稻属A基因组的分子系统发育--兼论亚洲栽培稻的起源

稻属Oryza隶属禾本科Poaceae，包括20多个野生种和2个栽培种(亚洲栽培稻O. sativa L���非洲栽培稻O. glaberrima Steud) ，广泛分布于全球热带和亚热带。稻属物种可划分为10个基因组(又称染色体组)类型：A, B, C, BC, CD, E, F, G, HJ 和 HK。栽培稻所属的A基因组是稻属中物种数目最多、地理分布最广的基因组类型，由8个种组成。由于栽培稻属于A基因组，故A基因组物种是栽培稻遗传改良的巨大基因源。数十年来，国际上许多学者对A基因组类群开展了大量涉及形态、细胞、同工酶和分子标记方面的研究，但由于A基因组物种间遗传关系十分接近，形态上差异小且地理分布重叠，使得A基因组物种的系统发育、物种起源和生物地理学等方面存在诸多悬而未决的问题，是稻属中分类和鉴定困难较多的类群。本文利用核基因内含子序列，结合转座子插入分析，重建了A基因组的系统发育，估测了各类群的分化时间;与此同时，基于多克隆测序和基因谱系分析，探讨了O. rufipogon和O. nivara遗传关系以及亚洲栽培稻起源。主要研究结果如下： 1. A基因组的系统发育 在水稻全基因组数据库搜索的基础上，测定了4个单拷贝核基因（Adh1 及3个未注释基因）的内含子序列，构建了稻属A基因组8个种的系统发育关系。基于最大简约法和贝叶斯法的系统发育分析表明：1）澳大利亚的O. meridionalis为A基因组的基部类群;2）亚洲栽培稻两个亚种O. sativa ssp. japonica 和 O. sativa ssp. indica分别和不同的野生类群聚为独立的两个分支，支持japonica 和 indica为多次起源;3）O. rufipogon和O. nivara在系统发育树上完全混在一起，显示出二者间不存在遗传分化;4）非洲一年生野生种O. barthii是非洲栽培稻O. glaberrima的祖先，而非洲多年生野生种O. longistaminata与O. glaberrima/O. barthii.亲缘关系较远;5）分子钟方法估测A基因组类群约在2百万年前（2.0MYA）开始分化，亚洲栽培稻和非洲栽培稻，以及亚洲栽培稻的两个亚种则分别在0.7和 0.4 MYA左右开始分化。此外，通过核基因内含子序列与其它常用片段如ITS，matK等对比分析表明，进化速率相对较快的核基因内含子序列可以有效地用于近缘类群的系统发育研究。 2. Oryza rufipogon 和O. nivara群体遗传研究及亚洲栽培稻起源 对于亚洲野生类群O. rufipogon和O. nivara是合并为一个种还是处理为两个独立的种一直存在争议。在系统发育研究基础上，我们选取4个核基因内含子或5’-UTR区（Waxy, LHS，CatA和1个未注释基因），对采自整个分布区的群体样品进行了多克隆测序，结果表明：1）检测到O. rufipogon和O. nivara均有较高的核苷酸多态性，4个位点上π值和θw值平均分别为0.011和0.014;2）且二者在遗传上没有明显分化，两个类群在4个核基因位点上均检测到大量共享多态（shared polymorphism），未发现固有差异(fixed difference)，表明它们历史上可能属于一个大群体，支持将二者作为种内不同生态型或亚种处理;3）基因谱系树表明亚洲栽培稻的两个亚种indica和japonica分别和不同的O. rufipogon (包括O. nivara)群体聚在一起，进一步从基因谱系角度支持亚洲栽培稻多次起源假说。 3．转座子在群体遗传与系统发育研究中的应用 鉴于目前植物谱系地理学研究中缺乏具有足够信息量的分子标记用于检测种内遗传变异，我们选取3个核基因中的转座子，通过对取自O. rufipogon和O. nivara整个分布区的37份样品的克隆测序，探讨了进化速率快、信息含量丰富的转座子序列在群体遗传上的应用。结果表明：1）无论在物种水平还是群体水平，转座子能检测到比包括内含子在内的其它DNA区域高得多的遗传变异;2）在物种水平上，异交多年生的O. rufipogon和自交一年生的O. nivara多样性均较高，且2个种间相差很小，二者在3个位点上平均核苷酸多样性π值均为0.013，差别主要表现在O. rufipogon杂合位点比例（46.1%）明显高于O. nivara（9.1%），说明交配系统不同并不一定和物种多样性水平相关;3）是否发生转座子序列插入是有价值的系统发育信息，发生在不同染色体上3个基因中的转座子插入进一步证实A基因组基部类群是O. meridionalis;通过叶绿体中3个转座子的插入现象推断了稻族一些四倍体物种，如稻属BC基因组的一些类群的母本来源。

通过体细胞杂交由大黍向水稻转移无融合生殖基因的研究

本论文以无融合生殖的大黍(Panicum maximum Jacp.)作为无融合生殖基因的供体，试图通过体细胞杂交方法向水稻(Oryza sativa L���)导入无融合生殖基因。结果如下：采用PEG融合法，诱导水稻原生质体与大黍原生质体融合，经过融合体筛选、培养，成功地获得了再生水稻植株。在融合前，水稻原生质体经过2.5 mM碘乙酰胺(IOA)在室温(22～25℃)条件下处理15分钟，大黍原生质体经过60Kr软x射线照射或不做任何处理。经双亲处理选择系统获得移栽成活的25株再生植株;经水稻单亲处理选择系统获得移栽成活再生植株3株。这两类融合再生植株（经双亲处理选择系统获得的25株和经单亲处理选择系统的3株）在花器官形态、结构及生殖特性上与对照亲本水稻植株有显著的差异，出现多花药（一朵颖花具7至11枚，甚至13枚花药）、多胚珠（一个子房内2～3个胚珠）及多胚囊（一个胚珠中2个以上胚囊）等现象;雌、雄性育性显著降低或完全消失，仅有5株能够少量结实，I-KI溶液着色的花粉从0至68%不等;胚胎学检查表明不能结实的植株雌性均不育，即不能分化出正常的胚囊结构。进一步的检查正在进行中。

