生物技术前沿一周纵览(2018年5月4日)

2018-05-04 | 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(201854日)

 

MAPK级联信号通路在水稻种子大小调控上起重要作用

 

水稻是我国的主要粮食作物之一,粒重、穗粒数和有效穗数是水稻产量三要素。MAPK信号途径介导了多个植物生长发育过程。MAPK途径的基本组成包括:MAPK激酶激酶(MKKK)、MAPK激酶(MKK)和MAPK。植物感受信号后,这三种激酶依次激活来调控下游基因的表达,从而调控生物体的生长发育以及对环境的响应等。研究人员前期发现OsMKK4丢失功能突变体(smg1)种子变小(Duan et al., Plant Journal 2014)。近期研究鉴定了OsMKK4的功能获得突变体large11-1D,产生大的种子。同时也鉴定了与smg1表型相似的突变体smg2SMG2编码了水稻OsMKKK10。过表达持续激活的OsMKKK10可以使种子变大。生化分析显示OsMKKK10可以依次激活OsMKK4和一个MAPKOsMAPK6)。进一步分析显示OsMAPK6的活性增强会导致水稻种子变大,而活性减弱会导致种子变小。遗传分析显示OsMKKK10OsMKK4OsMAPK6作用在相同的遗传途径调控种子大小。因此,这些研究揭示了OsMKKK10OsMKK4OsMAPK6作为一个级联信号通路来调控水稻种子大小的分子遗传机理。(Molecular Plant

 

 

黑曲霉基因组编辑方面取得进展

 

CRISPR/Cas9系统作为新一代基因组编辑技术,为生命科学的研究提供了革命性的工具,为生物技术在医药、农业、工业领域的应用迎来了新机遇。研究人员首次在重要工业微生物黑曲霉中提出以核糖体5S rRNA基因为启动子介导sgRNA的表达,开发了一种基于5S rRNA的新型高效的CRISPR/Cas9系统,使Cas9对黑曲霉基因组定点切割效率可达100%。以此建立了黑曲霉高效基因组编辑工具包,以40 bp的短同源臂供体DNA可以简便地实现单位点、多位点的基因敲入以及长至48 kb的大片段DNA敲除等基因组精准编辑。该新型CRISPR/Cas9系统有效解决了黑曲霉sgRNA的活性表达问题,突破了黑曲霉基因组高效编辑的瓶颈,为认识黑曲霉工业潜力的生物学分子基础,进一步提升其工业应用性能,开发新型细胞工厂和新产品提供了强有力的技术支撑。(ACS Synthetic Biology

 

 

科学家提出根演化的分子基础假说

 

现存维管植物是远古祖先两个世系的后代:石松世系(lycophyte lineage)和真叶世系(euphyllophyte lineage)。最近一系列对IC-WOX基因(intermediate-clade WOX genes)的研究结果暗示,IC-WOX基因的演化与根的第二和第三次起源同步发生,可能是真叶世系中根起源的重要分子机制。IC-WOX基因是维管植物特有的基因,它们在石松世系和真叶世系分开之前的共同祖先中就已出现。在石松世系的现存植物小翠云(Selaginellakraussiana)中,IC-WOX基因并不特异表达在根发育进程中,因此石松世系可能并不利用IC-WOX基因特异参与二歧根发育。在真叶世系的现存蕨类植物水蕨(Ceratopterisrichardii)中,IC-WOX基因特异表达在不定根和侧根的根创始细胞(root founder cell)中,起始根的发育。在真叶世系的现存种子植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,IC-WOX基因发展成了两个进化亚枝:IC-WOX11/12亚枝特异表达在不定根创始细胞中,起始不定根的发育;IC-WOX8/9亚枝特异表达在胚胎的主根创始细胞中,起始主根的发育。据此提出的假说认为,真叶世系的共同祖先将IC-WOX基因招募到根创始细胞中用于起始不定根和侧根;种子植物出现后,IC-WOX基因演化出两个亚枝,一个亚枝的功能保留在不定根创始细胞中,另一亚枝被招募到主根创始细胞中发挥功能。研究人员提出根器官起源的分子基础假说。根器官的出现是维管植物演化史上的重要一步,它帮助植物固定在土地上,吸收水分和营养物质,让植物能更好地适应陆生环境。(Trends in Plant Science

 

 

绶草两种花型的传粉生物学和生殖隔离研究中获进展

 

