生物技术前沿一周纵览(2019年6月3日)

2019-06-03 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览

 BR信号与环境氮素信号互作调控主根伸长

 

为探究在适度缺氮条件下影响植物根生长的分子机制,研究人员通过全基因组关联(GWAS)分析拟南芥中200个生态型在低氮(LN)和高氮(HN)条件的根长,初步定位了主根长度变化相关的基因位置。结合粗定位以及在低氮条件下突变体表型的验证,最终确定BSK3是适度低氮条件下影响主根长的主效基因。其中,测序发现BSK3一个错义突变位点(C956T),导致BSK3激酶区的亮氨酸(L)变为脯氨酸(P)。蛋白质单倍型分析在高低氮条件下,含有两个不同位点的生态型拟南芥的根长差异较大,即BSK3-L的根长明显长于BSK3-P的根长。为了进一步研究BSK3参与低氮条件下根长的调节机理,研究人员通过对低氮条件下生长的拟南芥进行BR处理发现主根及侧根对BR更加敏感,而施加BR的合成抑制剂BRZ后能够限制低氮所引起的长根表型,暗示BR在低氮影响根形态结构发生变化中起到重要作用。BSK3及同源基因(BSK4/7/8)是BR信号传导途径中关键基因,在受体到下游基因的级联信号转递中起到桥梁作用。在该研究中,研究人员构建了BSK3与同源基因的多重突变体,发现不论是BSK3单突还是多突的主根长或总根长在低氮条件下相对于高氮均未发生明显改变,表明BSK3突变对低氮信号不敏感。通过显微观察发现,BSK3及同源基因参与低氮条件下根长发生变化的主要原因是皮层细胞的长度变化而与分生组织大小无关。数据显示不同自然变异类型的BSK3参与BR信号以及低氮响应紧密相关系。除了BSK3,研究人员还发现BSK3的上游基因BAK1的表达受到低氮诱导,而且BAK1突变体的根长对低氮不敏感。这些遗传以及生理数据表明了依赖于BSK3BR信号途径参与调节低氮影响根长的响应。解析低氮信号分子机制为植物适应环境生长以及植物向化性研究提供更多分子基础和理论依据。同时,该研究结果为作物高效氮利用率育种提供了参考。Nature Communications

 

 

研究人员公布热带玉米高质量基因组

 

玉米是重要的粮食作物和饲料作物,对保障国家粮食安全、促进畜牧业发展等方面具有重要作用。研究人员以热带小粒玉米品种SK)为材料,组装了高质量的热带玉米参考基因组,其大小为2.32Gb, contig N50达到15.78Mb,共注释获得了43,271个基因。进一步利用热带玉米SK基因组,温带玉米B73Mo17基因组,以及521份玉米自交系的重测序数据,该研究共鉴定出了80,164个多态性结构变异,并构建了玉米的结构变异图谱,为玉米重要农艺性状相关基因的定位提供了重要参考。重要的是,该研究定位了一个同时控制粒型和粒重的数量遗传位点qHKW1,克隆了ZmBAM1d基因ZmBARELY ANY MERISTEM1d)。进一步研究发现,这个基因正向调控玉米粒重,且过表达和敲除这个基因对其它农艺性状没有影响。Nature Genetics 

 

 

 研究揭示了一种促进被子植物种间遗传隔离的分子机制

 

物种之间的遗传隔离是维持一个物种不与其他物种混杂的关键,有多种因素可以导致物种间的遗传隔离。研究团体前期发现了两个AtLURE1s成员,随后利用CRISPR/Cas9技术获得了AtLURE1家族全体成员均被敲除的突变体(atlure1),发现突变体植株仍然可以正常产生种子。进一步研究发现,若将拟南芥的花粉与另一种与拟南芥亲缘关系很近的物种琴叶拟南芥(A. lyrata)的花粉一起共同授于拟南芥的柱头上,在AtLURE1信号正常的植物中,拟南芥的花粉管被优先吸引,竞争性明显;而在缺失了AtLURE1信号的atlure1突变体植株中,拟南芥的花粉管被优先吸引的能力就显著降低。上述研究表明,AtLURE1s并不是拟南芥雌性器官分泌的吸引雄方花粉管的唯一信号,而是一类通过增加自身花粉管竞争能力、促进与亲缘关系相近物种产生遗传隔离的信号。该研究结果赋予了AtLURE1新的生物学功能,在分子层面上为达尔文在160年前用实验验证了的“同种花粉优先”现象提供了机制性解释。研究进一步发现拟南芥的雌性器官还可以分泌四个没有物种特异性的吸引花粉管的小肽信号,这几个小肽信号不仅可以吸引拟南芥的花粉管,还可以吸引其他近缘种如琴叶拟南芥和哈勒氏拟南芥(A. halleri)的花粉管。研究人员把这四个没有物种特异性的小肽命名为XIUQIU。这也解释了为什么在所有AtLURE1s基因被突变后,拟南芥的花粉管仍然能够找到胚珠、完成受精并产生种子。“绣球”小肽信号的发现极大地完善了小肽信号调控有花植物受精过程的作用模型。Science

