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生物技術前沿一周縱覽(2015年10月2日)

2015-10-08 08:22 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

茉莉酸調控植物開花時間的分子機制揭示
 
開花是植物從營養生長向生殖生長轉化的重要發育事件。研究人員發現免疫激素茉莉酸通過負向調控成花素基因FT 的表達延遲植物開花。在這一過程中,AP2類轉錄因子TOE1和TOE2與部分JAZ蛋白相互作用形成一個“轉錄因子-轉錄抑制子”復合體,該復合體直接結合FT 的染色質而調控其表達。正常生長條件下,JAZ蛋白拮抗TOE對FT 轉錄的抑制作用,使FT 的表達維持在一定水平,植物正常開花。當植物受到昆蟲或病原菌侵害時,體內活性茉莉酸含量升高,誘導 JAZ泛素化并通過蛋白酶體降解,而這一過程依賴于茉莉酸受體COI1。JAZ蛋白的降解導致TOE的去抑制化,使得FT 的表達降低,導致開花延遲。“TOE-JAZ”互作組合特異性地調控開花時間,而不影響茉莉酸誘導的抗性反應。這表明植物在遇到昆蟲或病原菌侵害時,可以通過茉莉酸途徑主動延遲開花時間,以保證順利開花結實和繁衍后代。(The Plant Cell
 
 
可變剪切可調節ABA信號通路
 
mRNA的可變剪切可以增加生物體蛋白質組豐度,是一種非常重要的基因轉錄后調控機制介導各種生物學過程。研究人員發現擬南芥PP2C基因HAB1 (Hypersensitive to ABA1)可通過可變剪切生成兩個可變轉錄本HAB1.1和HAB1.2。其中HAB1.1是全長轉錄本編碼全長HAB1蛋白,而HAB1.2由于最后一個內含子滯留造成蛋白編碼提前終止,編碼一個C端缺失的截斷蛋白HAB1.2。 HAB1.2/HAB1.1比值在不同組織中變化不大,但是ABA處理后明顯升高。HAB1.1能夠抑制OST1的自磷酸化,從而使ABA信號通路關閉。但是HAB1.2因C端缺失幾乎不具有磷酸酶活性,故不能抑制OST1磷酸化及其對下游底物的激活作用,使ABA信號通路處于開啟狀態。因此,HAB1的兩個可變剪切體在調控ABA信號通路過程中呈拮抗的作用。進一步研究證明了在擬南芥中RBM25(RRM-binding motif 25)能夠和Pre-HAB1最后一個內含子的5’剪切位點結合, 是調控在ABA處理條件下HAB1 pre-mRNA可變剪切的剪切因子。本研究首次揭示了RBM25調控的HAB1的可變剪切在ABA信號中的功能,為mRNA轉錄后調控參與ABA信號通路及植物對ABA響應提供了重要證據。(Nature Communications
 
 
RNA剪接因子調控植物脫落酸信號途徑
 
植物在長期進化歷程中形成了一套復雜的適應調控機制,選擇性剪接就是植物適應逆境的機制之一。研究人員克隆和揭示了RNA剪接因子ROA1/RBM25在植物對外源脫落酸(ABA)脅迫應答中的關鍵作用。該剪接因子是首個被克隆的同時包含PWI和RRM結構域的RNA剪接因子。研究證實,擬南芥roa1 功能缺失突變體表現出對外源ABA的超常敏感,在不影響野生型擬南芥生長的低濃度ABA處理下該突變體的新生葉片迅速失綠并導致植株生長的抑制甚至死亡。ROA1的功能缺失導致許多與植物生長發育和逆境脅迫應答有關的基因的剪接出現異常。其中編碼PP2C蛋白HAB1的基因在轉錄后編輯的劇烈變化是導致roa1 突變體對ABA異常敏感的主要原因。同時,ABA對野生型擬南芥植株中的ROA1蛋白的調控也說明該蛋白在植物應答非生物脅迫中起到重要的作用。 (Nature Communications)
 
