生物技术前沿一周纵览(2019年6月10日)

2019-06-11 13:34 | 作者: 基因农业网 | 标签: 生物技术前沿一周纵览(2019年6月10日)

 生物技术前沿一周纵览(2019610日)

 

研究人员成功克隆一个重要的小麦抗赤霉病基因

 

小麦赤霉病是由真菌镰刀菌引起的最具毁灭性的世界性小麦病害,堪称小麦癌症。研究以我国江苏高抗赤霉病品种“望水白”和“苏麦3号”为研究材料,克隆了小麦中抗赤霉病基因Fhb1。研究发现,该基因编码一个注释为富含组氨酸的钙离子结合蛋白(Histidine-rich calcium-binding protein, His)。植物His同源基因的编码产物氨基端(N-端)序列和整个蛋白结构高度保守;在六倍体普通小麦中,His基因的Fhb1变异赋予了小麦赤霉病抗性。该团队分析了643份普通小麦品种中Fhb1基因对应染色体区段的遗传变异,发现Fhb1基因很可能起源于我国长江中下游地区,是我国特有的优异小麦基因资源。该区域历来是赤霉病流行和爆发的区域,强大的选择压提供了抗赤霉病自然突变被保留下来的条件。Fhb1基因不仅可以提高小麦对赤霉病的抗性,在其它植物中利用该基因也有可能提高抗病能力。该研究为进一步揭示小麦抗赤霉病的分子机制奠定了重要基础。Nature Genetics

 

 

植物转录增强子调控基因转录的机理研究取得重要进展

 

转录增强子是调节基因转录的重要作用元件,它与相应的启动子连接生成三维空间结构即染色质环。茉莉酸(JA)是来源于不饱和脂肪酸的植物免疫激素,通过启动全基因组转录重编程来调节植物免疫及可塑性生长。研究通过分析MYC2MED25在全基因组范围内的靶标序列,鉴定了MYC2JA信号途径的增强子元件(JA enhancers, JAE)。该研究发现,JA以依赖于MED25的方式调控JAE及其启动子之间的染色质环的形成。深入的研究发现,MYC2能够通过多个JAE调控自身的基因表达。MYC2基因座上游有一个位于基因间区的JAE,命名为 ME2。令人感兴趣的是,ME2对于MYC2的转录具有非常精巧的双重调控作用。在短期JA反应中ME2正调控MYC2表达,而在持续JA反应中负调控MYC2表达。该研究利用基因编辑技术解析了植物利用增强子控制茉莉酸信号的机制,为研究植物增强子在调节特定生理过程中的功能提供了范例。Nature Plants

 

 

植物线粒体活性氧稳态调控新机制

 

活性氧(Reactive oxygen species, ROS)在植物的各种生命活动中,包括生长、发育、抵御外界生物/非生物胁迫,以及程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD)中,起到非常重要的作用。研究人员鉴定了一个新的mod1抑制突变体som592,该突变体中编码线粒体膜NAD+通道蛋白的基因NDT2发生突变,降低由mod1突变引发的线粒体ROS的产生,从而抑制mod1中程序性细胞死亡的发生,证明了线粒体从细胞质吸收NAD+到线粒体基质这一过程对线粒体ROS的产生以及程序性细胞死亡的调控至关重要。进一步研究发现,在mod1突变体中,通过NAD+从细胞质到线粒体基质的内运增加,从而使得线粒体 NADH/NAD+的总量显著提高。增加的线粒体 NADH/NAD+总量加快了从苹果酸到NADH的电子流速率,进而调控线粒体ROS的产生,而NDT2的突变使得植物丧失了这种应激性的NAD+从细胞质向线粒体内的运输,从而阻断了由mod1突变引发的PCD。此外,线粒体的这种应激性的NAD+内运也参与了植物在连续光周期条件下对ROS的调控。(Science China Life Sciences)

 

 

植物开花的调控新机制

 

开花时间直接影响植物的生长和繁衍。赤霉素(GA)途径也对植物开花起重要作用研究人员GA信号和MYC3的互作关系进行了研究。研究发现,GA可通过下调MYC3的蛋白水平促进拟南芥开花,进一步利用不同突变体材料和生化实验发现,GA信号途径的关键调控因子DELLA蛋白与MYC3互作,稳定MYC3蛋白。进一步研究发现,光周期途径的重要调控因子CO蛋白与MYC3相互拮抗调控拟南芥开花时间。短日照下,DELLAMYC3蛋白丰度比CO高,MYC3竞争性的结合到FT启动子,抑制起表达;而在长日照下,GA含量升高导致DELLA降解,从而降低了MYC3的蛋白水平,此时CO起主要作用,促进FT的表达。bHLH类型MYC转录因子在被子植物中广泛保守,参与植物的生长和防御反应。FT启动子上MYC3结合位点发生自然变异,而MYC3不发生改变,这或许是一种重要的适应机制。这种机制只影响开花途径,不影响生长发育。综上,该研究揭示了一个MYC3-FT模块,其具有保守性并在开花植物的光周期响应中起作用。Development Cell

 

 

研究人员破解亚非稻种间生殖隔离之谜

 

