生物技术前沿一周纵览(2019年5月6日)

2019-05-06 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览(2019年5月6日)

 水稻分蘖调控新机制

 

分蘖是决定水稻产量的核心要素之一。研究人员发现MOC3是一个具有转录激活活性的转录因子,并鉴定到了一个它的下游基因FON1,是拟南芥CLV1在水稻中的同源基因。MOC3能够直接结合FON1的启动子区并激活它的表达。FON1在分蘖芽部位表达,特异调控分蘖芽的伸长,而不影响分蘖芽的起始,并最终使得fon1突变体出现分蘖数目显著减少的表型。进一步研究发现MOC3MOC1不但是分蘖芽起始的关键因子,而且能够调控分蘖芽的伸长,而且MOC1可以和MOC3发生蛋白互作,并作为MOC3的共激活因子进一步增强FON1的表达。该研究建立了分蘖芽形成和伸长之间的分子调控网络,并揭示了一条水稻中特异的WUS-CLV通路,表明单双子叶植物在这一调控机制上存在分化,是该领域的一项重要进展。(Molecular Plant)

 

 

激素调控网络参与植物细胞或组织再生过程

 

植物在复杂的自然环境中,常常面对虫害、动物啃咬践踏等生物胁迫以及风吹雨打等天气环境导致的非生物胁迫。研究人员以拟南芥根尖为研究对象,通过建立了一种通过靶向清除拟南芥根分生组织中的单个细胞或细胞群的方法,首先通过遗传及生理学方法验证了茉莉酸可以通过SCR-RBR-ERF115分子模块从而激活根干细胞组织中心QC的活性。为了进一步证明茉莉酸参与受伤后再生过程,研究人员通过茉莉酸处理切除小柱干细胞(CSCs)的根尖,发现茉莉酸可以显著促进QC细胞分裂并修复受损的CSCs。证实了茉莉酸作为损伤信号参与根尖干细胞龛(Stem Cell Niche)的再生。此外,茉莉酸可以快速诱导ERF109的表达进而激活CYCD6;1转录以及损伤信号诱导生长素的局部积累,同样可以激活CYCD6;1,激活的CYCD6;1对植物组织的再生起到关键作用。进一步研究结果表明,来自土壤的机械胁迫以及线虫侵害能够激活茉莉酸介导的再生信号途径。Cell

 

 

水稻miR528调节水稻开花时间

 

miRNA作为一类真核生物中重要的转录后调控因子在植物生长、发育及环境适应性等诸多生物学过程中都发挥着重要的调节功能。MiR528是单子叶植物中特有miRNA成员,同时也是水稻中表达量最高的miRNA之一。研究人员分别从转录水平和转录后水平对水稻miR528的表达调控机制进行了系统性地研究。他们发现在转录水平上,水稻体内miR528表达受光诱导表达,并呈现昼夜节律性变化;在水稻从营养生长到生殖生长整个发育过程中,miR528表达也呈现随发育时序逐渐升高的趋势。此外,通过影响两个MIR528转录本的可变剪切产物MIR528-T1MIR528-T2的比例,发育时序还可以在转录后水平上进一步精细调控水稻体内成熟miR528的水平。通过对水稻籼、粳亚种和野生稻中MIR528基因位点分析,研究人员发现MIR528启动子区在水稻籼、粳亚种和野生稻中存在典型的分化,其中MIR528-A1等位主要存在于野生稻和籼稻中,而MIR528-A2等位主要存在于粳稻中。进一步分析发现,含有MIR528-A1等位的水稻品系中miR528水平要明显高于含有MIR528-A2等位的水稻品系。随后的研究表明,转录因子OsSPL9可以直接结合MIR528基因的启动子区,并激活MIR528转录;而且OsSPL9MIR528-A1等位和MIR528-A2等位结合能力的差异,是导致籼稻(含MIR528-A1等位)中miR528表达水平要高于粳稻(含MIR528-A2等位)的重要原因。最后,研究者还发现miR528通过抑制靶mRNAOsRFI2的表达,从而影响水稻开花时间。Molecular Plant

 

 

研究人员发现类受体激酶SERKs控制拟南芥胚胎维管前体和基本组织干细胞的分裂模式

 

被子植物拟南芥双受精产生的合子通过一系列有序的、可预测的分裂分化形成含有不同组织的成熟胚胎,然而调控拟南芥胚胎中维管组织和基本组织形成的分子机理还不是很清楚。研究人员通过遗传学、细胞生物学和分子生物学方法发现serk1 serk2 bak1三重缺失突变体胚胎具有较少的皮层、内皮层和维管组织细胞,证明SERKs调控拟南芥球形期中期胚胎中维管前体的分裂和心形期早期胚胎中基本组织干细胞的分裂,且YDA-MKK4/5级联反应可能在SERKs下游调控胚胎发育。研究证明了拟南芥受体激酶SERKs在胚胎发生过程中调控维管前体和基本组织干细胞的分裂模式。该工作让我们对双子叶植物胚胎发生过程中干细胞分裂的调控机制有了更加深入的了解。(Molecular Plant

 

 

 SMC5/6复合物亚基NSE4A参与DNA损伤修复和种子发育

 

