是哪些基因的表達(dá)和細(xì)胞活動(dòng)導(dǎo)致植物對(duì)環(huán)境脅迫(如干旱、高鹽、營養(yǎng)缺乏等)特別敏感或不敏感？植物活細(xì)胞是如何對(duì)環(huán)境脅迫做出“恰當(dāng)”反應(yīng)以求生存？盡管植物“植立不動(dòng)”，但在遭遇干旱、高鹽、營養(yǎng)缺乏等逆境脅迫時(shí)卻能通過自身調(diào)節(jié)而“努力”使自身適應(yīng)環(huán)境。從基因、生理生化反應(yīng)以及細(xì)胞活動(dòng)等層面上探索植物適應(yīng)環(huán)境脅迫的機(jī)理，正是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“植物響應(yīng)環(huán)境脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理”創(chuàng)新研究群體的工作內(nèi)容。

　　群體學(xué)術(shù)帶頭人、中科院院士武維華介紹說，我國農(nóng)作物生產(chǎn)中淡水、土地等資源嚴(yán)重匱乏已嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而愈來愈多的耕地大面積鹽漬化、荒漠化和淡水資源短缺等問題日益加劇，又使作物生產(chǎn)中的環(huán)境脅迫問題更加嚴(yán)峻。同時(shí)，我國磷、鉀礦產(chǎn)資源匱乏，每年要耗巨資進(jìn)口磷鉀化肥，農(nóng)作物生產(chǎn)中磷鉀肥施用量不足嚴(yán)重限制了作物產(chǎn)量的提高，而且還造成了氮肥利用率低下和浪費(fèi)及由此帶來的環(huán)境污染。總之，干旱、鹽堿、磷鉀虧缺等非生物環(huán)境脅迫已成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

　　同時(shí)，過去半個(gè)多世紀(jì)對(duì)植物響應(yīng)和適應(yīng)非生物逆境的生理生化及分子遺傳機(jī)制的研究表明，植物的抗逆性狀是受遺傳基因控制的。因此，通過培育適宜于在干旱、鹽堿、土壤貧瘠等地區(qū)栽培的農(nóng)作物抗逆新品種將不僅能夠有效增加我國農(nóng)作物產(chǎn)量，還能通過有效利用干旱、荒漠化和部分鹽漬化土地而大大緩解我國土地資源匱乏的問題。

　　因此，開展植物抗逆高效的生理及分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大需求之一。中國農(nóng)大植物生理學(xué)與生物化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2002年成立，在植物生理學(xué)研究方面取得諸多成果。在此基礎(chǔ)上，“植物響應(yīng)環(huán)境脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理”創(chuàng)新研究群體于2005年得到國家自然科學(xué)基金委資助，研究內(nèi)容包括植物感受及響應(yīng)逆境脅迫的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機(jī)制、植物響應(yīng)逆境脅迫的基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制、植物抗逆/高效相關(guān)基因的克隆及功能研究等。

　　6年來，該群體在植物響應(yīng)低鉀脅迫的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及植物細(xì)胞鉀離子通道分子調(diào)控機(jī)制、植物激素ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機(jī)理、植物細(xì)胞鈣依賴型蛋白激酶(CDPKs)的功能分析、細(xì)胞骨架與新的植物微管結(jié)合蛋白的功能分析、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控分子機(jī)理(ROS和WRKY的功能分析)等多個(gè)方面取得了重要進(jìn)展。

　　從1996年開始，該團(tuán)隊(duì)就開始了植物磷鉀高效及耐鹽突變體的篩選工作。針對(duì)每一性狀，數(shù)十萬株幼苗培養(yǎng)、觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)工作異常艱辛。2006年，他們最終發(fā)現(xiàn)了調(diào)控植物鉀營養(yǎng)性狀的重要機(jī)制。隨后又在植物磷高效研究方面獲得重要研究結(jié)果。在這項(xiàng)研究中，他們證明了模式植物擬南芥根細(xì)胞鉀離子通道AKT1的活性受蛋白激酶CIPK23的正向調(diào)控，而CIPK23的上游受兩種鈣信號(hào)感受器CBL1和CBL9的正向調(diào)控。在擬南芥植物中過量表達(dá)CIPK23、CBL1或CBL9基因以增強(qiáng)AKT1的活性，能顯著提高植株對(duì)低鉀脅迫的耐受性。基于研究結(jié)果，他們提出了包括CBL1/9、CIPK23和AKT1等因子的植物響應(yīng)低鉀脅迫的鉀吸收分子調(diào)控理論模型。該項(xiàng)研究成果在認(rèn)知植物鉀吸收利用的分子調(diào)控機(jī)理方面有理論科學(xué)意義，也可能在利用分子操作技術(shù)改良植物鉀營養(yǎng)性狀方面有潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　在植物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究方面，該群體獲得多個(gè)ROS1基因的抑制因子，并克隆了多個(gè)與其相關(guān)的基因。這些與DNA復(fù)制有關(guān)的蛋白可以同多個(gè)與基因沉默相關(guān)的蛋白相互作用，這說明DNA復(fù)制的同時(shí)伴隨著表觀遺傳修飾的復(fù)制，從而保證了細(xì)胞中遺傳信息的穩(wěn)定性以及表觀遺傳修飾的動(dòng)態(tài)變化。此外，他們還在WRKY轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控PHO1基因的表達(dá)機(jī)制研究、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控?cái)M南芥花器官的脫落等方面取得重要進(jìn)展。而在逆境相關(guān)新基因的克隆和功能分析領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)成員建立了一套干旱相關(guān)突變體的篩選體系，篩選獲得了多個(gè)與植物抗旱性狀相關(guān)的突變體，并詳細(xì)研究了其中兩個(gè)突變體，揭示了其在植物響應(yīng)干旱脅迫中的重要作用和分子機(jī)理。