植物授粉新机制 授粉是植物生殖过程中非常重要的一环，可以通过自花授粉、风媒和虫媒等方式来完成。自花授粉往往是通过雌、雄蕊的协调生长，花瓣或花萼的特殊结构来实现的。继中国科学院西双版纳植物园科学家在 Nature 上发表他们关于姜科植物 Alpina kwangsiensis 一种精巧的传粉机制后 (Li et al.，2001)，中国科学院华南植物园张奠湘研究组王英强等发现黄花大苞姜 (caulokaempferia coenobialis) 的授粉过程也非常独特，其花的结构与兰花相似，但其不借助于风媒和虫媒传粉，而是在花药开裂的同时分泌油状液体，油质液浆状的花粉从花粉囊溢出成球形，很快铺满于花药面，并慢慢流向柱头的喇叭口，从而实现自花传粉 (Wang et al.2004c)。这种花粉滑动自花授粉的方式在自然界还是首次被发现，这对研究有花植物有性生殖系统的演化及其对高湿度、无风和少昆虫环境的适应机制具有重要的科学价值。
自交不亲和反应新机制 自交不亲和性是广泛存在于显花植物的一种抑制自花受精、保持遗传多样性的一种遗传机制。主要包括孢子体和配子体自交不亲和两种类型。它们往往受一个由复等位基因成的单位点即 S-locus 控制。在孢子体型中，花柱和花粉亲和与否取决于母体和父本而不是配子体的基因型，代表植物有油菜等十字花科植物。这些植物中，雌蕊表达的 S 位点受体类激酶 (S-locus receptor kinase，SRK) 和花粉表达的半胱氨酸富集蛋白 SCR (S-locus cysteine-rich) 可能通过受体-配体相互作用和下游的信号转导途径决定自交不亲和反应。相反，在配子体型中，花柱和花粉是否亲和决定于雄配子体花粉的 S 基因型与雌配子体基因型。这类自交不亲和植物分布十分广泛，主要以茄科、玄参科和蔷薇科等为代表。1984年，澳大利亚的 Adrian Clarke 实验室首次克隆到了茄科植物花烟草 (Nicotiana alata) 花柱 S 位点的产物，并随后证明其为一类核酸酶，即 S-核酸酶 (S-RNase) (McClure et al.，1989)。1994年，美国 Te-Hui Kao 和 Bruce McClure 实验室同时证明在以茄科为代表的配子体型自交不亲和植物中，母体的 S 决定因子就是 S-RNase，但其作用机理和花粉 S 决定因子并不清楚 Lee et al.，1994；Murfett et al.，1994)。
中国科学院遗传与发育生物学研究所薛勇彪领导的研究组经多年研究，利用玄参科植物金鱼草 (Antirrhinum hispanicum) 为材料，克隆到了一个与花粉 S 决定因子相关的基因 AhSLF-S2 (Lai et al.，2002；Zhou et al.，2003)，该基因编码一个含 F-box 结构域的功能未知蛋白。该研究组的乔红将金鱼草 AhSLF-S2 基因转到自交不亲和的茄科植物矮牵牛 (Petunia hybrida) 中，发现它可以把自交不亲和的矮牵牛转变成自交亲和的，证明了 AhSLF-S2 确实是自交不亲和的花粉 S 决定因子 (Qiao et al.，2004b)。几乎与此同时，美国宾州大学 Te-Hui Kao 实验室也在茄科植物膨大矮牵牛 (P.inflata) 中发现类似的 SLF 基因并证明它也编码花粉因子 (Sijacic et al.，2004)。随后 Plant Cell 发表了题为 “S-RNase and sLF determine S-haplotype-specific pollen recognition and rejection” 的综述文章 (McClure，2004)。到此植物配子体自交不亲和的花粉因子得到了确定，这为研究自交不亲和调控的分子机理打开了大门，但 S-RNase 与 SLF 之间的作用机制仍然不清楚。