光敏核不育水稻中光敏色素A mRNA的丰度分析及光敏色素A和B生物功能的分析

本文以光敏色素A (phyA)的特异性基因片段RPA3为探针，利用RNA斑点杂交的方法对光敏核不育水稻农垦58S及对照农垦58叶片中phyA mRNA的丰度进行了分析。结果显示：在育性转换敏感期，光周期处理O天时，农垦58S (NK 58S) phyA mR-NA的丰度比农垦58 (NK 58) phyA mRNA的高。光周期处理5天（雌雄蕊原基形成期）及10天（花粉母细胞形成期）时，短日照条件下(SD)，NK 58S phyA mRNA的丰度均比NK58高。进一步比较3天龄NK58S及NK58黄化苗中phyA基因表达的差异，发现NK58S phyA mRNA的丰度比NK58高，并且两品种均符合黄化苗中phyA对其mRNA丰度的负调控作用。这一结果进一步证实：甲基化水平低的NK58S phyA基因比NK58 phyA基因更活跃地表达，进而导致转录水平与翻译水平上的差异，最终参与调节NK 58S的育性转换。 另外，通过持续远红光和红光照射黄化水稻幼苗诱导叶绿素合成的实验，分析了NK58S与NK58之间光敏色素生物功能的差异。持续远红光高辐照度反应(FR-HIR)由phyA负责调节，持续红光高辐照度反应(R-HIR)由phyB负责调节。实验结果显示：持续FR使NK58S与NK58合成叶绿素的含量在12 h时达到最高，并且NK58中叶绿素合成的相对效应比NK585高。持续R使NK58S及NK58中叶绿素的含量在24小时连续处理下持续增加，而且在此时间进程中，NK58中叶绿素合成的相对效应也都比NK58S高。这些结果说明在NK58S和NK58中phyA和phyB均参与了叶绿素合成的调节，并且phyA，phyB在NK58S和NK58黄化苗转绿过程中的作用存在差异。

水稻胚囊发育畸变的细胞学和遗传学研究

1．水稻多卵卵器的起源：被子植物的卵器中通常只有一个卵细胞。我们在水稻多胚品系胚囊中观察到二卵卵器和三卵卵器，本研究对其大孢子发生和胚囊发育进行了细胞胚胎学观察，揭示了水稻多卵卵器的起源．观察结果表明，该品系能进行正常的大孢子发生。大孢子母细胞进行正常的减数分裂形成四个大孢子靠近合点端的大孢子发育，其它三个退化。功能大孢子第一次有丝分裂后两个子核被一中央大液泡分隔在胚囊珠孔端和合点端，与此同时胚囊出现不均衡生长，珠孔端迅速膨大，合点端几乎不增大，致使二核末期的胚囊呈倒梨形．紧接着发生第二次有丝分裂，合点端核分裂时纺锤丝与胚囊纵轴平行，而珠孔端核分裂时纺锤丝与胚囊纵轴成4 5度夹角．由此产生的四核胚囊中，合点端一核向胚囊中部或中上部（胚囊珠孔端）迁移，四核胚囊再经一次有丝分裂形成两种类型的核分布偏离蓼型的八核胚囊。一种类型是珠孔端四个核，中部与合点各二个核，在胚囊细胞化过程中，珠孔端四核 分化成四细胞卵器，其中卵细胞和助细胞各二个，中部的二核分化成二极核中央细胞，合点 端的二核形成反足细胞。另一种类型是珠孔端六个核，合点端二个核，在胚囊细胞化过程中， 两端各一核向中部迁移分化成二极核中央细胞，珠孔端剩余的五核分化成五细胞卵器，其 中卵细胞三个，助细胞二个，合点端的一核迅速分裂形成反足细胞． 2．水稻同源三倍体TAR的生殖特性：TAR的单穗结实率平均可达10%，核型分析表明此三倍体产生的后代个体仍为具有36条染色体的三倍体．细胞胚胎学初步观察显示TAR为一具兼性无融合生殖特性的水稻新种质，其胚珠几乎都能进行胚囊的分化，但其中仅有33%的胚囊有较正常的结构，9%的胚囊在散粉前进行胚胎发生，58%的胚囊发育显著异常，表现为极性紊乱、多极核或缺失雌性生殖单位等。 3．水稻亚种间杂种败育的细胞学基础：对普通栽培稻不同品种类型间杂种颖花败育的细胞学基础及雌性败育的过程进行的细胞学研究表明：1）引起杂种颖花败育的原因有胚囊败育，花粉败育、开花时花药不开裂和雌雄异熟．其中胚囊败育而丧失受精能力是引起低结实率的最重要的因素，开花时花药不开裂和雌雄异熟在一定程度上形成了雌雄性细胞时间和空间的隔离屏障。2）杂种植株的所有大孢子母细胞都能进行正常的减数分裂形成四个大孢子，败育主要发生在靠近合点端的功能大孢子分化形成胚囊的早期，有的胚囊母细胞在进行第一次有丝分裂前便萎缩解体，多数能完成一次或二次有丝分裂形成二核或四核败育胚囊．败育的共同特征是无液泡的分化，细胞质少或退化，在败育胚囊残迹部位，解体的珠心细胞和萎缩的胚囊残溃混杂垛叠．已受精的杂种子房没有观察到胚及胚乳发育的异常．籼粳杂种胚囊败育频率较高． 4．籼粳杂种生殖障碍的基因定位：应用具有1 37个标记位点的籼粳杂交窄叶青8号/京系17)F1花药培养获得的127个双单倍体OH）群体构建的R FLP图谱，对控制籼粳杂种颖花败育的基因座位进行了定位研究。结果在第1、3、4、5、6、7、8、1 2染色体上检测到1 0个基因座位，其中第3、12染色体上的2个不育基因位点str3和str12与同一杂交组合F2分离群体中发现的异常分离热点处于相同的染色体区段．stj-6的基因加性效应为负值，有增加籼粳亲和性的作用;其余的不育基因座位皆有增加籼梗杂种不育性的作用． 5．籼粳杂种胚囊败育的遗传分析和基因定位：利用DH系构建的分子图谱及DH系衍生的2个回交群体定位了引起籼梗杂种胚囊败育的2个互补的主效基因esa-l���E1或e1位点）和esa-2（E2或e2位点），它们分别位于第6和第1 2染色体．在不育基因位点，籼稻基因型为EIEle2e2，粳稻基因型为elelE 2E 2，杂交后代中基因型为EIE2，Ele2、elE 2的雌配子体正常发育，携带ele2基因型的雌配子体表现败育．胚囊育性受配子体基因型控制，孢予体遗传背景影响胚囊败育基因的表达.

