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陈晓亚,研究员、中国科学院院士

植物次生代谢调控和棉花生物学研究

Website: http://sippe.ac.cn/xy
Email: xychen@sibs.ac.cn

工作人员:王凌健、毛颖波,副研究员;杨长青、武秀明,助理研究员;林芝萍,实验师(聘)
博士后:方欣;上官小霞
研究生:徐冰;洪高洁;李建戌;蔡文娟;薛学义;陶晓园;单淳敏;于宗霞;高翔;朝鲁门;阮菊新;赵波;洪惠
毕业研究生:于楠;杨长青

个人简介:
1982年2月毕业于南京大学生物系,获学士学位
1985年12月获英国Reading 大学植物学博士学位
此后在南京大学生物系任教
1991-1992年在德国Tuebingen大学植物学系进行访问研究
1992-1994年在美国Purdue大学做博士后研究
1994年10月至今在中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所(原中科院上海植物生理研究所)工作
现任中国植物生理学会理事长,中国科学院上海辰山植物科学研究中心主任,兼任上海辰山植物园园长。
已在国内外发表论文百余篇(包括Nature Biotechnology, Plant Cell, Plant Physiology等国际重要刊物),申请或授权专利15项。负责承担国家973、863、基金委重点、创新研究群体等科研项目。1999年获国家杰出青年基金资助,2005年当选中国科学院院士,2008年当选发展中国家科学院院士。

研究工作:
从事植物次生代谢和棉花生物学研究,主要研究工作包括:植物萜类(青蒿素,棉酚)生物合成途径及调控,植物次生代谢,植物抗虫,棉纤维发育,棉花基因工程等。

主要成果:
拟南芥转录因子MYC2与DELLA蛋白互相作用调控倍半萜的生物合成
植物萜类数量大、种类多,具有重要的生理生态功能及利用价值。植物次生代谢受植物内源信号和外界环境的显著影响,但其调控的分子机制尚未阐明。
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 的花能释放挥发性化合物,其中萜类成分是重要组分。拟南芥MYC2蛋白是basic helix-loop-helix (bHLH)类的转录因子,与多条信号途径相关。GC-MS检测发现myc2突变体挥发的倍半萜成分含量比野生型少。拟南芥倍半萜合酶基因TPS21和TPS11在花序中高表达,它们是花序倍半萜合成的关键酶。在拟南芥中瞬时表达MYC2,可导致TPS21和TPS11转录本发生相应变化。ChIP和顺式元件突变实验表明MYC2结合TPS21启动子是其在花序组织高表达的必要条件。TPS21和TPS11的表达水平也受到赤霉素(gibberellin, GA)与茉莉酸(jasmontate, JA)的诱导,这两个激素作用都需要MYC2参与。DELLA蛋白是GA信号途径的抑制因子,负调控倍半萜合酶基因的表达。在过量积累DELLA蛋白的转基因植物及缺失DELLA蛋白的五突变体(rga-t2 gai-t6 rgl1-1 rgl2-1 rgl3-1)中,倍半萜合酶基因的表达水平分别被抑制和上调。酵母双杂和免疫共沉淀实验证明了DELLA蛋白可以直接与转录因子MYC2结合。
上述结果表明,MYC2是JA信号重要的转录因子,同时参与了多种信号途径之间的互作,如JA,脱落酸(ABA),乙烯和光信号等。本研究据此推测,MYC2介导了GA信号途径,调控拟南芥倍半萜合酶基因的表达。
植物次生代谢物、棉铃虫解毒酶及农药耐受性相互关系的研究
棉酚及相关倍半萜醛类是棉花植株合成并积累的有毒次生代谢化合物,能够抑制植物病原菌生长以及抵御植食性昆虫取食。如食物中含有棉酚,棉铃虫(Helicoverpa armigera)通过增加体内解毒酶(包括细胞色素P450单加氧酶,谷胱苷肽S-转移酶和酯酶等)来增强自身的生存能力。在这些解毒酶系中,细胞色素P450单加氧酶(P450s)常常起关键作用。除了对植物毒素的耐受,棉铃虫还迅速发展出对棉田中广泛使用的菊酯类农药的抗性。作物次生代谢物与害虫杀虫剂抗性之间的关系,是一个值得关注的重要问题。
棉铃虫CYP6AE14是一个受棉酚诱导P450,我们发现它具有艾氏剂(一种有机氯杀虫剂)环氧化活性,说明棉酚诱导的P450 可能具有代谢杀虫剂的能力。取食含棉酚的人工饲料或有酚棉叶片后,棉铃虫幼虫中肠中P450活性提高,对溴氰菊酯的耐受性增强。以五种不同植物次生代谢物及溴氰菊酯作饲喂实验,用芯片对棉铃虫中肠转录组进行分析,结果显示:和其他植物次生代谢化合物相比,溴氰菊酯诱导与棉酚诱导的P450 基因表达谱最为类似。棉酚能诱导多个P450基因的表达,根据报道这些P450具有底物多样性,它们中至少有五个基因(CYP321A1, CYP9A12, CYP9A14, CYP6AE11和CYP6B7)的高表达组成棉铃虫溴氰菊酯抗性的分子基础。用植物介导的RNA干扰下调其中的一个(CYP9A14),棉铃虫幼虫对溴氰菊酯的耐受性有所下降。综上所述,广食性昆虫能够利用宿主植物的次生代谢物改变自身防御状态,从而增强对其他化合物(包括农药)的抗性。利用植物介导的RNA干扰来削弱这种防御途径能够减少农药的使用量,为农业害虫控制提供了一个新思路。
茉莉酸应答因子AaERF1 和AaERF2对青蒿素合成的调控
蒿(Artemisia annua L.)中的倍半萜类化合物青蒿素(Artemisinin)是治疗疟疾的有效单体,但在野生青蒿中含量较低(占干重的0.1–0.8% )。青蒿素合成途径的两个关键酶基因紫穗槐二烯合酶(ADS)和青蒿酸合成酶(CYP71AV1)已经克隆,有必要对青蒿素代谢途径的调控机制进行深入研究。
外源施加茉莉酸(JA)能够增加青蒿素含量。我们从青蒿腺毛cDNA文库中分离到两个AP2类茉莉酸应答的转录因子,AaERF1和AaERF2。这两个基因在花序中表达高,且明显受到JA的诱导。酵母单杂交和凝胶阻滞(EMSA)实验表明AaERF1和AaERF2都能够与ADS和CYP71AV1启动子中的CRTDREHVCBF2 (CBF2)和RAV1AAT (RAA)元件结合;在烟草中瞬时表达AaERF1或者AaERF2能够提高ADS以及CYP71AV1基因的启动子活性。在过表达AaERF1或者AaERF2的转基因青蒿中,ADS和CYP71AV1两个青蒿素合成关键酶基因的转录水平都明显升高,青蒿素和青蒿酸的含量也相应增加。相反,在抑制AaERF1或者AaERF2的转基因青蒿中这两个次生代谢产物的含量则降低。我们的研究表明AaERF1和AaERF2正调控青蒿素的生物合成,对通过基因工程提高青蒿素含量具有重要应用价值。

