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揭示水稻花药发育新机制

本报讯(记者黄辛)记者日前从上海交大获悉,该校生命科学技术学院梁婉琪研究小组在最新研究中揭示了水稻花药发育的新机制。相关成果在线发表于《植物细胞》杂志。

据了解,花粉在植物雄性生殖器官花药中发育成熟,早期花药原基中造孢细胞通过一系列的细胞分裂、分化过程,形成花粉的前体细胞——小孢子母细胞和围绕在外面的三层营养组织。这三层营养组织和最外层表皮对小孢子母细胞起到重要的保护作用,同时为其发育提供必要的物质和营养保障。一旦营养组织和表皮不能正常发育将会影响花粉的形成,最终可能会导致雄性不育系的产生。

此次研究人员分离鉴定到水稻中一个新的bHLH家族转录因子TIP2。该基因参与控制花药发育早期花药壁内三层细胞的分裂分化行为。TIP2在早期花药营养细胞层中特异表达,tip2突变体花药壁的内三层不能正常分化,后期中层和绒毡层不能正常降解,导致小孢子母细胞发育停滞。在内三层营养细胞层分裂完成后,TIP2通过激活另一个bHLH转录因子TDR,并与TDR形成蛋白复合体促进绒毡层的细胞分化。在小孢子母细胞完成减数分裂后,TIP2促进第3个bHLH转录因子EAT1的基因表达,TDR与EAT1形成新的蛋白复合体调节绒毡层的程序性死亡过程。

相关专家表示,该研究丰富了对植物生殖发育机制和调控网络的理解,也为水稻的杂交育种提供了新的基因资源。

《中国科学报》 (2014-06-04 第4版 综合)

日期:2014年6月4日 - 来自[技术要闻]栏目
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梁婉琪小组揭示水稻花药发育新机制

 

本报讯(记者黄辛)记者日前从上海交大获悉,该校生命科学技术学院梁婉琪研究小组在最新研究中揭示了水稻花药发育的新机制。相关成果在线发表于《植物细胞》杂志。

据了解,花粉在植物雄性生殖器官花药中发育成熟,早期花药原基中造孢细胞通过一系列的细胞分裂、分化过程,形成花粉的前体细胞——小孢子母细胞和围绕在外面的三层营养组织。这三层营养组织和最外层表皮对小孢子母细胞起到重要的保护作用,同时为其发育提供必要的物质和营养保障。一旦营养组织和表皮不能正常发育将会影响花粉的形成,最终可能会导致雄性不育系的产生。

此次研究人员分离鉴定到水稻中一个新的bHLH家族转录因子TIP2。该基因参与控制花药发育早期花药壁内三层细胞的分裂分化行为。TIP2在早期花药营养细胞层中特异表达,tip2突变体花药壁的内三层不能正常分化,后期中层和绒毡层不能正常降解,导致小孢子母细胞发育停滞。在内三层营养细胞层分裂完成后,TIP2通过激活另一个bHLH转录因子TDR,并与TDR形成蛋白复合体促进绒毡层的细胞分化。在小孢子母细胞完成减数分裂后,TIP2促进第3个bHLH转录因子EAT1的基因表达,TDR与EAT1形成新的蛋白复合体调节绒毡层的程序性死亡过程。

相关专家表示,该研究丰富了对植物生殖发育机制和调控网络的理解,也为水稻的杂交育种提供了新的基因资源。

《中国科学报》 (2014-06-04 第4版 综合)

日期:2014年6月4日 - 来自[技术要闻]栏目

别具一格的花药诗

  牡丹:“惟有牡丹真国色,花开时节动京城。”被誉为“花中之王”的牡丹,花大形美,色彩鲜艳,富丽堂皇,具有很高的观赏价值。牡丹性凉味辛苦,有清热、活血、镇痛的功效,可治妇女月经不调。

  月季: “牡丹宝贵惟春晓,芍药点繁只夏初,惟有此花开不厌,一年独占四季春。”这是对“花中皇后”月季的赞美诗。月季一年四季妖娆怒放,盛开的深红色花朵,仿佛一团团跳跃的火花;含苞欲放的白色花蕾在晨露中亭亭玉立。月季性温味甘,能活血通经,化瘀解毒。月季泡茶调红糖冲服能治疗痛经,而将其捣烂外敷,可治烫伤及疮毒肿痛等。

