生物技术前沿一周纵览（2018年9月21日）
生物技术前沿一周纵览（2018年9月21日）
小麦抗禾谷孢囊线性的抗性分子机制研究获进展
小麦禾谷孢囊线虫(Heterodera avenae Woll., cereal cyst nematode, CCN)在世界分布广泛，是对小麦、大麦等禾本科作物和牧草有严重危害的重要病原性线虫。研究人员以Ae.variabilis No.1为材料，对前期CCN侵染诱导下的RNA-Seq分析筛选得到的候选基因AeVTDCs 进行功能分析。TDC催化色氨酸转化为色氨，而色胺是合成IAA 及吲哚生物碱等的前体物质，它是连接植物初生代谢和次级代谢的一个关键酶。通过VIGS沉默Ae.variabilis No.1 植株根部AeVTDC1基因检测植株抗CCN的水平和AeVTDC1转基因烟草抗RKN能力，结果显示AeVTDC1在CCN和RKN抗性反应中起正调控作用。进一步分析发现，沉默植株和过表达植株中IAA生物合成基因、信号基因及IAA含量无显著变化，TDC下游相关代谢物的含量及其合成基因表达水平变化显著。推测AeVTDC1基因对CCN的抗性调节可能与TDC下游相关代谢物相关，而与IAA无关。这些结果为揭示抗CCN分子机理奠定了基础，也为AeVTDC1基因在禾谷类作物的分子育种中利用提供了依据。（Frontiers in Plant Science）
研究发现植物草酸代谢途径关键酶影响玉米营养品质
草酸是最简单的二元酸，在植物体内的含量非常高。研究人员克隆了玉米草酰辅酶A脱羧酶（Oxalyl-CoA Decarboxylase1，OCD1）基因，该基因突变以后籽粒胚乳呈现出粉质的表型，同时籽粒的储存物质合成和粒重也发生下降。由于没有商业化的草酰辅酶A脱羧酶底物草酰辅酶A，研究人员尝试了多种方法，合成了较高纯度的草酰辅酶A。体外和体内的酶活实验证实草酰辅酶A脱羧酶可以降解草酰辅酶A产生甲酰辅酶A和二氧化碳。同时，研究人员还发现早先克隆的玉米经典高赖氨酸突变体基因opaque7（o7）编码草酰辅酶A合成酶，并证明O7可以催化草酸形成草酰辅酶A。另外，靶向和非靶向代谢组学分析发现，玉米草酰辅酶A基因突变后籽粒胚乳的能量代谢、糖类、氨基酸以及激素含量均受到显著影响。该项研究阐明了玉米草酸代谢的前两步反应，并揭示了草酸降解途径与籽粒胚乳发育、代谢和营养品质的关系，为将来遗传改良草酸含量较高的蔬菜（如菠菜）等提供了候选基因和分子机制。（The Plant Cell）
科学家发现影响水稻谷蛋白在内质网聚集的保守基序
谷蛋白是水稻种子中的主要贮藏蛋白，其含量、分布及贮藏形式直接影响稻米的营养、食味和加工品质。研究人员从水稻突变体库中筛选获得了一个谷蛋白前体异常累积的突变体。研究人员通过细胞学实验发现，该突变体中谷蛋白滞留在内质网，与醇溶蛋白混在一起，破坏了PBI的结构。序列分析结果发现，该突变体表型是由于谷蛋白GluA2基因发生了一个点突变，导致剪切位点前移，其编码的蛋白缺失9个氨基酸造成的。由于LVYIIQGRG基序在所有的谷蛋白中高度保守，任何一个氨基酸缺失均导致谷蛋白前体滞留在内质网中，其溶解特性发生显著改变。进一步研究表明，该保守基序决定谷蛋白前体在内质网的折叠和三聚体的正确形成，继而调控其由内质网运出。研究人员还发现，分子内二硫键虽然影响谷蛋白前体在内质网中的折叠，但不影响其三聚体的形成。（Journal of Experimental Botany）
TOR激酶在植物代谢途径中的作用新机制
