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生物技術前沿一周縱覽(2019年6月3日)

2019-06-03 14:55 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

 BR信號與環境氮素信號互作調控主根伸長

 

為探究在適度缺氮條件下影響植物根生長的分子機制,研究人員通過全基因組關聯(GWAS)分析擬南芥中200個生態型在低氮(LN)和高氮(HN)條件的根長,初步定位了主根長度變化相關的基因位置。結合粗定位以及在低氮條件下突變體表型的驗證,最終確定BSK3是適度低氮條件下影響主根長的主效基因。其中,測序發現BSK3一個錯義突變位點(C956T),導致BSK3激酶區的亮氨酸(L)變為脯氨酸(P)。蛋白質單倍型分析在高低氮條件下,含有兩個不同位點的生態型擬南芥的根長差異較大,即BSK3-L的根長明顯長于BSK3-P的根長。為了進一步研究BSK3參與低氮條件下根長的調節機理,研究人員通過對低氮條件下生長的擬南芥進行BR處理發現主根及側根對BR更加敏感,而施加BR的合成抑制劑BRZ后能夠限制低氮所引起的長根表型,暗示BR在低氮影響根形態結構發生變化中起到重要作用。BSK3及同源基因(BSK4/7/8)是BR信號傳導途徑中關鍵基因,在受體到下游基因的級聯信號轉遞中起到橋梁作用。在該研究中,研究人員構建了BSK3與同源基因的多重突變體,發現不論是BSK3單突還是多突的主根長或總根長在低氮條件下相對于高氮均未發生明顯改變,表明BSK3突變對低氮信號不敏感。通過顯微觀察發現,BSK3及同源基因參與低氮條件下根長發生變化的主要原因是皮層細胞的長度變化而與分生組織大小無關。數據顯示不同自然變異類型的BSK3參與BR信號以及低氮響應緊密相關系。除了BSK3,研究人員還發現BSK3的上游基因BAK1的表達受到低氮誘導,而且BAK1突變體的根長對低氮不敏感。這些遺傳以及生理數據表明了依賴于BSK3BR信號途徑參與調節低氮影響根長的響應。解析低氮信號分子機制為植物適應環境生長以及植物向化性研究提供更多分子基礎和理論依據。同時,該研究結果為作物高效氮利用率育種提供了參考。Nature Communications

 

 

研究人員公布熱帶玉米高質量基因組

 

玉米是重要的糧食作物和飼料作物,對保障國家糧食安全、促進畜牧業發展等方面具有重要作用。研究人員以熱帶小粒玉米品種SK)為材料,組裝了高質量的熱帶玉米參考基因組,其大小為2.32Gb, contig N50達到15.78Mb,共注釋獲得了43,271個基因。進一步利用熱帶玉米SK基因組,溫帶玉米B73Mo17基因組,以及521份玉米自交系的重測序數據,該研究共鑒定出了80,164個多態性結構變異,并構建了玉米的結構變異圖譜,為玉米重要農藝性狀相關基因的定位提供了重要參考。重要的是,該研究定位了一個同時控制粒型和粒重的數量遺傳位點qHKW1,克隆了ZmBAM1d基因ZmBARELY ANY MERISTEM1d)。進一步研究發現,這個基因正向調控玉米粒重,且過表達和敲除這個基因對其它農藝性狀沒有影響。Nature Genetics 

 

 

 研究揭示了一種促進被子植物種間遺傳隔離的分子機制

 

物種之間的遺傳隔離是維持一個物種不與其他物種混雜的關鍵,有多種因素可以導致物種間的遺傳隔離。研究團體前期發現了兩個AtLURE1s成員,隨后利用CRISPR/Cas9技術獲得了AtLURE1家族全體成員均被敲除的突變體(atlure1),發現突變體植株仍然可以正常產生種子。進一步研究發現,若將擬南芥的花粉與另一種與擬南芥親緣關系很近的物種琴葉擬南芥(A. lyrata)的花粉一起共同授于擬南芥的柱頭上,在AtLURE1信號正常的植物中,擬南芥的花粉管被優先吸引,競爭性明顯;而在缺失了AtLURE1信號的atlure1突變體植株中,擬南芥的花粉管被優先吸引的能力就顯著降低。上述研究表明,AtLURE1s并不是擬南芥雌性器官分泌的吸引雄方花粉管的唯一信號,而是一類通過增加自身花粉管競爭能力、促進與親緣關系相近物種產生遺傳隔離的信號。該研究結果賦予了AtLURE1新的生物學功能,在分子層面上為達爾文在160年前用實驗驗證了的“同種花粉優先”現象提供了機制性解釋。研究進一步發現擬南芥的雌性器官還可以分泌四個沒有物種特異性的吸引花粉管的小肽信號,這幾個小肽信號不僅可以吸引擬南芥的花粉管,還可以吸引其他近緣種如琴葉擬南芥和哈勒氏擬南芥(A. halleri)的花粉管。研究人員把這四個沒有物種特異性的小肽命名為XIUQIU。這也解釋了為什么在所有AtLURE1s基因被突變后,擬南芥的花粉管仍然能夠找到胚珠、完成受精并產生種子。“繡球”小肽信號的發現極大地完善了小肽信號調控有花植物受精過程的作用模型。Science

