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2020年01月12日生物技术前沿一周纵览

科学家发现共生固氮新型调节机制
豆科植物和固氮根瘤菌之间的根瘤共生是陆地生态系统中氮的重要来源,成功的共生固氮可以替代农田中的氮肥,有助于作物的生长,同时减少氮肥的施用。近日,科学家研究揭示了根瘤菌特异性APN1调控根瘤菌功能的分子机制。该研究首先基于大规模的TONO突变体筛选,鉴定到一个决定apn1 突变体中Fix− 表型的候选基因DCA1 (Determinant of nitrogen fixation Compatibility of APN1),该基因编码类似于细菌外膜自转运蛋白的蛋白质(V型蛋白分泌系统的一部分)。该研究还发现,转运到胞外的DCA1 passenger域会被重组APN1蛋白在体外裂解。此外,MAFF303099和TONO中都存在直系同源自转运蛋白基因,各个自转运蛋白基因表达水平的差异决定了apn1的固氮表型。总之,该研究表明,根瘤菌自转运蛋白是apn1突变体固氮活性的决定因素,APN1抑制了根瘤菌自转运蛋白的负作用,以维持根结节中有效的共生氮固定。该工作为豆科植物优化特定根瘤菌菌株共生固氮活性的策略研究提供了新思路。

科学家研究揭示生物钟周期调控新机制
生物钟是植物细胞中感知并预测光照和温度等环境因子昼夜周期性变化的精细时间机制,它通过协调代谢与能量状态以适应环境因子的昼夜动态变化,从而为植物的生长发育提供适应性优势。最新的科学研究报道了岩藻糖基转移酶SPY通过对生物钟核心组分PRR5的O-岩藻糖基化修饰,影响PRR5蛋白的稳定性,从而在翻译后水平精确调控生物钟周期的新机制。该研究通过植物活体发光实验结合生物钟表型的计算分析发现,与动物中作为O-β-N-乙酰葡糖胺修饰转移酶(O-GlcNAc)的SEC参与调控生物钟周期不同,在植物中则主要是作为O-岩藻糖基化(O-Fucrose)修饰转移酶的SPY特异调控生物钟周期。通过构建细胞核和质特异定位的SPY蛋白表达载体,结合植物活体发光的实验证据,发现SPY蛋白主要是在细胞核中参与调控生物钟周期。该研究成果表明尽管O-糖基化调节生物钟周期在演化上具有保守性,其在哺乳动物中主要是通过O-GlcNAc糖基化修饰,而在高等植物中则是通过O-岩藻糖基化修饰,为翻译后修饰精细调控植物生物钟周期提供了新见解。

科学家破解优质蛋白玉米育成之谜
玉米和大豆是世界上最重要的两种粮食和饲料作物。大豆蛋白含量高,但是产量较低;玉米产量高,但是蛋白含量不足。最新的科学研究通过PacBio三代基因组测序,BSA-seq遗传定位和RNA-seq转录组分析相结合的手段,深入解析了优质蛋白玉米(Quality Protein Maize, QPM)选育的基因组结构变异基础,全面挖掘了潜在的硬质胚乳修饰因子。科学家长期致力于通过计算生物学及与分子生物学相结合的手段,研究玉米复杂农艺性状。最新研究发现了一些与多个胚乳修饰因子遗传位点紧密相连的候选基因,这些基因具有结构变异和表达水平的改变等遗传特征。据此并结合近期其他研究成果,科学家提出了解释优质蛋白玉米硬质胚乳形成的分子机制模型。他们构建的高质量优质蛋白玉米基因组以及鉴定出的具有结构变异和表达差异的候选基因将会促进优质蛋白玉米胚乳修饰因子分子标记开发及分子育种。

科学家发表综述“植物非生物胁迫的表观遗传调控机制”
非生物胁迫是植物在生长发育过程中面临的环境逆境之一,例如:极端温度胁迫、干旱、高盐、ABA依赖的胁迫、营养缺乏以及紫外辐射等等。近年来的研究表明,植物在遭受非生物胁迫的过程中,胁迫响应基因的诱导通常伴随着表观修饰水平的变化,尤其是组蛋白修饰和DNA甲基化水平的变化。近日,科学家在线发表了一篇综述论文,该综述概述了近年来在植物应对非生物逆境胁迫响应过程中表观遗传机制参与调控的研究进展,同时也指出了关于这两个学科交叉领域研究的一些待解决的问题。动态变化的表观修饰标记使胁迫响应基因的染色质区域处于活跃易表达状态或者抑制表达状态,进而在转录或转录后水平影响这些基因的表达。但是,逆境条件如何激活表观机制对胁迫响应基因表达水平的重塑?表观“信号”如何参与到植物的“逆境记忆”过程中并遗传给后代?除了借助于模式植物拟南芥,水稻等对相关机制的研究,其它粮食作物和经济作物也可以作为研究对象,从而使人们对于这两个学科进行更加全面的探索。

