生物技术前沿一周纵览(2019年3月22日)

2019-03-22 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

揭示假基因化在植物适应性进化中的重要作用
基因数目的增加对生物生存繁衍具有重要意义,但长期以来被忽略的一个事实是基因数目减少同样也能产生重要的遗传变异,并对生物的生存及繁衍产生积极的效果。该研究利用拟南芥的群体基因组数据,运用群体遗传学及数量遗传学的方法,证实了“减少就是增加(less is more)”假说,阐明了假基因化对表型变异非常关键,而且揭示了1%的假基因化变异在群体里受到正选择,表明假基因化与基因重复一样,与适应性进化密切相关。特别需要指出的是,在1000多个全球分布的拟南芥自然品系的基因组中,有34%的基因没有发生假基因化突变,说明这些基因对于拟南芥在自然条件下生存繁衍是不可缺少的,也说明在自然界里基因组里的必需基因的数目远远大于实验室里估计的必需基因数目。该研究在全基因组水平上系统性地研究了植物假基因化的进化规律及机制,揭示了植物中基因功能缺失变异对植物进化的重要性,强调了基因数目的减少与增加一样都能对生物进化产生巨大的影响,增加与减少是相对的,核心是变异。(The Plant Cell)
原文链接:
www.plantcell.org/content/early/2019/03/18/tpc.18.00791


发现转座子变异提高植物适应能力
十字花科的 Capsella rubella 是一个二倍体物种,隶属于荠属而且是拟南芥的近缘种,是一个新近起源的物种,在其物种形成过程中,祖先物种 Capsella grandiflora 中的少数个体交配系统发生转变(从异交变为自交),从而形成了 C. rubella。物种形成过程中的极端瓶颈效应极大地降低了其遗传多样性,但其分布范围却比其祖先物种C. grandiflora大。研究通过比较C. rubella与其异交的祖先物种C. grandiflora,发现转座子(transposable elements, TEs)在自交物种C. rubella里高度富集,转座子变异促进了快速的表型变异,如TEs插入到开花时间相关基因FLC区域促进开花,早开花使这个物种能够适应地中海区域(夏季炎热干燥)。该研究揭示了在遗传多样性很低的物种里转座子的大量扩增能够快速产生遗传变异并导致关键适应性状(如开花时间)的变异,从而提高其适应能力。转座子的变异及其对适应性状的影响在一定程度上为解释生物入侵的遗传悖论提供了思路:转座子的“爆发”产生的遗传变异能使遗传多样性很低的物种在新的生境快速适应。(PNAS)
论文原文链接:
www.pnas.org/content/early/2019/03/13/1811498116


揭示病原真菌中麦角甾醇合成调控的新机制
禾谷镰刀菌是引起小麦赤霉病的重要病原真菌。在新的研究中,马忠华教授团队研究发现,SBI药剂能够诱导药靶标基因(FgCYP51s)高水平表达,进而引起病菌的耐药性。进一步解析药靶基因高表达的分子机制发现,SBI药剂能够激活病菌体内高渗透甘油(high osmolarity glycerol, HOG)激酶信号途径,该途径上被激活的 Hog1 激酶进入细胞核,进而磷酸化转录因子 FgSR,磷酸化的 FgSR 将染色质重塑复合体SWI/SNF 招募至药靶基因(FgCYP51s)的启动子区,对染色体进行重塑,引起药靶基因高水平转录。有趣的是,该类转录调控因子仅仅存在于粪壳菌纲(Sordariomycetes)和锤舌菌纲(Leotiomycetes)的真菌中,表明该转录因子SR有望成为治理真菌耐药性的关键靶点。该研究揭示了小麦赤霉病菌中一个新的转录因子被HOG信号途径磷酸化修饰后,招募染色质重塑复合体调控麦角甾醇合成的新机制。该研究结果为真核生物甾醇合成调控研究提供新视角。(Nature Communications)
论文链接:
www.nature.com/articles/s41467-019-09145-6


培育出高产高抗水稻新品系
抗病过程是一个耗能的过程,高抗的作物往往在产量相关性状上表现不好;而高产作物的品种也常常面临感病的问题。近期,南京农业大学杨东雷实验室研究发现 IPA1 可以参与调控水稻对白叶枯病的抗性,并利用病原菌特异诱导的启动子表达 IPA1 培育出高产高抗水稻新品系。研究人员发现 miR156 与 IPA1 等靶基因的表达水平在白叶枯病菌侵染时发生改变。进一步研究发现,IPA1 和 OsSPL7 与赤霉素抑制因子 SLR1 互作,延缓了赤霉素诱导的 SLR1 降解。多次检测高产的 ipa1-1D 与 ipa1-2D 的抗白叶枯病能力,发现它们与野生型具有相同的感病性。为了获得高抗与高产的水稻,研究人员利用白叶枯病菌TALE类效应因子诱导表达的 OsHEN1 的启动子启动 IPA1,获得了转基因水稻 OsHEN1::IPA1 (HIP)。在没有病原菌侵染时,类似 ipa1-1D 与 ipa1-2D, 这些转基因植株微量上调了IPA1的表达量,所以表现为少蘖,大穗,茎粗等表型,最终提高了产量。当有白叶枯病侵染时,IPA1 被强烈诱导表达,增强了抗病性。更重要的是在白叶枯病侵染时,HIP 转基因水稻也表现为高产。因此,该研究发现 miR156-IPA1 是生长与抗病交叉对话的重要调控因子,阐明了 IPA1 抗病的分子机制,并据此建立了一种培育高抗高产水稻新品种的育种方法。(Nature Plants)
原文链接:
doi.org/10.1038/s41477-019-0383-2


