生物技术前沿一周纵览(2017年3月3日)

2017-03-03 | 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(201733日)

FT2成花素基因调控作物开花分子机制

 

小麦抽穗期和开花期的调控机理与水稻和玉米等作物不同,普通小麦在苗期需要经受一段低温时期,才能开花结实,也就是“春化现象”。基因可变剪切是指基因的外显子以多种方式通过RNA剪切进行重连,由此一个基因可能编码多种蛋白质。对于植物开花关键基因成花素可变剪切的调控,更是植物分子生物学领域的新概念。该团队研究发现在短柄草生长早期,FT2成花素基因通过可变剪切方式编码一个干扰型蛋白,阻止正常开花蛋白复合体发挥作用;当短柄草进入开花期时,功能型蛋白的转录本表达开始加速,超过干扰蛋白转录本的表达量,从而保证短柄草正常开花。该机制在小麦、大麦等早熟禾亚科作物中具有保守性,是调控此类作物开花的重要机制。(Nature Communications)

 

 

成功合成植物单碱基编辑系统nCas9-PBE

 

单核苷酸点突变是作物许多重要农艺性状发生变异的遗传基础。研究人员借鉴哺乳动物单碱基编辑方法,利用Cas9变体(nCas9-D10A)融合大鼠胞嘧啶脱氨酶(rAPOBEC1)和尿嘧啶糖基化酶抑制剂(UGI),构成了高效的植物单碱基编辑系统nCas9-PBE,成功地在三大重要农作物(小麦、水稻和玉米)基因组中实现高效、精确的单碱基定点突变。通过在原生质体中对报告基因BFP以及三种作物中五个内源基因七个位点突变结果的详细分析,发现nCas9-PBE可实现对靶位点DNACT替换,C碱基脱氨化的窗口覆盖靶序列的7个核苷酸(距离PAM远端的第3-9位);其中单个C的替换效率为0.39-7.07%,多个C的替换效率高达12.48%。通过遗传转化,利用该体系获得了靶标区域单碱基替换的小麦、水稻和玉米突变植株,突变效率最高可达43.48%nCas9-PBE技术无需在基因组的靶位点产生DNA双链断裂(DSB),也无需供体DNA的参与,具有简单、广适、高效的特点。nCas9-PBE单碱基编辑系统成功建立和应用,为高效和大规模创制单碱基突变体提供了一个可靠方案,为作物遗传改良和新品种培育提供了重要技术支撑。(Nature Biotechnology

 

 

环形非编码RNA识别新技术

 

目前已有的环形RNA识别算法均基于对环形RNA接头序列的查找,可分为基于注释的算法以及从头预测的算法。然而,由于真核生物转录的复杂性及环形RNA分子的特殊性,以上两类识别算法均面临着灵敏度低、可靠性差、运算时间长或内存使用高等问题,其应用也因此受到限制。此外,对上述识别算法的评价体系却仍主要依赖模拟数据,难以对相关算法在真实转录数据中的表现进行客观衡量。针对此现状,研究团队提出基于多重种子匹配策略的算法,针对比对质量较低的基因组区域,按长度降序进行种子序列提取,并将之与前后侧翼基因组区域进行快速匹配。同时,建立了最大似然估计模型,判断该种子序列的真实来源,并排除来自线性转录本或剪接副产物的干扰,从而极大提高了环形RNA分子识别的精度。该研究摒弃了偏差较大的模拟数据评测方法,采用 RNase R降解前后真实转录数据的比对体系,对10种已有算法进行全面的评测比较。结果显示该研究建立的方法在包含灵敏度与可靠性在内的综合表现(F1得分)上具有明显的优势,其并行模式还可进一步提升运算速度及内存使用效率。该算法与此团队开发的CIRI, CIRI-AS等分析工具(Genome Biology, 2015; Nature Communications, 2016)实现无缝衔接,将进一步促进环形RNA组成及功能等方面的研究。Briefings in Bioinformatics

 

 

 

大豆中的GmZF351调控油脂积累

 

大豆作为重要的油料作物,是植物油的主要来源。种子中的油脂含量在驯化中受到人工选择而不断提高,成为大豆的重要农艺性状。研究人员通过分析大豆种子发育不同阶段和根、茎、叶等转录组数据中的表达差异基因,以及栽培大豆特异的调控籽粒油分的基因共表达网络,鉴定出油脂快速合成时期的种子偏好表达转录因子基因GmZF351。通过比较在栽培大豆和野生大豆中的表达量和群体遗传分析,发现GmZF351在驯化中受到人工选择。进一步功能分析表明,GmZF351编码串联CCCH锌指蛋白,蛋白定位于细胞核并具有转录激活活性。过表达GmZF351显著提高了转基因拟南芥种子油脂含量。ChIP-SeqChIP-qPCRqRT-PCR和烟草瞬时转化分析发现,GmZF351可直接激活油脂合成和贮存基因BCCP2KASIIITAG1OLEO2GmZF351还结合WRI1的启动子正调控其表达,并通过WRI1下游基因Pkpα和Pkpβ1进一步提高转基因拟南芥的质体丙酮酸激酶活性,为脂肪酸合成提供更多乙酰-CoA,从而促进油脂在种子中的积累。在大豆中过表达GmZF351同样增强了转基因大豆种子中的油脂积累,qRT-PCR和烟草瞬时转化分析发现,GmZF351能够诱导WRI1同源基因Glyma15g34770Glyma08g24420BCCP2同源基因Glyma19g03530KASIII同源基因Glyma15g00550TAG1同源基因Glyma13g16560Glyma17g06120以及OLEO2同源基因Glyma19g13060Glyma16g07800的表达。对ZF351进行单倍体型和进化树分析发现,GmZF351单倍体型来自于野生大豆III型,并与高基因表达量、启动子活性和油脂含量相关联。GmZF351具备很大的应用潜力,可用于现有大豆品种油脂性状的改良,对提高大豆品质和价值具有重要意义。(Plant Physiology

