生物技术前沿一周纵览(2016年4月22日)

2016-04-22 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

 优质蛋白玉米胚乳修饰因子遗传解析研究

 
优质蛋白玉米(Quality Protein Maize, QPM)是以o2突变体为基础选育的高赖氨酸硬质胚乳玉米,改善了非洲、亚洲等地的营养不良症。然而半个多世纪以来,优质蛋白玉米其籽粒由软质到硬质的选育过程中的遗传调控机制尚不清楚,大大限制了QPM玉米育种商业化的进程。研究发现优质蛋白玉米胚乳发育过程中,27-kD γ-zein的转录和蛋白表达水平是野生型和o2 突变体的2-3倍,RNAi沉默发现优质蛋白玉米籽粒重新由硬质变为软质,因此深入解析27-kD γ-zein的调控因子(qγ27)将有助于了解优质蛋白玉米胚乳发育过程中的遗传调控机制。遗传实验证明了qγ27 为顺式调控元件,属于基因剂量效应调控,随其剂量的增减影响其表达。利用热带、温带自然群体及B73×Mo17 (IBM) Syn10双单倍体群体,结合SDS-PAGE检测技术进行GWAS和QTL连锁和关联分析,同时构建(B73x Mo17)x B73回交群体锁定qγ27 于100-kb区间范围。最后结合Mo17基因组和BAC库筛选测序,确定qγ27 为包含27-kD γ-zein基因本身的一段15.26kb拷贝数变异调控。该拷贝片段内共有4个基因发生了复制,进而提高了其表达量。其祖先大刍草中即已存在此片段,在育种商业化过程中受到了明显的人工选择。在此基础上设计与qγ27 紧密连锁的功能标记0707-1,利用不同的遗传群体和突变体自交系验证发现该标记与27-kDγ-zein基因蛋白表达正相关,为优质蛋白玉米分子标记育种提供了基础。(PNAS
 
 
转录调控在大豆籽粒驯化过程中的作用
 
大豆是我国重要的粮食作物和经济作物,高百粒重和高油含量是栽培大豆重要的农艺性状和驯化特征。因此研究大豆的驯化机制,对于改善大豆的品质和增加大豆产量具有非常重要的意义。研究人员针对驯化过程中发育大豆种子的转录组特征展开了全面而深入的研究。通过测定和分析栽培大豆和野生大豆发育种子的40个转录组数据并通过基因共表达网络分析发现,在驯化过程中基因表达量及共表达网络发生了显著变化,且基因表达量与网络衔接显著相关。3个基因集群模块系统的基因表达量在栽培大豆中比野生大豆中显著增加。其中2个基因集群模块系统的基因表达量与网络衔接显著相关。从这2个基因集群中鉴定了栽培大豆特异的2个调控籽粒油分和粒重的共表达网络。通过分析基因共表达网络并结合已知的QTL位点信息,发现赤霉素合成基因GA20OX和转录因子基因NFYA的启动子变异导致了它们的基因表达量变化。基因功能分析和关联分析表明,这2个基因的表达变化与种子百粒重和油含量呈正相关。这项研究揭示了大豆中通过基因表达进行籽粒性状选择的驯化机制,对于大豆育种具有潜在的实际意义。(Plant Journal
 
 
在拟南芥中发现具有调控铁平衡的作用的转录因子
 
铁作为许多功能蛋白的重要辅助因子,对于植物的生长发育起着极其重要的作用。在人类中,缺铁是引起贫血症的主要原因之一,而植物性食物是人类获得铁的主要来源,因此研究植物体内铁的吸收、转运以及调控的机制是非常重要的。研究人员发现拟南芥转录因子bHLH34和bHLH104通过介导bHLH38/39/100/101基因的转录从而正调控缺铁响应过程。bhlh34,bhlh104和bhlh34bhlh104 突变体都表现出了典型的缺铁症状,突变体中的缺铁响应过程被破坏,缺铁响应相关基因的表达显著下调。而bHLH34和bHLH104的高表达则激活了植物的缺铁响应并上调了缺铁响应相关基因的表达。瞬时表达实验表明bHLH34和bHLH104可以直接调控bHLH38/39/100/101的表达。bHLH101的高表达可以部分互补bhlh34bhlh104双突变体的表型。(Plant Physiology
 
 
超长链脂肪酸是植物细胞再生能力的信号分子
 
植物的组织和器官具有很强的再生能力,即已分化的细胞在离体和活体条件下能够获得再生能力,再生出新的器官乃至完整个体。这种再生能力不仅是植物发育可塑性的根本,也是现代植物生物技术的基础。然而,人们对于植物细胞如何获得再生能力仍知之甚少。最新研究发现,超长链脂肪酸是限制植物中柱鞘类细胞获得全能性和再生能力的重要信号分子。在超长链脂肪酸的合成存在缺陷时,拟南芥中柱鞘细胞形成愈伤组织的能力明显增强,而施加超长链脂肪酸则能够抑制中柱鞘细胞脱分化形成愈伤组织。进一步研究表明,超长链脂肪酸或其衍生物可能作为细胞层特异的信号物质,通过抑制细胞分生能力重要调控因子ALF4的表达而抑制中柱鞘类细胞形成愈伤组织,从而调控了植物器官的再生能力。该研究首次揭示了超长链脂肪酸或其衍生物能够作为信号分子参与细胞命运及再生过程的调控,也对了解正常发育条件下动、植物体细胞命运的调控有重要启示,同时对改进种质扩繁和转基因等技术有指导意义。(PNAS
 
