植物基因工程中心

研究方向

特异性位点的基因叠加

在许多作物中，转基因性状都是先转入可以转化的实验室品系中，然后再导入优良的栽培品系。对于二倍体，或者以二倍体形式遗传的多倍体植物来说，获得n个独立分离（假定无遗传连锁）的位点的纯合子的几率为(1/4)ⁿ。再加育种者还需将n个非转基因性状导入同一品种，获得纯合子的几率为(1/4)^n+x，增加了优良品系改良的难度。为了减少转基因分离位点数目，一个选择是可以事先在体外叠加多个基因性状一次性导入基因组，但也意味着每增加一个新的性状，以前已经通过审定的性状需要同新性状一起重新审定。另一选择就是绕过实验品系，直接导入栽培品系，但许多优良的栽培品系转化难，直接将优良性状导入是不现实的。再加因每一个独立转化获得的栽培品系也被认为是独立的转化事件，从而需要通过独立的审核检验。

侯黎丽博士及其同事运用重组酶系统，目前已经在烟草中实现了两轮基因叠加和筛选标记的删除，叠加的转基因具有精确的结构和可靠的表达。

Hou, L., Yau, Y-Y, Wei, J., Han, Z., Dong, Z., Ow, D.W. 2014. An open source system for in planta gene stacking by Bxb1 and Cre recombinases. Molecular Plant 7:1756-1765.

李如玉副研究员及其同事利用基因枪转化的方法进行了特异性位点的整合，表明了基因可以在目标位点高效整合。目前将这一系统的运用拓展到水稻，已在水稻染色体上成功筛选到多个精确目标位点。

Li, R., Han, Z., Hou, L., Kaur, G., Qian, Y., Ow, D.W. 2016. Method for biolistic site-specific integration in rice and tobacco catalyzed by Bxb1 integrase. In: Methods Mol Biol. 1469: 15-30 (Chromosome and Genomic Engineering in Plants, Ed. M. Murata), Humana Press, (Book Chapter).

为了增加基因叠加的灵活性，我们正在开发新的特性。陈伟强博士研发了一套体外基因叠加方法，该方法可以整合到体内叠加策略中。Maryam RAJAEE 博士发现了一个新的位点，可将Cre重组酶断裂为两个部分，每个部分可以在不同的植株中稳定表达，其二的杂交后代可重建Cre活性。另外，Gurmindar KAUR 博士证明了新DNA对前期插入的转基因的替换。

Chen, W., Ow, D.W. 2016. Protocol for in vitro stacked molecules compatible with in vivo recombinase mediated gene stacking. In: Methods Mol Biol. 1469: 31-47 (Chromosome and Genomic Engineering in Plants, Ed. M. Murata), Humana Press, (Book Chapter).

Rajaee, M., Ow, D.W. 2017. A new location to split Cre recombinase for protein fragment complementation. Plant Biotechnology Journal 15: 1420-1428.

Chen*, W., Kaur*, G., Hou, L., Li, R., Ow, D.W. 2019. Replacement of stacked transgenes in planta. Plant Biotechnology Journal, https://doi.org/10.1111/pbi.13172 (*co-first authors).

以下是近期关于重组酶介导的基因叠加的综述:

Ow, D.W. 2016. The long road to recombinase-mediated plant transformation. Plant Biotechnology Journal 14:441-117.

Chen, W., Ow, D.W. 2017. Precise, flexible and affordable gene stacking for crop improvement. Bioengineered 8:451-456.

金属和氧化胁迫

环境胁迫导致作物减产，生物胁迫和非生物胁迫都会扰乱正常细胞的代谢平衡，引起细胞内活性氧水平升高，进而导致细胞损伤和死亡。我们实验室的研究兴趣在于，解析植物在应答引起氧化损伤的重金属胁迫过程中的分子机理。特别是我们一直在研究的三个参与氧化和金属胁迫的基因。

OXS1

利用裂殖酵母模型系统探讨OXS1 (Oxidative Stress 1)，何玉梅博士后及其同事在裂殖酵母中阐明了一条新的镉诱导的二硫化物胁迫调控途径—Oxs1-Pap1途径。该新途径在进化中高度保守，来源于人类、老鼠、拟南芥中异源Oxs1蛋白和Pap1同源蛋白在体外均可发生互作。至少在裂殖酵母中，异源Oxs1蛋白和Pap1同源蛋白可以代替S. pombe Oxs1 和 Pap1，从而提高其抗胁迫性。

He, Y., Chen, Y., Song, W., Zhu, L., Dong, Z., Ow, D.W. 2017. A Pap1-Oxs1 signaling pathway for disulfide stress in Schizosaccharomyces pombe. Nucleic Acids Research 45: 106-114.

陈岩博士及其同事发现，Oxs1的NES（核输出信号）可以通过作为Crm1介导的Pap1输出的竞争性底物来保护裂殖酵母，对抗氧化胁迫。细胞核中较高的Pap1浓度引发了胁迫耐受基因的表达。这种阻断Crm1介导核蛋白输出的方法，有可能作为目前正在测试的阻断肿瘤抑制因子p53核输出的化学药物的替代物，以用于癌症治疗；或用于阻断那些HIV-1和流感病毒成熟所必需的蛋白质，从而用于HIV和病毒性流感的治疗。

Chen, Y., Zhang, Y., Dong, Z.,Ow, D.W. 2018. Protection from disulfide stress by inhibition of Pap1 nuclear export in Schizosaccharomyces pombe. Genetics 210: 857-868.