 
擬南芥低溫響應信號通路研究
 
低溫是一種自然脅迫,嚴重的影響作物生長、分布以及產量。近年來,在低溫響應機制信號中,以擬南芥為模式植物的研究較為深入。研究人員通過系統分析擬南芥RCC1(Regulator of Chromatin Condensation 1)家族蛋白的基因表達模式,發現了一個特異受低溫誘導表達的基因TCF1(Tolerant to Chilling and Freezing 1),該基因編碼RCC1家族蛋白,但不具有RCC1家族蛋白的特性即不具有鳥苷酸交換因子活性。研究發現TCF1通過CBF非依賴的信號通路發揮作用。TCF1基因缺失突變體tcf1-1表現出對低溫不敏感的表型,TCF1通過直接調控BCB(Blue-Copper-Binding Protein)基因的表達,影響下游木質素合成相關基因PAL1/3/4(Phenylalanine ammonia-lyase 1–4)在低溫下的表達量,最終調控木質素在低溫下的積累,tcf1-1突變體在低溫處理下木質素的積累比野生型減少10%。這些結果說明在低溫脅迫下,較低的木質素可能導致細胞水分的更方便的外流,從而避免細胞受到冰晶的機械破壞,維持低溫下的生存能力。(PloS Genetics)
 
 
植物如何抵御DNA病毒
 
雙生病毒(Geminiviruses)是存在于植物中唯一一類具有孿生顆粒形態的單鏈DNA病毒,也是目前已知的最大的單鏈DNA病毒家族,該病毒在單子葉和雙子葉植物中具有廣泛的宿主,對農業生產危害極大。研究人員利用新近在細菌中發現的適應性免疫系統(CRISPR/Cas)特異識別病毒和外源DNA的特性,將該CRISPR切割系統引入植物,在植物中建立了這套DNA病毒防御體系。該研究以甜菜嚴重曲頂病毒BSCTV(Beet severe curly top virus)為模式病毒,分別選取模式植物本氏煙和擬南芥為寄主材料。首先利用本氏煙注射表達系統,建立了高效的抗病毒sgRNA活性篩選體系,并在瞬時轉染植物及轉基因植物中同時證明,向植物中引入高效的CRISPR/Cas系統能夠有效的抑制BSCTV在寄主植物中的積累。靶位點的突變分析表明該系統能特異性切割病毒DNA。研究還發現高效靶位點的選取與靶位點序列所在基因的功能無直接關系。利用此方法培育抗病毒植物,并不必基于病毒基因功能的深入了解,簡單易行,通用性強。因此,該研究對培育抗DNA病毒作物具有指導意義。(Nature Plants
 
 
植物通過變異進行生物修復
 
有毒化學物質在環境中的擴散會影響植物的生長,但植物在這種環境中生長,會經由根部從土壤中吸收并移除其中的有毒化學物質,這個過程被稱為修復過程。爆炸化學品三硝基甲苯(TNT)引爆后,TNT微粒滲入泥土,對植物產生毒害。但研究人員在擬南芥雜草中發現了一種新的變異,它可以幫助植物免受TNT的傷害。在MDHAR6基因中發生的這種變異讓植物能以最小的傷害甚至毫發無損地從土壤中移除TNT。相比其他暴露于TNT的植物,MDHAR6變異植物通常有長長的根和繁茂的葉子。研究人員希望利用這種突變研發出一種新型除草劑,能除去那些沒有人工賦予MDHAR6基因適應性的無用雜草。(Science
 
 
用基因工程煙草生產抗癌藥物
 
植物作為藥物的重要來源之一,喜馬拉雅盾葉鬼臼是一種短而多葉的植物,可產生足葉草毒素,可用于合成抗癌藥物依托泊苷。但是這種植物同樣生長十分緩慢,因此只能制取少量的化合物。研究人員對足葉草毒素生物合成途徑的研究發現,植物只有在葉子受傷后才會啟動該物質的合成,通過比較在喜馬拉雅盾葉鬼臼的葉片上刺孔前后植物蛋白質合成的差異,研究人員一共發現了31種蛋白質,并根據它們可能的功能進行了分類,并最終選定了可能參與足葉草毒素合成的候選酶的范圍。通過將候選酶基因拼接并轉入一種常見的實驗室植物本氏煙中,用合成生物學方法有望實現讓煙草生產這種強效化療藥物。這項新成果將能夠確??拱┧幬锏某渥愎┙o,并有望發現更為出色的類似化合物。(Science
 
