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    生物技術前沿一周縱覽(2016年4月22日)

    2016-04-22 11:51 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽

     優質蛋白玉米胚乳修飾因子遺傳解析研究

     
    優質蛋白玉米(Quality Protein Maize, QPM)是以o2突變體為基礎選育的高賴氨酸硬質胚乳玉米,改善了非洲、亞洲等地的營養不良癥。然而半個多世紀以來,優質蛋白玉米其籽粒由軟質到硬質的選育過程中的遺傳調控機制尚不清楚,大大限制了QPM玉米育種商業化的進程。研究發現優質蛋白玉米胚乳發育過程中,27-kD γ-zein的轉錄和蛋白表達水平是野生型和o2 突變體的2-3倍,RNAi沉默發現優質蛋白玉米籽粒重新由硬質變為軟質,因此深入解析27-kD γ-zein的調控因子(qγ27)將有助于了解優質蛋白玉米胚乳發育過程中的遺傳調控機制。遺傳實驗證明了qγ27 為順式調控元件,屬于基因劑量效應調控,隨其劑量的增減影響其表達。利用熱帶、溫帶自然群體及B73×Mo17 (IBM) Syn10雙單倍體群體,結合SDS-PAGE檢測技術進行GWAS和QTL連鎖和關聯分析,同時構建(B73x Mo17)x B73回交群體鎖定qγ27 于100-kb區間范圍。最后結合Mo17基因組和BAC庫篩選測序,確定qγ27 為包含27-kD γ-zein基因本身的一段15.26kb拷貝數變異調控。該拷貝片段內共有4個基因發生了復制,進而提高了其表達量。其祖先大芻草中即已存在此片段,在育種商業化過程中受到了明顯的人工選擇。在此基礎上設計與qγ27 緊密連鎖的功能標記0707-1,利用不同的遺傳群體和突變體自交系驗證發現該標記與27-kDγ-zein基因蛋白表達正相關,為優質蛋白玉米分子標記育種提供了基礎。(PNAS
     
     
    轉錄調控在大豆籽粒馴化過程中的作用
     
    大豆是我國重要的糧食作物和經濟作物,高百粒重和高油含量是栽培大豆重要的農藝性狀和馴化特征。因此研究大豆的馴化機制,對于改善大豆的品質和增加大豆產量具有非常重要的意義。研究人員針對馴化過程中發育大豆種子的轉錄組特征展開了全面而深入的研究。通過測定和分析栽培大豆和野生大豆發育種子的40個轉錄組數據并通過基因共表達網絡分析發現,在馴化過程中基因表達量及共表達網絡發生了顯著變化,且基因表達量與網絡銜接顯著相關。3個基因集群模塊系統的基因表達量在栽培大豆中比野生大豆中顯著增加。其中2個基因集群模塊系統的基因表達量與網絡銜接顯著相關。從這2個基因集群中鑒定了栽培大豆特異的2個調控籽粒油分和粒重的共表達網絡。通過分析基因共表達網絡并結合已知的QTL位點信息,發現赤霉素合成基因GA20OX和轉錄因子基因NFYA的啟動子變異導致了它們的基因表達量變化?;蚬δ芊治龊完P聯分析表明,這2個基因的表達變化與種子百粒重和油含量呈正相關。這項研究揭示了大豆中通過基因表達進行籽粒性狀選擇的馴化機制,對于大豆育種具有潛在的實際意義。(Plant Journal
     
     
    在擬南芥中發現具有調控鐵平衡的作用的轉錄因子
     
    鐵作為許多功能蛋白的重要輔助因子,對于植物的生長發育起著極其重要的作用。在人類中,缺鐵是引起貧血癥的主要原因之一,而植物性食物是人類獲得鐵的主要來源,因此研究植物體內鐵的吸收、轉運以及調控的機制是非常重要的。研究人員發現擬南芥轉錄因子bHLH34和bHLH104通過介導bHLH38/39/100/101基因的轉錄從而正調控缺鐵響應過程。bhlh34,bhlh104和bhlh34bhlh104 突變體都表現出了典型的缺鐵癥狀,突變體中的缺鐵響應過程被破壞,缺鐵響應相關基因的表達顯著下調。而bHLH34和bHLH104的高表達則激活了植物的缺鐵響應并上調了缺鐵響應相關基因的表達。瞬時表達實驗表明bHLH34和bHLH104可以直接調控bHLH38/39/100/101的表達。bHLH101的高表達可以部分互補bhlh34bhlh104雙突變體的表型。(Plant Physiology
     
     
    超長鏈脂肪酸是植物細胞再生能力的信號分子
     
    植物的組織和器官具有很強的再生能力,即已分化的細胞在離體和活體條件下能夠獲得再生能力,再生出新的器官乃至完整個體。這種再生能力不僅是植物發育可塑性的根本,也是現代植物生物技術的基礎。然而,人們對于植物細胞如何獲得再生能力仍知之甚少。最新研究發現,超長鏈脂肪酸是限制植物中柱鞘類細胞獲得全能性和再生能力的重要信號分子。在超長鏈脂肪酸的合成存在缺陷時,擬南芥中柱鞘細胞形成愈傷組織的能力明顯增強,而施加超長鏈脂肪酸則能夠抑制中柱鞘細胞脫分化形成愈傷組織。進一步研究表明,超長鏈脂肪酸或其衍生物可能作為細胞層特異的信號物質,通過抑制細胞分生能力重要調控因子ALF4的表達而抑制中柱鞘類細胞形成愈傷組織,從而調控了植物器官的再生能力。該研究首次揭示了超長鏈脂肪酸或其衍生物能夠作為信號分子參與細胞命運及再生過程的調控,也對了解正常發育條件下動、植物體細胞命運的調控有重要啟示,同時對改進種質擴繁和轉基因等技術有指導意義。(PNAS
     
