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生物技术前沿一周纵览(2020年8月23日)

揭示植物免疫反应调控新机制
植物为了抵御病原体入侵进化出了高效的先天免疫系统,包括病原体模式分子引发的免疫反应 (PTI) 和效应分子引发的免疫反应 (ETI)。NB-NLR类蛋白受体通过识别病原体效应分子(effector),激活ETI。近日,科学家研究揭示了在植物免疫反应中NPR1通过形成凝聚体促进细胞存活的分子机制。研究发现,NPR1在SA作用下形成NPR1凝聚体 (SINCs)。SINCs富含应激响应蛋白,包括NB-NLR类蛋白受体、氧化和DNA损伤响应蛋白、泛素化相关蛋白等。进一步研究发现,NPR1蛋白的IDRs结构域内保守半胱氨酸簇介导NPR1凝聚反应,并且NPR1凝聚体对在细胞质中形成功能性的NPR1-CRL3(Cullin 3 RING E3 ligase)复合体是必需的。NPR1-CRL3复合体可泛素化降解EDS1和一些WRKY转录因子等ETI重要调节因子,从而在ETI反应中促进细胞存活。总之,该研究通过对SINCs分析表明,NPR1通过调节多重应激反应,在决定植物免疫反应中细胞生存或死亡起到重要作用。(Cell

揭示病毒劫持宿主感病基因的新计谋
双生病毒是一类单链环状的植物DNA病毒,能够侵染包括玉米,番茄,木薯等多种重要的农作物,对农业生产造成十分严重的危害。近日,科学家研究发现虫媒DNA双生病毒诱导植物异常表达一个编码E3 ligase的印迹基因,通过泛素化降解DNA甲基转移酶,从而逃逸宿主甲基化抑制,促使病毒早期基因转录和病毒积累。研究人员以甜菜叶蝉传播的单分体双生病毒-甜菜严重曲顶病毒 (BSCTV) 为研究对象,在转化了包含C2/C3共转录启动子DNA片段的植物拟南芥中,意外发现其中一株因诱导了原来只在胚乳中特异表达的印迹基因VARIANT IN METHYLATION 5 (VIM5),而激活C2/C3启动子;进而发现在BSCTV侵染拟南芥的早期,VIM5在叶片异常表达。该研究首次揭露了双生病毒通过诱导宿主胚乳印迹基因在叶片的异常表达,通过泛素化降解DNA甲基转移酶,特异性降低病毒早期基因启动子甲基化水平促使早期基因转录。该研究揭示了病毒劫持宿主感病基因的新计谋,为双生病毒和植物互作提供了新的视角;也提示VIM5介导翻译后修饰在胚乳发育的调控作用。(The Plant Cell

以谷子为模式揭示作物株型调控新机制
谷子是我国的原产作物,且至今仍是旱作生态农业的主栽作物,在食物多样性和种植业结构调整中具有不可或缺的作用。近日,科学家研究揭示了谷子DPY1作为BR激素信号的“刹车”基因调控叶片披垂与直立的机制,为禾本科作物株型研究打开了一扇新的窗口。研究人员利用谷子叶片严重披垂的突变体dpy1(droopy leaf 1),克隆了控制谷子叶片披垂的基因DROOPY LEAF1 (DPY1),该基因编码了一个新的LRRII型膜蛋白受体激酶。该过程可以促进叶片中脉的远轴厚壁细胞分裂及木质素的沉积,从而提高叶片的支撑力并促进叶片直立性的产生。通过玉米的DPY1回补谷子dpy1试验,研究人员证实这种机制在禾本科作物中是保守和共享的。综上,该研究揭示了禾谷类作物叶片坚实度的遗传学基础及其调控机制,为作物株型改良提供了新的基因资源及研究思路。此外,该研究结果证实了谷子作为功能基因组研究模式植物的深厚潜力,必将促进谷子模式植物体系的发展,也巩固了我国在谷子基础研究中的国际领先地位。(PNAS

