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生物技術前沿一周縱覽(2019年9月6日)

2019-09-06 17:37 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

揭示凱氏帶在水稻根對礦質元素吸收中的作用
植物的生長發育依賴于根系對水分和養分的吸收,其中,凱氏帶在營養吸收中扮演著重要的角色。近期的研究揭示了凱氏帶在水稻根對礦質元素吸收中的作用,彌補了單子葉植物凱氏帶形成機理和功能研究的匱乏。為了適應不同的生長環境條件,水稻根在外皮層和內皮層分別形成一條凱氏帶。該研究對水稻中5個凱氏帶結構域蛋白OsCASP (Casparian strip domain protein) 進行了功能分析,結果表明,僅OsCASP1參與水稻內皮層凱氏帶的形成。OsCASP1主要在根的伸長區表達,敲除OsCASP1導致內皮層凱氏帶形成的缺陷,突變體植株在土培和水培條件下的生長均受到抑制。金屬元素分析表明,與野生型相比突變體植株在地上部分積累了較高的Ca,而積累較低的Ge,Mn、Zn、Fe、Cd和As。在高鈣生長條件下,突變體的生長受到更嚴重的抑制。此外,內皮層凱氏帶的缺陷也影響轉運蛋白在內皮層細胞質膜上的積累。比如,硅轉運體Lsi1的蛋白豐度在oscasp1突變體的內皮層細胞質膜上顯著降低,導致硅的吸收量顯著減少。研究結果表明,OsCASP1是內皮層凱氏帶的形成所必需的,在水稻根對礦質元素吸收中起著重要的作用,特別是對鈣和硅的吸收。(Plant Cell)

揭示稻瘟病菌致病新機制

蛋白精氨酸甲基轉移酶 (Protein arginine methyltransferases,PRMTs) 調節包括細胞自噬在內的多種生物學過程。近日研究發現了蛋白精氨酸甲基轉移酶MoHMT1在稻瘟病菌中調節細胞自噬的分子機制。MoHMT1基因敲除突變體菌絲生長受到抑制,且致病性明顯降低。GST Pull-down和LC/MS/MS分析揭示了MoHMT1與剪接體重要組分MoSNP1存在相互作用,且MoSNP1的247、251、261和271精氨酸殘基為MoHMT1催化位點。RNA-seq分析表明,正常生長條件下,MoHMT1敲除突變體與野生型菌株相比,包括細胞自噬相關基因 (Autohagy-relatedgene, ATG) MoATG4在內的558個基因的pre-mRNAs發生了非正常剪接。在光照或氮饑餓條件下,MoHMT1定位于自噬體,而MoHMT1敲除突變體的細胞自噬體形成明顯受到抑制。在氮饑餓條件下,另外6個MoATG基因(MoATG5, MoATG7, MoATG12, MoATG20, MoATG29, MoATG33)的pre-mRNAs也發生了非正常剪接,導致這6個MoATG基因正常剪切的mRNA水平明顯降低。研究結果證明了蛋白精氨酸甲基轉移酶通過對MoSNP1的甲基化修飾精確調控ATG 基因pre-mRNAs的選擇性剪接,進而調節稻瘟病菌中細胞自噬的形成。相關研究結果為稻瘟病的防治提供了重要候選靶點。(New Phytol.)

擬南芥DNA去甲基化調控機制

DNA的胞嘧啶5’甲基化修飾影響基因轉錄,從而調控細胞分化,轉座子沉默及基因印記等生理過程。DNA甲基化由甲基轉移酶(methyltransferases)所催化,而去甲基化由DNA 糖苷酶(glycosylases)所介導的堿基切除修復途徑所實現。近日科學家發現,DME的C端介導這DME在染色質上的定位和DNA去甲基化活性,而N端則通過招募染色質重塑因子促進異染色質區域的去甲基化過程。研究發現,DME的C端催化中心可以恢復dme-2突變的表型,并介導DME在染色質上的定位。相比于DME,nDMECTD的DMRs同時還出現了大量異常的基因編碼區CG甲基化降低的位點。進化分析表明了開花植物N端的DemeN和basic stretch結構域是后期進化的過程中獨立獲得的,可能與植物的雙受精及基因印記現象的出現有關。最后研究者提出了擬南芥DME介導DNA去甲基化的工作模型,DME的C端具有催化去甲基化的活性并幫助DME在染色質上正確的定位,而N端可以與FACT等染色質重塑因子相互作用,DME在染色質重塑因子的幫助下去除異染色質區域的DNA去甲基化,所以nDMECTD的去甲基化主要發生在常染色質,而對異染色質區域的DNA甲基化則影響較小。(PNAS)

