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生物技術前沿一周縱覽(2017年1月20日)

2017-01-20 16:39 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

生物技術前沿一周縱覽(2017年1月20日)

小麥DNA-free基因組編輯方法取得進展

CRISPR/Cas9是目前應用最為廣泛的基因組編輯技術,已在作物基因功能研究以及品種改良中取得了巨大的成功。常規植物基因組編輯手段多通過農桿菌或基因槍的方法將CRISPR/Cas9 DNA表達框轉入并整合到植物基因組中,存在許多不足,如較高的潛在脫靶效應、易出現嵌合體、需通過后代分離方可獲得無CRISPR/Cas9 DNA植物突變體。研究人員將CRISPR/Cas9蛋白和gRNA在體外組裝成核糖核蛋白復合體(RNP),再利用基因槍法將CRISPR/Cas9 RNP轉入小麥細胞中,在兩個六倍體小麥品種中分別對兩個不同基因tagw2和tagasr7進行了定點編輯,成功地在小麥中建立了全程無外源DNA的基因組編輯體系。研究結果還表明相比于CRISPR/Cas9 的DNA或RNA瞬時表達體系,CRISPR/Cas9 的RNP可以明顯降低脫靶效應。這種DNA-free的基因組編輯方法具有精準、特異、簡單易行、成本低廉的優勢,并且成功避免了外源DNA片段整合到基因組中的潛在風險。這一利用CRISPR/Cas9 RNP實現小麥基因組編輯的方法有助于最大程度地減少監管,建立起精準、生物安全的新一代育種技術體系,加快作物基因組編輯育種產業化進程。(Nature


過表達RAG2提高水稻糧食產量和品質


提高糧食產量、改善糧食品質是水稻育種的主要目標。因此,確定影響水稻糧食產量和營養品質的因素是開發新育種策略的基礎。RAG2是水稻14~16 kDa的α-淀粉酶/胰蛋白酶的抑制劑,屬于種子貯藏蛋白中的白蛋白。華中農業大學的研究團隊研究了RGA2對水稻產量的影響。該研究小組發現RAG2在成熟種子中特異性表示,它的轉錄峰值出現在開花后14至21天之間。過表達RAG2的株系與野生型相比,籽粒大小和千粒重顯著增加。相反,在RAG2的表達受到抑制的株系中籽粒減小。在過表達RAG2和RAG2表達受抑制的株系中,蛋白質含量和總脂質也分別增加和減少。過表達RAG2使籽粒大小顯著增加,提高了糧食品質和產量。這些結果表明,RAG2在控制水稻粒重和種子質量中起著重要作用。(Plant Biotechnology Journal


水稻OsACOS12基因對花粉外壁形成和花藥發育至關重要

擬南芥的ACOS5基因參與花粉外壁的主要成分孢粉素前體的生物合成。來著上海師范大學的研究團隊在水稻中發現了它的直系同源基因OsACOS12,并與擬南芥中的基因進行了比較。分析表明,OsACOS12中63.9%的氨基酸序列與ACOS5相同。LOC_Os04g24530終止密碼子提前出現引起OsACOS12隱性突變在水稻中表現出雄性不育表型。進一步分析表明,OsACOS12在絨氈層細胞和小孢子中表達,它編碼的蛋白在絨氈層細胞和藥室中積累。當用ACOS5的啟動子啟動OsACOS12時,可以部分恢復擬南芥ACOS5隱性突變體的雄性不育。本研究發現OsACOS12是ACOS5的水稻直系同源基因,對水稻中孢粉素的合成至關重要。ACOS5和OsACOS12與單子葉植物和雙子葉植物物種中花粉壁的形成有關。(BMC Plant Biology


發現植物關閉遮光機制提高生產力

一個國際研究小組通過改變光合作用機制成功地提高了植物生產力,該研究以煙草植物中參與遮光的3個基因為靶標基因,這些基因可將光子轉換為無害的能量,從而保護植物免受強光的傷害。然而,植物對不斷變化的光強度反應緩慢,會導致生產力下降。為了提高光合作用效率,研究人員增強了這3個基因的表達,在田間條件下使改造的煙草植物生產力提高了14%-20%。這是一個巨大的飛躍,因為植物育種者通過傳統技術很難實現1%-2%的增長。目前,科學家們正在改變水稻、玉米等作物的光合作用效率。(Science


