生物技术前沿一周纵览(2019年5月20日)

2019-05-20 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览(2019年5月20日)

氧气作为信号分子调控茎尖分生组织活性的分子机制

 

植物顶端分生组织Apical Meristem)主要是指维管植物根和茎顶端分生组织(RAMSAM),是产生和分化其他各种组织和器官的基础,对植物的生长与发育起到至关重要作用。拟南芥是研究分生组织理想的模型,目前对其研究也最为深入。该研究通过遗传报告基因、生化以及体内氧测量等方法发现了植物茎尖分生组织处于低氧微环境中,低氧环境决定了顶端茎分生组织的活性,是叶序发育不能缺少的条件;并揭示了氧气O2)作为扩散性信号分子通过N端降解依赖(N-degron,决定蛋白发生降解的N端序列要素)蛋白降解途径识别靶蛋白调控下游转录因子从而调节植物发育的分子机制。Nature

 

 

DELLA-ICE1-ABI5转录复合物调控植物ABA激素信号传导及种子萌发

 

种子萌发是开花植物生活史中的一个关键阶段,受到植物体内多种信号物质和外界环境因子的精密调控。研究人员发现ABI5ABSCISIC ACID INSENSITIVE5)蛋白能与低温响应的转录因子ICE1INDUCER OF CBF EXPRESSION1)相互作用形成复合物。ICE1基因在干种子中强表达,并受ABA激素的诱导。当ICE1功能缺失以后,ice1突变体对ABA更加敏感,表现为萌发率低;相反的是,当ICE1高表达以后,植物对ABA抗性增强,表现为萌发率高。进一步研究表明,一些ABA响应基因(LATE EMBRYOGENESIS ABUNDANT6/EM6EM1)的表达量在ice1突变体内显著增强,且ICE1蛋白可以直接结合到EM6EM1基因启动子上,并抑制它们的转录水平。遗传分析发现,ICE1负调控ABA信号转导过程依赖于ABI5转录因子。进一步原生质体实验分析发现,ICE1可拮抗ABI5调控下游ABA响应基因的表达。综上所述,ICE1转录因子可与ABI5DELLA蛋白相互作用形成转录复合物,从而精细调控ABA信号转导及种子萌发过程。The Plant Cell

 

 

TSG1基因控制水稻株型和穗型发育

 

生长素作为重要的植物激素,参与调控植物生长发育和环境适应性的复杂过程。研究人员通过EMS诱变筛选到一个水稻分蘖数明显增多、但是粒型减小的突变体,命名为tsg1 (tillering and small grain 1),并且进一步图位克隆了TSG1基因。该基因编码一个定位于内质网的色氨酸转氨酶,tsg1突变体中TSG1基因的第1340位核苷酸C突变为T,从而导致编码蛋白的第447位丙氨酸突变为缬氨酸,最终导致TSG1A447V失活。研究发现,tsg1对外源施加IAA和色氨酸转氨酶竞争性抑制剂犬尿氨酸L-kynurenine处理表现出了超敏感性,并且体内生长素含量明显降低。进一步利用基因编辑技术,敲除TSG1基因导致水稻分蘖数增多,每穗粒数减少,粒型减小。通过同源比对发现,水稻中含有三个TSG1同源基因,被命名为OsTAR1OsTARL1OsTARL2,分别敲除这三个同源基因,并没有引起明显的表型变化,但是TSG1/OsTAR1双突却加剧了TSG1突变的表型,且严重不育。这表明,水稻色氨酸转氨酶家族存在明显的基因冗余。进一步研究发现,虽然该家族四个成员亚细胞都定位于内质网上,但是只有TSG1OsTAR1表现出了显著的色氨酸转氨酶活性,TSG1的酶活更强,而OsTARL1OsTARL2丧失了酶活。与此一致的是,系统进化分析表明,TSG1OsTAR1OsTARL1OsTARL2可能在进化过程中发生了明显的功能分化。这些结果表明,TSG1基因主导水稻色氨酸转氨酶家族,在局部生长素合成中发挥主要作用。Journal of Integrative Plant Biology

 

 

ABA信号转导调控植物对干旱胁迫的耐受能力

 

细胞膜上的脱落酸ABA)信号转导是ABA信号转导的重要组成部分,具有C2结构域CARC2-domain ABA-related)蛋白在ABA受体招募到细胞膜以促进ABA信号传导中起重要作用,然而CAR蛋白自身是如何被调节的尚不清楚。研究通过对拟南芥突变体库干旱状态下叶表面温度进行筛选,鉴定到一个功能未知基因的突变体lot1。与野生型相比,lot1突变体的叶表面温度较低,蒸腾速率更快,对干旱胁迫更为敏感。研究人员通过酵母双杂交筛选拟南芥cDNA文库发现,LOT1CAR9蛋白相互作用。进一步研究发现,LOT1CAR9相互作用的位置主要发生在细胞核内,并且植物体内ABA能够通过第二信使Ca2+降低细胞核内LOT1-CAR9的亲和力,从而调控CAR9在细胞膜上的分布情况,进而在ABA早期信号转导过程中植物激素的级联放大作用中发挥一定功能。Molecular Plant 

 

柑橘果皮红色性状形成机制

 