温敏转绿型水稻叶绿素缺失突变体1103s失绿复绿特性研究

叶绿素突变泛指能导致叶绿素代谢失调的核基因或叶绿体基因突变。发生叶绿素突变的植物个体普遍表现为叶色的变化，目前已报道的多数叶绿素突变体为人工诱变产物。叶绿素缺失突变导致的叶结素代谢缺陷实际上反映了叶绿体发育过程的缺陷，研究叶绿素突变更重要的意义是在于阐明叶绿体发育过程。 本研究所用材料1103s是一类特殊的叶绿素突变体，为籼性光敏核不育水稻（Oryza sativa L.）8902s群体中发现的自发突变体。该突本所具有的失绿特性为特定温度条件下才表现出来的瞬时性状，在环境温度恢复后，失绿组织可复发。遗传分析表明该突变由隐性核基因控制。本文不1103s所具有的温度敏感和失绿复绿特性，在亚细胞水平和生理化水平进行了详细的探讨。 叶绿素含量的检测表明，诱导后表现失绿的叶片组织内叶绿素含量明显降低，叶绿素a/b比值升高，原脱植基叶绿素含量低于绿色组织。失绿组织中的这种原脱植基叶绿素在失绿组织中含量的减少是由两方面因素造成的，其一是叶绿素合成过程中原脱植基叶绿素合成之前的某一步过程反应受阻;其二是原脱植基叶绿素向叶绿素转化的过程是正常进行的。 对1103s叶绿体内部的超微结构观察表明：1.控制叶绿素缺失性状的是一多效基因。该基因在特定温度条件下表达时，不仅影响到叶绿体的发育，也对细胞质中的其他细胞器产生重要的影响，其结果是细胞质中的高度有序的内膜系统被大量形状不规则的泡状结构所取代。放大后发现，这类泡状结构由（1）线粒体（2）功能未知的泡状结构I，其内部含颗粒状物质泡结构被膜内还有数层不连续的膜残片（3）功能未知的泡状结构II，其内部含大颗粒状物质。2.该突变体表达失绿和复绿过程中，叶绿体内部膜结构的变化伴随叶绿素含量的变化也有退脂和恢复的过程，但与已报道的其他突体有两个明显的不同：首先，在退化细胞的叶绿体内未观察到前片层体的存在。前片层体是叶绿体发育过程中黄化体阶段常见的非常明显的特殊结构，在电镜下为有规律的晶格状结构。已有研究表明，前片层体的形成与原脱植基叶绿素的积累有密切关系。与组培白化苗中检测到的结果不同，失绿组织中原脱植基叶绿素的含量不但没有积累，反而少于绿色组织中的含量，而造成该突变体在失绿过程中质体内无前片层体形成。其次，1103s在叶绿体退化过程中类囊体膜的变化不同于其化温敏的转绿型叶绿素突变体，尤其是在失绿过程中，其类囊体膜不是以直接解体的方式减少而是以单类囊体膜紧靠为主要特征。 对野生型 8902s与1103s类囊体膜结构的冰冻蚀刻分析表明，1103s失绿叶片上的失绿组织和绿色组织中，EFs面的大颗粒结构均异常。其异常之处表现在每个颗粒明显解离成两个亚单位（上面观），而在野生型8902s中则无上述现象出现。亚单位的解离程度在失绿组织中更明显。有间接证据研究表明，EFs面上的大颗粒代表PS II。如果该推论正确，那么失绿叶片的失绿组织和绿色组织中，PS II都可能是异常的。 另外，通过对失绿组织和绿色组织全叶蛋白双向电泳图谱的比较，得到了一个特异缺失的叶蛋白组分，该蛋白的分子量为51kd。此蛋白在失绿叶片上的失绿组织和绿色组织之间存在组织差异性。通过对该蛋白在不同温度处理和不同遗传背景下的变化规律分析，发现该蛋白是一存在于许多水稻品系叶片中的高含量组分，此蛋白表达本身不受变温诱导过程的影响，而是受另一感温过程的调控。初步分析表明该蛋白为一失绿相关蛋白。 综上所述，1103s所具有的失绿和复绿特性是核基因多效表达的结果，有一感温过程调控下游蛋白表达的复杂过程。此外，该突变特性很可能与PS II的结构异常有关。