 
Cpf1/CRISPR RNA复合物晶体结构解析
 
CRISPR–Cpf1是2015年新发现的一种不同的CRISPR系统,Cpf1与Cas9在许多方面都存在差异,比如其向导RNA及底物特异性不同,具有实现更简单、更精确基因组工程操作的潜力。本研究获得了结合CRISPR RNA (crRNA)的毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium) ND2006 Cpf1 (LbCpf1)的晶体结构,分辨率达到2.38 Å。LbCpf1具有一种三角形体系结构,中心有一个大的正电荷通道。被LbCpf1的寡核苷酸结合结构域所识别,crRNA采用了一种高度扭曲的构象,广泛的分子内互作和(Mg(H2O)6)2+离子对这一构象起稳定作用。LbCpf1的寡核苷酸结合结构域还包含一个环凸(looped out)螺旋结构域,其对于LbCpf1底物结合至关重要。结合crRNA或缺乏向导序列的crRNA均可诱导LbCpf1显著的构象改变,但不能诱导LbCpf1低聚化。新研究揭示出了crRNA的识别机制,提供了crRNA引导LbCpf1底物结合的一些新见解,为设计改造LbCpf1提高基因编辑的效率和特异性建立了一个框架。(Nature
 
 
新“生命树”绘制完成
 
 “生命树”将植物、动物和细菌的“血缘关系”联系起来。随着人类对物种的认识不断丰富,生命树也渐渐丰满。研究人员新发现了1000多种新物种,大多数是细菌和被称为古生菌的单细胞微生物,这也意味着新生命树就此诞生。新生命树是首个三维的基于基因组的生命树。新物种的发现表明,大多数人类肉眼可见的生命只代表了地球上生物多样性的很小一部分。新生命树的绘制依赖于公开的基因组序列数据,新增的微生物来自不同的环境。为了确定彼此亲缘并构建系统树,研究人员比较了16个核糖体蛋白质的氨基酸序列。生命树的新成员包括一群被称为CPR(candidate phyla radiation)的细菌,它们形成了生命树中的一个主要分枝。这群细菌包含了近一半的生物进化多样性。(Nature Microbiology
 
 
揭示重复基因表达分化的分子机制
 
表达模式是基因的基本属性,了解基因表达模式在进化中的改变及其分子机制是进化生物学研究的重要内容。然而,由于表达模式本身是个非常复杂的概念,前人对其进化分子机制的研究尚不深入,典型的例子并不多见。研究人员以拟南芥中的APETALA1(AP1)和CAULIFLOWER(CAL)基因为例,对重复基因表达分化的模式、过程和机制进行了研究。  研究发现,作为一对由基因组加倍事件产生的重复基因,AP1和CAL在表达的时、空、量上均有差异,而且这些差异与其调控区一些转录因子结合位点的存在与否有关。该研究结果不仅阐明了AP1和CAL表达分化的分子机制,而且揭示了调控元件和表达模式进化的过程和特点。特别值得一提的是,该研究表明重复基因的表达分化其实是一个非常复杂的动态过程,不能用简单的经验模型来解释。研究结果对于理解基因表达进化的模式和机制具有重要意义,同时为深入理解重复基因的表达分化提供了新的思路。(Plant Physiology)
 
 
阐明水生植被消退作用机制
 
科研人员基于相关数据,通过统计分析和分类回归树模型,研究了太湖典型草型湖湾东太湖水生植被长期动态变化特征及影响因素,阐明了水生植被消退的作用机制。从1998~2014年东太湖水环境参数长期定位观测数据发现,东太湖生境中氮磷营养盐、悬浮物和藻类水生物显著增加,透明度显著下降,湖泊长期处于高水位运行,湖泊生境条件越来越不利于水生植物生长。2003~2014年MODIS影像揭示的水生植被出现频次逐渐降低,水生植被低频次水域也在逐渐扩大,水生植被和生态系统呈现快速退化趋势。统计分析和分类回归树模型揭示,在总氮、总磷、溶解性总氮等生境因子中,氨态氮浓度、透明度与水位比值对水生植被出现频次的解释率高达60.1%,是决定东太湖水生植被消退的决定性因子。因此,减少营养盐特别氨态氮输入,在水生植物萌发的春季降低湖泊水位都可以有效地促进水生植物发育和生长,该结果可以用于指导我国受损湖泊生态系统进行以水生植物重建为主导的湖泊生态修复。(Scientific Reports
 
 

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来源:基因农业网

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