生物技术前沿一周纵览（12月27日）

基因改造控制植物气孔开张，可增强植物光合作用

植物在光合作用过程中，表皮保卫细胞的光受体接受太阳光后，会激活细胞膜内称为“质子泵”的酶，进而保卫细胞开始从外部吸收钾，渗透压上升，水随之流入，使保卫细胞膨胀，于是气孔打开。日本名古屋大学研究人员对拟南芥实施基因操作，使其保卫细胞中“质子泵”的个数增加到原有的1.5倍。向其照射光之后，气孔的张开面积比通常情况下大了25％，光合作用量增加了15％。在同样水平温度、水分和光线的室内培养拟南芥，播种25天后，经过改造的拟南芥叶片大小和数目都多于正常水平，地面部分的叶片总重量增加约四到六成。45天后，拟南芥的花和种子也有所增加，比通常重约三到四成。这是世界上首次掌握控制植物气孔张开的技术，将有助于增加农作物产量、扩大生物燃料生产等，还可为减排二氧化碳作贡献。（PNAS）

新发现可“消化”难降解的生物质的酶家族

第一代生物燃料利用自然界中“易于消化”的生物质如玉米淀粉等来制造生物乙醇，这种方法需要大量能源作物，由此占用了宝贵的可耕土地，进而危及到食品价格的稳定，还限制了生物燃料的产量。加拿大约克大学和法国马赛第一大学的研究人员在拓展开发第二代生物燃料方面取得了显著进步。他们发现，有一种酶家族能够把在自然中“难以消化”的生物质降解为自身糖的成分。这个酶家族名为溶解性多糖单加氧酶（LPMOs）。在该研究中，这种酶可将植物的茎、木屑、废硬纸板或昆虫/甲壳类动物壳等废料，转化成自身糖的成分，然后发酵成生物乙醇。这是生物燃料研究中的一个重大进展，由这些原料制成的燃料被称为第二代生物燃料。这一发现为将废弃原料有效地转化成生物燃料提供依据，开辟了采用可持续原料生产生物乙醇的新的可能性，将会对世界各地如何解决生产第二代生物燃料的问题产生重要影响。（Nature Chemical Biology）

构建小鼠基因组CRISPR导向RNAs文库

研究人员开发出一种方法，构建出了一个可诱导小鼠基因组全基因靶向突变的CRISPR导向RNA（gRNAs）综合文库。人们可利用这一文库来调查不同细胞类型中每个基因的作用。CRISPR技术是指利用一段与靶序列相同的导向RNA来引导Cas9核酸酶对特异性靶向DNA进行识别和切割，造成DNA的双链或单链断裂。然后，细胞会利用自身具备的两种DNA复制机制：即非同源性末端结合（Non-homologous end joining, NHEJ）或同源介导的修复（Homology-directed repair, HDR）对断裂的DNA进行修复。这一技术简单高效，科学家们可以采用标准的分子生物学技术，轻易地设计出多种新的导向RNAs。该研究小组已经开发出了一个全面的文库，其他的研究人员可利用它来研究所有基因的作用。在该项研究中，研究人员设计出了一个包含近90000条这样的导向RNAs的文库，利用这些导向RNAs来靶向和改变小鼠基因组中所有的基因，并构建出了一些小鼠突变胚胎干细胞，并利用小鼠突变干细胞针对一种细菌毒素，腐败梭菌α毒素进行了一次遗传筛查，更好地了解了对这一毒素产生抗性的机制。研究小组靶向了26个已知与这种细菌毒素受体合成相关的基因，揭示出其中17个基因导致了抗性发生。同时，他们还发现了从前未知的一些基因，这些基因发生突变赋予了对这种有毒物质的抗性。研究人员可以为所有的细胞或物种构建出这种类型的文库，CRISPR技术正彻底变革研究细胞行为方式。(Nature Biotechnology)

