生物技术前沿一周纵览(2019年10月25日)

2019-11-01 10:52:35

冈山大学沈建仁教团队揭示光合作用氧气生成新机制

光合作用是最重要的化学反应,为地球上的生命提供了氧气和食物,光反应分解水释放氧气。近年来,随着技术的发展,我们对底物水结合模式以及O2 形成的机制已有了更深入的理解,但光合释氧机制尚未完全清楚。近期的研究利用X射线自由电子激光技术(x-ray free-electron laser, XFEL)研究了S1、S2和S3状态下的PSII结构,详细解析了O=O键形成之前的OEC的结构。该研究在S2状态下未发现水的插入,但在向S3过渡时,D1 189位谷氨酸(Glu189)翻转打开了水通道,并提供了加入额外氧配体的空间,从而形成了具有oxyl/oxo桥连的Mn4CaO6团簇。放氧复合体通过一系列被光氧化的S态,裂解水产生氧气。在O=O键形成之前的最后一步,新的氧O6与Mn1处的空位结合。随后,O5和O6形成O=O键,释放分子氧,减少团簇,并重新开始催化循环。总的来说,PSII在不同S状态下的结构变化揭示了底物水、质子释放和氧气形成在光合水氧化中的协同作用。该研究加深了我们对光合放氧机制的了解;研究结果也为利用水和太阳能生产“绿色”燃料提供了理论基础。(Science)

创建最大玉米转座子插入资源库,为玉米功能基因研究提供重要资源

中国农业大学农学院宋任涛课题组和江苏省农科院赵涵课题组合作在Plant Physiology在线发表了题为A sequence-indexed Mutator insertional library for maize functional genomics study的研究论文。该研究报道了我国独立构建的玉米Mutator转座子突变体资源数据库(ChinaMu)。该数据库是目前世界上最大的玉米插入资源库,将成为全球玉米功能基因研究的重要资源。该研究利用玉米Mutator转座子活性系创制了大型转座突变体库,并结合了分子生物学、基因组学和生物信息学手段,对2,581个转座家系进行了所有转座子插入位点的分离和分析,鉴定到约97,000个可遗传的Mu插入位点。插入位点数是之前国际上最主要的Mutator插入资源库(UniformMu)的两倍。对其中66,565个高质量插入位点的分析表明,ChinaMu资源库已经覆盖了玉米20,244(45.7%)的基因,其中13,425(66.3%)个基因有两个及以上的插入。ChinaMu和已有的UniformMu联合使用,可以覆盖约52.2%的玉米基因。本研究中所得的插入位点数据,可通过网站进行查询:
http://chinamu.jaas.ac.cn/Default.aspx
相应的插入突变材料的分发工作正在积极筹备中,计划年底材料将陆续对外分发。(Plant Physiology)

生物钟对胞间连丝转运速度的调控

胞间连丝(Plasmodesmata, PD)是连接邻近植物细胞胞质的圆柱形通道,可以转运小分子、80 kDa以内的蛋白质、sRNA和病毒等,并且细胞间的PD转运速率会响应植物发育过程和环境胁迫,因此对植物的发育至关重要。今日,科学研究在烟草中揭示了生物钟对PD转运速率的调控规律。该研究发现,PD的转运在昼夜周期间发生显著变化,白天的PD转运量显著高于晚上。此外,白天的PD传输受到光照的影响,但是夜间的PD转运不会受到光照的影响。当生物钟调控的关键基因LHY/CCA1沉默后,光照可以显著促进PD的转运,这证明了植物生物钟对PD转运的调控。该研究还表明PD转运的昼夜变化与胼胝质积累无关,但日间PD转运速率随叶龄而降低而与光周期无关。总之,该研究表明PD转运会受到昼夜节律调控并且日间PD转运会受到光的影响,这一发现对植物发育、生理学和发病机理均具有重要意义。(Plant Physiology)

植物中第一个外源代理报告基因系统,大幅提高基因编辑效率

碱基编辑技术 (Base editing) 是基于CRISPR/Cas系统发展起来的新型靶基因修饰技术,依据碱基修饰酶的不同可分为胞嘧啶碱基编辑器 (cytosine base editor, CBE) 和腺嘌呤碱基编辑器 (adenine base editor, ABE)。这两类碱基编辑系统可分别实现C/T或A/G的碱基精准替换。近日,科学家成功建立了一种基于靶向差异sgRNAs的代理报告系统(Discriminated sgRNAs based SurroGate system, DisSUGs),实现了对CBEs或ABEs编辑后细胞的高效富集。在这项研究中,经DisSUGs代理筛选后,平均75%的再生植株都实现了碱基编辑,比常规编辑方法提高了3-5倍,而且碱基纯合替换材料的筛出效率也得以明显提升;其中ABE的效率更高,平均可以达到81%左右。与常规碱基编辑方法相比,DisSUGs轻微增加了靶点依赖性的脱靶效应,但不影响靶点非依赖性序列的脱靶突变,这为通过降低胞嘧啶脱氨酶的表达水平来降低CBE脱靶提供了可能。另外,DisSUGs是植物中建立的第一个外源代理报告基因系统,也是差异sgRNA和人工优化代理靶序列首次被应用于代理筛选技术的增效优化,未来可以进一步应用于多种新的代理系统或基因组编辑技术,由于该系统使用的筛选标记已被广泛应用,因此可以很容易地复制推广到其他植物甚至动物细胞研究中去,并为玉米、小麦等重要农作物的精准育种提供帮助。(Molecular Plant)

