森林是绿色生态产业发展的战略资源，树木的生长发育是其提供功能效益的生物学基础。解析树木的生长发育中关键性状形成的分子机理，揭示植物发育中的共性和特性调控机制，已成为树木发育前沿研究的迫切需要。多年来，我校李晓娟教授团队围绕植物生长发育中囊泡运输的功能和调控机制，对细胞内生命活动的时空动态开展了系统研究，为进一步研究树木发育的分子机制奠定了良好的基础。该项研究得到国家自然科学基金重大研究计划项目重点课题、优秀青年科学基金和江南的注册网址杰出青年人才培育项目的资助。
率先建立适用于植物活细胞研究的单分子检测与分析平台
建立了适用于植物材料成像的可变角度全内反射荧光显微技术，实现了在植物活体材料中高信噪比、高时空分辨率的蛋白动态图像的获取。基于时间序列分析，开发了在单分子水平上对植物膜蛋白动态进行高通量、自动识别和追踪的算法。此外，突破了自相关算法等方面的限制，利用单分子光谱分析，建立了在植物活体中对蛋白浓度和蛋白间相互作用进行原位、定量分析的技术。这些技术可以在纳米空间尺度上以毫秒时间分辨率追踪偶发性事件，对揭示植物体这一非均相体系内复杂的生物学过程具有重要意义。
图1 活体植物细胞内对蛋白进行单分子水平检测
揭示多条囊泡运输途径协同作用，调控植物在胁迫条件下自我保护功能
运用上述自主建立的技术，深入研究了囊泡运输调控膜蛋白活性的分子机制。在植物活体生理条件下，实现了对植物免疫受体FLS2蛋白聚合状态进行实时分析，揭示了病原菌等生物胁迫条件下固醇调控FLS2的囊泡运输，进而参与植物的早期免疫反应。研究了气孔保卫细胞和表皮细胞中水通道蛋白PIP2;1动态及其调控机制的差异性，补充和完善了蛋白晶体解析所无法获得的结构动态变化信息。这些系统性研究成果，阐明了植物快速响应非生物胁迫和生物胁迫的早期策略。
图2 表皮细胞和保卫细胞中水通道蛋白的动态特征
探究维管组织发育和木材形成的分子机制
次生木质部的形态建成与囊泡运输介导的细胞壁物质转运密切相关，对我国特有的重要造林树种杉木进行研究，构建miRNAs调控树木维管形成层年周期发育的基因表达网络，阐明了树木形成层周期性活动与木质部细胞量化指标以及细胞壁成分密切相关的规律。揭示了植物激素和细胞壁相互作用，进而调控植物茎形态建成和次生木质部发育的机制，为全面解析树木发育和木材形成的调控机制奠定了基础。
图3 植物生长与木材形成的分子机制
截至目前，该系列成果已在Trends in Plant Science, Molecular Plant, Plant Physiology等期刊上发表。
