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    生物技術前沿一周縱覽(2019年5月6日)

    2019-05-06 13:35 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽(2019年5月6日)

     水稻分蘗調控新機制

     

    分蘗是決定水稻產量的核心要素之一。研究人員發現MOC3是一個具有轉錄激活活性的轉錄因子,并鑒定到了一個它的下游基因FON1,是擬南芥CLV1在水稻中的同源基因。MOC3能夠直接結合FON1的啟動子區并激活它的表達。FON1在分蘗芽部位表達,特異調控分蘗芽的伸長,而不影響分蘗芽的起始,并最終使得fon1突變體出現分蘗數目顯著減少的表型。進一步研究發現MOC3MOC1不但是分蘗芽起始的關鍵因子,而且能夠調控分蘗芽的伸長,而且MOC1可以和MOC3發生蛋白互作,并作為MOC3的共激活因子進一步增強FON1的表達。該研究建立了分蘗芽形成和伸長之間的分子調控網絡,并揭示了一條水稻中特異的WUS-CLV通路,表明單雙子葉植物在這一調控機制上存在分化,是該領域的一項重要進展。(Molecular Plant)

     

     

    激素調控網絡參與植物細胞或組織再生過程

     

    植物在復雜的自然環境中,常常面對蟲害、動物啃咬踐踏等生物脅迫以及風吹雨打等天氣環境導致的非生物脅迫。研究人員以擬南芥根尖為研究對象,通過建立了一種通過靶向清除擬南芥根分生組織中的單個細胞或細胞群的方法,首先通過遺傳及生理學方法驗證了茉莉酸可以通過SCR-RBR-ERF115分子模塊從而激活根干細胞組織中心QC的活性。為了進一步證明茉莉酸參與受傷后再生過程,研究人員通過茉莉酸處理切除小柱干細胞(CSCs)的根尖,發現茉莉酸可以顯著促進QC細胞分裂并修復受損的CSCs。證實了茉莉酸作為損傷信號參與根尖干細胞龕(Stem Cell Niche)的再生。此外,茉莉酸可以快速誘導ERF109的表達進而激活CYCD6;1轉錄以及損傷信號誘導生長素的局部積累,同樣可以激活CYCD6;1,激活的CYCD6;1對植物組織的再生起到關鍵作用。進一步研究結果表明,來自土壤的機械脅迫以及線蟲侵害能夠激活茉莉酸介導的再生信號途徑。Cell

     

     

    水稻miR528調節水稻開花時間

     

    miRNA作為一類真核生物中重要的轉錄后調控因子在植物生長、發育及環境適應性等諸多生物學過程中都發揮著重要的調節功能。MiR528是單子葉植物中特有miRNA成員,同時也是水稻中表達量最高的miRNA之一。研究人員分別從轉錄水平和轉錄后水平對水稻miR528的表達調控機制進行了系統性地研究。他們發現在轉錄水平上,水稻體內miR528表達受光誘導表達,并呈現晝夜節律性變化;在水稻從營養生長到生殖生長整個發育過程中,miR528表達也呈現隨發育時序逐漸升高的趨勢。此外,通過影響兩個MIR528轉錄本的可變剪切產物MIR528-T1MIR528-T2的比例,發育時序還可以在轉錄后水平上進一步精細調控水稻體內成熟miR528的水平。通過對水稻秈、粳亞種和野生稻中MIR528基因位點分析,研究人員發現MIR528啟動子區在水稻秈、粳亞種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秈稻中,而MIR528-A2等位主要存在于粳稻中。進一步分析發現,含有MIR528-A1等位的水稻品系中miR528水平要明顯高于含有MIR528-A2等位的水稻品系。隨后的研究表明,轉錄因子OsSPL9可以直接結合MIR528基因的啟動子區,并激活MIR528轉錄;而且OsSPL9MIR528-A1等位和MIR528-A2等位結合能力的差異,是導致秈稻(含MIR528-A1等位)中miR528表達水平要高于粳稻(含MIR528-A2等位)的重要原因。最后,研究者還發現miR528通過抑制靶mRNAOsRFI2的表達,從而影響水稻開花時間。Molecular Plant

     

     

    研究人員發現類受體激酶SERKs控制擬南芥胚胎維管前體和基本組織干細胞的分裂模式

     

    被子植物擬南芥雙受精產生的合子通過一系列有序的、可預測的分裂分化形成含有不同組織的成熟胚胎,然而調控擬南芥胚胎中維管組織和基本組織形成的分子機理還不是很清楚。研究人員通過遺傳學、細胞生物學和分子生物學方法發現serk1 serk2 bak1三重缺失突變體胚胎具有較少的皮層、內皮層和維管組織細胞,證明SERKs調控擬南芥球形期中期胚胎中維管前體的分裂和心形期早期胚胎中基本組織干細胞的分裂,且YDA-MKK4/5級聯反應可能在SERKs下游調控胚胎發育。研究證明了擬南芥受體激酶SERKs在胚胎發生過程中調控維管前體和基本組織干細胞的分裂模式。該工作讓我們對雙子葉植物胚胎發生過程中干細胞分裂的調控機制有了更加深入的了解。(Molecular Plant

     

     

     SMC5/6復合物亞基NSE4A參與DNA損傷修復和種子發育

     