拟南芥P小体介导的选择性翻译的机制
埋藏在土壤中的发芽植物种子在出苗前从暗形态发生过渡到光形态发生。光改变了拟南芥幼苗暗-光转换期间的转录组,数千条 mRNA 的翻译效率大幅提升。新的研究发现,在p小体形成缺陷突变体dcp5-1(Decapping 5)在黑暗和光照条件下都表现出适应性降低。比较野生型和dcp5-1幼苗的转录组和翻译组分析显示,p小体可以减弱黑暗中特定 mRNA 的过早翻译,包括编码原叶绿素合成酶和使种子发芽产生顶端弯钩的生长素依赖的 PIN-LIKES3 的翻译。当幼苗从土壤中突出时,光信号的传导会导致p小体减少及变小,从而释放出原先暂时储存的翻译停滞的 mRNA 进行翻译。研究中也发现,这些特定的 mRNA 翻译产物是光形态发生时必需的蛋白质。当p小体形成缺失时,植物无法进行正常的暗形态发生和光形态发生。综上,当植物幼苗在黑暗中生长时,p小体会存储特定 mRNA 来减缓翻译,等接受到光信号时,这些 mRNA 并可以迅速释放出来合成蛋白质,进行光形态发生。让植物可以及时反应,应归环境的变化,增加适应力。(PNAS)
原文链接:
www.pnas.org/content/early/2019/03/07/1900084116.long


揭示ISWI蛋白催化染色质重塑的分子机理
ISWI驱动核小体在基因组DNA上滑动以重塑染色质结构,参与调控基因转录、异染色质形成、X-染色体失活及其它重要的核酸活动。本工作采用冷冻电镜技术解析了ADP-BeFx和ADP两种状态下染色质重塑蛋白ISWI与其底物核小体结合的高分辨结构。通过与核小体的相互作用,ISWI催化核心core2亚基发生148°的旋转,从而解除ISWI蛋白本身的自抑制,这一结构发现揭示了核小体激活ISWI的机理。进一步对比分析ADP-BeFx和ADP状态下ISWI-核小体复合物的结构差异,作者发现ATP水解后,核小体SHL2处DNA产生了1 bp隆起(核小体DNA的分辨率达到3.3 Å)。上述两个高分辨结构展示出染色质重塑过程中“DNA波”的具体存在形式,为理解ISWI发挥重塑功能的分子机理提供了结构生物学基础。ISWI的这一功能模式与陈柱成组同期发表的关于Snf2的工作机制高度相似,从而证明染色质重塑因子发挥功能具有一定的保守性。 (Nat. Struct. Mol. Biol)
论文链接:
www.nature.com/articles/s41594-019-0199-9


揭示细胞内RNA结构动态变化和调控
RNA结构是转录后调控的基础,对于RNA的合成(即转录)、加工(包括剪切、修饰等)、转运、翻译和降解等过程都起着重要调控作用。研究通过整合亚细胞分离技术与高通量RNA探测技术icSHAPE,解析了来自于人类和老鼠的两个不同细胞系染色体上,细胞核内与细胞质内三个组分的RNA结构。研究比较了不同亚细胞定位的RNA结构,并建立了RNA结构动态变化的位点图谱。通过关联研究,系统性分析了不同类型RNA修饰对RNA结构的影响,以及RNA结构和不同RNA结合蛋白(RBP)结合之间的相互关系。进一步,基于RNA的结构变化,将RNA的N6-甲基腺苷修饰(即m6A)的阅读器蛋白(reader)分成直接和间接阅读器(即结构阅读器)蛋白,以及阅读器和拮抗阅读蛋白。论文最后对新发现的m6A拮抗阅读蛋白LIN28A进行了验证。这项研究突出了RNA结构的动态变化特性,及其在基因调控中的功能意义。并深入解析了RNA结构动态变化的分子机制,特别是其与RNA修饰、RBP结合之间的相互关系。(Nature Structural & Molecular Biology)
论文链接:
www.nature.com/articles/s41594-019-0200-7

来源:基因农业网

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