生物技术前沿一周纵览(2016年1月15日)

2016-01-15 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

揭示植物幼苗出土的分子机制
 
萌发的幼苗从土壤中生长出来是陆生种子植物整个生命周期中非常脆弱的阶段,决定着植物能否顺利存活,也对提高农业生产效率十分关键。研究人员通过土壤覆盖实验和分子遗传筛选,发现了一个进化上高度保守的E3泛素连接酶COP1在幼苗出土过程中起着核心作用。COP1单基因突变将导致幼苗不能出土存活,且在遗传上位于转录因子EIN3的上游,保护和维持着EIN3的功能。土壤机械压力能诱导幼苗生成植物激素乙烯,并通过稳定EIN3蛋白协调幼苗子叶与下胚轴的生长发育,促进幼苗出土变绿存活,研究进一步确定COP1与乙烯是相互独立的两条信号通路,共同调控着EIN3蛋白水平。该研究揭示了植物幼苗出土过程中感知土壤环境变化的核心功能基因与分子调控机理。研究成果大大加深了我们对幼苗出土这一有趣自然现象的认识,也为农业生产中怎样提高农作物幼苗出土存活效率提供了理论基础。(Current Biology
 
 
解析植物角质层发育的基因转录调控网络
 
角质层的出现是陆生植物适应陆地生活的重要方式之一,因为角质层帮助植物细胞在陆生环境中保持水分不轻易丢失。研究人员通过遗传学和分子生物学方法,找到了两个与角质层发育相关基因AtCFL1相互作用的新的bHLH转录因子CFLAP1和CFLAP2,植物细胞中CFLAP1和CFLAP2过多均会导致角质层发育产生缺陷(如器官发生融合、角质层完整性受损等),而抑制CFLAP1和CFLAP2的活性则会产生相反的表型。CFLAP1要行使正常的生物学功能必需要有AtCFL1蛋白存在。研究证明,AtCFL1蛋白是一个重要的调控角质层发育的蛋白,它通过其自身C端的锌指结构域,竞争性地与不同的转录因子相互作用,协同角质层发育的调控过程。(PLoS Genetics
 
 
木质素影响甘薯储藏根发育
 
甘薯是全球重要薯类作物,其储藏根发育的调控一直是备受关注的科学问题,深入了解储藏根发育机制对提高薯类产量具有重要意义。研究人员发现在紫薯中表达玉米转录因子Lc不仅提高了全株花青素的含量,而且影响储藏根的发育,形成类似“牛蒡根”的储藏根,薯型细长,产量及淀粉含量下降。基因表达分析表明转基因植株储藏根中木质素合成基因4CL、C4H、CAD的表达也显著提升,木质素在储藏根中沉积;转基因植株全株β-amylase的酶活明显提高,淀粉降解加速,叶片淀粉合成增强,说明通过加速叶片和储藏根中的淀粉降解可以补充根膨大所需的碳源。该研究为揭示木质素合成与储藏根发育的内在关系提供了新认识和思路。 (Scientific Reports)
 
 
发现植物中控制RNA剪切以及基因表达的重要基因
 
细胞内有一大类蛋白质可以结合RNA,因此称为RNA结合蛋白,其生物学功能是什么一直困扰着植物学家们。研究人员针对两个植物特有的RNA结合蛋白RZ-1B和RZ-1C进行了生物学功能鉴定。他们发现,RZ-1B和RZ-1C在植物的生长发育的各个阶段,如种子萌发、根的伸长、顶端分生组织的发育、开花时间的控制、植株大小的调控等方面,都有重要的功能。无论是在动物细胞中还是在植物细胞中,SR蛋白都是一类控制RNA剪切的重要因子。通过遗传学方法扰乱这两个蛋白与SR蛋白之间的相互作用,会导致植物产生与rz-1b rz-1c双突变体相似的表型。随后通过转录组高通量测序分析,揭示出RZ-1B和RZ-1C影响了数以百计的基因的pre-mRNA的剪切以及几千个基因的表达水平。这项工作从分子水平阐明了RZ-1B/1C这两个植物特有的RNA结合蛋白的工作机理,为人们深入理解植物中RNA结合蛋白调控生长发育的分子机制提供了全新的角度。(Molecular Phylogenetics and Evolution
 