  梅花: “小亭终日倚阑干,树树梅花看到残。”,“遥知不是雪,为有暗香来。”这些都是赞美梅花的诗句,梅花被誉为“花中魁首”,盛开于隆冬时节百花凋零之季。历来倍受人们的喜爱与推崇。梅花性平味酸涩咸,有舒肝除烦、和胃化痰之功,梅花煮粥食可治肝胃气滞、胸闷不舒及慢性咽炎,久服还能强身延年。

  桂花: “不是人间种,移从月里来,广寒香一点,吹得满山开。”素有“花中月老”之称的桂花,虽然没有绚丽的色彩,也没有妩媚的姿态,却清馨浓香远溢,沁人心脾。用桂花酿酒,馥郁芬芳,有健骨强身之效果,其子实或根皮捣碎取之,可治疮疗毒及治牙痛。

  荷花 :“接天莲叶无穷碧,映日荷花别样红。”有“水中芙蓉”美称的荷花,“出污泥而不染,濯清涟而不妖。”它纯洁、高雅的瑰丽芳姿,被历代名人学士所称颂。荷花性温味苦甘,有活血清心、化瘀解毒、清热解暑之功效。取荷花揉碎,贴敷红肿处有效;荷花与糯米煮粥食,则益气驻颜。

  杜鹃花 :“花中此物最西施”。杜鹃花被誉为“花中西施”,于春天开花,花阔漏斗形,色红,12~16朵簇生于枝端,艳若云霞,火红欲燃。杜鹃花性温味酸甘,有化痰止咳、理气活血、祛风利湿之功。据《四川药志》称,其“可治腹痛下痢、痔出血及内伤咳嗽”。

  山茶花: “雪里开花到春晚,世间耐久孰如君。”被誉为“花中珍品”的山茶花四季常青,叶如碧玉,花姿绰约,花色艳丽,且花期很长。山茶花性凉味甘苦,能补肝润肺、凉血止血、散瘀消肿。

  菊花 :“满园花菊郁金黄,中有孤丛色似霜。”被誉为“花中英雄”的菊花,严守时令而盛开,于群芳凋谢之际,临风傲霜。用它泡茶可祛风明目,作枕能降血压。(周向前)
日期:2012年2月16日 - 来自[中医文化]栏目
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上海科学家发现植物花药质体中脂肪酸代谢新途径

        上海交大张大兵教授研究团队和美国、德国等科研小组合作,经过近7年的研究,克隆并鉴定了一个参与单子叶植物水稻花药及花粉外壁发育的脂肪酰基载体蛋白还原酶(FattyAcylCarrierProteinReductase),DPW(DefectivePollenWall),并提出了花药表皮和花粉外壁发育新途径(如下图所示)。该研究成果发表在《植物细胞》(ThePlantCell,June24,2011)。
        脂肪醇是一类广泛地存在于植物、动物、藻类等生物体中的脂类分子,以游离态或者与其它分子结合态形式作为植物和昆虫表皮、动物皮肤等组织结构的重要细胞组分。长期以来,人们对于脂肪醇合成的生化分子机制了解甚少。花药表皮和花粉外壁是植物雄性生殖细胞的重要的保护结构,该结构可保护花粉免受外界环境和病菌等侵害,花粉外壁物质在花粉和柱头的相互识别过程中发挥重要的作用。
  该研究揭示,DPW蛋白定位于质体中,重组蛋白可以脂肪酰基载体蛋白为底物,将C16脂肪酸还原为其相应的脂肪醇,从而参与花药及花粉外壁的合成,并且通过遗传互补等实验证明DPW在双子叶植物拟南芥中具有保守的生物学功能。这项研究证明了植物质体除了具有合成脂肪酸能力,还具备将脂肪酸转化为脂肪醇的功能。另外,此前有报道认为动物和植物中的Fattyacidreductase(FAR)的底物是fatty-acylCoAs,该研究则证明了DPW(FAR类似蛋白)的最适底物为fattyacyl-ACP。