水稻颖花开裂突变体的鉴定及颖花开裂基因srs-1的定位

　　水稻(Oryza sativa L.) 颖花开裂 (split rice spikelet，SRS) 突变体是从水稻品系 8902s 花药培养得到的双单倍体群体中筛选出的同源异型突变体。以窄叶青8号为母本，SRS突变体为父本配制杂交组合，其F2群体中正常植株和突变植株的分离比例符合3:1，说明颖花突变性状是由单隐性基因决定的。 利用扫描电镜观察 SRS突变体花器官形态发生过程。其性状表现为内外稃变软变长，不抱合，在外稃基部又着生一朵花，两浆片基部融合，质地呈稃片状，雄蕊和雌蕊形态正常，且可育。该突变体的突变性状与拟南芥APETALA1的突变表现相似，说明两者在形态建成方面具有相似之处。由于 SRS 突变体第一轮和第二轮花器官发生了变化，根据 ABC 模型，srs-l���因应属于同源异型 A 组基因。 采用BSA法在F2群体中建立DNA正常池和突变池，利用RAPD技术筛选与突变基因srs-l���锁的分子标记。从520条随机引物中筛选出了引物S465能在两池间扩增出分子量为900 bp的差异片段，并证明其在F2群体中表现共分离。将此DNA片段克隆后作为RFLP探针pS465A，该探针与srs-l���因紧密连锁，在DH群体的RFLP分子连锁图谱上成功地将它们定位于第三染色体上。 本研究是利用水稻同源异型突变体为材料，研究水稻花器官发育基因的首例报道。

两个固氮相关的植物基因对烟草和水稻的转化及其表达

豆科植物凝集素基因和血红蛋白基因在对根瘤菌的识别作用和类菌体在低氧分压下的共生固氮中起重要作用。本文的目的是试图将这两个基因转移到非豆料植物烟草和水稻，使其能识别根瘤菌，探讨非豆科植物的共生和联合固氮的可能性。 构建了含有豌豆凝集素（P－Lec）基因、Parasponia andersonii血红蛋白基因、gus基因及植物选择标记潮霉素磷酸转移酶基因（hpt）的两个植物表达载体pCBHL���pCBHUL;同时，还构建了含有P－Lec基因、gus基因及植物选择标记PPT乙酰转移酶基因（bar）的植物表达载体pBBUL���在pCBHL���，CaMV35S启动子调控P－Lec基因的表达，而在pCBHUL���pBBUL���，该基因由玉米Ubiquitin 1启动子调控。 用农杆菌法将pCBHL���入烟草，得到53株再生植株，PCR检测表明转化频率为88％。用基因枪法分别将pCBHUL���pBBUL���入水稻幼胚或幼胚诱导的愈伤组织。转pCBHUL���材料共得到40株再生植株，经分子检测有18株分转基因植株，转化频率为0.9%。转pBBUL���幼胚愈伤组织经PPT筛选，只得到能分化出小芽的抗性愈伤组织。 PCR检测、Southern杂交表明P-Lec基因和Paraspoina血红蛋白基因都已经整合到转基因烟草及水稻的基因组中，转基因水稻植株中两个外源目的基因的拷贝数较高。Western杂交分析转基因植物中P-Lec基因的表达情况，结果表明该基因在转基因的烟草和水稻叶片中得到正确地表达。同时，GUS组织化学染色表明转基因烟草的嫩茎和幼根，转基因水稻的嫩叶和幼根中都有gus基因的表达。转基因烟草中外源基因的表达频率高于转基因水稻。T1代转基因烟草幼根的蛋白原位免疫杂交显示P-Lec正确定位于正在生长的幼根根毛的顶端，与对照豌豆中的P-Lec基因表达部位相一致。关于Parasponia血红蛋白基因，以前本实验室对转基因烟草和水稻的研究表明有转录水平的表达，国外实验室证实转基因烟草中有转译表达。 上述结果有可能为进一步研究转基因非豆科植物与根瘤菌的相互作用奠定一定的基础。

利用反义RNA技术进行木质素生物合成调控的研究

木质素是一类酚类次生代谢产物，在植物体内行使重要的生理功能，但它却是形成造纸污染的主要来源。利用基因工程手段，在分子水平调节木质素的生物合成，降低木质素的含量或改变组分以培育适合造纸的植物原料树种具有较大的应用价值和环保效益。本研究利用反义RNA技术，主要围绕木质素合成三种相关酶咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(CCoAOMT)、4-香豆酸：辅酶A连接酶（4CL���的基因对植物木质素生物合成途径调节的研究，取得如下进展： 1.农杆菌介导法将COMT和CCoAOMT基因的单价和双价的反义表达载体导入烟草，比较了两个甲基化酶的功能。PCR-Southern和Northern点杂交结果表明反义基因已整合到烟草基因组DNA上，并在转录水平表达。两种反义基因对木质素生物合成调节的效果显示，CCoAOMT能更有效地调节木质素生物总量的合成，COMT仅特异调节S木质素的合成。表达反义CCoAOMT基因的转基因毛白杨，内源CCoAOMT基因的表达在转录和蛋白水平均受到抑制，最终引起转基因植株木质素含量普遍降低，最多降低达26.20%，筛选出木质素含量下降10%以上的转基因毛白杨株系8个，为源头治理造纸废水污染奠定了基础。 2． 对克隆的4CL���因进行了表达特性分析， RT-PCR分析表明，分离的毛白杨4CL���因主要在木质部丰富表达，叶中表达量较少，树皮中不表达。在毛白杨的一个生长季，该基因表达显示明显的双锋特征，该表达模式与木材早材和晚材的发育时期相吻合，表明分离的毛白杨4CL���因与木质素的生物合成密切相关。农杆菌介导法将反义4CL���因导入烟草和毛白杨，利用分子生物学检测手段对转化植株进行筛选，获得批量转基因植株。Klason木质素含量测定分析表明，抑制内源4CL���因表达，能有效降低转基因植物中的木质素含量，且不影响植株正常生长和发育以及碳水化合物的合成。转基因毛白杨的茎杆上一些区域呈红棕色，颜色的深度与转基因毛白杨木质素含量的下降幅度呈一定的正相关性，颜色变化可作为转基因植株筛选的一个辅助指标。现已获得木质素含量下降10%以上的转基因株系3个，最多下降达41.73%，可供中试与制浆实验，为培育低木质素环保型毛白杨提供理论与实践依据。 3.为了优化现有的表达框架，使目的基因更有效地调节木质素的生物合成，应用PCR技术从毛白杨基因组中分离得到C4H(肉桂酸4—羟基化酶)基因启动子片段（GenBank注册号：AY351673）。GUS荧光活性分析和组织化学染色显示，该启动子在一些木质化的组织和器官中特异表达，随着组织成熟度和木质化程度的增加，表达活性逐渐增强，并且该启动子受伤诱导。反义CCoAOMT基因在C4H启动子的调控下，会引起转基因烟草木质素均有不同程度的减少，但不影响碳向碳水化合物的转换合成，对植物的生长发育也无明显负效应。这些结果证明了从毛白杨中分离的C4H 启动子可以应用于造纸原料树种材性改良的遗传工程操作。 4．首次从水稻中华10号（Oryza sativa L. ssp. japonica）分离了CCoAOMT基因家族的三个成员，对其基因结构及表达特性的分析表明，该基因家族的三个成员与水稻的木质化进程关系密切，研究结果有助于了解单子叶植物中的甲基化途径发生机制，为高产水稻抗倒伏和茎杆饲料作物的遗传改良奠定了基础。