     
    Cpf1/CRISPR RNA復合物晶體結構解析
     
    CRISPR–Cpf1是2015年新發現的一種不同的CRISPR系統,Cpf1與Cas9在許多方面都存在差異,比如其向導RNA及底物特異性不同,具有實現更簡單、更精確基因組工程操作的潛力。本研究獲得了結合CRISPR RNA (crRNA)的毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium) ND2006 Cpf1 (LbCpf1)的晶體結構,分辨率達到2.38 Å。LbCpf1具有一種三角形體系結構,中心有一個大的正電荷通道。被LbCpf1的寡核苷酸結合結構域所識別,crRNA采用了一種高度扭曲的構象,廣泛的分子內互作和(Mg(H2O)6)2+離子對這一構象起穩定作用。LbCpf1的寡核苷酸結合結構域還包含一個環凸(looped out)螺旋結構域,其對于LbCpf1底物結合至關重要。結合crRNA或缺乏向導序列的crRNA均可誘導LbCpf1顯著的構象改變,但不能誘導LbCpf1低聚化。新研究揭示出了crRNA的識別機制,提供了crRNA引導LbCpf1底物結合的一些新見解,為設計改造LbCpf1提高基因編輯的效率和特異性建立了一個框架。(Nature
     
     
    新“生命樹”繪制完成
     
     “生命樹”將植物、動物和細菌的“血緣關系”聯系起來。隨著人類對物種的認識不斷豐富,生命樹也漸漸豐滿。研究人員新發現了1000多種新物種,大多數是細菌和被稱為古生菌的單細胞微生物,這也意味著新生命樹就此誕生。新生命樹是首個三維的基于基因組的生命樹。新物種的發現表明,大多數人類肉眼可見的生命只代表了地球上生物多樣性的很小一部分。新生命樹的繪制依賴于公開的基因組序列數據,新增的微生物來自不同的環境。為了確定彼此親緣并構建系統樹,研究人員比較了16個核糖體蛋白質的氨基酸序列。生命樹的新成員包括一群被稱為CPR(candidate phyla radiation)的細菌,它們形成了生命樹中的一個主要分枝。這群細菌包含了近一半的生物進化多樣性。(Nature Microbiology
     
     
    揭示重復基因表達分化的分子機制
     
    表達模式是基因的基本屬性,了解基因表達模式在進化中的改變及其分子機制是進化生物學研究的重要內容。然而,由于表達模式本身是個非常復雜的概念,前人對其進化分子機制的研究尚不深入,典型的例子并不多見。研究人員以擬南芥中的APETALA1(AP1)和CAULIFLOWER(CAL)基因為例,對重復基因表達分化的模式、過程和機制進行了研究?! ⊙芯堪l現,作為一對由基因組加倍事件產生的重復基因,AP1和CAL在表達的時、空、量上均有差異,而且這些差異與其調控區一些轉錄因子結合位點的存在與否有關。該研究結果不僅闡明了AP1和CAL表達分化的分子機制,而且揭示了調控元件和表達模式進化的過程和特點。特別值得一提的是,該研究表明重復基因的表達分化其實是一個非常復雜的動態過程,不能用簡單的經驗模型來解釋。研究結果對于理解基因表達進化的模式和機制具有重要意義,同時為深入理解重復基因的表達分化提供了新的思路。(Plant Physiology)
     
     
    闡明水生植被消退作用機制
     
    科研人員基于相關數據,通過統計分析和分類回歸樹模型,研究了太湖典型草型湖灣東太湖水生植被長期動態變化特征及影響因素,闡明了水生植被消退的作用機制。從1998~2014年東太湖水環境參數長期定位觀測數據發現,東太湖生境中氮磷營養鹽、懸浮物和藻類水生物顯著增加,透明度顯著下降,湖泊長期處于高水位運行,湖泊生境條件越來越不利于水生植物生長。2003~2014年MODIS影像揭示的水生植被出現頻次逐漸降低,水生植被低頻次水域也在逐漸擴大,水生植被和生態系統呈現快速退化趨勢。統計分析和分類回歸樹模型揭示,在總氮、總磷、溶解性總氮等生境因子中,氨態氮濃度、透明度與水位比值對水生植被出現頻次的解釋率高達60.1%,是決定東太湖水生植被消退的決定性因子。因此,減少營養鹽特別氨態氮輸入,在水生植物萌發的春季降低湖泊水位都可以有效地促進水生植物發育和生長,該結果可以用于指導我國受損湖泊生態系統進行以水生植物重建為主導的湖泊生態修復。(Scientific Reports
     
     

    來源:基因農業網

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