生物技术前沿一周纵览（2016年5月6日
玉米叶片衰老过程中的MicroRNA依赖基因调控网络
玉米籽粒产量主要取决于功能叶片的光合效率，它是由一系列基因网络和其他因素控制的。MicroRNAs (miRNAs)是一种小RNA分子，在植物发育调控中发挥着重要作用。研究人员已经发现几个与衰老相关的miRNAs (SA-miRNAs)通过调节目标基因的表达水平来调控叶片衰老过程。研究人员用一个滞绿品系Yu87-1和一个早期叶衰老品系ELS-1来确定候选miRNAs。研究发现ELS-1和Yu87-1之间存在16个差异表达miRNAs。分析两个品系确定了这16个差异表达的miRNAs为候选的SA-miRNAs。进一步分析表明，这些候选的SA-miRNAs可能通过它们的目标基因，主要是转录因子调节叶片衰老，并有可能控制叶绿素降解途径。（BMC Plant Biology）
烟草的育性恢复相关蛋白发现
雄性不育植物的育性恢复是在杂交种子生产中一个关键要求。在先前的研究中发现，半胱氨酸蛋白酶在绒毡层细胞中的表达会导致转基因烟草植物的完全雄性不育。科学家使用野生花生(Arachis diogoi)的一个半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因，为半胱氨酸蛋白酶诱导的雄性不育转基因烟草植物开发了一个基于基因的植物修复系统，该基因编码一种半胱氨酸蛋白酶抑制剂。研究人员确认了半胱氨酸蛋白酶和野生花生半胱氨酸蛋白酶抑制剂之间的相互关系。表达半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因的转基因烟草植物的花粉，在半胱氨酸蛋白酶诱导的雄性不育烟草植物中恢复了育性。这证实了在绒毡层细胞中半胱氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶抑制剂的相互作用，以及半胱氨酸蛋白酶的失活和其对花粉育性调控的负面影响。（Plant Science）
植物免疫系统与营养需求间的关系解析
长期以来科学家们认为，植物免疫系统的作用只是辨别敌友，以及抵御病原体，但在需要时它也参与调节植物中的有益微生物。研究人员在模式植物拟南芥和真菌Colletotrichum tofieldiae之间发现了这种关系。当需要时，植物会忍受这种真菌，帮助它们从土壤中获取可溶性磷酸盐，而如果它能自行完成这一任务则会拒绝微生物。只有从土壤中获取可溶性磷酸盐，植物才能生长。大多数植物保留菌根——它们根系周围的一种真菌网，给它们提供重要的土壤养分。拟南芥是少数没有菌根的植物之一。相反，它与土壤真菌Colletotrichum tofieldiae之间存在一种有益的关系，它将土壤中的不溶性磷酸盐转化为可溶性磷酸盐，并通过真菌网向其宿主释放生长所需的营养物。研究人员发现了一个完整的先天免疫系统是共生关系所必需的，并在植物不能靠其自身获得足够的土壤磷酸盐时，允许真菌定居在植物根系。但是，如果磷酸盐是丰富的，植物就会产生一个巨大的免疫反应。（Cell）
发现植物的生物钟基因
通常条件下，植物在下午就已经准备好了应对日落后的低温。通过这种方式，植物利用他们的生物钟预先应对由时间引起的周边环境的变化。研究人员发现在日出时生成的一个生物钟蛋白CCA1，与参与目标基因PRR5表达的一段特定的DNA序列结合。研究人员应用染色质免疫沉淀(ChIP)技术收集了结合到DNA的CCA1蛋白，通过快速DNA测序分析了DNA序列，发现PRR5基因在调节区域出现的频率较高，研究数据表明CCA1蛋白直接与PRR5基因的调节区域相互作用，对其有重大影响。研究还发现了CCA1生物钟蛋白在植物细胞染色体中的目标DNA区域。在晚上表达的许多基因都在CCA1结合的DNA区域附近。这些基因中的一部分是负责植物应对干旱胁迫、植物激素脱落酸的信号传播、打开和关闭气孔的调控、蜡的生产等过程。（Plant Cell）
微生物使用植物激素来保护植物
植物有益微生物通过干扰病原体或通过增强宿主来介导病害的生物控制，但微生物生产的植物激素，包括细胞分裂素，以前并不被认为是一种生物控制机制。研究人员首次发现由一种有益微生物产生的植物激素可通过诱导植物抗性，保护植物免受病原微生物的侵害。这是一种通过细菌产生的细胞分裂素，可以有效地控制病原体对一种模式植物的感染，使植物保持组织的完整性和最终生物量产量。研究还揭示了植物生长刺激激素与碳水化合物代谢调节之间的紧密联系，并可能与微生物活性联系起来。（Scientific Reports）