 

 

結莢習性基因Dt2調控的分子信號網絡及作用機制

 

大豆是重要農作物,其株型改良是提高大豆產量的重要途徑。大豆中該習性分為三種:無限結莢習性,有限結莢習性以及半有限結莢習性。 研究人員使用RNA-sequencing,對特異過表達Dt2的莖尖分生組織的轉錄組進行挖掘,找到差異表達的下游基因。同時,該研究利用染色質免疫共沉淀測序(ChIP-Seq)技術,高效地在全基因組范圍內檢測到與Dt2互作的DNA區段,從而找到Dt2結合的靶基因。運用生物信息學的方法,結合ChIP-seqRNA-seq數據,該研究找到Dt2直接調控的基因和及其結合位點,并在qPCR和雙熒光素酶系統等實驗中得到了驗證。除了調節開花基因外,Dt2還可以直接調節脅迫相關基因GmDREB1DGmGRP7的表達; 同時Dt2可以調控miRNA前體,從而影響發育、開花、脅迫相關靶基因的表達。Molecular Plant

 

 

研究團隊育成系列水稻染色體片段代換系

 

水稻作為重要的糧食作物,大部分重要農藝性狀都是由數量性狀位點 (QTLs) 控制的。研究人員選取典型的粳稻品種日本晴、中國農業生產上大面積應用的秈稻品種93-11及含有秈、粳混合背景的不育系培矮64s為親本,經過連續多年的回交和分子標記篩選,同時構建了3套染色體片段代換系,分別是93-11為背景的日本晴染色體片段代換系、93-11為背景的培矮64s染色體片段代換系和日本晴為背景的培矮64s染色體片段代換系。為了獲得高質量的遺傳圖譜,研究人員對三套染色體片段代換系的每個株系進行全基因組重測序,繪制了三張高分辨率的遺傳圖譜。研究發現,三套染色體片段代換系分別含有310、230367個替換片段,基因組覆蓋率分別是97.3%、87.3%88.8%。日本晴和93-11分別是水稻中第一個全基因組測序的粳稻和秈稻品種,培矮64s是具有秈稻和粳稻的混合遺傳背景的兩系光溫敏不育系,培矮64s93-11組配的超級雜交稻兩優培九在生產上曾有較大的種植面積。三個親本遺傳差異大,其配組的五套不同類型的遺傳群體在株高、葉型、穗型和粒型等農藝性狀上遺傳變異大,有利于重要農藝性狀的挖掘。含有相同遺傳背景的染色體片段代換系也可以用于多基因聚合及基因互作研究,創制包含有多個重要性狀基因的育種材料。因此,該團隊構建的來自相同親本不同類型的遺傳群體能夠優勢互補,為基因挖掘和分子設計育種提供重要的平臺。Rice 

 

 

細胞分裂素調控水稻鋅平衡的機制

 

鋅是人體必需而又易缺乏的營養元素,世界約20%的人口面臨著鋅吸收不足的威脅。研究人員以細胞分裂素缺失突變體ren1-D做為切入點,ren1-D在幼苗期表現出冠根數目變多和根長變長,該表型由T-DNA插入導致細胞分裂素脫氫酶OsCKX4激活造成,在ren1-D突變體中,根和莖中鋅含量均顯著增加。進一步實驗發現,負責鋅吸收的OsZIP家族轉運蛋白、負責鋅轉運的OsHMA2和煙酰胺合成酶OsNAS的基因轉錄水平都受到細胞分裂素的嚴格調控。田間試驗表明,在ren1-D突變體籽粒中Zn含量顯著增加,而在OsCKX4 RNAi干涉株系及其同源基因OsCKX2敲除突變體等細胞分裂素增加材料的籽粒中鋅含量均明顯下降。這些結果表明,細胞分裂素在調控水稻對鋅的吸收及轉運中起重要調控作用。New Phytologist

 

 

蛋白磷酸酶TOPPs植物防御反應的重要調節組分

 

植物病害嚴重影響農作物的產量,研究植物免疫調控機制、培育抗病新品種具有重要的理論意義和應用價值。研究人員對矮化突變體topp4-1深入研究,發現正常(22℃)培養條件下topp4-1中多種防御相關基因被激活,并出現細胞死亡及活性氧積累等免疫自激活表型;高溫(28℃)條件下這些免疫自激活表型可以被恢復。進一步研究發現,topp4-1中水楊酸積累,對丁香假單胞菌Pst DC3000的抗病性增強;遺傳分析顯示topp4-1介導的免疫自激活部分依賴于NDR1、PAD4,以及水楊酸信號途徑。同時,多重功能缺失變體topp1/4/5/6/7/8/9也表現出PR1等多種防御基因被激活,以及對Pst DC3000抗病性增強的表型。此外,該研究還發現TOPPs能與MPK3、MPK4MPK6蛋白相互作用,且topp4-1突變體中持續激活的防御反應部分依賴于MPK4的下游元件MEKK2/MEKK3及抗病蛋白SUMM2。Journal of Integrative Plant Biology 

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