生物技术前沿一周纵览(2017年2月24日)

2017-02-24 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

生物技术前沿一周纵览(2017224日)

小麦单元型区段形成和演化研究出现新见解

 

普通小麦是异源六倍体,经历了从二倍体到四倍体(四倍体化)和四倍体到六倍体(六倍体化)两次多倍体化事件。研究人员利用9K SNP芯片(全部位于基因编码区)对小麦及其近缘种基因型分析后发现多倍体化对基因和基因组的冲击远大于驯化和遗传改良。整体而言,现代品种基因的多样性较地方品种更高,这与以往的认识是相矛盾的。造成这种现象的原因是小麦作为严格的自花授粉作物,在先民驯化、种植和选择过程中积累了大量的变异,但这些变异主要集中在基因间区和调控区,现代育种(人工杂交)促进了不同群体间基因的交流和有效重组,提高了基因的多样性。研究还发现驯化和育种对A基因组的选择明显强于B基因组,前者单元型区段数量少、但遗传跨度大,连锁不平衡更明显,A基因组拥有更多与产量性状显著关联的位点或区段,因此,提出小麦基因组进化过程中存在明显的非对称性。该研究为海量SNP数据分析提供了参考和思路。(Scientific Reports

 

 

科学家在蔷薇科叶绿体系统发育基因组研究中取得进展

 

系统发育基因组学是基因组学和系统发育生物学融合产生的一个交叉学科,主要用基因组水平的大规模分子数据解析生物之间的系统发育关系,并利用系统发育原理研究基因组进化机制。研究人员依托中国西南野生种质资源库分子生物学实验中心的设施和平台,利用叶绿体系统基因组学的方法重建了蔷薇科79132种的系统发育树,成功解析了蔷薇科各亚科、族和属间系统发育关系。基于这棵高支持率、高分辨率的系统发育树,估算了蔷薇科及其主要分支的起源和分化时间,推断了古气候对蔷薇科主要分支多样化的影响。主要结论包括:1)在叶绿体系统发育基因组学研究中,序列的比对质量和模型选择对于正确解析类群间系统发育关系至关重要;2)蔷薇科亚科、族和大部分属间系统发育关系获得解析并被很好支持;3)蔷薇科起源于晚白垩纪,之后经历了多次的多样化速率的变化;4)亚科和族的快速多样化发生在晚白垩纪的温暖湿润的环境中,而从早渐新世以来属的多样化发生在干冷的环境中。该研究对于揭示蔷薇科的起源与多样化具有重要的科学意义,为进一步研究该类群进化问题打下了基础。(New Phytologist

 

 

沙棘果颜色形成机理

 

沙棘具有巨大的生态价值和经济价值。在自然界,沙棘浆果主要有黄色、红色两大类。研究表明,红果沙棘的抗氧化物质维生素C、番茄红素、β胡萝卜素等含量明显高于黄果沙棘。研究人员发现,沙棘浆果的着色主要决定于番茄红素与β胡萝卜素含量累积的差异,当番茄红素的含量显著高于β胡萝卜素时,果实呈红色,反之则呈黄色。葡萄糖醛酸途径可能在沙棘维生素C生物合成过程中发挥了重要作用。(FASEB)

 

 

揭示病毒抑制植物RNA沉默新机制

 

RNA沉默是一种由双链RNA诱导的、序列特异性的核酸降解和基因表达调控机制,是植物抵御病毒侵染的重要防卫机制。科研团队在前期研究中发现中国番茄黄曲叶病毒(TYLCCNV)伴随的卫星分子编码的bC1蛋白是一个重要的致病因子,也是一个RNA沉默抑制子(Cui et al., Journal of Virology 78: 13966-13974200479: 10764- 107752005)。随后发现,bC1通过上调植物一个钙调素类似蛋白Nbrgs-CaM表达而抑制植物RNA沉默通路中一个重要组份RNA依赖的RNA聚合酶6RDR6)的功能(PLoS Pathog 10: e10039212014)。由于RDR6可与双链RNA结合蛋白SGS3互作并形成复合体,因此科研团队对Nbrgs-CaM是否会影响SGS3的功能开展了研究。研究发现Nbrgs-CaM能与SGS3能够互作,但不能与RDR6互作;Nbrgs-CaM能与SGS3互作结构域对于Nbrgs-CaMSGS3的功能至关重要;Nbrgs-CaM的过表达不仅能够影响SGS3的亚细胞定位,使其不能定位于‘siRNA-bodies’上,也会降低SGS3蛋白在植物中的积累量;Nbrgs-CaM通过细胞自噬途径介导了SGS3的分解,并促进了双生病毒侵染。该研究诠释了双生病毒逃避植物RNA沉默防御的分子机制,为植物抗病毒提供了新理论和策略。(PLoS Pathogens

 

 

研究人员发现植物中一个全新的印记基因——女娲

 

