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生物技術前沿一周縱覽(2018年5月4日)

2018-08-21 14:41 | 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(201854日)

 

MAPK級聯信號通路在水稻種子大小調控上起重要作用

 

水稻是我國的主要糧食作物之一,粒重、穗粒數和有效穗數是水稻產量三要素。MAPK信號途徑介導了多個植物生長發育過程。MAPK途徑的基本組成包括:MAPK激酶激酶(MKKK)、MAPK激酶(MKK)和MAPK。植物感受信號后,這三種激酶依次激活來調控下游基因的表達,從而調控生物體的生長發育以及對環境的響應等。研究人員前期發現OsMKK4丟失功能突變體(smg1)種子變?。?/span>Duan et al., Plant Journal 2014)。近期研究鑒定了OsMKK4的功能獲得突變體large11-1D,產生大的種子。同時也鑒定了與smg1表型相似的突變體smg2,SMG2編碼了水稻OsMKKK10。過表達持續激活的OsMKKK10可以使種子變大。生化分析顯示OsMKKK10可以依次激活OsMKK4和一個MAPKOsMAPK6)。進一步分析顯示OsMAPK6的活性增強會導致水稻種子變大,而活性減弱會導致種子變小。遺傳分析顯示OsMKKK10,OsMKK4OsMAPK6作用在相同的遺傳途徑調控種子大小。因此,這些研究揭示了OsMKKK10,OsMKK4OsMAPK6作為一個級聯信號通路來調控水稻種子大小的分子遺傳機理。(Molecular Plant

 

 

黑曲霉基因組編輯方面取得進展

 

CRISPR/Cas9系統作為新一代基因組編輯技術,為生命科學的研究提供了革命性的工具,為生物技術在醫藥、農業、工業領域的應用迎來了新機遇。研究人員首次在重要工業微生物黑曲霉中提出以核糖體5S rRNA基因為啟動子介導sgRNA的表達,開發了一種基于5S rRNA的新型高效的CRISPR/Cas9系統,使Cas9對黑曲霉基因組定點切割效率可達100%。以此建立了黑曲霉高效基因組編輯工具包,以40 bp的短同源臂供體DNA可以簡便地實現單位點、多位點的基因敲入以及長至48 kb的大片段DNA敲除等基因組精準編輯。該新型CRISPR/Cas9系統有效解決了黑曲霉sgRNA的活性表達問題,突破了黑曲霉基因組高效編輯的瓶頸,為認識黑曲霉工業潛力的生物學分子基礎,進一步提升其工業應用性能,開發新型細胞工廠和新產品提供了強有力的技術支撐。(ACS Synthetic Biology

 

 

科學家提出根演化的分子基礎假說

 

現存維管植物是遠古祖先兩個世系的后代:石松世系(lycophyte lineage)和真葉世系(euphyllophyte lineage)。最近一系列對IC-WOX基因(intermediate-clade WOX genes)的研究結果暗示,IC-WOX基因的演化與根的第二和第三次起源同步發生,可能是真葉世系中根起源的重要分子機制。IC-WOX基因是維管植物特有的基因,它們在石松世系和真葉世系分開之前的共同祖先中就已出現。在石松世系的現存植物小翠云(Selaginellakraussiana)中,IC-WOX基因并不特異表達在根發育進程中,因此石松世系可能并不利用IC-WOX基因特異參與二歧根發育。在真葉世系的現存蕨類植物水蕨(Ceratopterisrichardii)中,IC-WOX基因特異表達在不定根和側根的根創始細胞(root founder cell)中,起始根的發育。在真葉世系的現存種子植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)中,IC-WOX基因發展成了兩個進化亞枝:IC-WOX11/12亞枝特異表達在不定根創始細胞中,起始不定根的發育;IC-WOX8/9亞枝特異表達在胚胎的主根創始細胞中,起始主根的發育。據此提出的假說認為,真葉世系的共同祖先將IC-WOX基因招募到根創始細胞中用于起始不定根和側根;種子植物出現后,IC-WOX基因演化出兩個亞枝,一個亞枝的功能保留在不定根創始細胞中,另一亞枝被招募到主根創始細胞中發揮功能。研究人員提出根器官起源的分子基礎假說。根器官的出現是維管植物演化史上的重要一步,它幫助植物固定在土地上,吸收水分和營養物質,讓植物能更好地適應陸生環境。(Trends in Plant Science

 

 

綬草兩種花型的傳粉生物學和生殖隔離研究中獲進展

 

