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生物技术前沿一周纵览(2018年9月7日)

生物技术前沿一周纵览(201897日)

水稻产量与抗病性协同调控机制

作物病害严重影响作物生长,造成产量损失,并威胁粮食安全。研究人员发现,IPA1不仅能增加水稻产量,还可以提高水稻对稻瘟病的抗性。进一步研究发现,IPA1的磷酸化修饰是平衡产量与抗性的关键调节枢纽。IPA1受稻瘟病菌诱导磷酸化,该磷酸化能改变IPA1与DNA序列的结合特性。通常情况下,IPA1结合DEP1等穗发育相关基因的启动子,促进其表达,负责水稻理想株型的建成,调控水稻产量;而受稻瘟病菌诱导磷酸化后的IPA1更倾向于结合抗病相关基因WRKY45的启动子,促进其表达,增强免疫反应,提高抗病性。(Science

OsOAT介导氮素再利用调节水稻籽粒发育的机制

氮素再利用对于植物新生组织的发育尤为重要。近期研究表明,OsOAT在氮素再利用过程中发挥着重要作用。OsOAT是水稻中鸟氨酸d-氨基转移酶的同源蛋白,催化鸟氨酸与a-酮戊二酸反应生成谷氨酸和谷氨酸g-半醛,从而降低植株体内鸟氨酸浓度,解除鸟氨酸对精氨酸酶的抑制作用。OsOAT对精氨酸酶活性的调控作用,保证了精氨酸的正常分解代谢。OsOAT突变体中的精氨酸酶活性受到过度积累的鸟氨酸抑制,以精氨酸形式储存的氮源无法被再次利用,最终突变体表现出结实率降低和粒型异常的表型,而增施尿素可以恢复突变体的表型。(The Plant Journal

水稻白枯病抗性新机制

白枯病是一种由白枯菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo)引起的病害,对水稻产量有重大影响。研究人员筛选到了一个水稻磷酸丙糖异构酶TPI1.1(triosephosphate isomerase, OsTPI1.1)。TPI是一种糖酵解酶,它可以催化磷酸二羟丙酮与甘油醛-3-磷酸的相互转化。TPI在糖酵解、糖异生、磷酸戊糖途径以及甘油代谢中都有重要作用。通过酵母双杂交发现,TPI的可变剪切中只有TPI1.1与XA3/XA26发生互作。通过转基因和RNAi构建TPI1.1过表达和基因沉默的材料,发现在XA3/XA26抗病途径中,TPI1.1发挥重要作用。TPI1.1过表达材料有更高的NADPH/NADP+比值,导致碳代谢流更多的流向磷酸戊糖途径,使细胞内H2O2含量(ROS)升高,从而增强了抗病性。而在RNAi材料中,NADPH/NADP+比值降低,ROS也降低,抗病性减弱。(Plant Physiology)

核糖体RNA基因拷贝数变异和表达调控方面获进展

核糖体是细胞中最重要的细胞器之一,负责将细胞转录出来的信使RNA(messenger RNA,简称“mRNA”)翻译成蛋白质。研究人员通过利用玉米一个高多态性的育种群体(maize 282 diversity panel)重测序数据,对每个玉米的自交系的45S rRNA以及其它高度串联重复元件的基因拷贝数进行准确估算,发现玉米群体中45S rRNA存在广泛变异(1,061~17,347 copy),并且受到玉米群体结构的影响。广泛遗传力分析表明这些串联重复元件具有较高的遗传力,然而再利用GWAS分析时,却很难定位已知的遗传位点,表现出常见的“遗传力丢失”现象(missing heritability)。研究人员通过3’mRNA-seq技术,在测序数据中发现了大量来源于rRNA的序列数据。深入分析发现,这些数据应该是源于45S基因序列中存在许多类似于poly(A)的序列片段,通过与引物上的poly(T)不完全匹配后完成了对45S转录本的部分区域的测序。又将45S rRNA的表达水平与各个组织中的基因表达水平进行了共表达分析,结果发现大量的与45S rRNA共表达的基因,GO分析显示与核糖体合成相关的基因数量显著,其中包括大量的核糖体蛋白基因(r-protein genes)。此外,不同组织中都存在与自身发育相关的共表达基因,比如在幼苗的根部和芽部,大量的抗性基因与45S rRNA表达量显著相关,表明在幼苗发育时期需要构建大量的防御系统来保护自身的生存。最后,研究人员将45S rRNA的拷贝数以及表达水平与群体的田间性状进行了相关分析,发现两者都与开花相关性状显著相关;然而,后续分析表明两者可能是通过不同的途径对开花性状进行了干预。(Genome Research