稻属由23个种组成,其中栽培水稻分为亚洲栽培稻(Oryza sativa)和非洲栽培稻(O. glaberrima)两个种(合称“亚非稻”),其余均为野生稻种。亚非稻种间杂种具有强大的杂种优势,但种间生殖隔离导致杂种不育和结实率低,无法体现杂种的产量优势。S1座位是引起亚非稻种间杂种不育的最重要遗传座位,其作用可导致杂种中含亚洲稻型等位基因(S1-s)的雌配子和雄雄配子选择性败育,在后代群体产生严重的等位基因偏态遗传(偏向非洲型等位基因S1-g)。因此,S1-g是一个典型的自私基因座,对种间分化起重要作用,但其分子遗传机制一直不清楚。为了明确S1A4-S1TPR-S1A6三基因S1复合遗传座位的起源与分化,研究人员分析了这三个基因在不同稻种的分布。结果显示,古大陆祖先型S1TPR通过单碱基突变产生了变异基因型S1TP(具有提前终止密码),该变体可能在古大陆分裂时期通过某一遗传瓶颈,最终迁移到亚洲大陆板块分布的普通野生稻(O. rufipogon)和亚洲栽培稻种中固定下来。而非洲稻型S1A4-S1TPR-S1A6变体的起源则涉及祖先型S1TPR在古大陆的碱基变异和新基因S1A4S1A6S1TP两旁的插入,以及这些中间产物的多次重组,形成功能性变体进入非洲栽培稻的相关野生祖先种(如O. bathii),并最终固定在非洲栽培稻。研究结果支持亚洲稻和非洲稻独立起源,平行演化的可能性,同时也支持稻属可能起源于大陆漂移前后的古大陆时期的假说。Nature Communications

 

 

SI同源基因在自交亲和型烟草中赋予同种花粉竞争优势

 

茄科烟草属植物Nicotiana attenuata是产自北美的一种野生烟草,表现为自交亲和,种子中仅有大约30%由偶然的杂交产生。有意思的是,Nicotiana attenuata的柱头对来自自身或其他生态型的花粉都是亲和的,但当多基因型的花粉同时被授到Nicotiana attenuata柱头上时,来自自身的花粉会表现出受精优势。研究发现在自交亲和的茄科植物Nicotiana attenuata的基因组中,也存在SI相关基因的同源基因,其中包括两个S-like-RnasesNaS-like-RNases)。不同于SI群体中S-RNase复等位基因的高度多态性,在26N. attenuata自然群体中,一共仅发现两种NaS-like-Rnases等位基因(NaS-like-RNase12)。重要的是,研究人员发现,NaS-like-RNase蛋白在不同种群柱头中的表达丰度差异很大,并且该值与种群是否表现“同种花粉优先”的性状相关。随后的RNAi实验证明,NaS-like-RNase1  2控制着“同种花粉优先”性状,当沉默它们的表达时,植株失去对不同花粉的选择效应。在自交不亲和的茄科植物中,花粉表达的SLF蛋白和SSK1, CUL1蛋白组成SCFSLF复合体,负责解除亲和雌蕊中表达的S-RNase对花粉管的抑制作用。研究证明,当多种花粉同时被授到N. attenuata柱头上时,植株优先选择来自S-like-Rnases表达水平与自身相似的植株的花粉。Current Biology

 

 

研究人员成功克隆控制稻米蒸煮与食味品质最重要基因Wxlv

 

水稻是我国最重要的粮食作物。研究人员从一个地方籼稻品种中图位克隆了控制稻米高直链淀粉、低粘滞性(Low Viscosity, LV)的主效基因,证明该基因为Wx的一个特异等位基因,命名为Wxlv。与控制高直链淀粉含量的Wxa等位基因相比,Wxlv10外显子一个单碱基差异造成其编码的GBSSI415残基由丝氨酸变为脯氨酸,改变了该酶的磷酸化,使酶活性明显增强,从而使胚乳中合成更多中短分子量的直链淀粉。这是导致含Wxlv稻米在蒸煮过程中难以彻底糊化而造成低淀粉粘滞性、米饭口感变差的根本原因。进一步研究发现,在具中低直链淀粉含量的Wx等位基因中引入该功能位点,可用于优良食味稻米的培育。通过对近千份野生稻和栽培稻种质资源中Wx基因序列的遗传多样性和分子序列进化分析,证明Wxlv与野生稻中Wx基因序列及功能基本一致,在进化中属于祖先基因。携带来自野生稻Wxlv-w单倍型的稻米表现为高直链淀粉含量和低淀粉粘滞特性,米饭口感和食味较差。栽培稻中的秋稻和少数籼稻品种中含有Wxlv等位基因,而栽培稻中其它Wx等位变异类型都是从其进化或人工选择而来。研究表明,在栽培稻的起源和进化过程中,首先从野生稻的Wxlv-w单倍型进化为栽培稻中的Wxlv单倍型,虽然非编码区核苷酸序列发生了一些改变,但仍保留了原有的功能,这类稻米的蒸煮食味品质较差。栽培稻中的Wxlv等位基因可细分为4种单倍型,现有栽培稻品种中的WxbWxin等位基因分别从第IWxlv单倍型中进化而来,而Wxa则来自第IIWxlv单倍型;粳型软米和籼型软米中的WxmpWxop具有不同的选择路径,分别从Wxb和第IVWxlv单倍型经点突变选择产生;绝大多数糯稻中的wx变突都源于Wxb。有趣的是,这些等位基因具有明显的优势地理分布区域,说明人工选择在该基因的演化过程中发挥了重要作用。Molecular Plant

 

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