生物技术前沿一周纵览(2016年5月20日)

2016-05-20 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

 发明以DNA为介导的全新基因组编辑技术

 
RNA引导的核酸内切酶Cas9是最常用的基因组编辑工具。研究人员最新利用格氏嗜盐碱杆菌(Natronobacterium gregoryi)的Argonaute来实现DNA引导的基因组编辑,真正实现了对基因组的任意位置进行切割,将基因编辑的可能性推入了更广泛的境地。该项技术具有以下明确优势:1.向导设计制作简便:可以像合成PCR引物一样合成短链单链DNA向导;向导可直接转染细胞和组织而无需构建向导表达载体。2.可编辑基因组内任何位置:Cas9基因组的靶点选择受到PAM区和富含GC区的限制。而NgAgo对靶点选择没有限制,对基因组任何位置都能有效引入双链断裂。3.由于向导核酸是DNA而非RNA,因此避免了RNA易于形成复杂的二级结构而带来的失效或者脱靶效应。4.对游离于细胞核的DNA具有更高的切割效率。该技术可用于微生物、植物和动物的精准基因改造,以及乙肝、艾滋病或者一些遗传性疾病的“基因治疗”,在人类血液、器官的编辑和再造等方面具有重要意义,在医药,农业,畜牧等产业领域具有重要应用价值。(Nature Biotechnology
 
 
亚洲稻群体结构和演化研究进展
 
亚洲栽培稻是世界上最重要也是最古老的粮食作物之一。水稻起源问题也引起了广泛的研究兴趣,但对水稻驯化是单次起源还是多次起源尚没有统一结论。美国农业部(USDA)种质资源库已经收集了全球116个国家和地区的18000多份水稻种质资源,并基于表型和基因型数据系统整理出1794份核心种质(core accessions),进一步衍生出203份微核心种质(minicore accessions),这203份微核心种质可以很好代表全世界栽培稻的遗传多样性。研究人员通过对水稻微核心种质材料进行低深度重测序,系统研究了亚洲稻的群体结构并用于重要农艺性状的全基因组关联分析(GWAS),证明了低深度测序在自交群体的关联分析中有着很大的效力。研究人员鉴定到一个在水稻驯化中被人工选择的关键性状——控制种皮颜色的新主效数量性状(QTL)位点。目前已克隆的控制种皮颜色基因能解释粳稻和籼稻的种皮颜色变异,而新鉴定的位点特异性存在于另一水稻亚群aus。结合之前克隆的基因位点,能很好解释aus亚群的种皮颜色变异。这项研究成果不仅优化了GWAS鉴定重要农艺性状位点的方法,也提供了水稻驯化过程中一个趋同进化的例子,暗示aus有着相对独立于粳稻和籼稻的驯化历史。(Molecular Plant
 
 
光合系统PSII结构与信号传递通路解析
 
植物、藻类和蓝藻细菌都能通过光合作用将水(H2O)和二氧化碳(CO2)转化为有机物,并释放氧气(O2)。在产氧光合作用中,初期的光物理和光化学过程主要是由两个光系统:光系统I (PSI)和II (PSII)所介导。植物PSII包含一系列的外周捕光复合体,其中主要的捕光复合物为LHCII。在光合作用过程中,植物PSII核心复合物接收来自LHCII的激发能。然而,目前仍有待通过高分辨率的结构研究来阐明在这两者之间传递激发能的信号通路以及它们的装配机制。该研究中,研究人员报告了通过单粒子冷冻电子显微镜,以3.2埃(Å)的分辨率揭示了1.1兆道尔顿菠菜PSII- LHCII超级复合体的结构。结构分析揭示出了一个同型二聚体超分子系统,其中每个单体包含25个蛋白质亚基,105个叶绿素、28个类胡萝卜素和其他辅因子。是PSII最佳释氧活性必要条件的三个外周亚基(PsbO, PsbP and PsbQ),形成了一个三角形冠遮蔽了CP43和D1的Mn4CaO5结合结构域。一个主要的三聚体LHCII和两个较小的单体LHCII与每个核心复合物单体结合,三个小的内部亚基(PsbW, PsbH and PsbZ)增强了这一天线-核心互作。通过分析紧密连接的界面叶绿素,天线和核心复合物之间的能量传递信号通路得以揭示。(Nature
 
 
发现植物ABA信号通路新调控方式
 
脱落酸(ABA)是最重要的植物激素之一,它调控了植物的一系列生长和发育过程。研究人员已对植物ABA信号通路进行了许多研究,鉴别出大量控制ABA反应的调控因子。但目前尚未完全阐明它们的作用。哺乳动物Yin Yang 1 (YY1)是一个广泛表达、进化上保守的Cys2/His2 (C2H2)锌指转录因子,具有不同寻常的能力可以以激活、抑制和启动三种方式调控转录。研究人员确定了YY1的拟南芥同系物AtYY1是ABA反应一个新的负调控因子。AtYY1是具有抑制结构域和激活结构域的双功能转录因子。ABA和包括高盐与脱水在内的胁迫条件可以诱导AtYY1表达。yy1突变体比野生型对ABA和NaCl更敏感,而过表达AtYY1的植物则不太敏感。研究人员还证实AtYY1丧失也促进了ABA诱导的气孔关闭及抗旱性。本研究直接证实,AtYY1是ABA反应网络一个新的负调控因子,ABI4-AtYY1-ABR1调控信号通路可能在拟南芥中微调了ABA反应基因表达。(Molecular Plant
 
