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生物技术前沿一周纵览(2018年9月14日)

生物技术前沿一周纵览(2018914日)

DNA甲基化在大豆驯化改良中的变异机制

作物驯化是农业发展中最重要的事件之一。研究人员通过亚群之间的甲基化水平比较,从野生种到农家种的驯化过程和从农家种到栽培种的改良过程中分别鉴定到4248个和1164个DNA甲基化水平发生变化的差异甲基化区间(Differentially Methylated Regions,DMRs)。通过与DNA水平选择区间DSR的各项比较,发现DMR和DSR是两类完全不同的选择区间,它们长度差异显著、极少重叠、染色体分布没有相关性、基因组结构组成差异大,并且DMR含有明显高的核苷酸多态性。该结果提示大豆驯化改良过程在表观遗传水平的选择和DNA水平的选择似乎是独立进行的。为了明确DNA甲基化的选择是否确实独立于DNA水平的选择,研究人员对DMR与其周围的遗传变异(siRNA、TE变异和SNP)进行了关联分析,发现只有22.54% 的DMR能够被遗传变异所解释,说明大豆驯化改良过程中的大部分DMR确实是DNA甲基化被独立选择的结果,它们并不是遗传变异选择的副产物。对这些不与遗传变异关联的“独立”DMR的功能进行分析时发现,与“独立”DMR特别是驯化过程中的“独立”CG-DMR重叠的基因在碳水化合物通路中显著富集,并且编码通路中的所有关键调控酶。该发现为DNA甲基化在大豆驯化过程中的生物学作用提供了重要的证据。(Genome Biology

影响水稻谷蛋白在内质网聚集的保守基序

谷蛋白是水稻种子中的主要贮藏蛋白,其含量、分布及贮藏形式直接影响稻米的营养、食味和加工品质。研究人员从水稻突变体库中筛选获得了一个谷蛋白前体异常累积的突变体。研究人员通过细胞学实验发现,该突变体中谷蛋白滞留在内质网,与醇溶蛋白混在一起,破坏了PBI的结构。序列分析结果发现,该突变体表型是由于谷蛋白GluA2基因发生了一个点突变,导致剪切位点前移,其编码的蛋白缺失9个氨基酸造成的。由于LVYIIQGRG基序在所有的谷蛋白中高度保守,任何一个氨基酸缺失均导致谷蛋白前体滞留在内质网中,其溶解特性发生显著改变。进一步研究表明,该保守基序决定谷蛋白前体在内质网的折叠和三聚体的正确形成,继而调控其由内质网运出。研究人员还发现,分子内二硫键虽然影响谷蛋白前体在内质网中的折叠,但不影响其三聚体的形成。(Journal of Experimental Botany

玉米单向杂交不亲和研究取得进展

亲和性是物种进化和形成的生物学基础,决定和平衡着地球上植物种群的多样性和稳定性。玉米是典型的异花授粉作物,通常其自交和杂交均能正常结实。研究人员在玉米单向杂交不亲和基因研究领域取得突破,首次成功克隆了控制玉米单向杂交不亲和现象的基因ZmGa1P,并对其机理进行了探究。ZmGa1P基因的成功克隆为实现玉米无隔离杂交种制种、特用玉米与普通玉米以及转基因和非转基因玉米的生殖隔离创造了条件。通过多年的育种实践,研究组已利用该位点育成了我国首个杂交不亲和糯玉米,实现了玉米不亲和现象的无隔离应用。在理论方面,不同于之前发现的植物种间和种内不亲和性由核酸酶介导的降解途径决定,该研究首次发现玉米中的不亲和性是由调控花粉管生长的PME复合体控制,该机制也可能普遍存在于单子叶植物中。(Nature Communications



