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植物科学前沿一周快讯(2016年11月7日)

2016-11-07

逆境中心朱健康研究组揭示miRNA在植物非生物胁迫应答中的重要作用


microRNA(miRNA)是一种广泛存在于动植物体内的长度为20-24个核苷酸的非编码的小RNA,miRNA在植物的生长发育、逆境反应和养分平衡等生物过程中都发挥了非常重要的调节作用。miR165/166是一个研究最广泛的miRNAs,已被证明参与了植物茎端分生组织、根部顶端分生组织的维持、调控花药和胚珠形态建成、植物韧皮液中的长距离移动与养分平衡的系统性调控等多个方面。然而,miR165/166在植物发育和非生物胁迫响应中的调控和作用机制,目前还知之甚少。

逆境中心朱健康研究组(http://www.psc.ac.cn/cn/zjj.asp?id=30)与与普渡大学和密歇根理工大学的研究人员合作,利用模式植物拟南芥为研究材料,发现miR165/166对于干旱、低温等非生物胁迫响应以及ABA稳态的维持机制发挥着极为重要的作用。研究人员发现,在拟南芥种子萌发过程中和萌发后,通过降低miR165/166的表达水平,破坏miR165/166介导的靶标抑制,可导致植物产生干旱和低温耐受表型以及ABA高灵敏度。进一步研究证实, ABA信号转导途径中的转录因子ABI4(abscisic acid-insensitive 4) 作为miR165/166介导通路的下游因子,直接被miR165/166靶标所调控。同时,研究人员还发现,miR165/166表达降低所导致的ABA水平升高,部分是通过miR165/166靶标直接增加了BG1的表达水平,进而将不活跃的ABA转化为活跃的ABA。该研究将miR165/166介导的调控模块与ABA调控网络联系起来,说明了miRNA在ABA响应及内稳态调控中的关键作用。同时也为利用生物技术培育新型抗性农作物提供了新的作用靶点,对进一步培育抗干旱、低温胁迫农作物,解决水资源短缺及低温胁迫引起的农业问题具有重大意义。



逆境中心何跃辉研究组发现调控植物开花的表观遗传新机制


开花是高等植物由营养生长进入生殖生长的标志。长期以来,植物通过进化形成了复杂精确的机制、以响应内源信号与环境变化来调控开花时间。对拟南芥的研究表明开花诱导至少由四个主要途径所调节,即春化途径、光周期途径、自主途径和赤霉素途径。其中植物春化作用一直是植物发育生物学研究的热点和难点。春化作用是指某些植物必须经历一段时间的持续低温才能由营养生长阶段转入生殖阶段生长的现象。解析植物如何感知低温时期,并在气温上升后能“记住”其低温经历、以适时开花的分子机制,具有重要的理论和实际应用价值。它可确保植物在破坏性的冬季避免开花,而在温暖的春季或夏季开花。该机制的解析与作物栽培、引种驯化、杂交育种等密切相关。

先前的研究表明,模式开花植物拟南芥的开花受到一个叫做FLOWERING LOCUS C (FLC) 基因的抑制。在低温条件下,包裹在该基因DNA周围的组蛋白被逐步修饰,进而导致该基因的表达关闭,最终让植物在气温上升后、能够从发育的“生长”阶段切换到“开花”阶段。虽然早期的研究已经确定了参与FLC基因关闭的调节蛋白,但对参与该过程的调节因子及作用机制却知之甚少。逆境中心何跃辉研究组(http://www.psc.ac.cn/cn/zjj.asp?id=70 )在早期的研究中揭示了超级蛋白复合体CBC-COMPASS 和 CBC-EFS协同互作,通过调控组蛋白H3K4me3和H3K36me3的修饰、而提高FLC 基因表达水平 (Li et al., Nature Plants,2016)。在本研究中,何跃辉研究组发现一个顺式DNA元件与一个识别该元件并同时识别组蛋白标记的反式蛋白、协同调控低温介导的抑制性组蛋白修饰-H3K27me3,从而沉默FLC基因表达。 这一顺式元件与其反式蛋白的互作亦使植物在气温上升后能“记亿”(保持)低温诱导的FLC沉默,而使植物只在温暖的季节开花。该研究揭示了冷记忆顺式DNA元件与其识别蛋白、在开花调控中发挥重要功能,是植物开花调控分子机制的重要进展。该研究不仅对表观遗传修饰调控植物开花的分子机制迈出了关键的一步,同时也为其在花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。


Science:解析植物缺水的分子机制


干旱是影响植物生存、生长和分布的最重要的非生物胁迫之一,目前的全球暖干化将加剧干旱胁迫。脱落酸ABA作为一种胁迫激素,是植物应对干旱胁迫的重要调控因子。当水分稀缺,根和叶会产生ABA。虽然ABA升高被理解为可影响植物的应激反应,但是科学家们对于ABA增加对植物总体水平的调控机制还知之甚少。近日,来自美国索尔克研究所Joseph Ecker教授(http://www.salk.edu/scientist/joseph-ecker/ )带领的研究团队,实时跟踪了植物响应ABA的基因活动变化。该研究团队使用一种技术,映射出这些调节蛋白与DNA结合的位置,定义了协调基因表达的关键因子,从而允许对正在改变的条件产生一个有效的细胞反应。他们将参考植物拟南芥3日龄幼苗暴露于脱落酸,并在固定的时间点上检查基因表达,总共超过60个小时。 在这个过程中,他们收集了122个数据集,涉及33602个基因,其中3061个基因是在至少一个时间点中不同水平上表达的。数据的分析显示了一个层次结构的控制,一些调控蛋白被列为基因表达最重要的贡献者。有趣的是,在一个特定的时间点上蛋白结合模式的快照,可以在很大程度上解释“大的时间跨度上的基因表达”。总之,这些动态显示出,对环境触发因子有一个协调的全基因组响应。基于该调控网络,一些基因是由相同的主调节蛋白靶定的,这表明精确和协调的遗传控制。这对于农业用途可能是重要的,因为调节一个基因反过来可能会刺激或抑制另一组基因,从而让科学家能较全面的设计干预措施。



