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生物技術前沿一周縱覽(2017年3月3日)

2017-03-03 14:38 | 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(201733日)

FT2成花素基因調控作物開花分子機制

 

小麥抽穗期和開花期的調控機理與水稻和玉米等作物不同,普通小麥在苗期需要經受一段低溫時期,才能開花結實,也就是“春化現象”?;蚩勺兗羟惺侵富虻耐怙@子以多種方式通過RNA剪切進行重連,由此一個基因可能編碼多種蛋白質。對于植物開花關鍵基因成花素可變剪切的調控,更是植物分子生物學領域的新概念。該團隊研究發現在短柄草生長早期,FT2成花素基因通過可變剪切方式編碼一個干擾型蛋白,阻止正常開花蛋白復合體發揮作用;當短柄草進入開花期時,功能型蛋白的轉錄本表達開始加速,超過干擾蛋白轉錄本的表達量,從而保證短柄草正常開花。該機制在小麥、大麥等早熟禾亞科作物中具有保守性,是調控此類作物開花的重要機制。(Nature Communications)

 

 

成功合成植物單堿基編輯系統nCas9-PBE

 

單核苷酸點突變是作物許多重要農藝性狀發生變異的遺傳基礎。研究人員借鑒哺乳動物單堿基編輯方法,利用Cas9變體(nCas9-D10A)融合大鼠胞嘧啶脫氨酶(rAPOBEC1)和尿嘧啶糖基化酶抑制劑(UGI),構成了高效的植物單堿基編輯系統nCas9-PBE,成功地在三大重要農作物(小麥、水稻和玉米)基因組中實現高效、精確的單堿基定點突變。通過在原生質體中對報告基因BFP以及三種作物中五個內源基因七個位點突變結果的詳細分析,發現nCas9-PBE可實現對靶位點DNACT替換,C堿基脫氨化的窗口覆蓋靶序列的7個核苷酸(距離PAM遠端的第3-9位);其中單個C的替換效率為0.39-7.07%,多個C的替換效率高達12.48%。通過遺傳轉化,利用該體系獲得了靶標區域單堿基替換的小麥、水稻和玉米突變植株,突變效率最高可達43.48%。nCas9-PBE技術無需在基因組的靶位點產生DNA雙鏈斷裂(DSB),也無需供體DNA的參與,具有簡單、廣適、高效的特點。nCas9-PBE單堿基編輯系統成功建立和應用,為高效和大規模創制單堿基突變體提供了一個可靠方案,為作物遺傳改良和新品種培育提供了重要技術支撐。(Nature Biotechnology

 

 

環形非編碼RNA識別新技術

 

目前已有的環形RNA識別算法均基于對環形RNA接頭序列的查找,可分為基于注釋的算法以及從頭預測的算法。然而,由于真核生物轉錄的復雜性及環形RNA分子的特殊性,以上兩類識別算法均面臨著靈敏度低、可靠性差、運算時間長或內存使用高等問題,其應用也因此受到限制。此外,對上述識別算法的評價體系卻仍主要依賴模擬數據,難以對相關算法在真實轉錄數據中的表現進行客觀衡量。針對此現狀,研究團隊提出基于多重種子匹配策略的算法,針對比對質量較低的基因組區域,按長度降序進行種子序列提取,并將之與前后側翼基因組區域進行快速匹配。同時,建立了最大似然估計模型,判斷該種子序列的真實來源,并排除來自線性轉錄本或剪接副產物的干擾,從而極大提高了環形RNA分子識別的精度。該研究摒棄了偏差較大的模擬數據評測方法,采用 RNase R降解前后真實轉錄數據的比對體系,對10種已有算法進行全面的評測比較。結果顯示該研究建立的方法在包含靈敏度與可靠性在內的綜合表現(F1得分)上具有明顯的優勢,其并行模式還可進一步提升運算速度及內存使用效率。該算法與此團隊開發的CIRI, CIRI-AS等分析工具(Genome Biology, 2015; Nature Communications, 2016)實現無縫銜接,將進一步促進環形RNA組成及功能等方面的研究。Briefings in Bioinformatics

 

 

 

大豆中的GmZF351調控油脂積累

 

大豆作為重要的油料作物,是植物油的主要來源。種子中的油脂含量在馴化中受到人工選擇而不斷提高,成為大豆的重要農藝性狀。研究人員通過分析大豆種子發育不同階段和根、莖、葉等轉錄組數據中的表達差異基因,以及栽培大豆特異的調控籽粒油分的基因共表達網絡,鑒定出油脂快速合成時期的種子偏好表達轉錄因子基因GmZF351。通過比較在栽培大豆和野生大豆中的表達量和群體遺傳分析,發現GmZF351在馴化中受到人工選擇。進一步功能分析表明,GmZF351編碼串聯CCCH鋅指蛋白,蛋白定位于細胞核并具有轉錄激活活性。過表達GmZF351顯著提高了轉基因擬南芥種子油脂含量。ChIP-SeqChIP-qPCR、qRT-PCR和煙草瞬時轉化分析發現,GmZF351可直接激活油脂合成和貯存基因BCCP2、KASIII、TAG1OLEO2。GmZF351還結合WRI1的啟動子正調控其表達,并通過WRI1下游基因Pkpα和Pkpβ1進一步提高轉基因擬南芥的質體丙酮酸激酶活性,為脂肪酸合成提供更多乙酰-CoA,從而促進油脂在種子中的積累。在大豆中過表達GmZF351同樣增強了轉基因大豆種子中的油脂積累,qRT-PCR和煙草瞬時轉化分析發現,GmZF351能夠誘導WRI1同源基因Glyma15g34770Glyma08g24420、BCCP2同源基因Glyma19g03530、KASIII同源基因Glyma15g00550、TAG1同源基因Glyma13g16560Glyma17g06120以及OLEO2同源基因Glyma19g13060Glyma16g07800的表達。對ZF351進行單倍體型和進化樹分析發現,GmZF351單倍體型來自于野生大豆III型,并與高基因表達量、啟動子活性和油脂含量相關聯。GmZF351具備很大的應用潛力,可用于現有大豆品種油脂性狀的改良,對提高大豆品質和價值具有重要意義。(Plant Physiology

