生物技术前沿一周纵览(2014年5月9日)

2014-06-28 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

花粉壁形成材料的分子调控机制
 
花粉壁是花粉粒周围的一个多层特化细胞壁,不仅为雄配子体提供机械保护使其免受干燥、环境压力和微生物攻击,对于授粉的各个方面,包括花粉粘附、水合作用和萌发也是必不可少的。物种之间的花粉粒外壁形态有所不同,这个复杂而有时是物种特异性的模式,连同其耐久性,使其能够用于古生物学和法医分析。在系统发育关系较远的有胚植物、石化的绿色藻类和高等植物之间,孢粉素是高度保守的,表明自有胚植物最初占据大陆以来,它在进化上一直是保守的。尽管如此,由于其不溶性和化学弹性,其生物化学和生物合成,在很大程度上仍未阐明。研究表明,花药的最内层---绒毡层特异性转录因子AMS在花粉发育过程中发挥多样化和关键的作用,包括在小孢子母细胞分离、四分体胼胝质层溶解和随后的孢粉素生物合成和花粉外被形成过程中发挥直接的转录调控作用。研究人员以拟南芥为材料,采用全基因组表达分析,结合生化和功能验证,对AMS参与调节候选基因进行了深入的研究。证实了AMS在协调孢粉素的生物合成和花粉外壁形成材料的分泌中,发挥至关重要的作用。(Plant Cell
 
 
植物的“眼睛”光敏色素
 
大多数的植物总是设法让自己向着太阳。相关的蛋白家族被称作为“光敏色素”家族,这些蛋白存在于所有植物的叶子中。它们检测到光线的存在会告知细胞所处的是白天还是黑夜,植物是在荫凉处或是在太阳下。可以将它们视作是植物的‘眼睛’。研究人员设法了解了植物细胞中的光敏蛋白在发现光线时所做出的改变。这些眼睛在分子水平上的作用机制: “光敏色素”蛋白家族控制了植物趋光生长,通过光合作用固定更多二氧化碳的过程。通过光辐射,植物中的光敏色素发生改变,将一些信号传递给细胞。光敏色素具有一个三维分子结构。光敏色素吸收光线,蛋白的结构发生改变。科学家们研究了材料来源相对丰富的细菌光敏蛋白,发现这种结构改变使得几乎整个分子被重建,这一发现增进了对于光敏色素作用机制的了解。这有可能促成一些新的策略,开发出能够在少光的地方生长的、更为高效的作物。(Nature
 
 
揭开大豆果实不裂之谜
 
野大豆果实自然开裂,会使种子过早散落,不利于收获,这也是造成大豆减产的主要原因。但我国先民在漫长的选择和驯化等农业活动中改变了这一性状,产生了现在果实不裂的栽培大豆。研究团队针对栽培大豆果实裂荚抗性这一关键驯化性状展开了全面而深入的研究。结果发现,野大豆果实腹缝线处的纤维帽细胞具有关键作用。当果实成熟时,这些细胞随之破裂,使两个果瓣裂开。而栽培大豆中,纤维帽细胞有6~8层并且细胞壁剧烈加厚。当果实成熟时,酶的分解和机械张力都很难使这些细胞破裂,两个果瓣也就不会在自然状况下裂开。
纤维帽细胞的细胞壁受到至少一个基因的控制,而这个基因的活动又被一个叫作抑制子的部件控制着。科研团队找到了相关基因以及它的抑制子,并发现我国先民在大豆的选择过程中,将这个抑制子彻底破坏掉了,使得该基因的活动不受限制,造成纤维帽细胞的细胞壁剧烈增厚,最终导致两个果瓣不能自然裂开。从20世纪90年代以来,人们一直在利用多种技术试图找到这个基因,以便在现代分子育种中利用该基因实现大豆增产,但均未取得突破。大豆中发现的果实不裂是一种全新的分子调控机制,该基因和相关调控机制有望应用于豆类作物的品种改良和大豆的分子育种过程。(Nature Communications)
 
 
揭示植物-菌根共生能量来源
 
在植物丛枝菌根共生中,丛枝菌根真菌能够富集土壤中的磷、氮等营养,传递给植物供其生长;同时植物提供碳源供丛枝菌根真菌生长。研究已发现多个磷转运蛋白和氮转运蛋白负责植物与丛枝菌根真菌之间营养转运,而磷转运蛋白是一类H+离子梯度依赖型的转运蛋白,但在植物-丛枝菌根共生中H+离子梯度的产生和维持还不清楚。研究人员利用正向和反向遗传学,获得了水稻和苜蓿中特异被丛枝菌根真菌诱导的H+-ATPases,并发现突变体不能通过丛枝菌根共生获得磷营养,表现为丛枝菌根共生缺失。这是目前发现的首个有活性的H+-ATPase参与菌根共生,通过产生和维持细胞内外H+离子梯度而驱动植物与菌根真菌之间的营养交换。该研究揭示了植物-丛枝菌根共生营养交换过程中能量的来源,并表明通过对H+-ATPase的修饰有望提高植物从环境获取营养的能力。这些研究成果深化了人们对植物-微生物共生的理解,为作物通过共生高效利用营养奠定了基础。(Plant Cell
 
