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    生物技術前沿一周縱覽(2019年6月10日)

    2019-06-11 13:34 | 作者: 基因農業網 | 標簽: 生物技術前沿一周縱覽(2019年6月10日)

     生物技術前沿一周縱覽(2019610日)

     

    研究人員成功克隆一個重要的小麥抗赤霉病基因

     

    小麥赤霉病是由真菌鐮刀菌引起的最具毀滅性的世界性小麥病害,堪稱小麥癌癥。研究以我國江蘇高抗赤霉病品種“望水白”和“蘇麥3號”為研究材料,克隆了小麥中抗赤霉病基因Fhb1。研究發現,該基因編碼一個注釋為富含組氨酸的鈣離子結合蛋白(Histidine-rich calcium-binding protein, His)。植物His同源基因的編碼產物氨基端(N-端)序列和整個蛋白結構高度保守;在六倍體普通小麥中,His基因的Fhb1變異賦予了小麥赤霉病抗性。該團隊分析了643份普通小麥品種中Fhb1基因對應染色體區段的遺傳變異,發現Fhb1基因很可能起源于我國長江中下游地區,是我國特有的優異小麥基因資源。該區域歷來是赤霉病流行和爆發的區域,強大的選擇壓提供了抗赤霉病自然突變被保留下來的條件。Fhb1基因不僅可以提高小麥對赤霉病的抗性,在其它植物中利用該基因也有可能提高抗病能力。該研究為進一步揭示小麥抗赤霉病的分子機制奠定了重要基礎。Nature Genetics

     

     

    植物轉錄增強子調控基因轉錄的機理研究取得重要進展

     

    轉錄增強子是調節基因轉錄的重要作用元件,它與相應的啟動子連接生成三維空間結構即染色質環。茉莉酸(JA)是來源于不飽和脂肪酸的植物免疫激素,通過啟動全基因組轉錄重編程來調節植物免疫及可塑性生長。研究通過分析MYC2MED25在全基因組范圍內的靶標序列,鑒定了MYC2JA信號途徑的增強子元件(JA enhancers, JAE)。該研究發現,JA以依賴于MED25的方式調控JAE及其啟動子之間的染色質環的形成。深入的研究發現,MYC2能夠通過多個JAE調控自身的基因表達。MYC2基因座上游有一個位于基因間區的JAE,命名為 ME2。令人感興趣的是,ME2對于MYC2的轉錄具有非常精巧的雙重調控作用。在短期JA反應中ME2正調控MYC2表達,而在持續JA反應中負調控MYC2表達。該研究利用基因編輯技術解析了植物利用增強子控制茉莉酸信號的機制,為研究植物增強子在調節特定生理過程中的功能提供了范例。Nature Plants

     

     

    植物線粒體活性氧穩態調控新機制

     

    活性氧(Reactive oxygen species, ROS)在植物的各種生命活動中,包括生長、發育、抵御外界生物/非生物脅迫,以及程序性細胞死亡(programmed cell death, PCD)中,起到非常重要的作用。研究人員鑒定了一個新的mod1抑制突變體som592,該突變體中編碼線粒體膜NAD+通道蛋白的基因NDT2發生突變,降低由mod1突變引發的線粒體ROS的產生,從而抑制mod1中程序性細胞死亡的發生,證明了線粒體從細胞質吸收NAD+到線粒體基質這一過程對線粒體ROS的產生以及程序性細胞死亡的調控至關重要。進一步研究發現,在mod1突變體中,通過NAD+從細胞質到線粒體基質的內運增加,從而使得線粒體 NADH/NAD+的總量顯著提高。增加的線粒體 NADH/NAD+總量加快了從蘋果酸到NADH的電子流速率,進而調控線粒體ROS的產生,而NDT2的突變使得植物喪失了這種應激性的NAD+從細胞質向線粒體內的運輸,從而阻斷了由mod1突變引發的PCD。此外,線粒體的這種應激性的NAD+內運也參與了植物在連續光周期條件下對ROS的調控。(Science China Life Sciences)

     

     

    植物開花的調控新機制

     

    開花時間直接影響植物的生長和繁衍。赤霉素(GA)途徑也對植物開花起重要作用,研究人員GA信號和MYC3的互作關系進行了研究。研究發現,GA可通過下調MYC3的蛋白水平促進擬南芥開花,進一步利用不同突變體材料和生化實驗發現,GA信號途徑的關鍵調控因子DELLA蛋白與MYC3互作,穩定MYC3蛋白。進一步研究發現,光周期途徑的重要調控因子CO蛋白與MYC3相互拮抗調控擬南芥開花時間。短日照下,DELLAMYC3蛋白豐度比CO高,MYC3競爭性的結合到FT啟動子,抑制起表達;而在長日照下,GA含量升高導致DELLA降解,從而降低了MYC3的蛋白水平,此時CO起主要作用,促進FT的表達。bHLH類型MYC轉錄因子在被子植物中廣泛保守,參與植物的生長和防御反應。FT啟動子上MYC3結合位點發生自然變異,而MYC3不發生改變,這或許是一種重要的適應機制。這種機制只影響開花途徑,不影響生長發育。綜上,該研究揭示了一個MYC3-FT模塊,其具有保守性并在開花植物的光周期響應中起作用。Development Cell

     

     

    研究人員破解亞非稻種間生殖隔離之謎

     