主要论文:

1.Xue XY, Zhao B, Chao LM, Chen DY, Cui WR, Mao YB, Wang LJ, Chen XY*. (2014) Interaction between two timing MicroRNAs controls trichome distribution in Arabidopsis. PLoS Genet 10(4): e1004266
2.Xu B, Gou JY, Li FG, Shangguan XX, Zhao B, Yang CQ, Wang LJ, Yuan S, Liu CJ, Chen XY*. (2012) A Cotton BURP Domain Protein Interacts With α-Expansin and Their Co-Expression Promotes Plant Growth and Fruit Production. Molecular Plant. 6(3):945-58.
3.Hong GJ, Xue XY, Mao YB, Wang LJ, Chen XY*. (2012) Arabidopsis MYC2 Interacts with DELLA Proteins in Regulating Sesquiterpene Synthase Gene Expression. Plant Cell. 24:2635-2648.
4.Tao XY, Xue XY, Huang YP, Chen XY, Mao YB. (2012) Gossypol-Enhanced P450 Gene Pool Contributes to Cotton Bollworm Tolerance to a Pyrethroid Insecticide. Molecular Ecology. 21:4371-4385.
5.Yu ZX, Li JX, Yang CQ, Hu WL, Wang LJ, Chen XY*. (2012) The Jasmonate-Responsive AP2/ERF Transcription Factors AaERF1 and AaERF2 Positively Regulate Artemisinin Biosynthesis in Artemisia annua. Molecular Plant. 5:353-365.
6.Yu N, Cai WJ, Wang S, Shan CM, Wang LJ, Chen XY*. (2010) Temporal Control of Trichome Distribution by MiR156-Targeted SPL Genes in Arabidopsis thaliana. Plant Cell. 22: 2322–2335
7.Mao YB, Cai WJ, Wang JW, Hong GJ, Tao XY, Wang LJ, Huang YP, Chen XY*. (2007) Silencing a Cotton Bollworm P450 Monooxygenase Gene by Plant-Mediated RNAi Impairs Larval Tolerance of Gossypol. Nature Biotechnology 25, 1307-1313.
8.Gou JY, Wang LJ, Chen SP, Hu WL, Chen XY*. (2007) Gene Expression and Metabolite Profiles of Cotton Fiber During Cell Elongation and Secondary Cell Wall Synthesis. Cell Research. 17, 422-434.
9.Wang JW, Wang LJ, Mao YB, Cai WJ, Xue HW, Chen XY*. (2005) Control of Root Cap Formation by MicroRNA-Targeted Auxin Response Factors in Arabidopsis. Plant Cell 17(8): 2204-2216.
10.Wang S, Wang JW, Yu N, Li CH, Luo B, Gou JY, Wang LJ, Chen XY*. (2004) Control of Plant Trichome Development by a Cotton Fiber MYB Gene. Plant Cell 16(9): 2323-2334.
11.Wang GD, Li QJ, Luo B, Chen XY*. (2004) Ex Planta Phytoremediation of Trichlorophenol and Phenolic Allelochemicals via an Engineered Secretory Laccase. Nature Biotechnology 22(7):893-897.
12.Luo P, Wang YH, Wang GD, Essenberg M and Chen XY*. (2001) Molecular cloning and functional identification of (+)-δ-cadinene-8-hydroxylase, a cytochrome P450 monooxygenase (CYP706B1) of cotton sesquiterpene biosynthesis. Plant J. 28 (1): 95-104.

 
 
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