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生物技術前沿一周縱覽(2020年2月29日)

2020-02-29 22:31 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

揭示多倍體作物耐寒基因調控網絡增強特性
低溫嚴重影響著植物的生長發育,是制約植物地理分布和進化的關鍵因素。經過長期的進化,植物已經進化出多樣性的適應機制來應對低溫環境。近日,科學家研究揭示了多倍體作物耐寒基因調控網絡增強特性。該研究選取了甘藍型油菜等21個代表性物種,通過系統的比較分析,發現植物多倍化后,耐寒基因得到了明顯的優先保留特性。同時,發現在多倍體植物中的耐寒基因調控網絡得到明顯加強,對多倍體植物耐寒性的提升具有重要的作用。例如,受多倍化影響的十字花科植物基因組中,與低溫有關的調控網絡相對于親本植物,重要節點有更多的重復基因存在,魯棒性更強。結合冷誘導染色體加倍的情況,作者推測冷脅迫可能通過多倍化的發生,以及選擇性保留耐寒基因來促進多倍體植物的成功進化。該研究有助于了解多倍體產生的機理和拓展生態基因組學研究。研究結果對作物多倍體適應性進化和抗逆遺傳育種具有重要的指導意義和應用價值。(Horticulture Research

TOR蛋白激酶通過胞間連絲動態調節細胞間物質運輸

植物細胞通過胞間連絲(PD)相互連接,細胞之間的代謝物質及小分子RNA和蛋白質等的運輸均要通過PD,因此PD對植物發育和生理過程至關重要。近日,科學家研究揭示了TARGET OF RAPAMYCIN (TOR)通過調節PD的細胞間運輸而在植物發育中發揮作用。研究人員通過對ise3(At2g25570)和ise4(reptin-1,At5g67630)突變體的表征,發現PD轉運可能與TOR信號網絡有關。研究發現R2TP-TTT對植物中TOR激酶的激活是必須的,TOR激酶抑制劑處理會顯著增加PD運輸,進一步表明TOR限制了植物細胞之間的物質運輸。研究還發現,葡萄糖-糖酵解-OXPHOS(oxidative phosphorylation)-TOR信號途徑與PD轉運有關,外源葡萄糖處理顯著降低了PD的轉運,而對糖酵解途徑以及OXPHOS的抑制則顯著促進了葉片中的PD轉運。除外,研究還發現TOR可以作為代謝的“可變電阻器”,在營養發育過程中協調包括源庫轉運在內的多種生理途徑??傊?,該研究表明,葡萄糖-TOR 代謝信號網絡限制了葉片中PD的轉運,并且TOR活性的變化通過PD運輸刺激了糖從成熟向發育中葉片的運輸。(PNAS

揭示水稻根系生長適應硝和銨營養的新機制

土壤中硝和銨是植物根系獲取的兩種主要氮素形態,其數量、濃度、比例具有很強的可變性。同時,根系適應可變的氮素供應具有很強的生長發育的可塑性。近日,科學家研究發現了在硝和(或)銨供應條件下水稻根系生長的調控機制。研究利用Pull-Down,酵母雙雜交和免疫共沉淀實驗揭示了OsNAR2.1與兩個腈水解酶蛋白OsNIT1、OsNIT2存在蛋白互作。在供硝條件下,分別敲除OsNAR2.1, OsNIT1, OsNIT2,尤其是同時敲除OsNAR2.1和OsNIT2,導致主根變短和側根密度的下降。在供銨條件下,OsNAR2.1的表達受到抑制,但OsNIT1和OsNIT2的表達增強,敲除OsNAR2.1不影響根系生長,但敲除OsNIT1和OsNIT2仍導致主根變短和側根密度的下降,增強GH3家族基因和PIN2基因的表達,抑制生長素(3H-IAA)向根尖的分配。該研究結果為通過遺傳改良、提高根系吸收土壤和肥料氮素效率提供了新的分子基礎。(Plant Physiology

發布白羽扇豆高質量基因組,解析低磷適應機制
白羽扇豆(Lupinus albus,2n = 50),是一種耐低磷研究的模式植物,可以增加土壤中磷的有效性。近日,研究人員成功組裝了磷高效利用模式作物白羽扇豆的染色體水平高質量基因組,揭示了白羽扇豆低磷適應的特征與其基因擴張與亞基因組優勢關聯,對磷高效利用作物的篩選與培育具有重要的參考價值。該研究利用三代測序PacBio和Hi-C mapping技術組裝了白羽扇豆栽培種Amiga的染色體水平高質量基因組(558.74 Mb)?;蚪M進化分析發現,白羽扇豆經歷了與蕓薹屬等異源多倍體物種類似的全基因組三倍化事件,即“two-step”多倍化進程,導致亞基因組優勢現象。比較基因組、轉錄組及生理生化分析表明,白羽扇豆的自身碳固定、排根發育建成、土壤磷活化和內部磷利用等四個先后調控途徑的多個相關基因發生顯著擴張和特異性低磷誘導表達。其中,生長素穩態調節關鍵基因LaABCG36s和LaABCG37s對于排根形成至關重要,抑制其表達可大大減少排根形成。研究結果為作物磷高效利用的遺傳改良提供了新思路。(Nature Communications