发现DNA损伤可诱导植物体细胞重编程逆转为干细胞
DNA损伤是生物体无法避免的,一般认为DNA损伤破坏了基因组完整性从而影响细胞生活力,在动物多能干细胞的诱导和再生过程中起负面作用。最新研究发现,在早期陆生模式植物小立碗藓中,DNA损伤可以诱导叶片细胞重新编程为干细胞,并再生出新植株。这是一种全新的植物适应胁迫环境的策略,也是首次发现DNA损伤在细胞重编程中有积极的诱导作用。在动物细胞中,大量的DNA损伤通常被认为抑制动物细胞的重编程,而该研究发现,小立碗藓的叶片细胞被DNA损伤诱导试剂浸泡6小时后,基因组DNA链断裂;随后受损的DNA在一天左右被修复到原先的状态。进一步研究发现,这一修复过程依赖于DNA损伤响应因子蛋白激酶ATR,而不依赖于DNA损伤响应因子蛋白激酶ATM。综上,该研究发现DNA损伤诱导植物体细胞转变成干细胞的整个过程并不依赖于死细胞,是一种全新的植物应对逆境的策略。(Nature Plants

揭示囊泡运输和花粉管生长调控新机制

Rab GTPases在植物极性细胞生长中发挥着关键性的作用,其中RabA4亚家族成员在花粉管顶端呈现“倒锥形”的分布。近日,科学家研究发现了磷脂酰丝氨酸(PS)的极性分布参与调控Rab GTPase介导的囊泡运输和花粉管生长。研究人员筛选了拟南芥ALA家族中花粉管顶端囊泡分布异常的成员,并发现在拟南芥ala3缺失突变体中,FM4-64、YFP-RabA4b和 RFP-RabA4d所标记的顶端“倒锥形”囊泡极性定位急剧减少,主要聚集在亚顶端两侧,并呈无规则运动。进一步研究证明,ALA3参与形成和维持了花粉管顶端磷脂酰丝氨酸 (PS) 的“倒锥形”极性分布,并且部分Rab GTPases可以直接结合PS,由此花粉管顶端的PS可能作为信号分子在一定程度上直接调控了部分Rab GTPases家族成员在花粉管顶端的极性定位;同时ALA3也影响了TGN的数量,影响了部分Rab GTPases的分泌速率。该研究发现ALA3参与建立花粉管顶端PS的极性分布,PS则作为一种潜在的磷脂信号分子,通过直接结合Rab GTPases的方式,参与调控部分Rab GTPases介导的囊泡定位和运输,在花粉管极性生长过程中起着至关重要的作用。(The Plant Cell

发现一个新的气孔密度调节因子,可提高番茄水分利用效率

番茄作为世界范围内重要的蔬菜作物,在生产过程中需水量大,利用生物技术提高番茄的水分利用效率,对响应政府农业节水增效的号召具有重要的理论和实际意义。近日,科学家研究发现番茄TLFP8基因通过核内再复制,调节气孔大小和密度,从而减少水分流失,提高水分利用效率。目前有关TLP 家族基因功能研究主要集中在动物中,关于植物 TLP 家族基因功能的报道很少。该研究发现番茄TLPs (Tubby-like proteins) 家族成员SlTLFP8 (Tubby-like F-box protein 8) 是一个新的气孔密度调节因子。研究发现过表达SlTLFP8能够显著增加叶片表皮细胞大小并减少气孔密度,从而提高水分利用效率和干旱抗性。相反,CRISPR敲除SlTLFP8基因能够减小叶片表皮细胞大小并增加气孔密度,从而降低水分利用效率和干旱抗性(图1)。但是SlTLFP8并未对叶片的光合速率及植株的生物量和果实产量产生影响。进一步研究发现SlTLFP8是通过影响核内再复制来调控气孔的大小和密度。(Plant, Cell & Environment

水稻根系结构调控新因子,或可用于水稻抗性改良
作物根系结构(RSA)的改良对于非生物胁迫下的作物产量形成至关重要。近日,科学家研究揭示了qSOR1的功能及其调控水稻根系结构的机制。该研究发现qSOR1主要在根系表达并且其介导的根系向地性受到生长素信号转导途径的直接负调控,还发现qSOR1是水稻DRO1的同源基因,但是DRO1在整个根系分生组织中表达而qSOR1则主要在根系小柱细胞中表达。尽管两个基因的空间表达模式不同,qSOR1与DRO1具有相似的根系生长角度的调控功能,并且其C末端的保守域对植物生长角度的调控至关重要。研究还表明这两个基因独立控制RSA,并且可以利用DRO1同源基因的天然等位基因控制水稻的RSA。该研究最后还发现,qSOR1 的功能丧失会导致SOR表型,从而提高盐田中水稻的产量。总之,该研究表明qSOR1是参与根系向地性调节的DRO1的同源基因,可以通过生长素信号的负调控作用参与根系生长角度的调节。另外,DRO1同源蛋白是RSA育种的重要目标,将来有可能用于在非生物胁迫环境中提高作物产量。(PNAS

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