日期:2011年6月30日 - 来自[技术要闻]栏目

上海交大在水稻花药发育分子机制研究上获新进展

  近日,上海交通大学张大兵教授指导的博士生胡丽芳在水稻花药发育分子机制研究上获得新进展。该项研究找到了水稻MADS-box基因MADS3的一个新突变位点,该突变体(mads3-4)花药发育后期花药转变成异常的褐色,花粉败育,表现为完全雄性不育。深入研究发现,MADS3可以控制MT-1-4b等基因表达来调节花药发育后期活性氧分子的动态平衡,当该基因突变后,花药中会异常积累活性氧分子,影响花药发育和花粉的成熟。这个工作提出了水稻花药发育和花粉形成一个新的分子机制,为阐明植物生殖发育机制以及水稻遗传改良提供基础。该论文2011年2月6日发表在植物分子生物学领域的著名刊物《The  Plant  Cell》上。
  
  
  据了解,上海交通大学张大兵教授指导还指导博士生张铮和北京师范大学任海云教授指导的博士生张毅等在水稻形态建成及植物细胞骨架调节机制研究上获得新发现。该项研究找到了一个影响水稻生长发育的formin基因——FH5,审稿人认为这是被子植物研究领域中第一次揭示单个formin基因突变可对植物营养生长和生殖生长产生严重影响,产生异常的根、茎、叶、花和种子等。细胞学和生物化学等试验证明该Formin蛋白可同时调控细胞骨架(微管和微丝)的结构,从而控制植物细胞形态和器官建成。该研究为阐明细胞骨架在植物生长发育的作用提供了依据,并对今后植物细胞骨架和形态建成研究提供了借鉴。该论文2011年2月9日发表在植物分子生物学领域的著名刊物《The  Plant  Cell》上。
日期:2011年2月19日 - 来自[技术要闻]栏目
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花粉保护层是怎么形成的

        在最恶劣的气候和环境中,当所有生物都难以生存时,随风飘来的花粉却可以长期保存活性;在有几千年历史的化石中,花粉也常常是其中唯一具有活性的东西。花粉的坚强生命力在于它有一个稳定且坚硬的外层保护层,但这个保护层是怎么形成的,科学界一直没有明确答案。最近,上海交通大学生命科学院张大兵教授带领的课题组发现了一个特定的基因CYP704B2,它是水稻花粉和花药外墙的“建筑师”。科研成果发表在最新出版的植物研究领域最顶级杂志《植物细胞》杂志上。
  据张大兵教授介绍,花药就是植物雄蕊顶端黄色的部分,里面储存着花朵的“精子”,花药表面的角质层和花粉外壁的孢粉素成分,都可以为花药和花粉起到很强的保护作用。此次研究的成果表明,这两者存在着共同的生化途径――此次发现的CYP704B2,就是负责把花粉和花药中的脂肪酸代谢成新的化合物,类似盖房子用“钢筋混凝土”,这些“混凝土”会均匀地分布在花粉和花药的外层,形成它们的保护层。
  花药发育和花粉形成是植物完成世代交替的重要环节,认识植物花药发育和花粉形成的分子机理,对于提高人们对植物基本生命现象的认识以及作物杂交育种提高农业产量具有重要意义。张大兵教授称,最简单的运用就是通过生物技术使这一基因失去活力,从而使水稻的“精子”失去活力,这样可以更方便地将不同品种的水稻杂交。
  课题组此次还发现了控制水稻叶片中糖到花器官(包括花药)分配的关键转录因子CSA(CarbonStarvedAnther),该转录因子可以直接控制花药中单糖转移酶的表达,从而实现对糖分子从源到库分配的调节。张大兵教授解释称,水稻的叶片作为固定二氧化碳并合成糖的重要器官,这个转录因子决定了糖向水稻的花器官各个部位输送的量。如果弄清楚了这一转录因子的工作情况,将可以控制水稻的果实大小和根茎的大小,还有望推广到其他的农作物或者是能源类经济作物的生长控制过程中。
日期:2010年3月29日 - 来自[技术要闻]栏目