揭示葉綠體核糖體RNA甲基化修飾的機制和功能
核糖體RNA(rRNA)的甲基化修飾是生物界中普遍存在的一種轉錄后修飾機制。近日,科學家研究發現在葉綠體內存在rRNA甲基化修飾現象,揭示了rRNA甲基化修飾在葉綠體核糖體生物發生以及植物發育過程中的作用。該研究利用亞硫酸鹽測序法在葉綠體16S rRNA中鑒定到一個甲基化位點C1352,同時分離了一個擬南芥突變體cmal,在該突變體中C1352位點不能進行正常的甲基化?;蚩寺”砻?,CMAL基因編碼一個定位于葉綠體的SAM依賴型的RNA甲基轉移酶。進一步的研究表明,該位點的甲基化修飾如果被破壞,葉綠體核糖體的組裝將會受到嚴重影響,葉綠體mRNA的翻譯效率因此也將會大幅下降。遺傳和生化數據表明,CMAL可以通過調控植物生長素的信號轉導途徑從而影響植物的發育過程,暗示著葉綠體的核糖體裝置可以作為一個信號源調控植物的器官發育程序??傊?,該研究還發現葉綠體和細菌rRNA甲基化的機制和功能存在明顯差別,這為認識高等植物葉綠體的進化過程提供了有用的線索。(Nucleic Acids Research

揭示脫落酸促進梨芽休眠維持的分子機制
落葉樹木冬季芽休眠的特性能使其免于低溫傷害而安全越冬,其中,脫落酸(ABA)是調控休眠的重要植物激素,DAM(Dormancy-associated MADS-box)是調控休眠的關鍵轉錄因子。近日,科學家研究闡明了ABA對DAM基因及芽休眠的精細調控作用,為低需冷量梨品種的分子育種提供了新的靶標基因,同時也為開發低毒新型破眠劑奠定了理論基礎。研究人員對處于不同休眠階段的‘酥梨’花芽分別進行了ABA及其合成抑制劑處理,明確了ABA促進梨芽休眠維持的作用并發現DAM基因的表達受到內源ABA的調控。研究發現,響應ABA的關鍵轉錄因子PpyABF3與PpyDAM3在休眠過程的表達一致。進一步的試驗表明,PpyABF3能夠直接激活或者通過PpyCBF4間接激活PpyDAM3的表達進而使花芽維持休眠狀態。在茄梨愈傷組織中過表達PpyABF3與PpyDAM3均表現出對愈傷生長的抑制。另外,同樣響應ABA的另一個ABF蛋白PpyABF2能夠通過與PpyABF3蛋白互作,干擾PpyABF3對PpyDAM3的結合和激活。這些結果說明,ABA通過對DAM基因的精密調控,維持芽的休眠狀態。在經過長時間低溫積累后,PpyCYP707A3的表達不斷上調,促使ABA含量下降。此時,PpyABF3蛋白很快通過26S蛋白酶體等途徑被降解,從而使PpyDAM3的表達下調,休眠解除。(Plant, Cell & Environment

揭示UV-B誘導型黃酮糖基轉移酶響應UV-B的機制
類黃酮作為一類重要的次生代謝物,在植物面臨生物和非生物脅迫方面起著重要的功能,而水稻中除了含有一些常見黃酮外,也發現了較多的麥黃酮木脂素(tricin-lignan)類黃酮化合物。近日,科學家首次通過木脂素類黃酮(Flavonolignan)含量的GWAS分析發現了水稻中一個UV-B誘導型的黃酮糖基轉移酶,并揭示了這個黃酮糖基轉移酶響應UV-B的分子機制。該研究在不同水稻中通過對糖基化麥黃酮木脂素(tricin-lignan-glycosides)含量的GWAS分析,找到了一個黃酮的糖基轉移酶OsUGT706C2。通過體外酶活和體內代謝物檢測,OsUGT706C2具有7氧黃酮糖基轉移酶活性及可能具有麥黃酮木脂素(tricin-lignan)糖基轉移酶的活性。OsUGT706C2受到UV-B顯著誘導,在水稻中過表達該基因明顯增強了水稻對UV-B的耐受性。進一步分析發現,OsUGT706C2 啟動子上含有多個UV-B相關的調控元件,UV-B可以增強OsUGT706C2啟動子的活性。因此,該研究揭示OsUGT706C2不僅調控水稻黃酮代謝,而且在增強UV-B耐受方面具有十分關鍵的作用,為水稻穩產及應對非生物脅迫提供了新的參考。(Science China Life Sciences

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