生殖隔離是物種形成過程的關鍵步驟,也是物種得以保持完整性和獨立性的基礎。研究人員對分布在喜馬拉雅地區的有花蜜報酬的蘭科植物綬草Spiranthes sinensis (Pers.) Ames complex 的白花和粉紅花類型的傳粉生物學和花型間生殖隔離強度進行了精細的量化研究。兩種綬草花期重疊明顯,花期物候隔離不強。白花綬草的傳粉昆蟲主要為蜜蜂科的中華蜜蜂(Apis cerana)、橘尾熊蜂(Bombus friseanus)以及灰熊蜂(B. grahami);粉紅花綬草傳粉昆蟲主要為蜜蜂科的蘆蜂屬(Ceratina,2種)、隧蜂科(Halictidae)隧蜂屬(Halictus,5種)和淡脈隧蜂屬(Lasioglossum,1種)。中華蜜蜂和熊蜂屬昆蟲都能夠識別兩種花色綬草中萼片顏色的差異,且白花綬草具有排它性的揮發性成分,中華蜜蜂對白花類型具有很高的訪花忠誠性。粉紅花綬草則沒有檢測到揮發性成分。擺放實驗發現花型間交叉訪問的頻率顯著低于花型內交叉訪問的頻率,兩種綬  草花型間傳粉者隔離很強。傳粉后隔離包括花粉塊-雌蕊互作,果實形成和種子發育階段對總隔離的貢獻較小,尤其是在以粉紅花綬草為母本時幾乎沒有貢獻。該研究進一步強調,在傳粉昆蟲生態位重疊的植物類群中,植物可以通過花部特征的分化,介導傳粉昆蟲組成和行為發生分化,進而導致強烈的傳粉者隔離。(Ecology and Evolution

 

 

系統理清多倍體與植物進化和作物馴化的關系

 

不斷地多倍化繼而二倍化是植物演化和新物種形成的最重要方式之一。研究人員通過系統綜述植物多倍體研究的最新進展,以及多倍體與古多倍體演化的最新理論,提出了多倍體進化的框架模型,將相關假說和理論置于多倍體進化的各個時期內,使我們能夠在整體水平上更全面地認識多倍體的進化特點。多倍體基因組常表現出亞基因組差異,最典型的就是分化出優勢亞基因組,即一套亞基因組相對于其他亞基因組在進化上具有優勢的現象。在闡述亞基因組優勢現象的相關機制時,針對異源多倍體雜交優勢現象形成,提出了基因通路效率平衡(Pathway efficiency balance)的模型。該模型闡釋了植物異源多倍體中亞基因組優勢形成的潛在機制,并提出其與雜交優勢可能具有一套相似的調控機制。這一假說為植物異源多倍體的研究提出了新的研究方向和思路。(Nature Plants

 

 

種子傳播新機制

 

種子是裸子植物和被子植物重要的繁殖器官。胡蜂傳播,即種子被胡蜂科昆蟲進行傳播,是蟻播植物中罕見的種子傳播類型。目前僅在3個被子植物科中被發現,即Vancouveria hexandra、齡草屬的種類、沉香屬的種類。百部科百部屬的大百部在整個東南亞是傳統的藥用植物,其殺蟲、止咳潤肺的功效已經得到驗證。研究組在進行百部屬植物調查時發現大百部蒴果內的傳播體在其自然生境及植物園人工栽培條件下均會被胡蜂取食和傳播。胡蜂取食大百部傳播體的過程極像它們取食其昆蟲獵物時的行為:覓食的胡蜂呈現之字形的飛行軌跡靠近大百部的傳播體,當接近傳播體的距離約10cm時,胡蜂會猛撲向傳播體,仿佛正在捕食潛在的獵物。當胡蜂花費幾分鐘咬掉攜帶油質體的種子后,它會飛行一定距離,找到適合的地點對攜帶的傳播體進行加工,該行為也類似胡蜂加工昆蟲獵物時的行為(將獵物去頭去尾,只取食中間的肌肉部分,然后將這部分用口器和腳搓揉成肉糜并帶回巢穴飼喂幼蟲)。胡蜂搓揉大百部傳播體,咬掉大部分油質體后丟棄的種子落到地面上會被覓食的螞蟻進行第二次傳播。(New Phytologist

 

 

植物適應性新假說

 

通過對我國南方森林的長期氮沉降試驗研究,研究人員發現“富氮”生態系統中的植物可以通過提升自身蒸騰能力適應過量氮沉降來維持養分平衡,并提出了植物適應性的新假說。該發現表明,在“富氮”系統中,氮沉降增加對植物生長影響不大,但對系統水循環將產生顯著影響。如果該假說得以驗證,那么高氮沉降誘發的水徑流量減少會威脅到許多熱帶發展中地區的城市供水。此外,該研究還在國際上首次通過植物適應性把生態系統“碳--水”循環緊密結合起來。(PNAS                                                                                                                                                            

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