 
古菌基因組的復制起始機制
 
基因組復制是生命得以存在和延續的最重要和最基本的遺傳過程。與細菌染色體通常只有一個復制起點不同,真核生物和許多古菌的染色體均具有多個復制起始位點。研究表明,染色體多復制起點是嗜鹽古菌中普遍存在的現象(BMC Genomics.2012,13: 478),因此是研究多位點復制起始調節機制的重要模型。研究人員采用高密度基因芯片分析技術對地中海富鹽菌全生長周期染色體上多復制起點活性進行系統監測,發現該菌染色體具有且只有3個活躍的復制起始位點。這3個復制起點的活性雖有差異,但在生長過程中被協同調控。與沃氏富鹽菌一樣,這3個復制起始位點可以被同時敲除,但一個休眠的復制起始位點oriC4被激活,并且其激活的程度是與敲除的其它起始位點的個數呈負相關。當原來的3個復制起始位點被同時敲除后,被激活的oriC4成為其染色體復制所必需的起始元件和唯一的復制起始位點,可負責介導整個染色體的正常復制。根據該休眠復制起點的特點,研究人員成功預測了沃氏富鹽菌中可能存在的休眠復制起始位點。這是在古菌域中首次實驗證明休眠復制起始位點存在及其激活現象,不僅為研究染色體多位點復制起始的調控機制提供了新的切入點,還為包括真核生物在內的復制起點的沉黙與激活機制的研究提供了重要的研究模型。(Nature communications
 
 
微生物群落物種互作網絡研究
 
微生物各物種間的互作網絡是微生物群落生態學研究的一個重要方面。分子生態網絡分析方法(Molecular Ecological Network analysis, MENA)的建立為微生物間互作關系及與周圍的環境的關聯提供了重要手段。研究人員在一個放射性重金屬鈾污染的地下水修復系統中,成功地運用高通量基因芯片GeoChip監控了微生物群落的隨時間的變化過程。針對該實驗的時序數據改進MENA的算法,進一步成功揭示出硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria, SRB)在這一環境修復過程中的重要地位,并且由于SRB與其它物種的關系表現為大量的互斥作用,表明微生物群落中的競爭關系在環境修復過程中變得更加激烈,最終這種物種間的相互競爭導致了物種數量的相對下降,隨著環境修復的進行微生物群落的多樣性才逐漸得以恢復。該研究對運用微生物群落監控環境修復過程和效果也有著一定的指導價值。 (Environmental Microbiology)
 
 
土壤微生物群落對土壤碳氮循環的調控機制
 
為了揭示土地利用變化(森林恢復)對土壤微生物群落的影響及其對土壤碳氮循環的調控機制,研究人員以丹江口庫區森林、灌叢和農田生態系統等不同土地利用類型為對象,應用熏蒸提取和磷脂脂肪酸(PLFA)兩種方法,分別調查了土壤微生物生物量和微生物群落結構,同時系統研究了微生物與土壤主要碳氮循環過程的關系。研究結果表明,由于大量低質量(高C:N比)植物凋落物的輸入,森林和灌叢的植被恢復增加了土壤微生物生物量以及改變土壤微生物群落結構(即提高了真菌對細菌的比值),但減少了土壤微生物熵(微生物生物量對土壤有機碳的比值)。改變這些微生物特性很可能降低基礎微生物呼吸、微生物代謝熵(qCO2)、凈的氮礦化和硝化速率,從而維持較高的土壤碳和氮儲量及其穩定性。該研究不僅揭示了丹江口庫區土壤微生物生物量和微生物群落機構對于森林恢復的響應,同時還闡述了森林恢復過程中土壤微生物群落對土壤碳氮循環的調控機制,為當地政府的植被恢復和庫區水環境治理工作提供了可靠的科學依據和借鑒。(Science of the Total Environment
 
    

來源:基因農業網

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