發現病原菌攻擊宿主的新致病機制

疫霉菌引起的作物疫病曾被稱為“植物瘟疫”,是農作物生產中危害非常嚴重的一類病害,目前已經發現的疫病菌有160多種,能侵染數千種植物,是全球糧食、食品和生態安全的重要威脅。在我國,由疫霉菌引起的農作物病害每年導致的經濟損失高達上百億元。但是由于這類病害具有發病快、變異快、流行快等特點,生產上的防控一直比較困難。最新研究中,研究人員從全新的視角報道了病原菌攻擊宿主的新致病機制:誘餌模式,為實現作物疫病的可持續控制指明了新的方向。研究人員發現疫霉菌在侵染植物早期向胞外分泌糖基水解酶XEG1攻擊植物細胞壁,而植物則利用水解酶抑制子GIP1抑制其活性;在進化的過程中,病原菌又獲得了XEG1的失活突變體XLP1,以誘餌“DECOY”的方式,競爭性干擾抑制子GIP1,與XEG1協同攻擊植物的抗病性。由于糖基水解酶XEG1在卵菌、真菌和細菌中廣泛存在,因此這一發現為開發能誘導植物廣譜抗病性的生物農藥提供了重要的理論基礎。(Science


新型CRISPR-Cas系統C2c2-RNA復合物結構

CRISPR/Cas系統是古菌和細菌的抵抗病毒和質粒侵染的重要免疫防御系統。2015年發現第二類CRISPR-Cas系統-Ⅵ型系統,該系統中的效應蛋白被命名為C2c2。研究人員通過深入的研究,解析了C2c2與crRNA的二元復合物的晶體結構以及C2c2蛋白的晶體結構,揭示了C2c2包含一個crRNA識別的葉片即REC葉片,和一個核酸酶葉片即NUC葉片。REC葉片包含NTD結構域(N-terminal domain)和Helical-1結構域,NUC葉片包含了兩個HEPN結構域、Helical-2結構域以及連接兩個HEPN結構域的連接結構域。負責切割前體crRNA和靶標 RNA的活性口袋分別位于Helical-1和HEPN結構域上。crRNA的結合會引起C2c2蛋白的構象變化,這種變化很可能會穩定crRNA的結合,進而對識別靶標RNA起著重要作用。該研究通過結構和生化研究揭示了C2c2剪切pre-crRNA以及切割靶標 RNA的分子機制,對認識細菌抵抗RNA病毒入侵的分子基礎具有十分重要的意義。同時也為改造CRISPR-C2c2系統,為其在基因編輯領域的運用提供了強有力的結構基礎,有助于加速對病毒感染引發的疾病的理解、治療和預防。(Cell


CRISPR/ Cas9技術改變擬南芥的病毒抗性

真核翻譯起始因子eIF基因家族,包括eIF4E及其旁系同源基因eIF(iso)4E,已經被確認為馬鈴薯Y病毒屬病毒隱性抗性等位基因。然而,人們對于這些等位基因的認識是有限的。英國愛丁堡大學的Douglas E. Pyott利用CRISPR / Cas9技術在擬南芥eIF(iso)4E基因座引入了序列特異性有害點突變,來改變對蕪菁花葉病毒(TuMV)的抗性。通過分離CRISPR/Cas9轉基因誘發的突變,該研究團隊設計了一個框架,用于使自花授粉物種生成可遺傳的、純合子突變而不含轉基因的T2代植株。對4個獨立的T3株系干重和開花時間分析顯示,與野生型植物相比并沒有差異,表明eIF(iso)4E的突變不會影響植物的生長。這項研究表明,CRISPR/Cas9技術是一種不使用轉基因而可以在一些重要作物中生成馬鈴薯Y病毒屬病毒抗性等位基因的新方法。(Molecular Plant Pathology


放線菌天然產物合成取得新進展


由始旋鏈霉菌(Streptomyces pristinaespiralis)產生的普那霉素(Pristinamycin)是一種抗耐藥菌抗生素,包含普納霉素I(PI)和 II(PII)兩個組分,其衍生物已被批準用于治療多種臨床耐藥性病原菌,如耐甲氧西林葡萄球菌與耐萬古霉素腸球菌等。研究人員通過組合代謝工程與發酵工藝優化,初步提高了普那霉素II(PII)的合成能力。進一步創新技術研究中,建立了基于“一個整合酶-多個attB位點”理念的放線菌天然產物生物合成基因簇多拷貝整合的新方法MSGE。運用該方法,實現了PII生物合成基因簇的高效、快速擴增,獲得了多達5個PII生物合成基因簇拷貝的工程菌SBJ1005。該工程菌的最高產量達到2.2 g/L,與出發菌株相比,提高了11倍,已基本接近產業化要求。在此過程中,還組合運用體外CRISPR/Cas9系統與Gibson等溫一步法,開發了一種新型的基因簇編輯技術CGE,為放線菌天然產物生物合成體系的優化提供了重要的技術手段。(Metabolic Engineering

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