生物技术前沿一周纵览(2019年3月15日)

2019-03-15 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

发现植物内源RNAi抑制CRISPR编辑效率
CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术将对农作物的基因改良带来一场技术革命。但植物内源的转基因沉默机制是Cas9蛋白有效表达的潜在障碍,进而影响基因编辑的效率。科学家以拟南芥为模式植物,系统评估了内源RNAi对不同启动子驱动的Cas9系统编辑效率的影响。研究结果显示,组成型表达的强启动子,如35S CaMV启动子驱动的Cas9表达,受内源RNAi的影响较大。而胚特异性表达的启动子,如EC1.2启动子驱动的Cas9表达,则不受内源RNAi的影响。在拟南芥RNAi突变体rdr6和dcl2 dcl3 dcl4背景下,35S-Cas9系统的基因编辑效率较WT背景下有显著提高。基于该结果,该研究利用人工miRNA(amiRNA)抑制拟南芥内源RNAi通路关键基因RDR6。将amiR-RDR6与Cas9元件构建在一起,可以有效提高35S-Cas9系统的基因编辑效率。同时,利用amiR-RDR6的发育表型,可有效地筛选不含Cas9 T-DNA插入的纯合突变体。该研究为CRISPR/Cas9介导的农作物基因编辑技术的改良提供了思路。(Science China Life Sciences)
原文链接:engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCLS/doi/10.1007/s11427-019-9514-9

揭示环状RNA在非生物胁迫应答中的功能
研究玉米应对干旱胁迫的分子机制、挖掘抗旱分子标记,对加快玉米抗旱新品种培育意义重大。研究通过大规模测序和转基因的方法揭示了circRNA在玉米和拟南芥应对环境干旱胁迫中扮演的重要作用,为作物的抗旱遗传改良提供了新的思路与理论基础,为玉米抗旱育种提供了潜在的新型分子标记。在该研究中,研究人员通过对不同干旱程度的玉米及拟南芥苗期叶片进行 circRNA 及转录组测序,分别检测到了2174和1354个高可信度的 circRNA,其中大部分在干旱处理前后存在表达量差异,表明在植物中存在大量与干旱胁迫应答相关的circRNA,后续的PCR及荧光定量PCR结果也证实了这一结论。为进一步验证circRNA的功能,研究人员在拟南芥中超量表达了 circGORK (guard cell outward-rectifying K+-channel),发现转基因家系的种子萌发对 ABA 超敏感,且植株表现出更加耐旱的表型,表明circGORK是拟南芥干旱胁迫应答正调控因子,为 circRNA 直接调控干旱胁迫应答提供了有力证据。(Wiley Online Library )
原文链接: onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14267

揭示水稻籼粳亚种镉积累差异的分子遗传机制
镉是一个对植物和人类都高度毒害的重金属元素,稻米是以水稻为主食的人群的主要摄入源。水稻不同品种间存在镉积累差异。最新的研究克隆了一个调控重金属镉积累差异的数量性状位点(QTL),该QTL在镉转运蛋白基因OsHMA3启动子存在籼粳亚种间的自然变异,从而部分导致了籼粳亚种间的镉积累差异。为了寻找籼粳亚种镉积累差异QTL,研究利用以镉高积累超级稻品种93-11和镉低积累品种培矮64S为亲本构建的重组自交系群体进行QTL分析,鉴定了3个QTLs,接着采用近等基因系分离群体对其中的一个QTL GCC7进行高密度图谱的精细定位,最终将目的基因限定在一个较小区间内。结合序列分析及转基因互补验证,该研究克隆了GCC7,发现GCC7在两品种间的差异主要体现在镉转运蛋白基因OsHMA3表达的差异。通过一系列的遗传、生理、生化等实验,该研究证明了OsHMA3启动子-683 bp至-557 bp区域的序列变异是导致两品种间OsHMA3表达差异的原因,从而最终导致镉积累的差异。该研究首次发现了籼粳亚种镉积累差异的分子遗传机制,并为降低籼稻籽粒镉积累提供切实可行的遗传改良方法,即通过杂交将粳稻OsHMA3低镉积累等位基因导入到籼稻品种中。(Wiley Online Library)
原文链接:onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.12794

揭示SULTR3在叶绿体硫酸盐吸收和ABA生物合成中的作用

硫是植物必需的常量营养元素并参与植物的许多生物过程。新的研究发现了 SULTR3s 对叶绿体硫酸盐的吸收及 ABA 生物合成的影响。该研究通过亚细胞定位发现 SULTR3 家族其他成员(SULTR3;2至SULTR3;5)与 SULTR3;1 一样定位于叶绿体。通过进一步构建 SULTR3 亚家族的双重、三重、四重和五重突变体,该研究发现所有 SULTR3 对叶绿体中硫酸盐吸收速率的贡献几乎相等,证明了所有 SULTR3 在硫酸盐跨越叶绿体膜转运过程中的功能冗余。与野生型相比,sultr3 五重突变体株系的叶绿体对硫酸盐的吸收减少了50%以上并且半胱氨酸和 ABA 的含量显著降低;硫酸盐、半胱氨酸和 ABA 含量中之间呈现正相关关系。除外,sultr3 五重突变体的种子萌发对外源 ABA 和盐胁迫的敏感性增加,而通过外源补充硫化物可以提高植株的抗性,这证实了 SULTR3 转运蛋白在 ABA 和盐胁迫响应中的作用。总之,该研究表明了 SULTR3 在叶绿体硫酸盐转运中的关键作用以及随后促进应激诱导的半胱氨酸合成、触发 ABA 生物合成以调节气孔关闭的重要作用。(Plant Physiology)
原文链接:www.plantphysiol.org/content/early/2019/03/05/pp.18.01439