目前在被子植物中，约85％的物种表现出质体的母系遗传，其余表现为双亲遗传。人们发现绿藻 (Chlorophytum comosum) 表现出一种低频率(约2％～8％)的双亲质体遗传，这种低频率是那些母系质体遗传物种中随机出现双亲质体传递的概率的十倍。北京大学的苏都莫日根实验室研究表明，绿藻的生殖细胞是杂合的，是一种介于天竺葵属 (Pelargonium) 植物型双亲遗传模式和茄科植物母系质体遗传模式之间的过渡类型 (Liu et al.，2004b)。该实验室用落射荧光显微技术 (epifluorescence microscopy) 检测了丁香属 (Syringa) 多数物种花粉发育中的线粒体和质体数目的变化，并用电镜和免疫电镜定量的检测细胞器基因组 DNA 的相应变化，发现丁香属线粒体可能的遗传方式都是母系遗传，而质体的遗传方式则不尽相同，并据此将丁香属分为两个类群 (Liu et al.，2004a)。该项研究的意义在于同属内的植物存在质体遗传方式上的差异十分罕见。胞质遗传机制在被子植物的线粒体中可能是保守的，而在质体中则存在差异，起源较晚。
细胞分化与格式形成的分子机制 细胞分化方向和格式形成过程的分子调控机制是发育生物学研究的基础问题之一。不论是在真核生物还是原核生物中，人们都发现细胞间的沟通及相互作用在调控发育的过程中起着至关重要的作用。蓝细菌作为简单的多细胞有机体，其异型胞分化与格式形成的过程可以看成最简单的一维空间上排列的细胞分化模式，hetR 是蓝细菌异型胞分化与格式形成过程中基因调控的主开关基因 (Zhou et al.，1998)。北京大学的赵进东研究组的黄旭等发现，HetR 蛋白是一种新型的 DNA 结合蛋白，它必须通过唯一的第48位半胱氨酸共价形成的蛋白同源二聚体才可以特异的结合在自身基因上游启动子区域，调控自身的正反馈过程。通过继续测试 HetR 可能结合的 DNA 片段，实验表明，HetR 蛋白同源二聚体可以结合在 patS 的启动子区域，启动和维持它的上调表达。而位于 PatS 羧基端的 RGSGR 五肽可以抑制 HetR 的 DNA 结合活性，从而阻止 HetR 蛋白对自身基因的诱导表达和对 patS 的调控作用，甚至是 patS 基因的表达。HetR 与 PatS 的这种直接相互作用参与了蓝细菌异型胞分化与格式形成，是不可缺少的关键调控过程 (Huang et al.，2004)。这些结论充实了人们对于异型胞发育分化与格式形成分子机理的认识，并为今后的深入研究提供了重要线索。
6 水稻基因组进化与功能基因
水稻基因组分子进化 中国科学院遗传与发育生物学研究所的朱立煌研究组从全基因组鸟枪法得到的水稻基因组序列中重新组装出叶绿体的基因组序列，并分析比较了水稻的不同亚种——粳稻 (O.sativa ssp.japonica)日本晴 (Nipponbare) 超级杂交稻“两优培九”(LYP-9) 的亲本籼稻 (O.sativa ssp. indica)93-11 和 PA64S (母本为粳稻)的叶绿体基因组序列，由序列多态性显示出的来源与育种历史记录相吻合。亚种间多态性包括了单核苷酸多态性 (single nucleotide polymotphisms，SNPs) 和插入缺失位点 (InDels)，并用实验进行了验证。这些多态性所占的比例远远小于相应在核基因组中的比例，显示出进化速率的差异。由核苷酸替换数估计了籼稻和粳稻的叶绿体在进化上分开的时间，这个时间远小于由核基因组序列估计的分开时间 (Tang et al.，2004)。这一研究结果为进一步研究叶绿体基因组和核基因组的分子进化奠定了基础。上海师范大学的杨仲南研究组基于已公布的水稻基因组序列信息，构建了一个日本晴和93-11的全基因组 DNA 多态性数据库，并对数据库中的 SNP 和 InDel 频率和分布进行了比较，确认了一些 InDel 的多态性，找出了一些 InDel 标记，分析了它们应用于作图的可能性 (Shen et al.，2004)。DNA多态性数据库和 InDel 标记将会为水稻的分子生物学研究作出贡献。