    真核生物的基因組被組裝成高度有序而又動態變化的染色體,染色體這種高級結構的形成需要一類被稱為染色體結構維持的復合物(Structural Maintenance of Chromosome,  SMC)。擬南芥基因組包含兩個NSE4的編碼基因,分別命名為NSE4ANSE4B,進化分析表明這兩個基因起源于4700萬年前的全基因組重復事件。研究者分別分析了這兩個基因的各兩個T-DNA突變體的表型,nse4a-1的插入位點在第二個外顯子,該突變體純合致死,雜合狀態有28.8%的種子不育,而nse4a-2的插入位點是最后一個外顯子,是一個弱突變,純合突變體有53.4%的種子敗育。敗育種子的發育過程停滯在心形胚或者心形胚向魚雷形胚轉換的過程。而nse4b-1 nse4b-2完全可育,nse4a-2 nse4b-2雙突變體的表型也更像nse4a-2單突的表型,表明NSE4ANSE4B兩個旁系同源基因并不功能冗余,可能是由于NSE4B的表達相對較弱造成的。接下來,研究者分析了NSE4A在體細胞DNA損傷修復過程中的作用。首先,研究者發現NSE4A的表達可以被基因毒劑zebularinebleocin所誘導。其次nse4a-2的生長對于zebularine MMS的處理非常敏感。Zebularine處理使得莖尖分生組織的面積降低了31%,同時使得細胞周期的G2期大達延長。同時對zebularine處理前后的材料進行轉錄組分析表明,zebularine處理使得nse4a-21374個基因上調,773個基因下調,這些上調的基因包含了許多DNA損傷修復所必須的基因,說明NSE4A的突變激活了植物的DNA損傷修復反應。最后Y2H, BiFCCo-IP等實驗表明NSE4A可以和SMC5/6復合體中的 NSE3以及SMC5亞基進行相互作用。這些結果表明,NSE4A參與SMC5/6復合體的形成,從而發揮修復DNA損傷的功能。The Plant Cell

     

     

    DNA甲基化抑制REF6與靶基因位點的結合

     

    研究人員研究發現REF6蛋白C端的串聯鋅指結構域(ZnF, zinc-finger domains)是其發揮功能所必須的。缺失串聯鋅指結構域后,REF6蛋白仍有H3K27me3去甲基化的酶活性,但不能找到其靶基因位點。進一步研究發現,REF6可以通過自身的串聯鋅指結構域識別特異DNA基序CTCTGYTY,從而實現位點特異性的H3K27me3去甲基化。REF6更傾向于結合在CTCTGYTY基序密集而且染色質處于活躍狀態的區域。最新的研究發現,REF6優先結合低甲基化的CTCTGYTY基序,并且CHG甲基化降低REF6結合DNA的親和力。同時,結構生物學分析發現,5-甲基胞嘧啶不利于REF6與靶基因的結合,降低了REF6結合能力。在非CG甲基化顯著減少的drm1 drm2 cmt2 cmt3ddcc)四重突變體中,REF6可以結合一些新的靶基因位點,其大多數位于常染色質區域中的短TE中或與之相鄰。Nature Communications

     

     

    PPR“開關”調控葉綠體外源基因的表達

     

    基因槍和同源重組技術的發展,使得對葉綠體基因組的編輯成為可能。研究人員設計了一套全新的PPR10*atpH葉綠體轉基因的誘導表達系統,包含兩個關鍵組分:1)可誘導的/組織特異的啟動子+改造的PPR10*  2) PPR10*的識別序列+需要在葉綠體中表達的外源基因。研究者選擇了研究較透徹的玉米PPR10蛋白:PPR10由核基因組編碼、帶有進入葉綠體的導肽,它識別并結合葉綠體基因atpHRNA上游一段20bp的序列,結合后可以阻礙5′→3′ 核糖核酸外切酶降解該RNA,并能增強翻譯效率,由此提高atpH基因的表達水平。之前的核糖體印記分析表明,PPR10缺失后、atpH的表達降低了70倍。另一方面,atpHmRNA也是玉米幼苗的葉片內翻譯效率最高的蛋白。同時研究者對玉米PPR10的關鍵識別基序進行定點突變,獲得突變后的PPR10*PPR10*識別新的RNA序列,該序列預測(幾乎)不會被煙草自身編碼的PPR蛋白識別。因此,在PPR10*不表達時,外源轉入基因的RNA不能被煙草的PPR識別、表達量極低;當PPR10*表達時,PPR10*進入葉綠體、特異地結合到預測的識別序列上,極大促進位于該識別序列下游的外源基因表達。為驗證該策略的可行性,研究者測試了兩種PPR10*PPR10GG PPR10AA),分別用它們誘導位于 ‘GG site’ 和 ‘AA site’下游的報告基因(GFP)表達。其中誘導型啟動子接PPR10*轉入一組煙草的核基因組, GG site /AA site接報告基因轉入另一組煙草的葉綠體(使用aadA篩選標記),通過雜交獲得雙轉的植株。驗證結果表明,外源基因的表達量與PPR*的表達量成倍數關系,且可變范圍非常大(在PPR10*表達量最高的株系中,報告基因的豐度,較無PPR10*時上升超過40倍、蛋白量達到可溶性蛋白總量的25%,且還有上升潛力)。這既是精細調控轉葉綠體基因的表達水平的有力工具,更為葉綠體基因組的研究和應用開辟了新可能。Nature Plants

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