生物技术前沿一周纵览（2018年06月15日）
生物技术前沿一周纵览（2018年06月15日）
拟南芥中利用CRISPR / Cas9进行超高效基因编辑
使用CRISPR / Cas9进行基因组编辑被认为是植物基因组工程的最佳工具。研究人员描述了一个新方法，以提高拟南芥中CRISPR/Cas9的编辑效率，该方法着眼于设计新型双元载体（pUbiCAS9-Red 及pEciCAS9-Red），选取高效sgRNA，及利用细胞培养进行直接植株再生。研究表明，通过结合上述三方面取得的进展，可高效编辑大型基因簇的可遗传定点染色体删减，及基因间可调控序列。作者得到的结果表明这种改进的CRISPR/Cas9法可以快速、高效、经济地编辑定点可遗传染色体的删减，也有助于未来进行高效率功能基因组的研究。（Nature）
科学家在植物中实现超长基因片段高效精准无赘敲入/替换编辑
生物基因组的精准编辑是一项具有挑战性的工作，主要包括基因的敲除、敲入、替换等。研究组设计并使用由卵细胞和早期胚胎细胞特异性启动子DD45驱动的Cas9系统，“一代转化”野生型拟南芥，获得在雌性配子和早期胚胎特异表达Cas9蛋白的植株，检测并挑选出Cas9活性最高的株系作为母株。再依赖细胞内源同源重组机制，将基因特异的sgRNA元件和无需带有筛选辅助标签的目的序列DNA，“二代转化”拟南芥Cas9母株，以常规PCR和Southern印迹检测子代基因型。sgRNA元件引导Cas9定位并切割基因，目的DNA作为同源重组的修复模板，从而实现了拟南芥基因原位、精准、无缝、无累赘的改变。研究人员对2个编码拟南芥重要去甲基化酶的内源基因ROS1和DME分别进行了四个外源大片段敲入测试：在ROS1蛋白C端分别敲入720bp的绿色荧光蛋白GFP和长达1653bp的荧光素酶蛋白LUC，在DME蛋白N端和C端分别敲入GFP；同时也进行了两个单氨基酸替换测试：将DME蛋白第1633位的脯氨酸替换成丙氨酸，将DME蛋白第1648位的苯丙氨酸替换成丙氨酸。六个测试均分别获得了稳定可遗传的单株系，效率为5.3% ~ 9.1%。（Nature Communications）
科学家撰写“表观遗传修饰的靶向调控机制”综述文章
表观遗传调控是生物体调节基因表达及染色体行为的重要机制之一，对基因表达调控、转座子沉默、基因组稳定性以及生物体生长发育有着重要的调控作用。在植物中，表观遗传调控广泛存在，并在植物响应外界环境、调控生长发育可塑性等方面发挥着重要作用。近年来随着高通量测序技术的发展，表观基因组调控谱图逐渐展现在人们面前。表观遗传因子对靶位点的精确调控对其功能的发挥至关重要，然而，人们对于表观遗传因子如何在全基因组范围内精确定位靶位点的认识仍十分有限。科学家长期致力于高等植物表观遗传调控机理的研究，揭示了拟南芥组蛋白去甲基化酶JMJ14 (Cell Discov, 2015)和REF6/JMJ12 (Nat Genet, 2011, 2016)在染色质上的定位机制，阐释了水稻组蛋白甲基转移酶SDG714 (Plant Cell, 2007)和组蛋白去甲基化酶JMJ703 (PNAS, 2013)调控基因表达和维持转座子活性的分子机制，揭示了组蛋白修饰因子对植物生长发育的重要调控机制。（Current Opinion in Plant Biology）
植物的光适应与捕光调节机制
光合作用为世界上几乎所有的生命体提供赖以生存的物质和能量，放氧光合作用还维持着地球的大气环境。研究团队密切合作，协同攻关，以最高的效率取得了突破性进展，完成了PSI-LHCI-LHCII超级复合体3.3埃分辨率冷冻电镜结构解析。该复合体是一个约700kDa的膜蛋白-色素复合体，结构精确指认了其中的21个蛋白亚基，定位了202个叶绿素分子，47个类胡萝卜素分子以及众多的其它辅因子。该工作首次解析了LHCII的N末端磷酸化位点，揭示了LHCII和PSI的相互作用方式，构建了PSI中的全部亚基，包括以往PSI晶体结构中缺失的两个亚基PsaO和PsaN，并发现这两个亚基分别介导了LHCI和LHCII向PSI核心的能量传递。该复合体结构弥补了过去发表的PSI晶体结构中缺失的结构信息及潜在能量传递途径，并为深入研究植物状态转换的分子机理提供了重要基础。该项工作所提供的数据有望启发并促进人工光合作用体系的设计优化等应用研究。（Science）
棉酚生物合成途径研究获进展
棉花是重要的经济作物，棉纤维是纺织工业主要的天然原料，深受广大消费者欢迎。研究人员通过RNA-seq筛选在有腺体棉和无腺体棉差异表达的基因，结合VIGS和代谢产物分析，先后分离了P450单加氧酶CYP82D113、CYP71BE79、双加氧酶2-ODD1 以及醇脱氢酶DH1，通过体外酶活反应和产物结构鉴定，确定了这些酶的功能，从而将棉酚的生物合成途径朝前推进了四个反应步骤，为全面解析棉酚生物合成途径奠定了基础。研究组还获得了数个棉酚途径中间体，均为新发现的化合物，其中一些具有显著的生理活性，为天然产物的研发提供了新平台。（PNAS）
二萜糖苷甜茶素的生物合成途径研究获进展
二萜类化合物是一类重要的植物源次生代谢产物，具有广泛的生理和药用活性。研究人员通过物种间进化分析、结合基因克隆表达与功能表征，找出了甜茶素生物合成过程中的糖基化途径的关键酶基因，结果发现甜叶悬钩子来源的UGT75L20、UGT75T4、UGT85A57和明日叶来源的UGT75L21、UGT75W2、UGT85A58参与了这一过程。在对甜叶悬钩子来源的UGT85A57的深入研究中进一步发现，UGT85A57具有高度的底物专一性，仅催化19位具有糖基的steviol衍生物。为了研究糖基转移酶如何专一性地识别底物，通过同源建模分析，对UGT85A57中可能影响二萜底物识别的20个N端和5个C端氨基酸残基进行了定点突变，发现L141M、S149G和L153F三个位点的突变使得UGT85A57的底物专一性降低，表明它们在二萜底物的专一性识别方面起到重要作用。最终在微生物细胞中实现了甜茶素的高效全细胞转化。（Molecular Plant）
科学家通过加速光呼吸使作物产量提高47％
光呼吸对于植物是必须的。研究团队通过设计一种模式作物来过表达与光呼吸循环过程有关的天然蛋白质。经过两年的田间试验发现增加植物叶片中的H-蛋白质可以使产量增加27％到47％。然而增加这种蛋白质会阻碍植物生长和新陈代谢，导致四周龄的植物仅能长成未改变植物的一半大小。（Plant Biotechnology Journal）