 
叶绿体在植物耐低温中有重要作用
 
低温可抑制植物生长,限制植物的地理分布。植物通过产生对应的生理和细胞变化应对低温胁迫。植物容忍低温胁迫的能力各不相同。虽然低温耐受机制还不是很清楚,但是低温驯化——通过提前暴露于低温条件而增强耐冻性,已经在拟南芥中进行了充分的研究。但是,耐冻性和低温驯化是否具有相同的机制,尚不明确。本研究中,研究人员进行了全基因组突变体筛选,以寻找低温敏感表型,并确定了49个对于拟南芥耐冻性非常重要的候选基因。在由这49个基因编码的蛋白质中,有16个被注解为具有叶绿体局限,从而表明叶绿体功能在耐冻性中发挥了关键的作用。研究人员进一步研究了RBD1,定位到叶绿体的四个RNA结合蛋白中的一个。RBD1只在绿色光合组织中表达,并被定位于叶绿体的类核。此外,研究人员发现,RBD1通过一种温度依赖性方式直接与23S rRNA前体结合,是23 s rRNA的一个调控因子。因此,这项研究在全基因组尺度上,揭示了叶绿体功能——特别是蛋白质翻译,在耐冻性中的重要性。(PLoS Genetics
 
 
发现嫁接诱导胁迫耐受性机制
 
植物根-冠间信息传递在植物生长、发育和适应环境刺激中起着至关重要的作用。嫁接具有提高植株抗病能力、耐低温能力及提高产量等优点。但是,嫁接诱导胁迫耐受性与许多相关基因和蛋白的诱导有关,其机制仍不清楚。其中,脱落酸(ABA)在植物耐热性和一些miRNA如miR159的调控中起着非常重要的作用。研究人员对嫁接黄瓜和未嫁接黄瓜进行热处理,使用miRNA微流体芯片对miRNA表达谱进行了全面分析,也对miRNA靶基因的表达进行分析。试验结果表明,在热胁迫下,丝瓜作砧木的黄瓜的耐热性增强时,脱落酸(ABA)的积累增加,且一组miRNA下调,但其靶基因和茎芽中CsHSP70积累上调。显著地,丝瓜作砧木和ABA叶敷都会使黄瓜中csa-miR159b下调和它的靶基因CsGAMYB1和CsMYB29-like以及CsHSP70积累上调。然而,csa-miR159b的异位表达导致拟南芥植物的耐热性减弱、AtMYB33转录本和AtHSP70积累减少,从而使拟南芥植物的耐热性减弱。(Plant Cell & Environment
 
 
揭示花青素合成的分子机理
 
植物虽然不会移动,但也能像动物一样感知环境的变化并精准应对。大量的研究表明植物抵御环境胁迫的强大武器就是产生种类丰富的次生代谢产物。花青素就是其中一类广泛存在于高等植物中的苯丙烷类化合物。因此,花青素的积累被认为是一种可视化的分子标记,用来判断植物在生长过程中是否遇到不良环境。植物为了应对不良的环境条件,在加速合成次生代谢产物的同时又减慢生长,从而协调抗逆与生长之间的平衡。赤霉素(GA)是促进植物生长的重要激素,受GA信号传导途径关键因子DELLA蛋白的负调控。逆境条件下,GA含量降低,DELLA蛋白积累,导致植物生长迟缓与矮小及花青素含量增加,帮助植物在逆境下生存。研究人员通过大量的遗传、生理、分子和生化实验,发现DELLA蛋白在低温、低氮和低磷等环境胁迫下大量积累,通过与花青素合成负调控因子MYBL2和JAZ家族蛋白的相互结合,从而解除它们对花青素合成转录复合体MYB/bHLH/WD40形成的抑制,进而启动花青素合成基因的表达、促进花青素的合成。这项研究揭示了调控植物生长与花青素介导的逆境适应之间动态平衡的分子机制。(Molecular Plant
 
 
病毒载体诱导幼年柑橘提前开花
 
柑橘树的幼年期长,通常需要6年多,阻碍了通过传统育种方法进行遗传改良。研究人员已经开发出一种工具来促进幼年柑橘从营养阶段到生殖阶段的过渡。这是通过使用柑橘叶斑病毒为基础的载体(分别为clbvINpr-AtFT和clbvINpr-CiFT),表达拟南芥或柑橘FT基因。接种这两种载体之一的不同基因型的柑橘在4至6个月内开始开花,与没有接种的成年植株相比,植株株型、叶、花和果实形态没有改变。该载体也没有整合到植物基因组中或是通过花粉或媒介传播。然而,检测到低水平的种子传播。载体接种后幼年柑橘提前开花为研究人员提供了一个非常有帮助的安全工具,极大地加快了柑橘遗传研究和育种项目。(Plant Biotechnology Journal)
 
 

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