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植物科学前沿一周快讯(2016年8月15日)

2016-08-15

 
杂种优势是一种普遍而重要的生物学现象,其机制解析一直是国内外植物科学研究的热点和难点。随着表观遗传学的蓬勃发展,越来越多的证据显示,表观遗传学在杂种优势调控中起到了关键作用,但具体的作用机理仍知之甚少。逆境中心朱健康课题组(http://www.psc.ac.cn/cn/zjj.asp?id=30)常年来关注植物杂种优势的表观遗传学研究。该组前期的工作首次明晰了RdDM介导的DNA甲基化机制不是调控杂种优势产生的主要表观遗传修饰因子(Zhang et al., PNAS, 2016)。近日,科研人员进一步发现染色质重塑因子DDM1是调控拟南芥杂种优势的关键表观遗传学因子。研究发现,当DDM1突变后,F1代失去超亲杂种优势,但仍具有中亲杂种优势。转录组学和生理学实验表明,DDM1是通过调控水杨酸的代谢来调控杂种优势的。DDM1 抑制水杨酸基因的表达,并使水杨酸在杂种F1代中的表达保持一种优化状态(optimal level)来,从而表现出杂种优势状态。他们进一步提出了DDM1影响杂种优势的机理模型。另外,甲基化组学数据表明DNA甲基化与杂种优势无关,再次验证了该组的前期重要发现。该研究揭示了染色质重塑因子参与杂种优势形成的分子机制,是表观遗传修饰调控杂种优势分子机制的重要进展。该研究不仅对表观遗传修饰调控杂种优势的分子机制提供了重要的指导意义,同时也为研究表观遗传修饰与水杨酸互作调控杂种优势提供更多表达调控层面上的线索和理论借鉴。
 
 
 
红花菜豆酸(phaseic acid,PA)作为ABA的氧化产物,在历史上一直被视作是植物中的一种无活性的副产物。近日,来自Salk研究所的Joseph P. Noel(https://www.salk.edu/scientist/joseph-noel/)发现,红花菜豆酸和它的受体有可能共同进化变得对抗旱性和其他生存性状至关重要,并有可能帮助开发出可耐受气候改变造成的自然灾害的,一些新的、更强壮的作物。研究人员发现在缺失了红花菜豆酸加工酶,累积了大量红花菜豆酸的拟南芥突变体中,种子萌芽时间发生了改变,在干旱情况下生存期延长。研究证明红花菜豆酸具有植物激素的作用,例如添加红花菜豆酸到正常幼苗中可触发许多特定基因,尤其是一些代谢酶的编码基因表达发生改变,它们与ABA激活的基因有重叠也有不同。 此外,采用高分辨率成像技术——X射线晶体学,研究小组证实红花菜豆酸结合了一些ABA受体,进一步证实了ABA受体不只可以感知ABA。同时有证据表明,在干旱、过冬时期及土壤病原体侵袭过程中,红花菜豆酸和ABA发挥作用将来自植物叶和茎的碳移动到了根部来保护它们。
 
 
 
利用CRISPR/Cas9系统,人们通过将Cas9导入到细胞中对一种DNA序列进行编辑而产生双链断裂,同时也将一种DNA模板导入到这种细胞中,这样该细胞利用这种DNA模板修复这种断裂。这种编辑过程依赖细胞的同源重组机制,然而其他的修复机制如NHEJ也来竞争执行这种修复任务,因而经常导致不想要的和不准确的序列插入和删除。为了构建一种更加准确的编辑工具,来自日本神户大学的Kondo Akihiko(http://www.csrs.riken.jp/en/labs/cfrt/index.html)和他的同事们将一种没有核酸酶活性的不能够切割双链DNA的Cas9版本或一种产生单链切口的切口酶Cas9版本与一种来自七鳃鳗(sea lamprey)免疫系统的激活诱导性胞苷脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase, AID)融合在一起。在正常情形下,这种AID酶在免疫球蛋白和抗体基因中产生突变从而让免疫系统具有多样性。AID作用在单链DNA上,将胞嘧啶(C)替换为尿嘧啶(U),随后在一轮DNA复制中,这种尿嘧啶(U)被转化为胸腺嘧啶(T)。通过测试这种新的杂合复合物是否能够在出芽酵母---缺乏一种内源性的类似AID的系统---中修饰一种选择性的标志物,Kondo团队发现当在向导RNA(gRNA)的引导下,这种蛋白复合物靶向作用于CAN1基因,而且相对于非靶向的选择性标志物,CAN1基因发生突变的频率增加了1000倍。利用全基因组测序,研究人员发现很少的脱靶突变,只比背景突变率略有增加。研究人员也证实将两种不同的gRNA与Cas9-AID复合物一起表达能够同时对两种基因进行修饰。相比于没有核酸酶活性的Cas9-AID复合物,切口酶Cas9-AID复合物能够在核苷酸替换位点的相反链上产生切口,基因编辑效率略高一些。
 
 
 
蛋白质以其自身结构和与其他蛋白质之间的相互作用为基础发挥功能,因此,研究蛋白质的结构和相互作用抑制是生命科学的重要方向。检测蛋白质相互作用的传统方法有着各自的局限性。最近,北京大学的陈鹏教授(http://www.chem.pku.edu.cn/index.php?id=366)最新报告了一种新技术,开发出一种遗传编码光亲和非自然氨基酸,可在光交联及猎物蛋白-诱饵蛋白分离后将一个质谱可识别的标签(MS-label)导入到捕获的猎物蛋白中。这一叫做IMAPP的策略使得能够直接鉴别出采用传统的遗传编码光交联剂难以揭示的光捕获底物肽。利用这一MS-label,IMAPP策略显著提高了鉴别蛋白质相互作用的可信度,使得能够同时鉴别捕获的肽和确切的交联位点,对于揭示靶蛋白及绘制活体系统中蛋白质相互作用界面具有极高的价值。
 
 
 
植物科学领域至今已经阐明了生长素、赤霉素、乙烯、细胞分裂素、脱落酸、油菜素内酯、茉莉素、水杨酸和独脚金内酯九类经典激素的受体。独脚金内酯不仅作为新型植物激素调控植物分枝,还作为根际信号调节“植物与共生真菌”及“植物与寄生杂草”的互作。来自清华大学谢道昕道昕教授(http://life.tsinghua.edu.cn/faculty/faculty/330.html)与其合作者,综合采用生物化学、结构生物学、分子遗传学、生物质谱、化学合成等多方面的研究手段,通过对D14、突变蛋白D14(G158E)和突变植物d14-5的生物化学和分子遗传学鉴定,以及对独脚金内酯诱导形成的D14-D3-ASK1复合物的生物质谱、生物化学和晶体结构的分析,发现受体D14蛋白水解各种不同结构式的独脚金内酯分子,生成同一来源于独角金内酯D-环的活性分子CLIM、将CLIM完全包裹在其催化中心并以共价键方式不可逆地结合CLIM、招募F-box蛋白D3、触发激素信号传导链;该研究还发现,受体D14蛋白在生成激素活性分子、感知活性分子和招募F-box蛋白的过程中发生了巨大的构象变化,揭示了D14-D3的精细互作面及其在独脚金内酯信号通路中不可或缺的作用,并在植物体内鉴定了与受体D14通过共价键结合的独脚金内酯活性分子CLIM。