揭示植物細胞不對稱生長的蛋白質調控機制
土壤中向上生長的植物幼苗極易受到土壤顆粒的機械損傷,為了保護幼嫩的子葉和頂端分生組織,雙子葉植物幼苗在下胚軸頂端發生細胞不對稱生長,形成彎鉤狀的結構以避免子葉受到土壤顆粒的直接沖擊。幼苗出土后,頂端彎鉤附近的不對稱生長被迅速消除,使得子葉能夠充分伸展,獲得更多光照,快速實現光合自養。之前研究人員利用遺傳誘變篩選到了一個基因HOOKLESS1 (HLS1),其對頂端彎鉤的發育有著決定性作用,hls1突變體在暗下不能形成頂端彎鉤結構。最新研究發現,植物通過HLS1蛋白的多聚和光控解多聚,實現對幼苗頂端彎鉤形成與打開的精確調控,是植物應對環境變化調整其生長發育的新穎分子模型。該研究分析了HLS1蛋白質的氨基酸特點,發現HLS1蛋白傾向于多聚。遺傳分析顯示,HLS1位于紅光受體phytochrome B(phyB)下游調控頂端彎鉤的形成。生化實驗發現,phyB在見光進入細胞核后,可以通過與HLS1蛋白的直接相互作用,將HLS1蛋白從多聚形式裂解為單體形式,從而迅速抑制HLS1的活性,促進頂端彎鉤的打開。(Dev. Cell)

中科院發表花多樣化發育機制綜述文章
花是被子植物特有的繁殖結構,也是其關鍵創新性狀?;ǖ钠鹪春投鄻踊瘜е铝吮蛔又参锏钠鹪春头笔?,從而深刻地改變了陸地生態系統的格局。長期以來,對花起源和多樣化機制的研究一直是植物學和進化生物學領域的熱點。中國科學院植物研究所孔宏智研究組長期從事花起源和多樣化的分子機制研究。近日,該團隊發表綜述文章,系統總結和闡述了相關方面的最新研究進展,并提出了自己的觀點。結合自己研究組的前期工作,該文首先對花發育所需經歷的主要過程(如花托的發育及花器官的起始、身份決定、形態建成和成熟等)及其分子機制進行了總結,并首次從發育程序改變的角度探討了花多樣化的原因和機制。此外,該文還展望了該領域未來研究的方向和思路,建議開發更多有代表性的模式植物、從調控網絡的層面研究花多樣化的過程和模式以及將更先進的研究方法(如計算機模擬和組學研究)與進化發育生物學研究相結合。 (Nature Plants)

豌豆基因組被破解,為豆科植物基因組進化提供新見解
豌豆是重要的豆科植物,也是揭示生物遺傳學規律的科學實驗材料然而,貢獻如此之大的豌豆,其基因組卻一直未能被破解。一個重要的原因是豌豆基因組非常大 (~ 4.45 Gb)。但近年來,隨著相關技術的發展,大型基因組的測序和組裝已成為可能。近期科學家們完成了豌豆(Pisum sativum L., 2n = 14) 的首個參考基因組,為豆科植物的基因組進化提供了新見解。這項最新的研究以豌豆品種‘Caméor’為材料,首次完成了豌豆的基因組草圖。通過對不同豆科植物進行系統遺傳學和古基因組學分析,發現了豆科植物的基因組重排,并揭示了重復序列在豌豆基因組進化中的重要作用。與其他已測序的豆科基因組相比,豌豆基因組具有強烈的動態化,可能與從其它豆科分化時的基因組擴張有關。在豌豆進化過程中,易位和轉座在不同的譜系間發生差異??偟膩碚f,豌豆的參考基因組序列為豆科植物基因組進化提供了新的見解。該參考序列也將加深對豆科作物重要農藝性狀的分子基礎的理解,研究結果對相關作物的遺傳改良也具有重要的參考意義。(Nature Genetics)

揭示植物進化和水生環境適應新機制

浮萍為世界上最小的單子葉開花植物,它生活于水體中,具有適應性強,分布廣,淀粉含量豐富等特點,是一種優良的生物能源植物,同時可以高效吸收富營養和重金屬污染水體中的氮、磷及銅、砷等元素,是一種有應用前景的生物清潔植物。近日,研究利用三代PacBio單分子測序技術拼裝出高質量的浮萍基因組,并揭示了浮萍根系功能和水生植物適應環境的新機制。該研究重新利用三代PacBio單分子長讀長的測序優勢,拼裝出的序列連續性比上一版基因組提升了44倍,填補了上一版95.4%的序列丟失區域,鑒定到了更多的完整LTR序列和嵌套LTR區間,為浮萍的生物學研究提供了更優質的參考基因組。異于陸生植物的免疫系統,編碼抗微生物肽等抗病基因串聯重復擴增且組成型表達,與浮萍中24nt siRNA低水平表達相一致,從而增強了浮萍對病原體和微生物的抗性,增強了其對水生環境的適應性,間接佐證了浮萍可以全球分布的優良特性。(PNAS)

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