一种小G蛋白TaRAN1在植物细胞周期和发育过程中的功能研究

　　小G蛋白作为信号转导中重要的分子开关， 进化相当保守，与许多不同的调控因子和效应器分子相互作用，产生细胞功能的多样性。近年来，人们不断发现植物中小G蛋白家族的新成员，也不断揭示小G蛋白的新功能，许多植物特有的信号途径和功能需要小G蛋白这个重要的分子开关来完成，使它越来越成为人们研究的热点问题。但是，有关植物中Ran GTPase及其编码基因的研究工作报道很少，对与之相互作用的调控蛋白研究进展也刚刚开始。 　　TaRAN1 (AF488730) 是小麦来源的Ran同源蛋白编码基因，全长1055 bp, 编码221个氨基酸，它在植物发育过程中的功能还没有任何报道。本论文在验证了它是小G蛋白Ran家族的成员后，从分子水平上还发现它在植物细胞周期调控、对生长素以及胁迫应答信号转导过程中都起着重要作用，这也说明了它可能作为信号转导过程中重要的转换因子，参与了很多细胞的基本生理过程。 　　利用原核表达系统及亲和色谱的方法纯化了TaRAN1融合蛋白，并用放射性标记的GTP和竞争实验证实了它具有特异的GTP结合活性。TaRAN1的转录产物在小麦幼茎和花芽等分生组织活动旺盛的器官表达较多，而在老叶中表达较少。利用洋葱表皮瞬时表达系统分析表现，TaRAN1蛋白主要定位于细胞核，但其没有典型的核定位信号。 　　细胞周期一直是生物学领域中的热门问题，人们虽然在动物细胞中取得了很大进展，但在植物细胞中的研究远落后于动物。裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）是研究细胞形态和细胞周期的良好系统，利用此系统发现超表达TaRAN1的酵母细胞表现出许多新的细胞学表型，例如G2细胞周期延滞、染色体对紫外线敏感、细胞超长或多隔细胞的出现等;反义表达TaRAN1的酵母细胞呈近圆型、具有高度凝集的核并且生长速度缓慢、核质混合和无核细胞的数目明显增加。流式细胞仪检测实验也证实其细胞周期的异常。这些结果推测TaRAN1蛋白可能参与细胞周期的有丝分裂过程和发育的调控机制，并且在维持染色体结构稳定和完整性方面起着重要的作用。通过免疫荧光实验观察表明，超表达转基因酵母的微管多呈异常的狭小扇形结构，反义表达TaRAN1的酵母微管不能形成丝状结构，推测TaRAN1还可能参与微管（包括纺锤体）的结构形成过程。最后，我们用超表达TaRAN1的转基因拟南芥和水稻也证实了它的功能，其生长点表现出分生组织增多的原基、根生长点的有丝分裂指数有所改变、出现异常的细胞分裂时相等有关细胞周期异常的现象，更进一步说明了TaRAN1确实参与着细胞周期的调控过程，推测其与细胞周期从G2期进入M期的过程有关。 　　TaRAN1基因受IAA的诱导表达，且随着浓度的增加表达量增强。超表达的TaRAN1植株（包括拟南芥和水稻）的根表现出对外源生长素异常敏感，侧根显著变少，地上部分表现出生长素过量的表现型，顶端优势减弱，分蘖增多，生长周期延长等。HPLC测定转基因植物的IAA含量，明显高于对照。所以，TaRAN1可能还参与了复杂的生长素信号转导过程。TaRAN1基因还受各种胁迫处理的诱导表达，并且超表达植株对胁迫的忍受能力有明显提高，这说明TaRAN1还参与了胁迫信号应答的相应机制。Ran蛋白这些新功能目前还未见到其它报道。