水稻根发育分子调控机理 植物生长素调控植物器官发生和发育机理是人们一直关注的基本生物学问题。根器官的发生和发育的分子机理在拟南芥研究中取得了长足的进展。而单子叶模式植物水稻根发育基因及其调控机制的报道相对欠缺。中国科学院植物研究所种康研究组从水稻中克隆出一个新的控制植物根发育的基因 OsRAA1，证明该基因特异的受生长素诱导，表达于根和穗的快速生长区域，具有促进不定根发生和抑制种子根生长的功能，这些过程可能与细胞伸长和细胞数目增加有关 (Ge et al.，2004)。这一研究不仅揭示了 RAA1 基因功能，而且提出了生长素介导的控制根发育新的信号转导途径。
7 植物抗性及其信号转导
抗病基因克隆 水稻白叶枯病是威胁水稻生产的主要病害之一。克隆其抗性基因不仅在理论上具有重要意义，而且在实践上具有潜在的应用价值。华中农业大学张启发院士和王石平研究组通过图位克隆的方法从水稻中克隆到了一个抗性基因 Xa26，证明该基因编码一个受体激酶，可介导对细菌 Xoo (Xanthomona oryzae pv. oryzae) 引起的白叶枯病的抗性 (Sun et al.，2004)。南京农业大学的董汉松研究组证明，在拟南芥中乙烯信号途径可控制诱激因子 Harpin 蛋白引起的促进植物生长和抗虫害反应 (Dong et al.，2004．)。该研究揭示了乙烯信号途径通过下游分工控制植物的不同表型，同时也为研究各种激素如何在不同的生理反应中的协同调节或拮抗打下了基础。
环境胁迫和适应 兰州大学的张立新研究组首次报道在芦苇 (Phragmites communis) 中，NO 可作为第二信使诱导质膜 H+-ATPase 表达，参与盐胁迫的应答。该研究组以两个不同生态型的芦苇愈伤组织为材料，研究植物对盐胁迫的影响。研究结果表明在抗盐反应中，NO 作为信号分子，通过增加质膜 H+-AT-Pase 活性来增加钾钠比率，从而调节愈伤组织的抗盐害作用。该项研究还指出了用不同芦苇生态型来研究植物适应多种环境条件的价值 (Zhang et al.，2004a)。香港浸会大学的张建华与扬州大学的朱庆森等人合作对小麦灌浆期4种关键酶 (ADP Glc pyrophosphorylase、蔗糖合酶 (SuSase)、可溶性淀粉合酶 (sss) 和淀粉分支酶 (SBE)) 进行活性分析并研究它们与 ABA 的关系，证明适当地缺水可以提高小麦的灌浆速度，而这主要是通过调节蔗糖到淀粉途径中的关键酶 (SuSase，SSS，andsBE)，使库的活性增强来实现的。ABA 在此过程的调节中起关键性作用 (Yang et al.，2004)。
中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员对细胞液泡分隔化研究进展进行了综述 (Tong ef al.，2004)。在通过植物修复对土壤中有害金属如镉、铅、砷、铜和镍等进行去除时，获得高效积累有害金属并具有高金属耐性的工程植物是关键。细胞耐金属毒害的机理有多种，其一是通过将离子保持在细胞壁，改变离子通道或将离子泵出细胞来维持细胞质的低有害离子浓度；其二是将细胞质中的有毒离子通过螯合、分隔化作用降低毒性或去毒。至今为止，多数转基因植物都是通过超表达金属结合蛋白或多肽，或者转入使毒性变小的基因获得的。酵母液泡转运体 YCF1 蛋白基因在拟南芥中超表达的研究表明，尽管转基因植株的 YCF1 表达量不高，但植株对铅和镉的耐性和茎积累离子的水平明显提高。这项研究与转金属结合蛋白或多肽相比，转基因植物只需少量液泡转运体蛋白的表达就可以通过有毒金属在细胞质的区域化作用减少毒性，从而获得高质量的工程植株。
乙烯信号转导 中国科学院遗传与发育生物学研究所陈受宜课题组从烟草中克隆得到了一个乙烯受体的同源基因 NTHK2，证明该基因受脱水和氯化钙诱导，其编码的蛋白在不同离子作用下既可以有丝氨酸/苏氨酸激酶活性，也可以有组氨酸激酶活性 (Zhang et al.，2004c)。该成果为研究乙烯信号转导的复杂性以及植物体内乙烯的功能提供了新的线索。
8 功能基因组学研究平台