 

 

 首次發現水稻的一個MAPKKK直接接受RLCK傳遞的幾丁質信號

 

幾丁質是一類來自真菌的病原相關分子模式(PAMP),植物通過識別幾丁質來啟動植物的免疫反應,達到抵抗病原菌的作用。水稻識別幾丁質后,通過細胞膜類受體激酶OsCERK1磷酸化細胞質激酶OsRLCK185,啟動植物免疫反應。研究團隊通過對OsRLCK185蛋白進行酵母雙雜篩選,獲得了與其互作的蛋白OsMAPKKKε。OsRLCK185OsMAPKKKε的C端結構域互作,并將其磷酸化。過量表達OsMAPKKKε激酶結構域會引發MAPK激活和強烈的細胞壞死,而失去C端結構域的OsMAPKKKε蛋白也能在煙草里導致類似表型,暗示該蛋白的C末端在信號傳遞中起著負調控作用。在內源MAPKKKε沉默的水稻或煙草里,MAPK響應幾丁質的激活能力減弱。誘導表達OsMAPKKKε激酶結構域或全長蛋白的水稻對幾丁質處理更敏感,即MAPK的激活增強。一系列體內外生化實驗證明水稻利用蛋白質磷酸化介導一條線性化的幾丁質信號通路,即OsCERK1-OsRLCK185-OsMAPKKKε-OsMAPKK4-OsMAPK3/6。該研究首次發現了水稻的一個MAPKKK直接接受RLCK傳遞的幾丁質信號,并首次在水稻里揭示了以OsRLCK185為代表的細胞質類受體蛋白在植物免疫信號傳遞過程中上承細胞膜受體識別信號,下啟MAPK級聯通路的重要功能。(Molecular Plant

 

 

研究解析蘋果資源鈣、鋅礦物元素的積累過程

 

鈣、鋅等礦物元素是人類健康飲食不可缺少的部分,研究人員利用火焰原子吸收法對蘋果資源成熟果實中的鈣、鋅含量進行了測定。結果發現,蘋果品種間果實鈣、鋅含量差異明顯,鈣含量品種間差異達23倍,而鋅則高達95倍;栽培種和野生種之間鈣濃度相似,但野生蘋果鋅濃度顯著高于栽培種;不同地理起源的蘋果果實之間鈣和鋅濃度不存在顯著差異。此外,蘋果果實中鈣和鋅的濃度在果實幼果期最高,膨大期顯著降低,成熟期鈣濃度呈現輕微下降趨勢,而鋅濃度則顯示不同的變異模式。該研究首次解析了蘋果資源果實中鈣和鋅積累的變異,研究結果為蘋果礦物營養遺傳改良提供了理論基礎。(Journal of the Science of Food and Agriculture

 

 

喜馬拉雅-橫斷山區“空中島嶼”狀分布的植物類群研究獲進展

 

“空中島嶼(sky island)”用以表示生物的高海拔生境被不同山脈分割或隔離而呈現孤島狀,在該區域具有較高的生物多樣性,富含特有種、高海拔遷移種和孑遺種,以及輻射演化類群。其地質歷史、氣候演變和生物拓殖方式較為復雜,為探索氣候、地理如何影響物種分布格局和遺傳多樣化提供了重要的場所,同時,其物種的時空演化格局也為高山峽谷地貌與環境演化提供重要的生物學證據。研究人員利用二代測序技術,對小葉類群全部19個種的28個樣品開展了葉綠體基因組測序。通過葉綠體基因組全序列、編碼區序列、非編碼區序列、大單拷貝區序列、反向重復序列等5套數據,以及多種方法解析了該類群的系統發育關系。結果表明:1)基于葉綠體基因組全序列、非編碼區序列、大單拷貝區序列構建的系統發育樹充分明晰了小葉類群的種間關系,物種演化關系均得到較高支持率;2)基于該系統發育框架重塑了小葉類群10個關鍵性狀的演化式樣,為進一步開展物種劃分和分類學修訂奠定了重要基礎;同時,基于性狀變化頻次探討了該類群習性的演化趨勢;3)篩選出rpl36_infA、trnF(GAA)_ndhJ8個分子序列變異熱點區域,每個區域均富含>5%的變異位點,為該類群種下水平研究,或喜馬拉雅-橫斷山區其它輻射進化類群研究提供了重要的分子標記參考依據。(Molecular Phylogenetics and Evolution

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