四川大学刘建全课题组发表高质量猕猴桃基因组

野生猕猴桃(Actinidia)是多年生木质藤本植物,原产于中国,后经新西兰和中国科学家的近期驯化,成为世界著名水果。近日,科学家研究综合利用PacBio和Hi-C技术对猕猴桃参考基因组进行了从头组装及基因注释,进一步提升了猕猴桃基因组注释的完整度和准确度,获得了高质量的猕猴桃基因组注释新版本。与前两个版本比较,新版基因组的序列连续性分别提升了365倍和448倍,并且gaps数量和长度大大减少。此外,研究人员在新版参考基因组中预测到了40,464个编码蛋白基因,高于前两个版本;前两个版本中存在的序列丢失及组装错误可能是基因数量较少的主要原因。该基因组为猕猴桃新品种的培育提供了重要的遗传信息。全基因组加倍是双子叶植物进化的重要动力。猕猴桃的进化历史上经历了两次特有的全基因组加倍事件。其中距今较远的一次加倍发生在著名的K-T界线附近,这段期间发生了大规模的物种灭绝。这次加倍是否与其它科共享还存在争议。研究人员利用猕猴桃新版基因组,与杜鹃、茶树的同源基因进行系统发育树构建,成功验证了这次加倍事件为猕猴桃科、杜鹃花科和茶科共享、分化之前发生的。(Horticulture Research)

科学家揭示紫色番茄形成的分子机制

花青素是目前发现的最有效的天然抗氧化性剂,具有抗衰老、增进视力、预防癌症、预防心血管疾病等功效。近日,科学家研究揭示了Aft-SlMYBATV调控紫色番茄形成的分子机制。该研究以紫果番茄品种‘Indigo Rose’为试验材料,通过分子遗传学手段将Aft精细定位于番茄10号染色体约145kb的范围内,该区间仅含有SlAN2-like转录因子。该研究进一步通过CRISPR/Cas9基因编辑的方法证实Aft编码R2R3-MYB转录因子SlAN2-like,正调控番茄果实中花青素的积累。该研究也利用CRISPR/Cas9基因编辑的方法,通过突变SlMYBATV基因提高番茄果实花青素的含量,进一步证实了SlMYBATV负调控花青素的积累。酵母单杂试验、酵母双杂交试验和双荧光素酶报告系统试验表明,Aft可直接结合SlMYBATV基因的启动子激活SlMYBATV基因的表达,SlMYBATV蛋白则与Aft竞争性结合SlJAF13蛋白,进而抑制Aft基因的功能和番茄果实中花青素的积累。而当ATV基因突变后, atv蛋白抑制功能丧失,Aft则与SlJAF13结合激活SlAN1和SlAN11等基因的表达,促进番茄果实中花青素的积累。(New Phytologist)

中国农科院植保所揭示细胞核自噬介导的病毒蛋白降解机制

细胞自噬是细胞质中进化保守的降解途径,已成为对抗入侵病原物的重要防御机制。然而,植物中是否存在细胞核自噬以及其作用机理并不清楚。近日,科学家研究发现了植物中的一种新型细胞核自噬能够降解病毒蛋白进而抑制病毒的复制和侵染的机制。该研究表明,云南番茄曲叶病毒(Tomato leaf curl Yunnan virus, TLCYnV)的核蛋白C1(病毒复制必须蛋白)能够诱导细胞自噬,并直接与核心自噬相关蛋白ATG8h相互作用。ATG8h与C1的相互作用导致了C1蛋白从细胞核向细胞质转移和C1蛋白积累的减少,而转移过程依赖于exportin1 (XPO1) 介导的核输出途径。C1的降解能够被自噬抑制剂阻断,当自噬相关基因 (ATGs) ATG8h、ATG5或ATG7被敲低时,C1的降解受到阻碍。同样,这些ATGs的沉默也会促进TLCYnV在烟草和番茄植物上的感染。进一步研究发现C1中存在一个潜在的ATG8相互作用基序 (AIM)。将C1中的AIM突变后 (C1mAIM),C1mAIM不能与ATG8h在细胞质中互作,反而与核仁中的纤维蛋白Fibrillarin1相互作用,且C1mAIM不会被细胞自噬途径降解;而携带AIM突变的TLCYnV在茄科植物中致病性增强。该研究阐明了一种新型的细胞核自噬介导的病毒蛋白降解进而限制了植物病毒感染的机制,研究结果为植物病毒病害的防控提供了新思路和新靶标。(New Phytologist)


(来源:基因农业网)