 

 

结荚习性基因Dt2调控的分子信号网络及作用机制

 

大豆是重要农作物,其株型改良是提高大豆产量的重要途径。大豆中该习性分为三种:无限结荚习性,有限结荚习性以及半有限结荚习性。 研究人员使用RNA-sequencing,对特异过表达Dt2的茎尖分生组织的转录组进行挖掘,找到差异表达的下游基因。同时,该研究利用染色质免疫共沉淀测序(ChIP-Seq)技术,高效地在全基因组范围内检测到与Dt2互作的DNA区段,从而找到Dt2结合的靶基因。运用生物信息学的方法,结合ChIP-seqRNA-seq数据,该研究找到Dt2直接调控的基因和及其结合位点,并在qPCR和双荧光素酶系统等实验中得到了验证。除了调节开花基因外,Dt2还可以直接调节胁迫相关基因GmDREB1DGmGRP7的表达; 同时Dt2可以调控miRNA前体,从而影响发育、开花、胁迫相关靶基因的表达。Molecular Plant

 

 

研究团队育成系列水稻染色体片段代换系

 

水稻作为重要的粮食作物,大部分重要农艺性状都是由数量性状位点 (QTLs) 控制的。研究人员选取典型的粳稻品种日本晴、中国农业生产上大面积应用的籼稻品种93-11及含有籼、粳混合背景的不育系培矮64s为亲本,经过连续多年的回交和分子标记筛选,同时构建了3套染色体片段代换系,分别是93-11为背景的日本晴染色体片段代换系、93-11为背景的培矮64s染色体片段代换系和日本晴为背景的培矮64s染色体片段代换系。为了获得高质量的遗传图谱,研究人员对三套染色体片段代换系的每个株系进行全基因组重测序,绘制了三张高分辨率的遗传图谱。研究发现,三套染色体片段代换系分别含有310230367个替换片段,基因组覆盖率分别是97.3%87.3%88.8%。日本晴和93-11分别是水稻中第一个全基因组测序的粳稻和籼稻品种,培矮64s是具有籼稻和粳稻的混合遗传背景的两系光温敏不育系,培矮64s93-11组配的超级杂交稻两优培九在生产上曾有较大的种植面积。三个亲本遗传差异大,其配组的五套不同类型的遗传群体在株高、叶型、穗型和粒型等农艺性状上遗传变异大,有利于重要农艺性状的挖掘。含有相同遗传背景的染色体片段代换系也可以用于多基因聚合及基因互作研究,创制包含有多个重要性状基因的育种材料。因此,该团队构建的来自相同亲本不同类型的遗传群体能够优势互补,为基因挖掘和分子设计育种提供重要的平台。Rice 

 

 

细胞分裂素调控水稻锌平衡的机制

 

锌是人体必需而又易缺乏的营养元素,世界约20%的人口面临着锌吸收不足的威胁。研究人员以细胞分裂素缺失突变体ren1-D做为切入点,ren1-D在幼苗期表现出冠根数目变多和根长变长,该表型由T-DNA插入导致细胞分裂素脱氢酶OsCKX4激活造成,在ren1-D突变体中,根和茎中锌含量均显著增加。进一步实验发现,负责锌吸收的OsZIP家族转运蛋白、负责锌转运的OsHMA2和烟酰胺合成酶OsNAS的基因转录水平都受到细胞分裂素的严格调控。田间试验表明,在ren1-D突变体籽粒中Zn含量显著增加,而在OsCKX4 RNAi干涉株系及其同源基因OsCKX2敲除突变体等细胞分裂素增加材料的籽粒中锌含量均明显下降。这些结果表明,细胞分裂素在调控水稻对锌的吸收及转运中起重要调控作用。New Phytologist

 

 

蛋白磷酸酶TOPPs植物防御反应的重要调节组分

 

植物病害严重影响农作物的产量,研究植物免疫调控机制、培育抗病新品种具有重要的理论意义和应用价值。研究人员对矮化突变体topp4-1深入研究,发现正常(22℃)培养条件下topp4-1中多种防御相关基因被激活,并出现细胞死亡及活性氧积累等免疫自激活表型;高温(28℃)条件下这些免疫自激活表型可以被恢复。进一步研究发现,topp4-1中水杨酸积累,对丁香假单胞菌Pst DC3000的抗病性增强;遗传分析显示topp4-1介导的免疫自激活部分依赖于NDR1PAD4,以及水杨酸信号途径。同时,多重功能缺失变体topp1/4/5/6/7/8/9也表现出PR1等多种防御基因被激活,以及对Pst DC3000抗病性增强的表型。此外,该研究还发现TOPPs能与MPK3MPK4MPK6蛋白相互作用,且topp4-1突变体中持续激活的防御反应部分依赖于MPK4的下游元件MEKK2/MEKK3及抗病蛋白SUMM2Journal of Integrative Plant Biology 

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