双子叶胚乳型种子基因组DNA甲基化研究
DNA甲基化是一种非常重要的表观修饰因子，参与异染色质的形成、转座子的沉默、基因表达的调控以及印迹基因的发生。在植物中，DNA甲基化主要发生在CG、CHG和CHH序列上（其中H代表非G的碱基类型）；同时，开花植物中还存在DNA的主动去甲基化过程。基因组最终的甲基化水平是由DNA甲基转移酶和去甲基化酶的活动共同决定。蓖麻种子是典型的双子叶胚乳型种子，是种子生物学研究的模式材料，也为研究双子叶植物胚乳基因组低甲基化的生物学意义提供了理想的材料。研究人员对蓖麻胚和胚乳组织的基因组DNA甲基化及其生物学意义进行了深入研究，揭示了蓖麻种子基因组中CHH甲基化是主要的甲基化形式，和胚乳基因组CG和CHG低甲基化相比，CHH 的甲基化没有展示显著的低甲基化。研究还揭示了蓖麻胚乳CG和CHG甲基化水平的下降，与MET1和CMT1甲基转移酶的表达抑制以及DME去甲基化酶的表达激活有关，也与胚乳偏爱性基因的表达密切相关，这些基因广泛地参与了胚乳的发育过程。同时，研究发现胚乳中高丰度的CHH甲基化与24-siRNAs介导的RdDM途径以及DRM3甲基化转移酶的表达激活有关。该研究不仅崭新地揭示了双子叶胚乳型种子基因组甲基化的规律，而且为研究植物种子基因组甲基化的生物学意义提供了重要依据。(Plant Physiology)
气候变化下天敌昆虫调控外来入侵植物群落动态变化的机制
气候变化如何影响外来生物入侵是目前生态学研究的一个热点问题。空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)是我国目前危害最为严重的入侵物种之一。为控制该草，我国于1986年从美国引进天敌昆虫莲草直胸跳甲（Agasicle hygrophila）开展生物防治。该天敌昆虫在我国不仅危害空心莲子草（主要寄主），也取食本土植物莲子草（Alternnathera sessilis）（次要寄主）。为阐明气候变暖下生防天敌将如何影响本地与入侵植物竞争关系及其群落变化，研究人员开展了纬度梯度调查和田间模拟增温实验，探讨气候变暖下生防天敌对空心莲子草和莲子草竞争关系的调控作用。野外调查发现：25.8°N以南地区，莲子草为多年生植物；26.5°N以北地区莲子草为一年生植物且空心莲子草在混发群落中占据优势地位。21°N~30.5°N区域均有生防天敌发生。田间模拟增温使得莲子草生活史由一年生变化为多年生，同时相对提高了生防天敌对空心莲子草的抑制能力，因此直接和间接地增强了本地植物莲子草的竞争能力。其结果是，当生防天敌发生时，气候变暖可使原来入侵种空心莲子草占优势的群落变化为本地种莲子草占优势的群落。该研究表明：植食性昆虫对外来植物入侵响应气候变暖及其群落组成变化具重要调控作用，因而预测气候变化下外来植物入侵风险需充分考察生物因子的作用。（New Phytologist）
两种密码子优化Cas9的基因敲除效率比较
斑马鱼具有饲育容易、体外受精、体外发育、胚胎透明、组织器官再生能力强等诸多优点，从而成为研究脊椎动物发育与人类遗传疾病的重要模式动物。由于斑马鱼产卵量较大且易于显微注射，以CIRSPR/Cas9基因组编辑技术为基础，研究者先后在斑马鱼中实现了基因组水平的定点敲入、多基因平行敲除、同源序列介导的精确整合等。为在斑马鱼中获得特异且高效的基因敲除，多个实验室独立人工合成了序列彼此不一的Cas9 cDNA序列，并克隆入不同的体外转录载体。研究人员选取两种斑马鱼密码子优化的Cas9编码序列（zCas9_bz和zCas9_wc），对斑马鱼胚胎中的7个基因（外源egfp及内源chd、hbegfa、th、eef1a1b、tyr、tcf7l1a）分别进行敲除，通过PCR产物测序、克隆测序和表型分析比较了两种Cas9的敲除效率。结果发现，zCas9_wc在各种情况下都显现出较高的敲除效率，而zCas9_bz的效率相对较低。对突变靶点的序列详细分析表明，这两种Cas9蛋白导致的靶位突变并不存在序列上的偏好性，因此这两种Cas9敲除效率的差异应该不是由于Cas9识别靶位的特异性所导致，而可能是由于密码子优化、Kozak序列、核定位信号、N端标签等诸多因素的存在与否所综合导致。该研究为日后在斑马鱼中开展CIRSPR/Cas9介导的基因敲除时选择Cas9编码序列提供了有益的参考。（遗传）