转录因子在高等植物生活周期的各个方面发挥着重要的作用。据估计，拟南芥中至少含有1600个转录因子基因。北京大学的邓兴旺、朱玉贤、顾红雅等5个课题组与中国科学院的李家洋、左健儒等课题组合作克隆了1282个单独的拟南芥转录因子基因，完成了序列测定，并对其中一些基因以前的注释错误进行了修正。这些基因均转入酵母表达载体中进行表达分析，证明了它们的完整性。同时，应用基因芯片技术，对这些转录因子基因在拟南芥整个生活周期中的表达情况进行了全面的分析 (Gong et al.，2004)。这些研究结果为更深人地进行拟南芥转录因子基因的功能鉴定研究打下了良好的基础。中国科学院上海植物生理生态研究所的薛红卫研究组在酵母单杂交的基础上发展了一种高通量分离和分析水稻胚胎发育过程中对基因转录起重要作用的因子的方法 (Ye et al.，2004)。浙江大学的周雪平等人利用番茄黄化曲叶中国病毒 (tomato yellow leaf Curl China virus) (一种菜豆金黄花叶病毒)建立了一个病毒卫星 DNA 介导的基因沉默 (virus-induced gene silencing，VIGS) 系统 (Tao and Zhou，2004)。这些成果为功能基因组研究提供了新的有力的技术平台。
9 植物生态学与系统进化植物学
中国科学院植物研究所白永飞等通过对中国科学院草原生态系统定位研究站连续24年的观测数据分析，得出了3个主要发现：1～7月的降水量是导致群落生物量波动的重要环境因子；生态系统稳定性(与群落生物量生产的可变性负相关)随机体水平等级(即从物种到功能群到整个生物群落)而逐渐增加；群落水平的稳定性可能是由物种和功能群水平上的主要成分的互补作用引起的 (Bai et al.，2004)。其研究结果可为更好地管理和恢复迅速退化的内蒙古草原提供理论依据。
横跨长江的三峡大坝是世界上最大的水电发电站，三峡大坝的建造将形成很多不同大小的岛屿，大坝的建造也将给三峡库区的生态系统带来巨大的挑战。围绕上述问题，申国珍和谢宗强(2004)提出了开展生境破碎试验研究的具体措施。某一特定地区生物多样性清单是资源保护和管理的必要信息。王金秀 等 (Wang et al.，2004a) 认为，在生物多样性的快速评价中，应当重视并应用当地居民传统的民间植物分类系统。
甲烷是主要温室气体中的一种，目前人们认为20％的全球变暖是由甲烷引起的 (Houghton et al.，1992)。自工业革命以来，甲烷浓度急剧上升。湿地是全球大气甲烷形成的主要源泉。影响湿地甲烷产生、吸收与排放的因素很多。丁维新 等(2004)估测了已排水并用作农田后的沼泽地上耕作、氮肥和搁置等过程对甲烷吸收的影响。他们发现耕作和施用氮肥显著降低沼泽地对甲烷的吸收速率；在机械耕作地上甲烷通量和土壤容重呈显著负相关，表明耕作压实和由此引起的甲烷和氧气的扩散阻力增加是导致甲烷吸收降低的主要原因；长期施用氮肥可以缓慢降低土壤对甲烷的吸收。吕要斌 等(2004)应用外源茉莉酸对两个近源白菜种 Brassica campestris 和 B. oleracea 处理研究了它们对 Plutella xylostella (一种蛾)宿主寻找和产卵选择的影响。结果表明在易感植物中，诱导抗性易发生，而诱发易感性在原来抗性高的植物中发生，意味着植物对于专一性食草动物的构成型和诱发性防御间存在着可能的平衡机制。
2004年，在系统与进化植物学领域，中国植物学家作出了卓著成绩。经过几代人的努力，完成了《中国植物志》80卷126分册的编研，在2005年4月向全世界宣布了这一消息。这一成果不仅对我国植物资源基本情况进行了评述，而且建立和完善了植物分类系统。英文版 《Flora of China》截至2004年底也已出版了11卷。中国科学院植物研究所孔宏智与美国 Penn State University 马红教授合作对植物中 SKP1 类和 cyclin 类基因的结构、功能和进化式样进行了深入研究 (Kong et al.，2004)。
发表于 2005-11-29 21:54:48