Plant Cell:三篇论文阐述花药发育机制


花药发育和花粉形成是植物完成世代交替的重要环节,认识植物花药发育和花粉形成的分子机理,对于提高人们对植物基本生命现象的认识以及作物杂交育种提高农业产量具有重要意义。2010年虎年伊始,张大兵教授团队连续在植物科学领域顶级期刊《植物细胞》(The  Plant  Cell)发表了三篇研究论文,系统阐述了花药发育和花粉形成的关键基因及其网络调控机制,产生了较大的国际影响力。  
通过遗传学、生物化学、细胞生物学等手段,张大兵教授团队揭示了控制水稻花药外表面结构(角质)和花粉外壁形成的关键基因CYP704B2;并提出植物花药表面角质层和花粉外壁的孢粉素成份的合成可能存在共同的生化途径(图)。
  张大兵教授团队分离鉴定到一个控制水稻叶片中糖到花器官(包括花药)分配的关键转录因子CSA(Carbon  Starved  Anther),该转录因子可以直接控制花药中单糖转移酶的表达,从而实现对糖分子从源到库分配的调节。这项工作为进一步阐明糖分子在植物体内分配机制提供了重要依据,《植物细胞》编辑和审稿人对此工作给予高度评价。
  2006年张大兵教授团队分离鉴定到一个控制水稻花药绒粘层细胞程序性死亡(programmed  cell  death)关键调节因子。
最近他们团队和英国诺丁汉大学Wilson博士实验室合作,通过基因芯片、染色质免疫沉淀、遗传分析等方法证明了AMS可以调节多个基因的表达,特别是寻找到了13个受AMS直接调控的基因,这些基因主要参与脂类的运输、脂肪酸的合成和代谢、甲基化的修饰以及果胶类的合成等重要的生物学过程。此外,还通过酵母双杂交等实验寻找到AMS在蛋白水平上与2个互作蛋白。该研究成果从基因组水平上揭示了AMS在花药和小孢子的发育过程的作用机制,为全面认识花粉发育的生物学过程奠定了基础。
日期:2010年3月25日 - 来自[技术要闻]栏目
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张大兵小组在《植物细胞》发三篇论文阐述花药发育机制


图1 CYP704B2在花药角质和蜡质合成和发育中的作用

 

图2 CSA参与水稻花粉发育过程中糖转动的调控模示图

 

花药发育和花粉形成是植物完成世代交替的重要环节,认识植物花药发育和花粉形成的分子机理,对于提高人们对植物基本生命现象的认识以及作物杂交育种提高农业产量具有重要意义。2010年虎年伊始,张大兵教授团队连续在植物科学领域顶级期刊《植物细胞》(The Plant Cell)发表了三篇研究论文,系统阐述了花药发育和花粉形成的关键基因及其网络调控机制,产生了较大的国际影响力。

 

通过遗传学、生物化学、细胞生物学等手段,张大兵教授团队揭示了控制水稻花药外表面结构(角质)和花粉外壁形成的关键基因CYP704B2;并提出植物花药表面角质层和花粉外壁的孢粉素成份的合成可能存在共同的生化途径(图1)(The Plant Cell, 2010, 22: 173-190)。

 

张大兵教授团队分离鉴定到一个控制水稻叶片中糖到花器官(包括花药)分配的关键转录因子CSA(Carbon Starved Anther),该转录因子可以直接控制花药中单糖转移酶的表达,从而实现对糖分子从源到库分配的调节(图2)。该研究成果发表在《植物细胞》(The Plant Cell Advance Online Publication, Published on March 19, 2010; 10.1105/tpc.109.073668)。这项工作为进一步阐明糖分子在植物体内分配机制提供了重要依据,《植物细胞》编辑和审稿人对此工作给予高度评价。

 

2006年张大兵教授团队分离鉴定到一个控制水稻花药绒粘层细胞程序性死亡(programmed cell death)关键调节因子Tapetum Degeneration Retardation(TDR)(《植物细胞》The Plant Cell. 2006 November; 18(11): 2999-3014)。最近他们团队和英国诺丁汉大学Wilson博士实验室合作,通过基因芯片、染色质免疫沉淀、遗传分析等方法证明了AMS可以调节多个基因的表达,特别是寻找到了13个受AMS直接调控的基因,这些基因主要参与脂类的运输、脂肪酸的合成和代谢、甲基化的修饰以及果胶类的合成等重要的生物学过程。此外,还通过酵母双杂交等实验寻找到AMS在蛋白水平上与2个互作蛋白。该研究成果从基因组水平上揭示了AMS在花药和小孢子的发育过程的作用机制,为全面认识花粉发育的生物学过程奠定了基础。该研究成果发表在《植物细胞》(The Plant Cell, 2010, 22: 91-107)。

 

日期:2010年3月24日 - 来自[技术要闻]栏目
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