 
植物多样性的一种简化情形
 
在生物可以采用的各种不同形式当中,只有少数几种形式会被证明在演化上是成功的。研究人员分析了反映对维管植物的生长、存活和繁殖至关重要的六种性状之全球差异的一个综合性数据库,得出了关于植物功能多样性的一个详细的、量化的全球画面。尽管可能存在巨大差异,但作者发现,不同性状之间的协调意味着所有植物都可以被定位在仅仅两个差异轴心上:一个相应于植物总体形式;另一个是以前被表征的“叶片经济学谱系”。(Nature
 
 
CRISPR制备基因敲入猪
 
转基因猪在农业和生物医药方面都有着广泛的应用。然而,生殖系有活性的猪多能干细胞(PSCs)目前尚未制备出来,这阻碍了猪模型的遗传修饰。基于Oct4启动子的荧光报告系统可被用于监控多能性,是制备真正的猪多能干细胞的重要工具。研究人员构建了一个猪Oct4的报告系统,其中内源性Oct4启动子可直接控制红色荧光蛋白(RFP)。利用CRISPR/Cas9系统,研究人员获得了在内源性Oct4基因启动子下游具有tdTomato基因敲入的猪胎儿成纤维细胞(PFF)系。转基因的PFFs可被用作体细胞核移植(SCNT)的供体细胞。研究人员在SCNT胎儿的囊胚和生殖嵴中,检测到了强大的RFP表达。通过SCNT,研究人员也制备了两只有生活力的转基因猪。通过另一轮SCNT对来自胎儿和仔猪的成纤维细胞进行重编程,可导致重构囊胚中的tdTomato再激活。结果表明,监测细胞多能性状态的一个KI猪报告系统,已被成功构建。(PLoS ONE
 
 
农业生态系统对气候变暖的影响
 
CO2、CH4和N2O是造成气候变暖的主要温室气体。目前在森林、草地、冻土、海洋等生态系统领域已有一些模拟气候变化的研究,但是在与人类活动密切相关的农业生态系统中,相关研究却非常缺乏,更鲜有长期全年的农田实地观测。研究人员进行了冬小麦和大豆轮作农田连续5年的昼夜连续增温田间模拟试验,发现在CO2与CH4排放方面,增温和施氮都降低了小麦季CH4的累积吸收量,但未影响夏季CH4吸收总量;施氮条件下,CH4排放在年度尺度上与土壤温度负相关;在不施氮条件下,CH4排放与NH4浓度正相关;增温和施氮均未影响季节和年土壤呼吸总量。在N2O排放方面,在施氮条件下,增温显著降低春、秋、冬季平均N2O排放通量和小麦季及全年的累积N2O排放通量;在不施氮条件下,增温不影响土壤含水量和N2O排放。该研究说明了增温和施氮处理通过影响土壤水分的幅度而影响N2O排放。上述研究结果填补了气候变暖对农田土壤温室气体排放研究方面的空缺,对农田温室气体排放对未来气候变暖的响应机制以及模拟具有一定的指导作用。(Agricultural and Forest Meteorolog //Agriculture, Ecosystems & Environment
 
 
DNA脱氧核酶的结构确认
 
DNA 和 RNA 分子都是可折叠的,都能采用具有催化活性的构形。虽然各种不同RNA (或核酶)的结构已被确定,但DNA酶却被证明更加困难。现在,研究人员以2.8 Å的分辨率确定了合成单链DNA脱氧核酶9DB1的晶体结构。9DB1是一种RNA连接酶,催化两个RNA链的 3′-hydroxyl 端与 5′-triphosphate端之间的磷酸二酯键的形成。该结构显示了可与RNA所采用的结构相比的三维复杂性,但也存在反映脱氧核糖特性的差别。(Nature
 
 
一种新型生物杀菌剂获得登记
 
黄瓜和番茄灰霉病每年给我国农业造成数十亿元经济损失,此类病害首选化学农药速克灵(procymidone)、农利灵(vinclozolin )等进行防治,但这些农药会对雄性动物的生殖能力和生殖器官的发育造成影响,因此英、美、日等发达国家已将它们列入环境激素类化学品名录限制使用,尤其在某些食品作物上禁止使用。一种新型生物杀菌剂“甲基营养型芽孢杆菌9912母药和制剂”在我国首获登记。其母药含量为40亿芽孢/克,毒性微毒;制剂含量为30亿芽孢/克,剂型为可湿性粉剂,毒性微毒,喷雾用于防治黄瓜灰霉病,制剂用药量937.5~1500克/公顷。从技术前景分析,新型生物杀菌剂极有希望替代进口的化学农药。(沈阳应用生态研究所
 