自噬调控植物根分生组织活性

根系是植物吸收水分和营养、应对环境变化非常重要的器官之一。研究发现,拟南芥根中组成型自噬位于葡萄糖受体HXK1和能量信号受体KIN10下游响应葡萄糖信号,并通过与ABCD1互作调节过氧化物酶体的功能,同时影响根中活性氧平衡和生长素水平,进而维持葡萄糖对根分生组织活性的调控。研究首次揭示了自噬调控根分生组织活性的重要生物学功能,对于深入理解葡萄糖信号通路和自噬通路的相互对话具有重要的科学意义。( Autophagy

植物免疫调控新机制

植物利用细胞表面的模式识别受体来感知病原菌的入侵。研究人员从分析病原菌分子模式激发的活性氧入手,鉴定到一个MAP4K家族成员的一个突变体sik1,该突变体表现出活性氧积累下降,并表现出先天免疫缺陷。进一步研究发现,SIK1可以直接与植物核心免疫调节蛋白BIK1互作,并通过一系列生化和遗传学实验证明SIK1可以稳定BIK1蛋白的积累。研究表明,植物G蛋白正调控BIK1的积累。本研究发现SIK1可以与G蛋白互作,表明SIK1可以通过G蛋白途径稳定免疫调节因子BIK1。研究人员发现,SIK1也可以直接与RBOHD蛋白互作,并通过靶向蛋白质组学的方法证明了SIK1可以直接磷酸化RBOHD来触发胞外活性氧的产生从而激活下游免疫反应。研究首次揭示了植物MAP4K蛋白家族在先天免疫中的作用,并为今后进一步揭示植物MAP4K家族其它成员在免疫中的功能和作用机制奠定了基础。(Cell Host & Microbe

c-di-GMP信号调控生防细菌中抗菌物质合成新机制

环二鸟苷酸c-di-GMP(Cyclic dimeric GMP)是细菌中广泛存在的核苷酸类第二信使,它参与调控细菌的多种重要生理生化功能,如生物膜形成、致病性、细胞分化等。研究以产酶溶杆菌OH11为研究对象,以抗菌物质HSAF为指示表型,通过基因组水平的系统突变,从OH11体内鉴定出2个参与调控HSAF合成的c-di-GMP降解酶(LchP和RpfG)。进一步遗传和生化研究鉴定出一个c-di-GMP特异性受体Clp。Clp是一个转录调控因子,它能够结合在HSAF合成基因启动子区的2个位点(PA和PB),正向控制HSAF合成基因的表达,从而指导HSAF的合成。研究发现,Clp结合c-di-GMP后对PA位点的结合能力减弱,导致HSAF合成基因的转录表达下降,提示胞内c-di-GMP浓度升高可抑制HSAF的合成。更重要的是,Clp能够与LchP发生物理互作并促进LchP的降解酶活性,而不能与另一个降解酶RpfG互作,表明LchP通过与Clp的物理互作实现了胞内c-di-GMP信号途径对HSAF合成的特异性调控。(Nucleic Acids Research

科学家发现大气气溶胶能促进树木茎干生长

大气中的气溶胶颗粒能够吸收和散射太阳辐射,直接影响地球表面的辐射平衡,进而影响陆地生态系统的碳吸收。研究人员对不同气溶胶浓度的天气下杨树茎干周长的变化、气溶胶光学厚度、大气气象条件进行了高频监测。经过两年的野外实验,研究人员发现,在无云天气下,杨树茎干的日生长速率随着大气气溶胶浓度的增加而显著增加。进一步的分析发现,除气溶胶导致的散射光施肥效应外,高气溶胶天气下伴随的低饱和水汽压差(VPD)对茎干的快速生长起到了不容忽视的作用。通过野外观测和模型模拟两种方法的结合,研究人员发现阳生叶和阴生叶的叶片光合速率在高气溶胶天气下均显著上升,但其响应机制有所差异。阳生叶叶片光合速率的增加主要是由于高气溶胶天气下伴随的低VPD能够促进气孔开度,进而增加光合作用;而对阴生叶来说,主要是散射辐射的增加改善了光环境,从而促进其光合作用。(Global Change Biology

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