柑橘果皮的颜色总是引人注意,但红色果皮形成的遗传机制尚不清楚。研究人员利用红橘(红色果皮)×枳(黄色果皮)的双假测交遗传群体和自然群体关联分析锁定到类胡萝卜素裂解酶编码基因CCD4b的顺式调控变异是红色果皮性状形成的主效遗传位点。基因功能验证表明,超表达CCD4b能够在愈伤中产生红色果皮大量积累的两种C30脱辅基类胡萝卜素(β-citraurin和β-citraurinene)。进一步的启动子活性和等位基因差异表达分析表明,红色果皮柑橘品种CCD4b基因启动子区域的MITE转座子中的SNP2G可能导致红色柑橘品种中CCD4b表达量的增强,进而促进红色物质C30脱辅基类胡萝卜素的合成。最后,系统进化树分析也暗示柑橘CCD4b启动子区域的变异是宽皮柑橘及其杂交种在长期进化过程中形成红色果皮性状的重要原因。Molecular Plant

 

 

遗传学筛选揭示参与RNA代谢和沉默机制的新基因

 

植物为了适应复杂多变的生长环境而进化各种适应机制,其中转录后基因沉默 (post-transcriptional gene silencing, PTGS) 是调控基因表达和适应环境的一种重要方式。研究团队为了探索siRNA介导的PTGS机理,发现了拟南芥中介导RNA代谢和沉默的三个全新的基因,RNA-URIDYLYLTRANSFERASE1 (UT1), C-TERMINAL DOMAIN PHOSPHATASE-LIKE3 (CPL3) RESURRECTION1 (RST1)。利用正向遗传方法对ERF6过表达植株(35S::ERF6-GR)进行EMS诱变,对基因突变体进行筛选,共筛选出12个能够抑制ERF6导致植株矮化的突变体。杂交之后鉴定出七个非等位基因,命名为sgi1-7。为了进一步鉴定这些基因的位置,该团队对各个突变体(Col-0)与Landsberg erecta-0品系杂交的F2代群体进行测序。序列分析以及突变分析鉴定出可能的相应致突变基因:XRN4/EIN5 (sgi), HST1 (sgi4), SKI2 (sgi5) 以及URT1 (sgi2), CPL3 (sgi3), RST1 (sgi6)EIN5, HST1以及SKI2已经被证实能够抑制PTGS调控。为了进一步确定URT1 (sgi2), CPL3 (sgi3), RST1 (sgi6) ERF6表达量的影响,该团队利用RNA blot 分析对ERF6 mRNA表达量进行了检测,结果显示当URT1 (sgi2), CPL3 (sgi3),RST1 (sgi6) 突变时,ERF6 mRNA 3‘端会被降解。3'-DNA末端快速扩增 (RACE) 分析进一步表明,这三个基因能够调控ERF6转录产物的稳定性,并且这种调控不是特异性的。除此之外,小RNA测序以及突变体杂交结果显示RT1 (sgi2), CPL3 (sgi3), RST1 (sgi6)的基因沉默是依赖siRNA介导的PTGS 研究通过对过表达生长抑制基因ERF6的正向遗传学筛选,鉴定得到六个突变。这些突变体能够通过诱导基因沉默的方式来弥补ERG6过表达造成的植株矮小。其中, CPL3, RST1URT1是新鉴定的能够抑制PTGS过程中的抑制子,能够保护转录本的3’末端,诱发siRNA的产生,从而引发RNA沉默机制。Nature Plants 

 

 

拟南芥GPA1介导植物免疫的新机制

 

组成的异三聚体G蛋白复合体是定位于动植物细胞膜内侧保守的信号转导中枢,其中亚基在控制G蛋白复合体的激活方面起到关键作用。研究首先通过反向遗传学方法证实了GPA1flg22信号转导通路中起正调控作用,并利用蛋白质磷酸化质谱技术检测到GPA1蛋白在响应flg22时的磷酸化动态改变,包括Thr19位点的去磷酸化和Thr15位点的磷酸化。随后通过使用泛磷酸化抗体确认了flg22会诱导GPA1蛋白整体磷酸化水平的增加。有趣的是,对Thr19位点进行磷酸化缺失或模拟组成型磷酸化突变均能阻断flg22诱导的GPA1磷酸化增加,表明GPA1响应flg22依赖于Thr19的本底磷酸化以及其去磷酸化的动态变化。进一步的体内和体外研究证据表明,flg22共受体BAK1很可能介导了GPA1的磷酸化。Thr19位点的动态磷酸化同时还影响了GPA1RGS1的解离,进而参与调控其激活。

整合本研究的发现与此前的文献报道,flg22激活GPA1的机制可大致勾勒如下:静息状态时,BAK1GPA1结合并通过本底的激酶活性介导了对GPA1 Thr19位点的本底磷酸化,同时RGS1GPA1结合以保持GPA1GDP的结合,从而抑制其激活。植物细胞识别细菌鞭毛flg22时会诱导GPA1 蛋白的Thr19位点快速去磷酸化,而flg22激活的BAK1则可以磷酸化GPA1上其它位点,使得GPA1能够与RGS1解离。flg22激活的BAK1同时也磷酸化RGS1,促进磷酸化的RGS1通过胞吞作用与GPA1发生分离,解除对GPA1的抑制作用而使其激活。激活的GPA1进而导致异三聚体G蛋白复合体解离,GPA1Gβγ(拟南芥中分别对应AGB1AGG)则各自参与下游的免疫信号转导,调控对细菌的免疫应答。JIPB

 

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