OXS2

本实验室前期研究发现拟南芥OXS2蛋白作为一个锌指转录因子，在没有压力的情况下，主要存在于细胞质中。当遇到胁迫时，它重新定位到细胞核，直到胁迫减弱。因为OXS2功能的缺失会导致胁迫敏感，因此我们提出核OXS2在缓解胁迫压力中发挥了正调控作用。换句话说，在响应可耐受的胁迫时，植物通过延迟繁殖以期获得更好的时间，由OXS2激活耐受途径以促进这种反应。然而，当遇到不可耐受的胁迫时，植物通过直接与开化整合子SOC1 (SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1)的启动子结合，增强SOC1的转录，从而导致开花。我们还观察到，当OXS2留在细胞质中时，它对保持营养生长起反效果。当时我们无法解释OXS2在细胞质中时是如何抑制开花的。现在，梁敏婷博士后证明了OXS2可以与另一个开花途径中的关键组分互作。通过一个连接蛋白，OXS2可以间接的结合成花素FT (FLOWERING LOCUS T) 及其相关的转录因子FD (FLOWERING LOCUS D)。鉴于FD经常在细胞核中被发现，FT可以在细胞质或细胞核中。OXS2在细胞质中与FT结合可以解释细胞质中的OXS2保持营养生长，而通过抑制FT进入细胞核来激活开花途径。

Liang, M., Ow, D.W. 2019. Nucleocytoplasmic OXIDATIVE STRESS 2 can relocate FLOWERING LOCUS T. Biochemical and Biophysical Research Communications 517: 735-740.

我们在主要农作物中拓展了对OXS2的研究。贺立龙博士及其同事近期将该研究拓展到玉米，研究发现玉米OXS2家族通过激活一个假定的SAM依赖的甲基转移酶样基因，进而提高植物对重金属镉的抗性。

He, L., M., X., Li, Z., Jiao, Z., Li, Y., Ow, D.W. 2016. Maize OXIDATIVE STRESS 2 homologs enhance cadmium tolerance in Arabidopsis through activation of a putative SAM-dependent methyltransferase gene. Plant Physiology 171:1675-1685.

OXS3

本实验室前期研究发现拟南芥中OXS3蛋白很可能作为一个组蛋白修饰因子，从而响应重金属胁迫和氧化胁迫。梁敏婷博士后也发现，在干旱下，拟南芥OXS3的缺失会引起早花，并且发现OXS3可以结合SOC1从而引起AP1基因表达被抑制。因为花的发育需要AP1参与，那么抑制AP1表达可能是作为减弱胁迫诱导的早熟开花的“安全检查”。

Liang, M., Xiao, S., Cai, J., Ow, D.W. 2019. OXIDATIVE STRESS 3 regulates drought-induced flowering through APETALA 1. Biochemical and Biophysical Research Communications 519: 585-590.

有趣的是，王昌虎副研究员及其同事近期的研究还发现过表达水稻中OXS3基因家族成员，可以显著降低水稻谷粒中的镉含量。由于中国耕地污染问题，导致市场上近年发现了高镉稻米产品。土壤修复等手段不能在短期内轻易解决这一问题，因此通过创制低镉累积水稻新种质，可为降低人们日常膳食镉摄入提供新的解决方案。

Wang, C., Guo, W., Ye, S., Wei, P., Ow, D.W. 2016. Reduction of Cd in rice through expression of OXS3-like gene fragments. Molecular Plant, 9:301-304.

Wang, C., Guo, W., Cai, X., Li, R., Ow, D.W. 2018. Engineering low-cadmium rice through stress-inducible expression of OXS3-family member genes. New Biotechnology https://doi.org/10.1016/j.nbt.2018.04.004.

都市农业

到2040年，我国城市可能需要容纳10亿居民，为如此巨大的人口提供新鲜食物将是未来的一个重大挑战。可是，都市的发展不断地挤占着农业用地，令农业生产要满足庞大人口需求变得更加困难；另一方面，城市工业化将种植区推离到距市中心更远的地方，增加了食物里程数，使食物的运输及包装的成本上涨同时也带来了相应的环境问题。楼顶农业是都市农业的一种，它可以利用城市空间进行种植从而弥补城市化过程中失去的种植空间，而它的产品也可以向消费者就地供应，大大减少保鲜、运输和包装等相关的成本。对于楼顶的农业生产，人们一般使用水培系统，在这种封闭的系统中，水和营养液可以得到高效循环利用。与其他生产方式相比，肥料的利用效率能达到最大化，而需水量也有明显降低，利于缓解饮用水不足的危机。另外，由于水培系统清洁卫生，病虫害少，可显著减少甚至避免农药的施用，从而生产出无公害的绿色食品。刘亭博士及其同事已证明了楼顶农业的可行性，研究表明，楼顶所种植叶菜类的蔬菜与市场同类产品相比，不但价格更低廉而且品质优良。

Liu, T., Yang, M, Han, Z., Ow, D.W. 2016. Rooftop production of leafy vegetables can be profitable and less contaminated than farm grown vegetables. Agronomy for Sustainable Development 36:41 DOI 10.1007/s13593-016-0378-6.