遗传所《PLoS Genetics》发表水稻研究成果

　　

生物通报道  近日来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员在水稻光合效率提高分子机理研究中取得重要进展。相关研究成果已申请国内外专利，并于2011年7月28日在国际杂志《PLoS Genetics》上发表。

领导这一研究的是中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组生物学研究中心的储成才教授，其1999年入选中国科学院“****”，2008年获得国家杰出青年基金。目前主要的研究方向是植物基因表达的精细调控、农作物产量和抗逆境胁迫相关基因的克隆及农作物的分子设计等研究。储成才实验室博士研究生李春来为该论文的第一作者，该研究得到了中国科学院、科技部、农业部和国家自然科学基金委的资助。

光合作用是绿色植物及光合细菌在光下利用光合色素将二氧化碳和水转化为碳水化合物并释放氧气的过程，是整个生物界赖以生存的基础。提高光合作用效率是农作物增产的一个根本途径。

光合作用在绿色植物所特有的细胞器——叶绿体中进行，存在于叶绿体上的光合膜含有丰富的糖脂（半乳糖甘油酯），而UDP-半乳糖是合成这些糖脂的主要供体。目前有关光合膜上糖脂组装的遗传和生化分析已有研究，但对糖脂合成过程中UDP-半乳糖底物供应来源和产生机制一直不甚清楚。

在这篇文章中，研究人员通过大规模筛选鉴定水稻光合能力和碳同化突变体（photoassimilate defective1, phd1），克隆和鉴定了编码一个新型UDP-葡萄糖差向异构酶（UDP-glucose epimerase, UGE）基因PHD1。以往人们一直认为UGE仅存在于细胞质中，储成才实验室通过遗传学、分子生物学和免疫细胞学等手段，证明PHD1存在于叶绿体基质中；进一步生化实验也表明，这个酶催化生成糖脂合成底物——UDP-半乳糖的过程是在叶绿体内进行。这是首次发现UGE也存在于叶绿体中。进一步功能鉴定表明，PHD1参与了糖脂的生物合成以及光合膜的生物发生过程。

这项研究不仅发现了一种新型质体定位的UDP-葡萄糖差向异构酶，而且阐明了高等植物光合膜上糖脂糖基组分的来源和发生机制，并暗示了该机制在绿色植物中是保守的，为进一步研究光合膜糖脂在植物光合作用以及生长发育过程中的重要作用奠定了基础。

 phd1突变体中糖脂的不足严重影响了光合色素的含量并降低了有效光化学效率。有意思的是，在过表达PHD1的转基因株系中决定水稻产量的两个主要因子：有效穗数和籽粒千粒重都显著增加，并最终提高了水稻产量。PHD1不仅对水稻分蘖、千粒重及株高等产生适度(fine-tuning)促进效应，尤为重要的是，过表达植株的光合能力，尤其是在低光强下光合能力得到显著提高。因此，PHD1为新一代水稻以及能源作物高产育种，特别对西南如云贵川等光强不足地区的作物高产育种改良提供了一种全新的思路，具有显著的潜在应用价值和经济意义。

（生物通：何嫱）

作者简介：

储成才

男，博士，研究员，博士生导师。

1966年生，安徽岳西人。1999年入选中国科学院“****”，引进国外杰出人才；2004年入选首批新世纪百千万人才工程国家级人选；2006年经国务院批准享受政府特殊津贴专家；2008年国家杰出青年基金获得者。现为“植物基因组学”国家重点实验室创新研究组组长，国家植物基因研究中心（北京）理事会秘书、主任助理及项目科学家，中国科学院遗传发育所浙江嘉兴农作物高新技术育种中心副主任。同时任中国科学院研究生院教授，中国农业科学院水稻研究所研究员，南京大学、北京师范大学、天津师范大学、安徽农业大学兼职教授，天津食品生物技术重点实验室学术委员会主任，国际组织培养与生物技术学会会员，美国植物生理学会会员，中国遗传学会第七届理事会理事，中国遗传学会国际交流委员会委员，中国植物生理学会植物组织培养与生物技术专业委员会副主任委员。《Frontier in Plant Genetics and Genomics》、《植物学报》、《植物生理学报》、《农业生物技术学报》、《遗传》等编委。

储成才研究组主要以水稻为研究材料，开展农作物源库互作和产量构成、种子休眠和萌发等分子机制，并利用分子手段实现对植物基因表达的精细调控和作物品种的分子设计改良等研究。