生物技术前沿一周纵览（2016年11月25日）

生物技术前沿一周纵览（2016年11月25日）

尽管核雄性不育在开花植物中很常见，但是由于很难获得一个纯的雄性不育系，使得其在杂交育种和种子生产中的应用收到限制。研究人员利用一个命名为OsNP1的核基因，构建了一个水稻雄性不育系。OsNP1编码一种假定的甲醇–胆碱氧化还原酶，在绒毡层和小孢子中特异表达。osnp1突变体植株表现出正常营养生长，但却是对环境条件不敏感的完全雄性不育。携带单合子转基因的转基因植物的自交，可按1:1的比例产生转基因雄性不育和转基因的可育种子，可基于DsRed编码的红色荧光而被挑选出来。可育的转基因植物与转基因雄性不育植物的异花授粉，可繁殖出高纯度的雄性不育种子。不育系可与大约1200个可用的水稻种质资源杂交。大约85%的F1代单株产量超过了它们的亲本，并且10%的产量超出了最好的地方品种，表明该技术在杂交水稻育种和生产中前景明朗。（PNAS）

揭示水稻木聚糖乙酰化修饰分子机理

细胞壁对于植物生长发育及抗胁迫均具有基础性作用。乙酰化作为细胞壁多聚物的主要修饰形式，其修饰水平和位置对细胞壁理化性质和结构产生重要影响。研究发现，水稻OsTBL1蛋白具有木聚糖乙酰基转移酶活性。分离到的ostbl1和ostbl2突变体及其双突变体均表现出植株矮化，细胞壁单糖和纤维素含量未见降低，但乙酰基含量显著降低，且乙酰基含量下降源于木聚糖乙酰化修饰减少。进一步研究证明OsTBL1为主效基因，能特异添加乙酰基到木聚糖和木寡糖上，最适寡糖底物为木五糖。另外，研究还发现突变体对水稻白叶枯病原菌Pxo145和Pxo61均表现为更感病，表明木聚糖乙酰化修饰对白叶枯病的抗病性极为重要。该研究揭示了水稻细胞壁多糖木聚糖乙酰化修饰的分子机制，为水稻分子育种提供了新的理论依据。（Plant Physiology）

CRISPR/Cas9编辑技术用于水稻育种

水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的一种主食。杂交水稻育种为提高水稻产量，提供了一种重要的策略，其中雄性不育系的培育，是杂交育种成功的关键。CRISPR/Cas9系统已广泛应用于靶位点的基因组编辑，然而它们在作物遗传改良中的应用却鲜有报道。TMS5是中国应用最广泛的温敏型雄性不育（TGMS）基因，最近，研究人员利用CRISPR/Cas9系统，研究人员在TMS5的编码区中设计了10个靶位点用于靶向诱变，并评估了打靶和脱靶效应的潜在频率，实现了在TMS5基因中诱导特异性突变，并开发了新的“清洁遗传改良”TGMS系。利用TGMS品系，仅在一年内就可能应用于两个水稻亚种的杂交育种。这一系统的应用，不仅显著加快了不育系的繁殖，而且也有利于杂种优势的利用。（Scientific Reports）

研究揭示玉米抗叶斑病的分子机理

木霉菌是自然界广泛分布的一种生物防治真菌，以往主要用于生物防治土壤传播的病害。近年来随着以病原菌相关分子模式/微生物相关分子模式（PAMP/MAPM）为核心的植物基础免疫学理论的提出和组学技术广泛应用，使得人们对木霉菌生物防治植物病害机理的研究上升到一个新的阶段。研究人员从植物-病原菌-生防木霉菌三方分子互作角度，揭示了哈茨木霉菌（Trichoderma harzianum）在定殖玉米种子或根系过程中，如何调控两种纤维素酶基因表达。研究表明，纤维素酶是木霉菌系统玉米抗病性的重要激发子（elicitor），能够激发叶片JA/ET信号上调表达和活性氧的积累，玉米根部组织释放出纤维素降解产物纤维二糖，参与玉米防御相关基因Opr7、Erf1的上调表达和抗病性诱导。这项研究提出了哈茨木霉系统诱导植物抗叶斑病防御反应的作用模式。（Scientific Reports）

miRNA在植物非生物胁迫中起重要作用

研究人员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稳态的维持发挥着极为重要的作用。拟南芥在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。ABA信号转导途径中的转录因子ABI4作为miR165/166介导通路的下游因子，直接被miR165/166靶标所调控。进一步研究证实，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。该项研究证明miRNA在ABA响应及内稳态调控中具有关键作用，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。（PLoS）