科学家揭示miR156f-OsSPL7-OsGH3.8途径调控水稻株型的机理

分蘖数和株高是直接影响水稻产量的两个主要株型特征。生长素和microRNA156广泛参与植物发育和生理过程的调控,暗示两者之间可能存在一定的关联。该研究筛选得到一个水稻T-DNA多蘖矮秆(cd)突变体。T-DNA插入位置非常接近miR156f基因并造成其上调表达。过表达miR156f的植株的株型与cd突变体类似。相比而言,过表达miR156f靶向模拟物(MIM156fOE)的植株分蘖数减少,株高增加。遗传分析表明,OsSPL7是miR156f的靶标,可调节植物株型。过表达OsSPL7的植株分蘖数减少,而OsSPL7 RNAi植株的分蘖数增加,株高降低。研究人员还发现OsSPL7可与OsGH3.8启动子直接结合以调控其转录。过表达OsGH3.8和OsGH3.8 RNAi分别部分互补了MIM156fOE和cd突变体在株型方面的表型。  该研究结果表明,miR156f-OsSPL7-OsGH3.8途径可调控水稻的分蘖数和株高,从而介导miR156与生长素之间的交互作用。(Journal of Experimental Botany

植物精细胞谱系发育的分子路径

植物的精细胞谱系(sperm cell lineage)发育过程十分独特。研究组分离了番茄小孢子、生殖细胞和精细胞;通过转录组研究发现小孢子具有全能性细胞的分子特征,从小孢子向精细胞的定向发育伴随着细胞全能性、体细胞发育、代谢相关基因的转录抑制以及生殖细胞和精细胞优势表达的基因显著上调。同时,激活型组蛋白修饰H3K4me3 和 H3K9ac水平的降低,抑制型组蛋白修饰H3K9me1/2/3水平的升高。进一步研究显示,精细胞谱系比非精细胞谱系细胞的转录组含有更高比例的长链非编码RNA,而且位于共表达网络重要节点的长链非编码RNA 在生殖细胞显著富集,表明长链非编码RNA在精细胞谱系发育过程中可能起重要调控作用。(Plant Journal

干旱对植物群落的调控机制

氮和磷被认为是影响陆地生态系统植物生存、生长和繁殖的主要因子。研究人员以植物群落养分计量为核心,基于草地样带调查和控制实验的多源数据开展定量评估,阐释植物对长期和短期水分胁迫的响应机制。以往干旱研究主要关注生产力、群落结构、碳周转、水循环等过程,该研究以群落养分计量为全新理念和视角,探究水分胁迫对生态系统结构和功能影响的内在机制和过程,厘清种内和种间的竞争作用关系对群落结果和动态的影响,旨在为理解草地退化机制、加快退化草地恢复提供重要参考。该研究发现:长期水分胁迫下,植物通过内稳态机制来提高养分浓度,增强群落的抵抗能力,物种周转是该过程的主要影响因素;然而,短期干旱条件下,群落养分对水分胁迫的响应更加复杂,整体而言,群落氮浓度呈上升趋势,而磷浓度呈下降趋势,此时,种内竞争和物种周转共同影响该生态过程。此外,不同区域群落养分响应程度具有明显差异。极度干旱地区,植物群落养分抵御水分胁迫的能力最强,响应最为迟缓。未来研究应该建立大型联网干旱实验平台,紧密结合控制实验和自然梯度实验,提高实验结果的准确性和有效性,为建立草地生态系统自然评估体系提供重要理论依据。(Ecology

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