 
Molecular Plant出版“植物激素”专辑
 
植物激素是极其重要的植物生长调节物质。研究较为清楚的植物激素如生长素(Auxin)、赤霉素(GA)、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、乙烯、油菜素甾醇(BR)和独角金内酯(SL)均为小分子有机化合物,能以极低的浓度在多个植物生长发育过程和逆境胁迫反应中起作用。过去20-30年里科学家对经典植物激素的受体和信号转导途径已有较为清楚的了解,近年来植物激素作用的分子机理的研究日渐增多。特别是我国科学家自2007年在国家自然科学基金委重大研究计划“植物激素作用的分子机理”项目资助下在这一领域取得了长足进展。尽管一些植物激素类似物已在农业生产中应用,科学家希望能在全面且深入地理解植物激素作用机理的基础上更好、更广泛地应用植物激素来增加粮食、经济作物和蔬菜等的产量和品质。
紧跟植物科学研究的国内外动态和国际前沿,Molecular Plant《分子植物》于2016年1月5日出版了由李家洋、李传友等12位国内外知名科学家组织的“植物激素”专辑。该专辑收录了7篇综述文章。其中,法国Jean-Michel Daviere和 Patrick Achard教授综述了DELLA蛋白在调控多种植物激素信号途径中的关键作用;我国谢旗研究组对泛素-蛋白降解体系在ABA信号途径中的作用进行了全面综述,黎家研究组讨论了BR调控植物根生长发育及与其他微生物共生方面的进展,何祖华和谢旗研究组合作综述了植物激素在种子休眠和萌发过程中的调控作用,上海逆境植物生物学中心的Chizuko Yamamuro博士与朱建康和杨贞标研究员合作分析了表观遗传修饰与植物激素作用之间的互作和调控;韩国Jae-Yean Kim研究组详细介绍了胞间连丝在植物激素和小分子物质信号转导中的作用;捷克Jan Hejatko研究组分析和讨论了高等植物多步磷酸转移(MSP)信号通路中主要蛋白的结构特征,特别是与细胞分裂素和乙烯信号相关蛋白的结构。
该专辑发表了来自国内外的6篇原创论文和3篇Letter,涉及多种植物激素信号通路和调控的分子机理研究。我国潘建伟研究组发现网格蛋白介导的生长素信号调控下胚轴顶钩形成和蓝光诱导的顶钩打开,香港中文大学Jun-Xian He研究组报道BR信号途径重要转录因子BZR1与光调控转录因子HY5互作调控拟南芥子叶展开,黄荣峰研究组报道ABA通过ABI4负调控乙烯生成基因ACS4和ACS6来抑制暗下乙烯的产生,汤文强研究组发现PP2A B亚基通过去磷酸化BR受体BRI1调控BR反应,香港科技大学Ning Li研究组通过磷酸化蛋白质组学分析发现乙烯可以增强水通道蛋白PIP2;1的磷酸化来促进水的转运。西班牙Pedro L. Rodriguez和美国Doris Wagner研究组合作发现染色质重塑因子BRM作为ABA信号途径核心组分SnRK蛋白激酶和PP2C蛋白去磷酸化酶的底物来调控ABA反应,韩国Tae-Wuk Kim研究组报道拟南芥BSU1家族成员的寡聚化可促进BR信号输出,德国Klaus Harter研究组报道拟南芥细胞分裂素感应蛋白组氨酸激酶AHK2和AHK3可以催化Ser/Thr/Tyr的磷酸化来调控多个磷酸化信号转导通路。此外,中科院化学所陈义研究组报道了一种从微量植物组织中测定和定量痕量赤霉素的新方法。
Molecular Plant“植物激素”专辑的出版为广大读者了解植物激素作用的分子机理提供了最新的资料,对推动植物激素和相关领域研究的深入开展及国内外学术交流和合作具有积极意义。(Molecular Plant
 

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来源:基因农业网

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