研究揭示叶绿素生物合成机制

叶绿素生物合成对于叶绿体发育和植物光合作用非常关键。BRAHMA (BRM)编码一个SWI2/SNF2染色质重塑ATPase。研究人员发现，对BRM进行敲除、敲低和RNA干扰会影响拟南芥，使其在光照下转绿率（greening rates）更高，累积较少的原叶绿素酸酯，生产较少的活性氧。原叶绿素酸酯氧化还原酶PORA、PORB和PORC负责催化叶绿素生物合成的关键一步。研究显示，BRM通过N端结构域与转录因子PIF1相互作用。BRM以PIF1依赖的方式被直接招募到PORC的顺式调控区域。在brm突变体中，PORC位点的H3K4me3水平升高。研究指出，染色质重塑酶BRM通过与PIF1互作调控PORC的表达。植物从异养生长转变为自养生长的时候，通过这种机制调控叶绿素的生物合成。（Molecular Plant）

森林根系分泌物的生态学效应

森林根系分泌物日益被认为是驱动生态系统过程的重要调控因子。研究人员通过模拟控制试验，探究了不同C:N化学计量特征的根系分泌物对亚高山两种森林类型（天然林和人工林）土壤C激发效应及相关的微生物过程影响的差异。研究发现：根系分泌C添加对两种林分土壤均诱导C正的激发效应（即土壤C降低），而N添加则缓和乃至抑制土壤C正激发效应。两种林分土壤微生物和胞外酶特性对根系分泌物C添加表现出截然不同的响应趋势。对人工林土壤（低N）而言，根系分泌物C添加导致人工林土壤微生物生物量与胞外酶活性均增加，与传统的微生物共代谢理论(microbial co-metabolism)一致。相反地，对天然林土壤（高N）而言，天然林土壤微生物量与胞外酶活性却呈现出明显的降低趋势，这暗示着非微生物作用机制也是调控根系分泌物激发效应的另一重要途径。该研究进一步丰富了森林根系分泌物对土壤C-养分循环过程影响机制的全面认识。（Applied Soil Ecology）

我国发现全新植物北川驴蹄草

四川省北川县小寨子沟国家级自然保护区管理局经过三年科考论证，确认该保护区发现一种新的植物：北川驴蹄草。通过野外调查、文献查阅和标本比对，并得到核基因和叶绿体基因联合建树分析的分子系统学结果的支持，认为该种以叶缘具细密锯齿、花梗弯垂、花猩红色、雄蕊药隔宽大扁平等特征，与驴蹄草属已知种类均明显有别，最终确认其为一新物种——北川驴蹄草。北川驴蹄草生长环境为常绿落叶阔叶林带、针阔混交林带、亚高山针林带、高山草甸，该物种通常生长于山谷溪边或湿草甸，有时也生长在草坡或林下较阴湿处。（Phytoaxa）

昆虫和蕨类植物均为地球上较古老的生物类群，距今已共同生活了超过3.5亿年。研究人员在近年来的野外调查中，发现了一种奇特的鳞翅目昆虫幼虫。它能根据蕨类植物友水龙骨孢子囊群形态和叶片颜色的变化，动态改变其身体上的斑点：草绿色的幼虫幼时的斑点为红褐色圆点，恰似友水龙骨绿色叶背红褐色的圆形孢子囊群；当昆虫取食蕨类叶片后，叶片枯萎颜色变为深褐色，绿色幼虫体表的斑点连成一片，也恰似枯萎的叶片。经形态学鉴定和DNA比对，研究人员发现这是一种夜蛾科路夜蛾属昆虫。研究人员将昆虫幼虫采集回实验室培养，发现其在取食蕨类植物叶片时将蕨类植物的孢子也一同取食。通过检测昆虫肠道中的残渣，他们发现，这些孢子的外壁多数被消化。但经多次人工孢子培养，均未能成功萌发，因此昆虫幼虫取食行为对蕨类植物孢子的扩散意义未能得到证实。（American Fern Journal）