Science:揭示光敏色素在调控温度及光响应的分子机制



光敏色素作为植物体内吸收红光-远红光可逆转换的光受体 ,在植物的光形态建成过程中意义重大。最近,来自IFEVA的Jorge Jose Casal研究团队(http://www.leloir.org.ar/casal-en/ ) 发现光敏色素控制着响应温度以及光的遗传开关,来指示植物的发育。光敏色素分子可将自己与DNA结合,限制植物的生长。白天,阳光可激活分子,从而减缓生长。如果植物发现自身处于阴影当中,光敏色素就迅速失活,从而使它更快速地生长,以再次找到阳光。这就是植物如何竞相逃避彼此的阴影。且这种光驱动的光敏色素变化发生的很快,不到一秒钟的时间。然而,日落后这个分子不是快速失活,而是逐渐从它们的活跃状态转换到不活跃状态。这被称为“暗逆转”。温度越低,光敏色素恢复到不活跃状态的速度就越慢,所以分子花费更多的时间在它们的活跃的、抑制生长的状态。这就是为什么植物在冬天生长的比较慢。温暖的温度可加速暗逆转,从而使光敏色素迅速达到一个不活跃状态,并使自己脱离DNA,从而使基因被表达,植物生长恢复。


Nature Biotechnology:长非编码RNA的高通量功能性筛选新方法


近几年以CRISPR-Cas9为代表的基因组编辑技术让直接在高等生物体内进行基因的功能筛选成为可能。然而,蛋白编码基因仅占3%不到的基因组,越来越多的非编码元件在生命活动中发挥极其重要的作用,比如非编码RNA、特别是长非编码RNA(lncRNA)的异常与癌症等很多疾病的发生发展相关。遗憾的是在已经注释的超过两万多lncRNA中,绝大部分长非编码RNA的功能未知,如何实现这类基因组元件的功能筛选已经成为当前的研究热点。尽管有报道称用sgRNA文库通过饱和筛选研究单个或者少量基因的调控元件,但是在基因组水平上实现非编码元件的大规模筛选,依然缺乏有效的技术手段。北京大学生命科学学院、生物动态光学成像中心魏文胜研究组(http://www.bio.pku.edu.cn/teacher_dis_oa.php?cid=146&&teaid=78)与其合作者,建立了paired-guide RNA(pgRNA)文库的构建方法,通过pgRNA引入的基因组大片段删除来破坏lncRNA表达及功能,并由慢病毒介导在多个癌细胞系中实现了功能筛选,从~12,000 pgRNA的CRISPR文库中成功鉴定出正向及负向调控癌细胞增殖的lncRNA。论文通过多种遗传学手段验证了候选lncRNA的功能,并通过生物信息分析和表达谱测序探究了其发挥作用的机制。有趣的是,通过分析候选lncRNA在肿瘤细胞发展不同阶段的表达水平,发现筛选得到的正向调控细胞增殖的lncRNA发挥致癌作用,而负向调控细胞增殖的lncRNA发挥抑癌作用。这是首次实现对于非编码元件的基因组水平的功能筛选,这一高通量技术平台的建立不仅有助于人们研究影响细胞增殖的非编码元件,还可以用于筛选发挥其他重要作用的非编码元件或者基因组中的功能未注释区域。


Plant Cell: 揭示COPII介导的谷蛋白ER输出机制方面


在真核生物中,外壳蛋白复合物II(COPII)介导新合成的蛋白质从内质网(ER)到其他内膜隔室运输的第一步。一组进化上高度保守的蛋白质(Sar1、Sec23、Sec24、Sec13和Sec31)构成了基本的COPII外壳机构;然而,COPII外壳装配是如何调节的细节,尚不清楚。近日,南京农业大学的万建民研究组(http://nx.njau.edu.cn/index.php?mid=3 )报道了一个水稻蛋白质转运突变体,命名为gpa4。该突变体积累谷蛋白57-kDa前体,并在发育胚乳细胞中形成两种ER衍生的非正常结构,显示谷蛋白的ER输出存在缺陷。GPA4编码一个进化上保守的膜蛋白GOT1B,该蛋白定位于与顺式高尔基体(cis-Golgi)相连的内质网输出位点ERESs(ER  exit  sites)。GOT1B通过与COPII(Coat  Protein  Complex  II)的组分Sec23c互作,调控COPII转运囊泡的形成,从而有助于植物细胞中谷蛋白正确的ER输出。本研究基本明确了GOT1B的功能,为探讨真核生物中COPII组装的调控提供了新的视角,是阐述COPII介导的谷蛋白ER输出机制方面的又一重要进展,进一步丰富了人们对谷蛋白合成、分选、沉积分子网络途径的认识,为调控谷蛋白的含量组成、改良稻米品质奠定了理论基础