水稻中一个编码富含脯氨酸蛋白基因家族的表达和功能研究

OsPRP1是水稻中特有的，编码一类富含脯氨酸蛋白（proline-rich protein, PRP）的基因家族，该家族有4个成员。在GenBank中，仅找到了一个结构相对接近的玉米PRP蛋白，但是对它的研究仅限于序列上的某些描述，而且在序列上，仍然与这4个OsPRP1蛋白有明显的差别。OsPRP1蛋白明显有别于前人（1999）所描述的4类PRP蛋白。它们是植物中一类新的小分子量的PRP蛋白，仅有一个保守结构域而属于DUF1210蛋白超家族的成员。 四个OsPRP1基因在基因组中紧密串联排列，而且编码区高度保守，基因结构也高度一致，证明它们来源于同一个祖先基因，是通过基因复制的方式产生的。PAML���析也证明它们在进化时间上的相互距离并不远。而在进化过程中由于执行生理功能上的某种重要性，在编码区表现出很的保守性，因而很难在RNA水平和蛋白水平上研究四个OsPRP1基因的表达差异。但是它们在表达调节区（如启动子区）显示出明显的差异。在克隆启动子的基础上，用GUS报告基因的策略，没有检测到它们在拟南芥中的表达活性，说明它们具有一定的种属特异性。而在水稻中，这四个基因的表达显示出了明显的时序和空间差异，既表现出在组织器官及其发育阶段上的特异性和变化，又在一定程度上表现出交叉，出现了功能上的分化和重叠。根据启动子区上的顺式元件，检测了这些基因对6种植物生长调节物质和3种非生物胁迫因子的应答反应，证明它们的表达调节也表现出显著的差异和分化。因此，四个基因的进化出现了功能退化、亚功能化和产生新功能等多种命运，比理论模型预期的要复杂得多，可能在执行生理功能和对环境反应上具有各自的生物学意义。 植物细胞壁是多种碳水化合物和蛋白质相互交织在一起的亲水性网络。在保护和支撑原生质、细胞通信、细胞分化、细胞对生物的和非生物胁迫的抗性等方面发挥着重要作用。目前已知的大多数植物PRP蛋白被描述成细胞壁结构性蛋白。OsPRP1基因家族编码的蛋白质都有一个N-端信号肽，暗示它们可能是一类分泌蛋白。我们用OsPRP1.1::GFP融合蛋白进行了亚细胞定位，证明了OsPRP1蛋白的确也是细胞壁相关蛋白。用原核表达体系表达了GST-融合蛋白，制备抗体，通过免疫印迹证明这些蛋白不溶于温和的提取缓冲溶液中，但可以被高盐和强碱溶液溶解，且分子量增加了三倍。证明在体内可能出现修饰、与细胞壁其它组分相交联的现象。 在这四个基因中，只有OsPRP1.2能够在水稻根中特异表达。根的原位杂交实验证明，OsPRP1在分化成熟程度低的细胞中大量表达，而在分化成熟程度高的细胞中几乎不表达。GUS染色的结果同样发现，基因在维管柱特别是中柱鞘附近的薄壁细胞的表达比别的细胞要强得多，而且在根的生长方向上表现出与发育相关的表达特征。说明OsPRP1基因可能参与了这些细胞的分化、发育过程。而基因表达的组织器官特异性的差异和对不同刺激因素的不同反应意味着它们可能参与了多种生理过程。为此构建了一个RNAi的表达载体，转化水稻，Southern杂交实验得到9个单位点插入的T2代独立株系，其中有6个株系与野生型对照相比，主根的早期伸长受到显著抑制，主根的一级侧根地数量减少，根尖分生区的细胞在轴向上的伸长受到了抑制。结合表达定位和原位杂交的结果，我们对它们在植物生长发育中的功能进行了深入探讨。

水稻OsMYB3R-2 基因对逆境响应的功能研究

低温威胁水稻的生产，其中苗期和生殖阶段对寒害是最敏感的时期。在苗期，阶段性冷害使水稻幼苗生长延迟，甚至造成烂秧现象；在生殖阶段，无法预测的突然降温会导致水稻花粉不育，并致使水稻大幅减产。因此，对水稻逆境胁迫调控的分子机制的深入研究在理论和实践上具有重要的意义。本研究从东乡野生稻、栽培稻及其杂交后代的低温芯片中筛选对低温响应基因的分析着手，对其中一个受低温诱导上调的基因OsMYB3R-2 作进一步研究。生物信息学的分析表明OsMYB3R-2 编码一个R1R2R3 MYB 蛋白，利用基因枪瞬时转化法、酵母GAL4 系统和电泳迁移率变动分析发现OsMYB3R-2 蛋白能够定位在细胞核中、具有转录激活和DNA 结合特性，表现为MYB 转录因子的典型特征。 超表达OsMYB3R-2 的转基因水稻呈现幼苗的矮化和生长相对滞后的表型，对低温胁迫具有耐受性。盐抑制水稻种子的萌发，与野生型和反义的株系相比，OsMYB3R-2 超表达株系的萌发对盐敏感，表现为萌发过程及萌发之后幼苗的生长更加滞后。而OsMYB3R-2 转基因株系对干旱处理敏感。为了进一步寻找OsMYB3R-2 蛋白的靶序列及其调控的靶基因，我们利用电泳迁移率变动分析发现OsMYB3R-2 能够与有丝分裂特异的激活子（mitosis-specific activator）元件特异结合。在低温条件下，OsMYB3R-2 超表达能够激活水稻G2/M 期特异基因的表达，主要包括OsCycB1;1、OsCycB2;1、OsCycB2;2 和OsCDC20.1 等。另一方面，OsMYB3R-2 超表达能够增加根尖细胞的有丝分裂指数，这进一步说明OsMYB3R-2 参与了水稻细胞周期调控。EMSA、RT-PCR 和流式细胞仪分析的结果表明OsMYB3R-2 通过激活其靶基因OsCycB1;1 的表达参与水稻对低温胁迫的调控，该过程由细胞周期介导。 为了研究OsMYB3R-2 与水稻DREB/CBF 途径的关系，我们分析了转基因水稻中DREB/CBF 类基因及其可能调控的下游基因与OsMYB3R-2 的关系，RT-PCR 的结果表明超表达转基因植物中DREB 表达未见明显变化，而其下游基因OsCPT1 在低温条件下被激活表达。同时，转基因植物在低温条件下脯氨酸水平显著提高。这说明OsMYB3R-2 可能在水稻DREB/CBF 途径的下游参与调控。 总之，OsMYB3R-2 基因的超表达赋予转基因水稻在苗期对低温胁迫具有耐受性，并呈现矮化和生长滞后的表型。OsMYB3R-2 蛋白行使R1R2R3 MYB 转录因子的功能，在体外能够结合OsCycB1;1 和OsKNOLLE2 基因启动子中有丝分裂特异的激活子元件，在低温条件下激活了G2/M 期特异基因的表达，这些基因包括OsCycB1;1、OsCycB2;1、OsCycB2;2 和OsCDC20.1。低温条件下，在OsMYB3R-2 转基因超表达株系中OsCPT1 基因的转录被激活，细胞的游离脯氨酸的含量也显著增高。这些结果都表明OsMYB3R-2 基因在水稻的冷胁迫信号途径中起重要的作用，该过程受细胞周期及DREB/CBF 途径介导。 我们的实验结果暗示水稻对低温的耐受是通过分生组织细胞周期调控完成的，这个过程由OsMYB3R-2 等关键基因控制。