 
解码植物的化学词汇表
 
植物整个一生都扎根在一个地方。当面对逆境,例如大群饥饿的食草动物或病害爆发时,它们无法逃跑必须为生存而战斗。那什么是它们防御的关键?就是化学。由于这种持续不断的冲突,一些植物进化成为了令人惊异的化学家,能够同步成千上万种基因生成的数以万计的化合物。这些称作为特殊代谢产物(specialized metabolite)的化合物,使得植物能够抵抗来自环境的短时威胁。更为重要的是,其中的一些化合物可使得人类受益,超过三分之一的医疗药物都是来自植物的特殊代谢产物。研究人员对一些植物的基因组进行了大规模的比较分析,调查了特殊新陈代谢的演化机制。为了开展这项研究,该研究小组开发出了一个计算管道系统,其可将测序植物基因组转变为生物体代谢网络图。对于我们的分析或是所有的比较基因组分析而言,跨物种数据的一致性和质量是其关键,管道系统确保了这种一致性以及精确度和覆盖度水平。研究结果将大大改变科学家们寻找植物中新的有益代谢产物的方式。有可能对包括农业、生物技术、药物发现和合成生物学在内的许多研究领域造成广泛的影响。(Science
 
 
人类自身基因组的探索
 
人类正处于大数据时代,2005年整个人类(据不完全统计)创造了150EB的数据,而在2010年,就达到了1200EB,在生命科学研究领域,随着新一代基因组测序技术的发展,近十年来大规模基因组测序研究越来越多,由此也积累出了庞大的数据群。数据爆炸使科学的研究方法都落伍了,统计学方法也随之变革。显著性检验:在基因研究中被广泛使用,如全基因组关联研究以及外显子组测序研究。但是显著性检验都需要严格意义的阈值,以便进行多方检测,并且这种方法也只适用于已有充足统计意义的研究,而这依赖于表型的特征,以及假定的遗传变异,还有研究设计方案。外显子组突变研究:近年来人类人口数量急剧增加,导致了大量罕见重要功能的变化,这对于理解和预测当前和未来人类疾病和进化的模式,具有重要的意义。研究人员发现从进化的角度上说,在最近的五千到一万年间,编码细胞蛋白的基因有将近四分之三发生了突变。外显子出现的突变或变异的数量,与五千年前出现的完全不同,这表明“近期”发生的事件对人类基因组造成了极大的影响。稀有基因突变研究:发现稀有遗传变体的丰度为每17个碱基出现一个,且呈地域局限性。因此,即使以大数量样本进行调查,对稀有变体的编目记载仍很不完善。利用已观察到的基因变体模式估计这些变体在人群中的增长参数,并估算有害基因变体在一定频率级中所占的比例,以及每一个基因的突变率。由于快速的人口增长和较弱的纯化选择,人类群体目前具有大量的稀有基因变体。这其中相当一部分都是有害的,与已知疾病的风险存在相关性。(Nature
 
 
蜘蛛基因组帮助认识毒液和蜘蛛丝的生成
 
蜘蛛在生态系统中扮演一个举足轻重的捕食者角色。它们利用毒液和丝网来征服和捕捉猎物,这使其能够以最小的能量成本高效地捉到猎物。蜘蛛因此也成为控制昆虫和害虫种群数量的一个关键物种。为了更多地了解这些捕食者,科学家对非洲社会性丝绒蜘蛛Stegodyphus mimosarum和巴西白膝头蜘蛛Acanthoscurria geniculate的基因组和转录组进行了测序,并对毒液和蛛丝蛋白进行了深度分析。这项工作让我们对毒液和蜘蛛丝的生成中所涉及的基因和蛋白有所认识。研究识别出了在毒液内的毒素处理和激活中可能涉及的新蛋白,并让我们对蜘蛛丝蛋白的组成有了新认识。这种信息有可能被用来分别推进有关毒液和蜘蛛丝的药理应用,例如,有可能被用来推动毒液在神经毒素和杀虫剂的生产中的应用,并且还可能促进将这些丝蛋白用于生物材料应用的未来研究中。(Nature Communications
 
 
H7N9流感疫苗研究获进展
 
甲型H7N9流感病毒是一个通常只在鸟类中传播的病毒亚型,但2013年3月底在上海和安徽两地率先出现H7N9感染人的疫情。从2014年初至今仍不断有新感染病例的出现,且病情多危重。世界卫生组织(WHO)2014年4月8日的H7N9疫情统计报告显示,包括中国以及东南亚总计有375人感染H7N9流感病毒,115人死亡,病死率高达30%。疫苗接种是预防流感病毒感染的最有效手段,全国多家研究机构和疫苗生产企业均在研发H7N9流感病毒疫苗。我国H7N9流感疫苗的研究获得进展,研究人员在2013年4月8日从全球共享禽流感数据倡议组织(GISAID)获得H7N9病毒基因信息后,利用反向遗传病毒拯救技术自主研发了H7N9重组病毒疫苗株(AH-H7N9-PR8),制备了全病毒灭活疫苗,并利用小鼠和猕猴动物模型探索了该疫苗的免疫效力。该全病毒灭活疫苗可诱导高滴度的抗H7N9中和抗体;通过添加氢氧化铝佐剂或者进行二次免疫,低剂量的疫苗也可诱导更高滴度的中和抗体;致死剂量H7N9病毒攻击后,注射H7N9疫苗免疫小鼠和猕猴制备的抗血清可以完全保护实验小鼠。该研究提示,灭活的重组病毒疫苗可产生有效的免疫保护,同时也提示H7N9疫苗免疫者或康复者个体的血浆可以用于预防H7N9感染或治疗H7N9感染患者。(Antiviral Research
 

来源:基因农业网

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