    稻屬由23個種組成,其中栽培水稻分為亞洲栽培稻(Oryza sativa)和非洲栽培稻(O. glaberrima)兩個種(合稱“亞非稻”),其余均為野生稻種。亞非稻種間雜種具有強大的雜種優勢,但種間生殖隔離導致雜種不育和結實率低,無法體現雜種的產量優勢。S1座位是引起亞非稻種間雜種不育的最重要遺傳座位,其作用可導致雜種中含亞洲稻型等位基因(S1-s)的雌配子和雄雄配子選擇性敗育,在后代群體產生嚴重的等位基因偏態遺傳(偏向非洲型等位基因S1-g)。因此,S1-g是一個典型的自私基因座,對種間分化起重要作用,但其分子遺傳機制一直不清楚。為了明確S1A4-S1TPR-S1A6三基因S1復合遺傳座位的起源與分化,研究人員分析了這三個基因在不同稻種的分布。結果顯示,古大陸祖先型S1TPR通過單堿基突變產生了變異基因型S1TP(具有提前終止密碼),該變體可能在古大陸分裂時期通過某一遺傳瓶頸,最終遷移到亞洲大陸板塊分布的普通野生稻(O. rufipogon)和亞洲栽培稻種中固定下來。而非洲稻型S1A4-S1TPR-S1A6變體的起源則涉及祖先型S1TPR在古大陸的堿基變異和新基因S1A4S1A6S1TP兩旁的插入,以及這些中間產物的多次重組,形成功能性變體進入非洲栽培稻的相關野生祖先種(如O. bathii),并最終固定在非洲栽培稻。研究結果支持亞洲稻和非洲稻獨立起源,平行演化的可能性,同時也支持稻屬可能起源于大陸漂移前后的古大陸時期的假說。Nature Communications

     

     

    SI同源基因在自交親和型煙草中賦予同種花粉競爭優勢

     

    茄科煙草屬植物Nicotiana attenuata是產自北美的一種野生煙草,表現為自交親和,種子中僅有大約30%由偶然的雜交產生。有意思的是,Nicotiana attenuata的柱頭對來自自身或其他生態型的花粉都是親和的,但當多基因型的花粉同時被授到Nicotiana attenuata柱頭上時,來自自身的花粉會表現出受精優勢。研究發現在自交親和的茄科植物Nicotiana attenuata的基因組中,也存在SI相關基因的同源基因,其中包括兩個S-like-RnasesNaS-like-RNases)。不同于SI群體中S-RNase復等位基因的高度多態性,在26N. attenuata自然群體中,一共僅發現兩種NaS-like-Rnases等位基因(NaS-like-RNase12)。重要的是,研究人員發現,NaS-like-RNase蛋白在不同種群柱頭中的表達豐度差異很大,并且該值與種群是否表現“同種花粉優先”的性狀相關。隨后的RNAi實驗證明,NaS-like-RNase1  2控制著“同種花粉優先”性狀,當沉默它們的表達時,植株失去對不同花粉的選擇效應。在自交不親和的茄科植物中,花粉表達的SLF蛋白和SSK1, CUL1蛋白組成SCFSLF復合體,負責解除親和雌蕊中表達的S-RNase對花粉管的抑制作用。研究證明,當多種花粉同時被授到N. attenuata柱頭上時,植株優先選擇來自S-like-Rnases表達水平與自身相似的植株的花粉。Current Biology

     

     

    研究人員成功克隆控制稻米蒸煮與食味品質最重要基因Wxlv

     

    水稻是我國最重要的糧食作物。研究人員從一個地方秈稻品種中圖位克隆了控制稻米高直鏈淀粉、低粘滯性(Low Viscosity, LV)的主效基因,證明該基因為Wx的一個特異等位基因,命名為Wxlv。與控制高直鏈淀粉含量的Wxa等位基因相比,Wxlv10外顯子一個單堿基差異造成其編碼的GBSSI415殘基由絲氨酸變為脯氨酸,改變了該酶的磷酸化,使酶活性明顯增強,從而使胚乳中合成更多中短分子量的直鏈淀粉。這是導致含Wxlv稻米在蒸煮過程中難以徹底糊化而造成低淀粉粘滯性、米飯口感變差的根本原因。進一步研究發現,在具中低直鏈淀粉含量的Wx等位基因中引入該功能位點,可用于優良食味稻米的培育。通過對近千份野生稻和栽培稻種質資源中Wx基因序列的遺傳多樣性和分子序列進化分析,證明Wxlv與野生稻中Wx基因序列及功能基本一致,在進化中屬于祖先基因。攜帶來自野生稻Wxlv-w單倍型的稻米表現為高直鏈淀粉含量和低淀粉粘滯特性,米飯口感和食味較差。栽培稻中的秋稻和少數秈稻品種中含有Wxlv等位基因,而栽培稻中其它Wx等位變異類型都是從其進化或人工選擇而來。研究表明,在栽培稻的起源和進化過程中,首先從野生稻的Wxlv-w單倍型進化為栽培稻中的Wxlv單倍型,雖然非編碼區核苷酸序列發生了一些改變,但仍保留了原有的功能,這類稻米的蒸煮食味品質較差。栽培稻中的Wxlv等位基因可細分為4種單倍型,現有栽培稻品種中的WxbWxin等位基因分別從第IWxlv單倍型中進化而來,而Wxa則來自第IIWxlv單倍型;粳型軟米和秈型軟米中的WxmpWxop具有不同的選擇路徑,分別從Wxb和第IVWxlv單倍型經點突變選擇產生;絕大多數糯稻中的wx變突都源于Wxb。有趣的是,這些等位基因具有明顯的優勢地理分布區域,說明人工選擇在該基因的演化過程中發揮了重要作用。Molecular Plant

     

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