水稻灌浆期籽粒与 胚乳发育的蛋白质组学分析

籽粒的灌浆是将光合器官合成的有机物贮存在籽粒中的过程。这一过程直接决定了籽粒的产量及品质。先前研究表明灌浆籽粒中贮存物质的累积是各种代谢活动和细胞学过程协同作用的结果，但灌浆的分子机制目前还不是非常清楚。水稻是研究籽粒灌浆的优良模式材料，不仅因为它是世界上最重要的淀粉食物来源，更重要的是其全基因组的测序完成为分子机制的研究带来极大的便利。我们对发育水稻籽粒的观察表明在开花后6 天，籽粒就已完成了胚的分化和胚乳的细胞化；此后籽粒经历了一个显著的细胞增大过程，并在开花后12 天左右达到成熟籽粒的大小；而籽粒的灌浆过程起始于开花后6 天，这个过程一直持续到开花后20 天。因此，我们将开花后6 天到20 天的籽粒分为8 个连续的发育阶段进行动态的蛋白质组分析，396个蛋白点的表达在灌浆过程中发生了两倍以上变化。质谱鉴定得到的345 个差异表达的蛋白划分为10 个不同的功能类别。其中新陈代谢类（45%）和蛋白合成/终点（destination）类（20%）两个功能类别中就包括了大多数的差异表达蛋白，预示着这两类蛋白在籽粒发育中的重要性。蛋白功能群的表达分析显示与淀粉合成和乙醇发酵相关的蛋白在发育过程中大幅度的上调，而与碳代谢中心过程（糖酵解和三羧酸循环）相关蛋白呈现明显的下调趋势。大多数的功能类或（亚类）也呈现出下调的表达趋势，如细胞生长/分裂类，蛋白合成类，水解类，信号传导类和转录类。蛋白表达分析的结果表明蛋白的表达随籽粒的发育发生了显著的变化，这些变化与籽粒在不同阶段的发育和代谢过程密切相关并协调一致，是细胞从生长分裂过渡到以淀粉合成为中心的物质基础。同时也说明代谢重点由中心碳代谢向乙醇发酵的转变对于籽粒的发育和淀粉的合成与累积具有重要意义。 籽粒发育的研究表明在长到成熟籽粒大小后（开花后12 天），籽粒的代谢集中到淀粉累积途径上，一直持续到进入脱水期（18 天），绝大多数淀粉合成相关蛋白在这期间到达表达的顶点。为了解淀粉累积关键时期淀粉合成关键部位（胚乳）的发育规律，我们进一步应用DIGE 技术对这一淀粉累积关键时期（灌浆中后期，开花后12 到18 天）的蛋白表达特性进行分析。细胞学的观察发现胚乳在灌浆后期先后经历了过氧化氢的爆发、半透明胚乳的形成以及胚乳细胞死亡事件。相应的DIGE 分析显示有321 个蛋白点在胚乳的后期发育中发生了显著的表达变化。细胞学的观察结合DIGE 分析显示胚乳的后期发育是一个典型的衰老过程：细胞结构的崩溃；氧化自由基的爆发；脱水干燥；蛋白、脂类和DNA 由同化作用向异化作用的代谢转化。与代谢转化相伴随的细胞营养的重新分配是胚乳后期发育的一个显著过程。DIGE分析全面展示了参与营养重新分配相关蛋白在后期发育中的表达变化，为细胞学中观察到的有机物向淀粉的转化提供了清晰的蛋白水平的证据支持。在鉴定的差异表达蛋白中有2/3 的蛋白是已知的对氧化电位变化敏感的蛋白，表明由H2O2 爆发形成的氧化压力将引起氧化还原调控从而对胚乳的后期发育进行全面的影响。而其中与碳元素代谢相关的代谢途径中尤其富含氧化还原电位敏感的蛋白，表明后期的营养重新分配以及淀粉的累积受到氧化还原电位的紧密调控。另一方面，H2O2 的爆发激发了胚乳中的抗氧化体系。由抗氧化蛋白（如thioredoxin、抗坏血酸和超氧化物歧化酶等）、氧化还原敏感蛋白、代谢中间产物以及glyoxalase 构成的抗氧化体系在胚乳后期发育中协同作用调节氧化还原电位的变化，从而控制胚乳细胞衰老的节奏。另外，我们发现与RraA 相关的转录本的调控在胚乳发育末期急剧上调，在调控的代谢途径、调控时间以及调控的部位与氧化还原调控相重叠，并且支持RraA 活动有利于胚乳细胞对氧化压力的适应。所有这些结果表明内生的过氧化氢（或氧化自由基）在胚乳的后期发育和淀粉累积中起到核心的调控作用。