ABA引起水稻叶片衰老过程中的一个关键NAC转录因子

叶片衰老是叶片发育的最后阶段,在大多数植物中,ABA可以引起叶片早衰,但是叶片衰老过程中的ABA信号传导机制仍未被完全理解。近日,科学家在水稻中鉴定了调控叶片衰老的ONAC054转录因子并揭示了其调节机制。该研究首先基于自然衰老和人工诱导的叶片衰老期间的基因表达变化鉴定了水稻中的一个senNAC基因—ONAC054,ONAC054的表达水平在衰老叶片中显著上调。该研究发现,onac054敲除突变体的叶片在衰老期间保持绿色,而ONAC054的过表达株系在黑暗和ABA诱导的衰老过程中会提前衰老,这进一步表明ONAC054在水稻衰老过程中的关键作用。该研究进一步分析了叶片衰老过程中的衰老相关基因的表达,发现onac054突变体中包括ABA INSENSITIVE5(OsABI5)在内的ABA信号相关基因和包括STAY-GREEN和NON-YELLOW COLORING1(NYC1)在内的衰老相关基因均显着下调。进一步研究发现,ONAC054可直接激活OsABI5和NYC1。总之,该研究表明,ONAC054的活性对水稻ABA诱导的叶片衰老非常重要,转录、转录后和翻译后水平的多层调节过程的精确控制共同决定了ONAC054的活性。

揭示一种大白菜持绿突变的分子机制
大白菜是我国南北各地广泛栽培的蔬菜作物,其外叶容易衰老变黄,造成产量损失和产品质量下降。近日,科学家研究揭示了一种大白菜持绿突变的分子机制。这是首次在大白菜EMS诱变群体中鉴定到1份持绿突变体nym1,其持绿性状明显、遗传稳定、综合性状优良。遗传分析证明了nym1的持绿性呈单基因隐性遗传,遂命名为Brnym1。MutMap和KASP分析表明,编码脱镁螯合酶Mg-dechelatase (SGR蛋白) 的BraA03g050600.3C基因为持绿突变基因Brnym1。序列分析表明,Brnym1的第三外显子上一个非同义的SNP (G到A),导致脱镁螯合酶的保守区域内发生L到F的氨基酸替换。异源过表达实验表明,野生型大白菜BrNYM1基因可以成功恢复拟南芥SGR缺陷持绿突变体nye1-1的持绿表型。与野生型相比,nym1突变体的镁脱羧酶活性显著降低。Brnym1蛋白定位于叶绿体。上述研究结果揭示了大白菜的一种持绿性变异机制。这一珍贵的持绿性大白菜遗传资源,也为白菜类蔬菜持绿性品种的选育奠定了材料基础。

解析植物-病原菌互作新机制

为了应对生物胁迫,植物会产生一系列高度修饰的脂肪酸,这些脂肪酸具有不同寻常的化学功能。近日,科学家采用非靶向代谢组学和RNA测序相结合的方法,在番茄中发现了一组基因簇参与番茄中法卡林二醇的生物合成,并影响番茄对病原菌的抗性。该研究发现,法卡林二醇的生物合成可在番茄中诱导合成,且真菌和细菌菌株都可以诱导法卡林二醇的产生。通过分析基因表达差异及代谢物含量,发现Solyc12g100240和Solyc12g100260 (ACET1a和ACET1b, ACETYLENASE1a) 可能是法卡林二醇生物合成途径中的关键酶基因。科学家利用CRISPR/Cas9构建上述基因簇的相关突变体,发现突变体中不能合成或大幅降低法卡林二醇,说明该基因簇在此生物合成途径中具有重要作用。进一步研究发现,该基因簇的突变可使番茄中与法卡林二醇产生相关的修饰脂肪酸生物合成中断,并导致番茄对一些病原菌的抗性增强,而不会影响基础免疫反应。缺乏效应因子AvrPto和AvrPtoB的突变体对Pst DC3000的抗性更强,表明这些病原菌的效应因子直接或间接干扰了Pst DC3000感染过程中植物修饰脂肪酸的生物合成。这些遗传证据证明该基因簇参与法卡林二醇介导的番茄免疫反应

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