真核生物的基因组被组装成高度有序而又动态变化的染色体,染色体这种高级结构的形成需要一类被称为染色体结构维持的复合物(Structural Maintenance of Chromosome,  SMC)拟南芥基因组包含两个NSE4的编码基因,分别命名为NSE4ANSE4B,进化分析表明这两个基因起源于4700万年前的全基因组重复事件。研究者分别分析了这两个基因的各两个T-DNA突变体的表型,nse4a-1的插入位点在第二个外显子,该突变体纯合致死,杂合状态有28.8%的种子不育,而nse4a-2的插入位点是最后一个外显子,是一个弱突变,纯合突变体有53.4%的种子败育。败育种子的发育过程停滞在心形胚或者心形胚向鱼雷形胚转换的过程。而nse4b-1 nse4b-2完全可育,nse4a-2 nse4b-2双突变体的表型也更像nse4a-2单突的表型,表明NSE4ANSE4B两个旁系同源基因并不功能冗余,可能是由于NSE4B的表达相对较弱造成的。接下来,研究者分析了NSE4A在体细胞DNA损伤修复过程中的作用。首先,研究者发现NSE4A的表达可以被基因毒剂zebularinebleocin所诱导。其次nse4a-2的生长对于zebularine MMS的处理非常敏感。Zebularine处理使得茎尖分生组织的面积降低了31%,同时使得细胞周期的G2期大达延长。同时对zebularine处理前后的材料进行转录组分析表明,zebularine处理使得nse4a-21374个基因上调,773个基因下调,这些上调的基因包含了许多DNA损伤修复所必须的基因,说明NSE4A的突变激活了植物的DNA损伤修复反应。最后Y2H, BiFCCo-IP等实验表明NSE4A可以和SMC5/6复合体中的 NSE3以及SMC5亚基进行相互作用。这些结果表明,NSE4A参与SMC5/6复合体的形成,从而发挥修复DNA损伤的功能。The Plant Cell

 

 

DNA甲基化抑制REF6与靶基因位点的结合

 

研究人员研究发现REF6蛋白C端的串联锌指结构域(ZnF, zinc-finger domains)是其发挥功能所必须的。缺失串联锌指结构域后,REF6蛋白仍有H3K27me3去甲基化的酶活性,但不能找到其靶基因位点。进一步研究发现,REF6可以通过自身的串联锌指结构域识别特异DNA基序CTCTGYTY,从而实现位点特异性的H3K27me3去甲基化。REF6更倾向于结合在CTCTGYTY基序密集而且染色质处于活跃状态的区域。最新的研究发现,REF6优先结合低甲基化的CTCTGYTY基序,并且CHG甲基化降低REF6结合DNA的亲和力。同时,结构生物学分析发现,5-甲基胞嘧啶不利于REF6与靶基因的结合,降低了REF6结合能力。在非CG甲基化显着减少的drm1 drm2 cmt2 cmt3ddcc)四重突变体中,REF6可以结合一些新的靶基因位点,其大多数位于常染色质区域中的短TE中或与之相邻。Nature Communications

 

 

PPR“开关”调控叶绿体外源基因的表达

 

基因枪和同源重组技术的发展,使得对叶绿体基因组的编辑成为可能。研究人员设计了一套全新的PPR10*atpH叶绿体转基因的诱导表达系统,包含两个关键组分:1)可诱导的/组织特异的启动子+改造的PPR10*  2) PPR10*的识别序列+需要在叶绿体中表达的外源基因。研究者选择了研究较透彻的玉米PPR10蛋白:PPR10由核基因组编码、带有进入叶绿体的导肽,它识别并结合叶绿体基因atpHRNA上游一段20bp的序列,结合后可以阻碍5′→3′ 核糖核酸外切酶降解该RNA,并能增强翻译效率,由此提高atpH基因的表达水平。之前的核糖体印记分析表明,PPR10缺失后、atpH的表达降低了70倍。另一方面,atpHmRNA也是玉米幼苗的叶片内翻译效率最高的蛋白。同时研究者对玉米PPR10的关键识别基序进行定点突变,获得突变后的PPR10*PPR10*识别新的RNA序列,该序列预测(几乎)不会被烟草自身编码的PPR蛋白识别。因此,在PPR10*不表达时,外源转入基因的RNA不能被烟草的PPR识别、表达量极低;当PPR10*表达时,PPR10*进入叶绿体、特异地结合到预测的识别序列上,极大促进位于该识别序列下游的外源基因表达。为验证该策略的可行性,研究者测试了两种PPR10*PPR10GG PPR10AA),分别用它们诱导位于 ‘GG site’ 和 ‘AA site’下游的报告基因(GFP)表达。其中诱导型启动子接PPR10*转入一组烟草的核基因组, GG site /AA site接报告基因转入另一组烟草的叶绿体(使用aadA筛选标记),通过杂交获得双转的植株。验证结果表明外源基因的表达量与PPR*的表达量成倍数关系,且可变范围非常大(在PPR10*表达量最高的株系中,报告基因的丰度,较无PPR10*时上升超过40倍、蛋白量达到可溶性蛋白总量的25%,且还有上升潜力)。这既是精细调控转叶绿体基因的表达水平的有力工具,更为叶绿体基因组的研究和应用开辟了新可能。Nature Plants

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