不同生活型植物对机械刺激的反应

机械刺激效应（Effects of mechanical stimulation）是风生态学直接效应的主要表现形式。研究机械刺激对植物的影响，有利于将风的直接与间接效应区别开来，从而精确研究植物对风的反应格局;研究不同生活型植物对机械刺激的反应是植物力学与植物生态学的重要内容，有助于揭示植物对生境的适应机制。 本研究涉及三个实验。第一个实验探讨不同生活型植物对机械刺激和水分互作的响应格局;第二个实验研究匍匐茎草本植物蛇莓对部分机械刺激的反应;最后一个实验揭示不同水分供应条件下，番茄和紫花苜蓿对不同机械刺激频度的响应。在第一个实验中，克隆半灌木羊柴（Hedysarum laeve），一年生草本植物虫实（Corispermum mongolicum），多年生大型禾草沙鞭（Psammochloa villosa）和多年生丛生禾草黑麦草（Lolium perenne）分别接受由两个水平机械刺激（无刺激和刺激60 s d-1）和两个水平水分供应（200 ml d-1和400 ml d-1）组成的处理。在第二个实验中，匍匐茎草本蛇莓（Duchesnea indica）接受4个不同水平的机械刺激：（1）整个克隆不受机械刺激;（2）整个克隆都受机械刺激;（3）除顶端外其余克隆部分受机械刺激;（4）仅克隆顶端受机械刺激，其余部分不受机械刺激。在最后一个实验中，番茄（Lycopersicon esculentum）和紫花苜蓿（Medicago sativa）接受由三个水平机械刺激频度（0，25赫兹和50赫兹）和三个水平水分供应（50ml���150ml���250ml���组成的处理。这些实验主要回答不同生活型植物的生长和（或）机械性状如何响应机械刺激。主要结果如下： （1）在对机械刺激和水分交互效应的实验中，交互效应随物种发生变化。机械刺激和水分的交互效应对羊柴、番茄和紫花苜蓿作用不显著，但对虫实、沙鞭和黑麦草作用显著。 （2）在对机械刺激的研究中，机械刺激对植物的效应有正负之分。如机械刺激降低羊柴和沙鞭的总生物量，表明其是一种胁迫因子。但对于虫实、番茄和紫花苜蓿来说，机械刺激却能不同程度地促进植物的生长。 （3）机械刺激对虫实的机械性状没有显著影响，但对羊柴的机械性状恰好相反。此外，水分对虫实机械性状有显著影响。 （4）不同植物对机械刺激频度的敏感性存在差异。对番茄来而言，50赫兹的机械刺激对其生长具有较强的促进作用;对紫花苜蓿来说，25赫兹的机械刺激对其生长具有较强的促进作用。 （5）蛇莓对局部机械刺激具有显著反应，特别是在顶端进行机械刺激的处理中，整个克隆片段的叶柄长度缩短，根冠比发生改变，将较多的生物量分配到根。 这些结果表明：（1）不同物种对机械刺激和水分互作的反应可能与机械震动方式及物种本身有关;（2）单位植物大小所承受的机械刺激的强度及物种的生长速率是不一样的;（3）不同反应间的相互作用及相互独立可部分解释物种间的效应差异;（4）接触性形态建成的效应不能从一个物种外推到另外一个物种。 以前的研究集中探讨直立茎植物对机械刺激的响应，而对匍匐茎植物的研究极为贫乏。我们对蛇莓部分机械刺激的研究仅仅是一个初步探索。蛇莓的可塑性行为可能是一种适应性策略，因为这类植物常常生长在机械刺激频繁的开阔生境中。上述三个实验仅仅从生长和机械角度探讨了植物的适应性，而要真正揭示植物对多风生境的适应需要对不同物种进行多水平、多层面的研究，以期掌握不同生活型植物对机械刺激响应的一般格局。例如，从激素、细胞、解剖结构等方面探索其内在机制。

水稻2,3-氧化鲨烯环化酶基因的功能研究

植物通过异戊二烯代谢途径合成多种具有生物活性和功能的三萜及甾醇类化合物，它们在调节植物生长发育、维持膜的完整和功能、抵抗病原微生物侵染中发挥着重要的作用。2,3-氧化鲨烯为三萜和甾醇合成途径的分枝点，参与这一关键步骤的酶被通称为2,3-氧化鲨烯环化酶（OSCs）。本研究系统分了水稻基因组中全部11个OSC基因序列，发现其中四个可能为假基因。亚种间非同义替换率Ka和同义替换率Ks的比值（Ka/Ks）以及进化树的分析表明OsOSC8是单子叶植物特有的功能保守基因，而OsOSC9在水稻两个亚种间发生了功能快速进化，这种快速进化的基因往往参与植物和病原菌相互作用的代谢途径。 根据基因结构、表达谱以及与其它植物已知功能的OSC酶氨基酸序列的比对推测OsOSC3可能具有环阿屯醇合成酶的功能，参与植物甾醇的合成，而OsOSC7、OsOSC10和OsOSC11可能具有β-香树素合成酶的功能，其余OSCs可能参与合成其它三萜化合物。为了进一步分析和验证OSCs酶的功能，将水稻7个OSC基因的开放阅读框（ORF）构建到酵母表达载体并在pichia酵母中表达，发现仅有OsOSC9和OsOSC12能够将酵母内源的2,3-氧化鲨烯分别环化为四环三萜化合物Parkeol���植物中稀有的五环三萜化合物Isoarborinol���目前还未在其它植物中发现参与这两种三萜化合物的基因。另外，水稻所有的OSC基因均不能互补酵母羊毛甾醇缺陷型菌株，表明水稻OSCs不具有合成羊毛甾醇的功能。 RNAi沉默以及启动子融合GUS的表达实验发现OsOSC8可能参与花粉的发育，该基因的下调影响水稻的育性，暗示水稻中存在一个可能与雄性不育有关的三萜代谢途径。水稻其它OSC基因RNAi植株可能在逆境环境和病原菌侵染下才会显现出表型。