亲本效应(parental effect)是指生物体后代的性状只受到某一个亲本基因型的影响,而不受到另一亲本的基因型影响的现象。在植物发育过程中,亲本效应主要体现在早期种子发育时期,即某些基因对于胚胎和胚乳发育的影响仅是由单亲本来源的产物控制的。研究人员发现并鉴定了一个新的植物印记基因——NUWA(女娲),该基因对植物早期发育的亲本效应兼具印记与非印记两种类型。首先,NUWA是一个拟南芥的必需基因,其功能的缺失导致雌配子体传递率下降,且早期胚胎和胚乳中出现细胞/核增殖缺陷,并最终导致种子败育。其次,NUWA是母本表达的印记基因,因为从受精前的配子体发育阶段到受精后的16细胞胚胎阶段,都只有NUWA的母本等位基因的转录和翻译能被检测到,且受精后,NUWA的母本等位基因的重新(de novo)转录过程也可在合子期被检测到。目前已经被鉴定的其他植物印记基因多数编码细胞核定位的蛋白,而NUWA蛋白定位于线粒体,并且对发育早期线粒体的形态和功能非常重要。NUWA的母本效应很可能是为了维持或提高植物早期发育阶段中细胞器与细胞核协调工作的效率而被驱动演化的。受精前,NUWA仅在雌配子体中表达。受精后,在早期胚胎和胚乳中,由核基因组编码的、母本等位基因特异表达的NUWA蛋白仍然定位于母体承袭的线粒体中,并在其中发挥其功能;而与此同时,在父本承袭的非常少量的线粒体在胚囊中被全部降解,NUWA的父本等位基因没有表达。也就是说,在线粒体中起重要功能的由核编码的NUWA基因,其母本等位基因的特异性表达模式与线粒体的母系遗传实现了完美协调。这一发现不仅揭示了植物的印记基因参与的早期亚细胞过程的新方面,也揭示了线粒体的母本控制的一个新的独特机制,并且为植物早期发育过程中细胞核、细胞器的协调机制又增加了一个复杂的层面。(PLoS Genetics

 

 

 成功鉴定了Cpf1蛋白的精确切割位点

 

CRISPRClustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)是存在于原核生物中的获得性免疫系统,CRISPR相关蛋白Cas9已广泛应用于基因组编辑和许多其他应用当中。Cpf1蛋白隶属于II type V CRISPR系统。研究人员试验发现,Cpf1切割靶标DNA并不像之前报道的那样,只切割靶标DNA互补链的23位和非互补链的18位,而是在非互补链的14位到18位形成多个切割位点。研究人员还发现Cpf1的切割位点受到crRNA spacer序列长度的影响。当spacer序列长度>20的时候,Cpf1倾向于切割非互补链的18位,而当spacer序列长度<20的时候,Cpf1倾向于切割非互补链的14位。基于Cpf1在较短spacer长度的crRNA介导下,可以特异切割靶标DNA14位与22位,形成8nt的长黏性末端的特性,结合Taq DNA连接酶高精度的连接特性,研究人员将其开发为一个大DNA片段体外无缝编辑的新工具。在应用实例中,研究人员成功将30kb的放线紫红素合成基因簇内部调控基因actII-orf4的启动子进行了原位的替换。经过反应条件的优化,替换的阳性率达到70%以上。该方法为大片段体外编辑提供了一个高效工具。(Nucleic Acids Research

 

 

人工合成非天然辅酶

 

能量代谢是生命活动的基本特征之一,需要能量载体(辅酶)介导。天然能量载体如还原型吡啶核苷酸辅酶(Nicotinamide adenosine dinucleotideNADH),由于可参与众多代谢反应和其它生物过程,使能量代谢调控存在选择性差、生物学效应可预见性低等突出问题。研究人员设计合成了非天然辅酶烟酰胺胞嘧啶二核苷酸(Nicotinamide cytosine dinucleotideNCD),改造了氧化还原酶的辅酶结合口袋,筛选得到非天然辅酶偏好型的突变酶;体外实验表明,突变酶可保持与野生酶相当的催化效率、底物/产物选择性等催化性能,从而创建了生物正交的氧化还原催化体系(J. Am. Chem. Soc.,2011,133,20857)。并成功改造获得了NCD偏好型亚磷酸脱氢酶突变体Pdh*,以用于催化氧化亚磷酸盐高效产生还原型非天然辅酶NCDH;设计的一系列体外多酶催化体系,发现NCDH介导的反应独立于其它依赖天然辅酶的反应,即具有选择性能量传递的特性。以大肠杆菌为宿主,采用基因工程手段过表达Pdh*NCD偏好型苹果酸酶突变体Mae*和核苷酸转运蛋白Ndt,所得工程菌在亚磷酸盐、葡萄糖和催化量NCD存在下孵育,苹果酸产量和得率比不添加NCD的体系均有显著提高;而不表达Ndt的工程菌,体系中添加NCD对苹果酸积累无明显影响。结果说明,工程菌摄取NCD,利用亚磷酸盐为能量源,产生NCDH,选择性驱动Mae*催化的丙酮酸还原羧化反应合成苹果酸。该研究成果为开展基于非天然辅酶的化学生物学和合成生物学研究提供了科学依据。(ACS Catalysis

 

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