 

 

 首次发现水稻的一个MAPKKK直接接受RLCK传递的几丁质信号

 

几丁质是一类来自真菌的病原相关分子模式(PAMP),植物通过识别几丁质来启动植物的免疫反应,达到抵抗病原菌的作用。水稻识别几丁质后,通过细胞膜类受体激酶OsCERK1磷酸化细胞质激酶OsRLCK185,启动植物免疫反应。研究团队通过对OsRLCK185蛋白进行酵母双杂筛选,获得了与其互作的蛋白OsMAPKKKε。OsRLCK185OsMAPKKKε的C端结构域互作,并将其磷酸化。过量表达OsMAPKKKε激酶结构域会引发MAPK激活和强烈的细胞坏死,而失去C端结构域的OsMAPKKKε蛋白也能在烟草里导致类似表型,暗示该蛋白的C末端在信号传递中起着负调控作用。在内源MAPKKKε沉默的水稻或烟草里,MAPK响应几丁质的激活能力减弱。诱导表达OsMAPKKKε激酶结构域或全长蛋白的水稻对几丁质处理更敏感,即MAPK的激活增强。一系列体内外生化实验证明水稻利用蛋白质磷酸化介导一条线性化的几丁质信号通路,即OsCERK1-OsRLCK185-OsMAPKKKε-OsMAPKK4-OsMAPK3/6。该研究首次发现了水稻的一个MAPKKK直接接受RLCK传递的几丁质信号,并首次在水稻里揭示了以OsRLCK185为代表的细胞质类受体蛋白在植物免疫信号传递过程中上承细胞膜受体识别信号,下启MAPK级联通路的重要功能。(Molecular Plant

 

 

研究解析苹果资源钙、锌矿物元素的积累过程

 

钙、锌等矿物元素是人类健康饮食不可缺少的部分,研究人员利用火焰原子吸收法对苹果资源成熟果实中的钙、锌含量进行了测定。结果发现,苹果品种间果实钙、锌含量差异明显,钙含量品种间差异达23倍,而锌则高达95倍;栽培种和野生种之间钙浓度相似,但野生苹果锌浓度显著高于栽培种;不同地理起源的苹果果实之间钙和锌浓度不存在显著差异。此外,苹果果实中钙和锌的浓度在果实幼果期最高,膨大期显著降低,成熟期钙浓度呈现轻微下降趋势,而锌浓度则显示不同的变异模式。该研究首次解析了苹果资源果实中钙和锌积累的变异,研究结果为苹果矿物营养遗传改良提供了理论基础。(Journal of the Science of Food and Agriculture

 

 

喜马拉雅-横断山区“空中岛屿”状分布的植物类群研究获进展

 

“空中岛屿(sky island)”用以表示生物的高海拔生境被不同山脉分割或隔离而呈现孤岛状,在该区域具有较高的生物多样性,富含特有种、高海拔迁移种和孑遗种,以及辐射演化类群。其地质历史、气候演变和生物拓殖方式较为复杂,为探索气候、地理如何影响物种分布格局和遗传多样化提供了重要的场所,同时,其物种的时空演化格局也为高山峡谷地貌与环境演化提供重要的生物学证据。研究人员利用二代测序技术,对小叶类群全部19个种的28个样品开展了叶绿体基因组测序。通过叶绿体基因组全序列、编码区序列、非编码区序列、大单拷贝区序列、反向重复序列等5套数据,以及多种方法解析了该类群的系统发育关系。结果表明:1)基于叶绿体基因组全序列、非编码区序列、大单拷贝区序列构建的系统发育树充分明晰了小叶类群的种间关系,物种演化关系均得到较高支持率;2)基于该系统发育框架重塑了小叶类群10个关键性状的演化式样,为进一步开展物种划分和分类学修订奠定了重要基础;同时,基于性状变化频次探讨了该类群习性的演化趋势;3)筛选出rpl36_infAtrnF(GAA)_ndhJ8个分子序列变异热点区域,每个区域均富含>5%的变异位点,为该类群种下水平研究,或喜马拉雅-横断山区其它辐射进化类群研究提供了重要的分子标记参考依据。(Molecular Phylogenetics and Evolution

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