miRNA调控植物对镉的应激反应

大豆(Glycine max)是全球最重要的农业作物之一，土壤中的镉污染影响大豆种子的产量和质量。在植物的重金属胁迫应激反应中，microRNA（miRNA）起着非常重要的作用，华南农业大学的科研人员对大豆中参与镉应激反应的miRNA进行了研究，并比较了它们在不同基因型大豆中的表达模式差异。研究人员采用一个包含953个特异探针的定制的μParaflo®微流体芯片，鉴定了经镉处理和未处理的HX3（镉耐受型）和ZH24（镉敏感型）大豆株系中miRNA表达模式的差异。总共鉴定出26个与镉应激相关的miRNA，其中有9个miRNA在两个品种中均有发现，有5个和12个miRNA分别在HX3和ZH24中特异表达。通过qRT-PCR对其中16个miRNA进行验证，发现大多数miRNA具有与芯片检测结果相似的表达模式。为了筛查miRNA调控的靶基因，研究人员利用降解组测序并结合生物信息学分析，从上述4个样本混合的降解组文库中鉴定到204个miRNA的376个靶基因。发现其中有55个靶基因被14个镉应激相关的miRNA剪切。GO注释表明，这些靶基因参与了广泛的生物学过程。研究人员通过qRT-PCR对其中10个靶基因的表达谱进行了验证。这项研究详细描述了镉胁迫下大豆miRNA与其靶基因的应答机制，提供了一个更好地理解植物重金属耐受性分子机制的框架。（PLoS ONE）

甜菜的甜味基因

据联合国粮农组织（FAO）统计，甜菜（sugar beet）生成的糖产量占据了世界糖产量的 30%。

西班牙基因组调控中心（CRG）、德国马克思普朗克分子遗传学研究所（MPIMG）等机构的研究人员，首次测序并分析了甜菜的甜味基因，并阐明了人工选择塑造这一基因组的机制。相比于已知基因组的所有其他开花植物，甜菜具有较少数量的转录因子编码基因，据此推测，甜菜有可能包含了一些迄今为止未知的、与转录控制相关的基因，且甜菜中的基因互作网络或许以不同于其他物种的方式进化。 研究人员通过完成另外 4 个甜菜品系的基因组序列组装获得了甜菜种内变异图谱。在整个基因组中发现了 700 万个变异，并且变异并非均匀分布：一些区域具有高遗传变异，而一些区域具有极低的遗传变异，反映出了两个小种群构建出了这一作物，以及人工选择塑造出了这种植物的基因组。有了这一甜菜基因组序列以及相关资源，未来的研究将进一步对自然和人工选择、基因调控和基因-环境相互作用进行分子解析，采取生物技术方法培育出满足生成糖类和其他自然物质等不同用途的作物。由于它的分类位置，甜菜将为未来的植物基因组研究奠定重要的基石。（Nature）

干扰素诱导的跨膜蛋白IFITM3与H7N9预后密切相关

复旦大学上海医学院等机构的科研人员的研究揭示与 H7N9 流感的易感性增加有关的遗传和免疫关联。研究人员在上海一所临床中心收治的 18 名感染病人中搜索了他们的疾病进程与肺液和血浆中的称为细胞因子的炎症相关分子之间的联系。血浆中的高浓度细胞因子，特别是 IL-6 和 IL-8，与流感肺炎典型的严重肺和呼吸道损伤有关联。此外，来自 3 名死亡病例的肺液的特定细胞因子的浓度比血浆中的浓度高 100 到 1000倍。 研究人员表示，拥有被称为 IFITM3 的限制病毒复制的蛋白质的一种有缺陷的遗传突变的病人有更高的病毒载量和细胞因子水平，寻求医学护理更早，症状更严重，而且这些带有有缺陷的遗传变异的病人比携带这种蛋白质功能正常版本或者另一种遗传突变版本的病人的存活可能性要低；这种被称为 IFITM3 C/C 的有缺陷的突变在东亚人群中的普遍程度为中等。尽管这项研究并没有揭示出细胞因子水平的增加究竟是严重疾病的原因还是效应，但基因测序和对细胞因子谱的早期监测可能有助于确定预后并且指导治疗。(PNAS)

DELLA蛋白复合物调控植物-菌根共生的机理

GA处理植物会导致菌根共生能力下降，且呈现出浓度依赖的表型，而与共生相关的下游基因的表达也受到明显的抑制。而植物GA信号通路关键基因DELLA突变体不能与菌根共生，预示着DELLA可能是GA调节植物生长和菌根共生的关键基因。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究人员通过酵母双杂交筛选等试验，获得DELLA的互作的GRAS类型的转录因子DIP1，发现DIP1突变导致植物菌根共生能力的下降。进一步的研究表明，DIP1能够与调控菌根共生的转录因子RAM1直接相互作用，从而调节植物中参与菌根共生下游基因的表达。这项研究第一次清晰地揭示出植物-菌根共生过程中的转录因子复合物DELLA-DIP1-RAM1，为我们理解菌根共生如何受环境调控提供了理论基础。（Cell Research）