生殖隔离是物种形成过程的关键步骤,也是物种得以保持完整性和独立性的基础。研究人员对分布在喜马拉雅地区的有花蜜报酬的兰科植物绶草Spiranthes sinensis (Pers.) Ames complex 的白花和粉红花类型的传粉生物学和花型间生殖隔离强度进行了精细的量化研究。两种绶草花期重叠明显,花期物候隔离不强。白花绶草的传粉昆虫主要为蜜蜂科的中华蜜蜂(Apis cerana)、橘尾熊蜂(Bombus friseanus)以及灰熊蜂(B. grahami);粉红花绶草传粉昆虫主要为蜜蜂科的芦蜂属(Ceratina2种)、隧蜂科(Halictidae)隧蜂属(Halictus5种)和淡脉隧蜂属(Lasioglossum1种)。中华蜜蜂和熊蜂属昆虫都能够识别两种花色绶草中萼片颜色的差异,且白花绶草具有排它性的挥发性成分,中华蜜蜂对白花类型具有很高的访花忠诚性。粉红花绶草则没有检测到挥发性成分。摆放实验发现花型间交叉访问的频率显著低于花型内交叉访问的频率,两种绶  草花型间传粉者隔离很强。传粉后隔离包括花粉块-雌蕊互作,果实形成和种子发育阶段对总隔离的贡献较小,尤其是在以粉红花绶草为母本时几乎没有贡献。该研究进一步强调,在传粉昆虫生态位重叠的植物类群中,植物可以通过花部特征的分化,介导传粉昆虫组成和行为发生分化,进而导致强烈的传粉者隔离。(Ecology and Evolution

 

 

系统理清多倍体与植物进化和作物驯化的关系

 

不断地多倍化继而二倍化是植物演化和新物种形成的最重要方式之一。研究人员通过系统综述植物多倍体研究的最新进展,以及多倍体与古多倍体演化的最新理论,提出了多倍体进化的框架模型,将相关假说和理论置于多倍体进化的各个时期内,使我们能够在整体水平上更全面地认识多倍体的进化特点。多倍体基因组常表现出亚基因组差异,最典型的就是分化出优势亚基因组,即一套亚基因组相对于其他亚基因组在进化上具有优势的现象。在阐述亚基因组优势现象的相关机制时,针对异源多倍体杂交优势现象形成,提出了基因通路效率平衡(Pathway efficiency balance)的模型。该模型阐释了植物异源多倍体中亚基因组优势形成的潜在机制,并提出其与杂交优势可能具有一套相似的调控机制。这一假说为植物异源多倍体的研究提出了新的研究方向和思路。(Nature Plants

 

 

种子传播新机制

 

种子是裸子植物和被子植物重要的繁殖器官。胡蜂传播,即种子被胡蜂科昆虫进行传播,是蚁播植物中罕见的种子传播类型。目前仅在3个被子植物科中被发现,即Vancouveria hexandra、龄草属的种类、沉香属的种类。百部科百部属的大百部在整个东南亚是传统的药用植物,其杀虫、止咳润肺的功效已经得到验证。研究组在进行百部属植物调查时发现大百部蒴果内的传播体在其自然生境及植物园人工栽培条件下均会被胡蜂取食和传播。胡蜂取食大百部传播体的过程极像它们取食其昆虫猎物时的行为:觅食的胡蜂呈现之字形的飞行轨迹靠近大百部的传播体,当接近传播体的距离约10cm时,胡蜂会猛扑向传播体,仿佛正在捕食潜在的猎物。当胡蜂花费几分钟咬掉携带油质体的种子后,它会飞行一定距离,找到适合的地点对携带的传播体进行加工,该行为也类似胡蜂加工昆虫猎物时的行为(将猎物去头去尾,只取食中间的肌肉部分,然后将这部分用口器和脚搓揉成肉糜并带回巢穴饲喂幼虫)。胡蜂搓揉大百部传播体,咬掉大部分油质体后丢弃的种子落到地面上会被觅食的蚂蚁进行第二次传播。(New Phytologist

 

 

植物适应性新假说

 

通过对我国南方森林的长期氮沉降试验研究,研究人员发现“富氮”生态系统中的植物可以通过提升自身蒸腾能力适应过量氮沉降来维持养分平衡,并提出了植物适应性的新假说。该发现表明,在“富氮”系统中,氮沉降增加对植物生长影响不大,但对系统水循环将产生显著影响。如果该假说得以验证,那么高氮沉降诱发的水径流量减少会威胁到许多热带发展中地区的城市供水。此外,该研究还在国际上首次通过植物适应性把生态系统“碳--水”循环紧密结合起来。(PNAS                                                                                                                                                            

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