微生物所揭示气孔在植物免疫中的新功能
气孔是由一对保卫细胞构成的植物叶表皮上的开孔,可响应环境因子刺激控制植物气体交换和水分蒸腾。作为植物表面的天然开孔,气孔也是许多病原菌入侵的通道,当然,植物也可以主动关闭气孔来阻止病原菌的入侵。最新研究发现,水稻Osaba1突变体对水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzaepv.oryzae, Xoo)的广谱性抗性是由于气孔开放程度(气孔导度)的增加引起的。人为降低该突变体的气孔导度可部分恢复其对白叶枯病菌的感病性。通过药物或环境因子诱导野生型植物气孔的开放也能增强水稻对白叶枯的抗性。与之对应,水稻气孔导度增加的突变体es1-1也同样表现出对白叶枯病的极强抗性。有趣的是,Osaba1和es1-1突变体对水稻细菌性条斑病菌(Xanthomonas oryzaepv.oryzicola, Xoc)也具有很强的抗性。进一步研究表明,开放的气孔赋予水稻对病原细菌的侵入后抗性,而这种抗性可能是气孔开放造成植物叶片水势降低所导致的。这项工作揭示了一个新的气孔参与植物免疫的方式,为研究植物、病原与环境三者互作提供了一个新的视角。(Molecular Plant-Microbe Interactions)
原文链接:apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/MPMI-06-18-0162-R

揭示植物叶绿体分裂调控的分子机制
叶绿体(Chloroplasts)为光合作用的发生提供场所,并负责合成脂肪及氨基酸,因此是藻类和植物细胞中必不可少的一类细胞器。最新的研究揭示了植物叶绿体分裂调控的的分子机理。研究人员首先选择了一种近年来发现的在细胞内表达更稳定、亮度更强的新型绿色荧光蛋白mNeonGreen (mNG),将之融合到 ARC3 蛋白的C端,构成了 ARC3-mNG 融合蛋白。通过构建由 ARC3 天然启动子介导的 ARC3-mNG 表达载体在 arc3 突变体中稳定表达的遗传材料,研究人员发现 ARC3-mNG 可以恢复 arc3 突变体中叶绿体分裂缺陷的表型。进一步的研究发现, ARC3-mNG 特异性的定位于叶绿体,并且其在叶绿体中呈现两种不同的分布形式:一种弥散的分布于叶绿体基质中;另外一种是在叶绿体分裂位点处形成类环状结构,并且在叶绿体分裂装置收缩(constriction)时仍然存在。基于所有的研究结果,研究人员提出了一个新的工作模型用以解释位于叶绿体分裂位点处的 ARC3 的功能及其活性调控的分子机理。该研究对于进一步了解植物叶绿体细胞器分裂的精细调控的分子机理有重要意义,同时相关的发现对原核细胞的细胞分裂的调控机制研究具有重大的启示意义。(The Plant Cell)
原文链接:www.plantcell.org/content/early/2019/03/01/tpc.18.00948

揭示作物离体细胞胚性分化启动机理
单个体细胞如何成为整株植物?这在科学界被认为是人类至今未解的25大科学之谜之一。最新的研究在探索这个秘密的道路上取得重要进展,研究发现并破解了能量细胞器在介导细胞极性建立、细胞命运改变和全能性表达方面的重要调控作用,进一步揭示了细胞全能性与植株再生机理。研究基于早期挖掘出的棉花体胚发生相关蛋白,进一步探讨了脂质转运蛋白(SE-associated lipid transfer protein, SELTP)和相应的淀粉酶调控棉花离体细胞胚性分化启动的细胞学过程与生物学功能,鉴定出体细胞胚性起始再分化的分子与生化标记。研究发现,在体胚分化过程中,脂质转运蛋白特异性地定位于细胞器淀粉体质膜上,组装的淀粉质体细胞器构成了细胞中强大的能量电池。两个显著的细胞事件决定了体细胞向胚性细胞的转变:首先脂质转运蛋白(SELTP)组装的淀粉体介导了体细胞进行不对称分裂,建立细胞极性;随后细胞中的淀粉体被激增的淀粉酶裂解,淀粉质体电池急剧放电,驱动细胞启动全能性,促进细胞胚性分化与植株再生。该研究将为现代高效植物细胞工程与作物无性精准育种提供创新性理论依据,同时也为棉花等作物细胞工程中胚性细胞的早期鉴定诊断提供了分子与生化标记工具。(Plant Biotechnology Journal)
原文链接:onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13107
 

来源:基因农业网

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