷粒数目显著减少, 结实率显著降低，严重影响水稻产量。育种学家发现水稻穗顶部小穗退化现象受栽培环境条件（如温度和湿度等）的影响。
研究结果揭示水稻SBP-box家族转录因子SPL6抑制细胞内质网胁迫感应因子（ER-stress sensor）IRE1的转录，控制胁迫信号的输出强度；SPL6在穗发育过程中呈现顶端高水平表达样式，其功能缺失导致IRE1过度表达，造成细胞内质网胁迫信号输出失控和下游基因过激表达，导致顶端小穗细胞衰老退化和穗“秃顶”性状产生。因此，SPL6作为细胞内质网胁迫信号途径的上游调控关键因子，调节胁迫信号输出的时空强度和平衡，进而决定水稻穗发育过程中的细胞存活命运。
在破译水稻顶端小穗退化的遗传机制过程中，我们课题组采取了和以往研究者不同的策略和技术路径。通过利用反向遗传学的手段，从高通量筛选和获得水稻穗发育特异表达转录因子基因入手，筛选了一批在水稻穗发育过程中特异表达的转录因子作为重点研究对象。其中发现水稻SBP-box家族转录因子SPL6功能缺失突变体呈现明显的穗顶端退化的“秃顶”表型。遗传互补实验表明突变体的顶端穗退化表型是由于SPL6突变所导致。细胞学和生化分析显示spl6突变体顶端小穗在正常生长条件下呈现明显的细胞程序化死亡（PCD）特征。在系统分析下游调控靶点基因的基础上，发现spl6突变体顶端小穗细胞内质网胁迫感应因子（ER-stress sensor）IRE1的转录水平及蛋白水平显著增加。多项分子生物学和生化证据表明，SPL6作为转录因子通过特异结合IRE1的启动子，抑制IRE1的表达。通过SPL6启动子，组织特异性干扰（RNAi）spl6突变体内IRE1的表达水平，可以部分恢复顶端小穗退化表型，为IRE1高水平表达造成突变体穗“秃顶”性状建立了遗传联系。内质网胁迫感应因子IRE1兼具蛋白激酶和核酸内切酶的活性。突变体中IRE1蛋白的失控性过度累积启动下游靶点基因bZIP50 转录因子mRNA的大量剪切，翻译后的bZIP50蛋白进入细胞核激活其下游调控基因的表达，其中包括大量的PCD相关标志基因，导致细胞在正常生长条件下处于内质网胁迫过激状态，并最终引起细胞衰老退化和穗“秃顶”性状产生 (Nature Plants, 2018)。

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