控制水稻花药和花粉发育关键基因克隆和功能研究
植物生殖结构为人类提供了大量的食物来源，雄性不育引起的植物之间的杂交对于生物多样性十分重要，并且杂交授粉可以极大地提高作物产量。开花植物的雄性生殖发育的显著特征是形成包括花药在内的雄蕊，在花药中减数分裂形成的小孢子可以发育为成熟的花粉粒，小孢子和小配子的发生包含了一系列复杂的生理生化过程，包括细胞分裂、分化和凋亡等。但人们对控制作物花药发育和花粉发生的分子机制知之甚少。Tapetum Degradation Retardation (TDR)是水稻绒毡层发育和降解调控网络中的重要因子，TDR基因编码bHLH(basic Helix-Loop-Helix)类型的转录因子，可以直接控制胱氨酸蛋白酶的OsCP1(Cys Protease；半胱氨酸蛋白酶)的表达，揭示了细胞程序性死亡调节新机制【Plant Cell,2006；Plant Physiology,2006】。另外，TDR可以通过直接控制OsC6等来影响脂类物质从花药绒粘层分配到花粉表面控制花粉外壁的发育，OsC6重组蛋白具有结合脂类分子活性，减低OsC6表达水平后转基因植物花粉育性减低【Molecular Plant, 2008; Plant Physiology, 2010】。另外，为了从进化上了解TDR的功能，我们发现TDR在拟南芥中直系同源基因ABORTED MICROSPORES (AMS)的突变可以影响549个基因的表达，并且AMS可直接与ABC transporter等基因的启动子结合，当其中的一个ABC transporter 基因突变后出现雄性不育的表型，这项工作从系统生物学角度阐明了花药发育的调控网络【The Plant Cell,2010】。

CSA（Carbon Starved Anther）基因编码Myb类型转录因子，具有控制光合产物从叶片（源）到花和种子（库）中运输的能力，csa突变体中蔗糖从叶片到花和花药中运输受阻，花药败育；并阐明CSA可从转录水平上控制单糖转移酶等来控制光合产物从叶片（源）到花（库）中的分配【The Plant Cell,2010】。CYP704B2编码一个P450基因，主要在花药绒毡层和小孢子中特异表达。cyp704b2花药表面角质和花粉外壁孢粉素合成受阻，小孢子败育；进化分析表明该基因广泛分布于苔藓、裸子植物、被子植物等陆生植物中，暗示该基因可能与陆生植物适应陆地缺水环境密切有关；这项工作揭示了花药外表面角质和花粉外壁孢粉素合成的新机制【The Plant Cell,2010】。MADS3是拟南芥ABC模型中C类基因AGAMOUS(AG)同源基因， mads3-4表现出后期花药褐化、活性氧分子(ROS)水平异常升高、ROS平衡被改变、完全雄性不育等表型，这个工作阐明了MADS3可以通过改变ROS稳态来控制水稻花药后期发育的新功能【The Plant Cell,2011】。

 
控制水稻花器官和花序发育和形态发生功能基因研究
水稻花序和花器官具有独特的结构，是决定水稻产量的重要器官。但是，有关水稻花序、花器官等形态建成的分子机制非常不清楚，我们分离和鉴定了4个控制水稻花序、花器官形态检测的关键基因。Floral Organ Number 4 (FON4)和拟南芥中CLAVATA3 (CLV3)基因为直系同源基因， fon4分生组织膨大、花序的一次枝梗以及花器官数目增加；这项研究工作说明单子叶植物水稻中可能存在类似于双子叶植物拟南芥中CLV参与的控制花分生组织大小的分子机制【Plant Physiology, 2006】。水稻花器官中內稃和外稃结构非常特殊，可形成內稃和外稃锁合结构，保护种子不受外界环境和病虫害的影响。我们提出了水稻花器官的两侧不对称性结构，并分离和鉴定了一个早期內稃发育滞后，维管束特征出现象外稃转化的特性转化的突变体retarded palea1（rep1），该突变体的花不对称性改变。REP1编码一个TCP类型的转录因子，可以在内颖原基中特异性表达。这项工作在单子叶植物中揭示TCP基因参与花对称型发育【Plant Physiology, 2009】。

OsMADS34是SEPALLATA (SEP)类型的基因，该基因突变后，突变体的花序结构发生改变，一次枝梗数目增多，二次枝梗数目减少，护颖会异常增长，和OsMADS1基因的双突变体会表现出花器官同源转化现象，这说明OsMADS34可以控制水稻花序和花器官的形态发生【Plant Physiology, 2010】。AGAMOUS-LIKE6 (AGL6)是一类分布在裸子植物和被子植物中的古老的基因，水稻中AGL6类基因OsMADS6突变后，花器官的内稃转化成外稃特性，浆片和雄蕊特征出现转化，分生组织决定性改变，说明该基因具有和SEP类基因类似的功能，对水稻花器官的特性决定以及分生组织维持具有重要作用【Cell Research,2010】。

细胞骨架（微管和微丝）决定细胞形态，但人们对于微丝和微管的组装和动态维持的机制以等非常不清楚。被推荐人发现了一个水稻细胞核基因控制的隐性突变体morphology determinant (rmd)，该突变体花粉、根细胞微管和微丝形态改变，细胞变短变小。通该基因编码一个二型formin蛋白FH5，重组FH5/RMD蛋白可以促进肌动蛋白聚合和成束；同时可以和微管结合，这说明RMD蛋白可以通过调节微管和微丝来控制水稻形态建成。这项工作被认为是被子植物中首次报道的单个formin蛋白突变后可以影响植物形态发生【The Plant Cell, 2011】。