学术活动
前沿纵览

植物科学前沿一周快讯(2016年10月11日)

2016-10-11

Cell综述:植物对非生物胁迫的响应和信号转导途径

植物因其固着生长,在长期进化历程中形成了一套复杂的适应调控机制,选择性剪接就是植物适应逆境的机制之一。干旱、高盐和极端温度是限制植物生长发育进而影响农业产量的主要非生物胁迫因子,因此解析植物对胁迫因子的响应机制具有重要的生物学理论意义和生产利用价值。近日,在最新一期(10月6日)Cell杂志上,来自中科院上海市植物逆境生物学研究中心的朱健康研究员(http://www.psc.ac.cn/cn/zjj.asp?id=30 )发表了题为“Abiotic Stress Signaling and Responses in Plants”的综述文章,系统介绍了非生物胁迫条件下,核心信号转导途径中关键蛋白功能和高盐、干旱、极端温度胁迫条件下的转导途径。他指出植物的胁迫信号丛能量感应进化而来,通过调控离子转运和水分动态平衡来调控代谢及基因表达重编程,从而实现离子和水分的新稳态及细胞的稳定性。了解胁迫信号与胁迫应答将有助于农作物中胁迫抗性的研究,保证世界人口日益增长情况下的粮食安全。


Nature Methods: 发布基因组构象解析新技术

高等生物的细胞核负责储存基因组DNA,这些DNA环绕着由四种组蛋白组成的八聚体,形成碟状的核小体结构。基因组DNA以这样的形式包装成为染色质,使DNA受到良好的保护。 所有控制基因转录的调控蛋白,都要结合在DNA上起作用。而染色质的3D结构会随着细胞生活周期而变化,调节调控因子所能接触到的基因。 基因组构象是基因控制的核心,但解析基因组构象还很有挑战性。

近日,来自斯坦福大学Howard Y. Chang教授的研究团队,为人们提供了一种灵敏高效的新技术—HiChIP。HiChIP是一种以蛋白为中心的染色质构象分析方法。这种方法将染色体构象捕获与基于免疫沉淀和tagmentation的文库制备结合起来,能够揭示围绕目的蛋白的3D染色质结构。研究显示,与ChIA-PET(基于配对末端标签测序的染色质交互作用分析)相比HiChIP提供的构象信息多十倍,所需的样本量少一百倍。研究人员针对黏连蛋白进行HiChIP分析,揭示了多层次的基因组结构,获得了高于原位Hi-C(高分辨率染色体构象俘获)的信噪比。


被子植物中DNA甲基化的差异

生物多样性是在多个水平建立的。过去人们主要关注遗传变异的贡献,现在表观遗传变异的作用受到越来越多的关注。近日,来自美国乔治亚大学遗传学系的Robert Schmitz教授领导的研究团队与其合作者鉴定了被子植物的DNA甲基化图谱,揭示出这些表观遗传标记与植物进化历史之间的关系。研究人员利用全基因组亚硫酸氢盐测序来评估34种被子植物的胞嘧啶甲基化模式。对于十字花科植物,它包括模式生物拟南芥及甘蓝,研究人员发现基因体上CG甲基化水平低于平常,且特定序列背景的胞嘧啶甲基化也下降,如鸟嘌呤、胸腺嘧啶或腺嘌呤分隔开的CHG胞嘧啶。研究人员推测,CMT3通路在十字花科基因组中不太高效,或者它采用一种细胞特异的方式。对于禾本科开花植物,它包含谷类作物及其他草类,研究人员发现异染色质CHH甲基化的缺乏或减少,但CHH甲基化集中在基因区域上。每个位点的CHH甲基化水平不同,如二穗短柄草的水平最低,而水稻的水平则与拟南芥相当。这些结果表明,不同的DNA甲基化通路可能在不同谱系中占优势。此外,许多物种的甲基化组也是首次被报道。这些知识有助于更全面了解DNA甲基化在生物多样性中的作用。


水稻种子代谢及农艺性状遗传研究获新进展

探讨种子代谢过程的分子调控机制对农业生产具有重要的指导意义。近日,华中农业大学罗杰教授(http://ibi.hzau.edu.cn/clstest/researchers.php?id=177)领导的研究团队在前期水稻叶片(Chen et al., Nat Genet, 2014, 46:14-721)及玉米籽粒(Wen et al., Nat Commun, 2014, 5:3438)代谢组研究基础上,对水稻种子代谢及农艺性状的遗传基础开展研究。它首先揭示了水稻代谢物的遗传调控存在明显的组织特异性,且这种特异性部分受到组织特异性表达的等位基因控制。在此基础上,利用水稻和玉米在遗传定位效力及定位精度方面互补的特点,通过比较全基因组关联分析,同时提高了基因定位的效力和定位精度,确定了近20个新的控制水稻种子代谢物含量的候选基因,并对其中部分基因进行了功能验证。另外,通过对水稻种子农艺(颜色、粒重、粒厚、粒长和粒宽)及代谢性状“共调控”的平行全基因组关联分析,克隆并鉴定了部分同时影响代谢及农艺性状的基因。上述研究促进了作物代谢物遗传及生化调控的解析,提供了代谢与农艺性状关联的直接证据,同时提供了利用“交互功能基因组及代谢组”进行作物复杂性状解析的新手段。


水稻抗稻瘟病机制研究取得新进展

由稻瘟菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病是危害水稻最严重的真菌病害。在植物抗病机制研究过程中发现,多种植物激素在植物应对外界生物与非生物胁迫过程中发挥重要作用。其中,气体乙烯被认为是一类逆境激素而受到重视。有关乙烯信号转导途径以及乙烯信号组分在水稻抗病过程中所起的作用至今没有报道。中科院微生物研究所刘俊研究组(http://www.im.cas.cn/jgsz/yjtx/zwjyzxgjzdsys/201403/t20140317_4054764.html )的研究发现,稻瘟菌侵染水稻后,会激活水稻体内的乙烯合成途径,并且抗病品种比感病品种积累了较高水平的乙烯。经乙烯处理后的水稻幼苗表现出对稻瘟菌的抗病性,而用乙烯信号抑制剂处理的幼苗则较为感病。利用已经鉴定的乙烯信号组分的突变体和过表达材料,发现乙烯信号传递的主调控因子OsEIN2突变后导致水稻对稻瘟病更加敏感,而过表达OsEIN2及其下游转录因子OsEIL1的水稻则表现出较强的稻瘟病抗性。这些结果表明水稻的乙烯信号正调控了水稻对稻瘟病的抗病性。转录组分析发现稻瘟菌侵染会诱导乙烯、茉莉酸、活性氧相关途径以及植保素合成途径基因的表达。进一步的研究发现OsEIN2介导了编码NADPH氧化酶的基因OsrbohA/B以及茉莉酸合成途径基因OsOPR4在稻瘟菌侵染后的诱导表达,并且证明了OsEIL1蛋白直接与这些基因的启动子结合并激活其转录。这表明OsEIN2在水稻活性氧的产生、茉莉酸的合成以及随后的植保素的积累过程中有着重要作用。该研究首次证明在稻瘟菌侵染后,乙烯信号通过激活活性氧的产生和植保素的合成从而调控水稻的抗病性。