TOR (Target of Rapamycin) 激酶属于磷脂酸肌醇激酶，通过磷酸化下游底物蛋白的ser/thr位点，改变底物蛋白的活性、定位及稳定性，从而影响植物、动物及微生物生长发育，是调控生物生长发育的重要因子 。研究人员分析了 TOR 抑制后所有氨基酸含量的代谢情况，发现这些氨基酸的迅速积累主要是由于新的氨基酸合成过程迅速且大量增加导致，而不是此前研究人员认为的蛋白降解过程产生的。作者利用同位素标记实验发现，氨基酸积累与氮同化增长有关，并且被 TOR 抑制所诱导。在 TOR 被抑制的情况下，缺氮的生长环境会使衣藻中的氨基酸积累下调。有趣的是，这种氮增长与谷氨酰胺合成酶及谷氨酰胺-氧戊二酸氨基转移酶活性增强有关，而这两种酶都是氮同化过程中的重要酶，可使氨基酸水平的提高，进一步证明氨基酸积累与氮同化之间的关系。（The Plant Cell）
研究揭示调控植物系统获得性抗性的新机制
植物与病原菌斗争进化过程中，具有PTI和ETI两个层次的免疫反应，感受病原菌侵染后，会在未侵染部位产生系统获得性抗性 (systemic acquired resistance, SAR)。SAR被广泛认为是移动小分子化合物介导的植物系统抗病反应，目前科学界对于小分子化合物的具体成分还存在一定争论。水杨酸甲酯 (methyl salicylate), dehydroabietinal, glycerol-3-phosphate, azelaic acid, 及2-哌啶酸 (pipecolic acid, Pip) 等小分子被认为在形成 SAR 中起作用。研究发现，wrky33 突变体背景下，MPK 持续激活介导的 Pip 累积及 SAR 均受到影响，表明 WRKY33 对于 MPK-SAR 信号传导起重要连接作用。通过 Chip-qPCR 实验发现，WRKY33 通过直接与 ALD1 启动子中 W-box 结合调控ALD1表达从而调控 SAR。在 wrky33, ald1, 或fmo1 突变体背景下，MPK 持续激活引发的 SAR 会减弱。进一步研究发现，体外处理 Pip 会引起植物 MPK 磷酸化，增强植物抗病反应，并且影响植物生长发育，并且这个表型依赖于 BAK1 及 BKK1 这两个 PRR 蛋白的 co-receptor。（The Plant Cell）
植物多囊泡体起源和膜蛋白液泡传输机理研究中取得重要突破
膜蛋白是细胞质膜的重要组成部分，包括感应外界信号的受体蛋白（如BRI1，FLS2），物质转运的载体蛋白（如PINs，BOR1）和离子通道蛋白（如IRT1）等。研究人员利用抑制因子遗传筛选、细胞和生物化学等多种研究方法，首次发现了一个植物特异的ESCRT负调控因子BRAF（BRo1-domain protein As FREE1 suppressor）蛋白。BRAF蛋白通过竞争性结合ESCRT-I组分Vps23，动态调节FREE1蛋白在MVB/PVC膜上的聚集，从而调控多囊泡体生成和膜蛋白液泡传输。当植物受到外界信号，如膜蛋白需要加速降解，BRAF蛋白能调节更多的FREE1到MVB/PVC。因此，该蛋白在MVB/PVC的形成、以及植物膜蛋白降解分选过程中起到负向调控的作用，有助维持膜蛋白稳态。总的来说，这是一项新颖的研究，发现了一种新的蛋白，并揭示了其在ESCRT调节方面的作用机制。（Nature Communications）
科学家发现DNA固有曲率调控局部突变率
突变是遗传多样性的根本来源，在进化过程中起着至关重要的作用。研究人员构建了酵母基因URA3高密度的突变景观特征并分析了DNA特征与突变率的关系，鉴定出一种新的顺式因子DNA固有曲率——由于相邻碱基对的相互作用导致的DNA轴向发生偏离的程度——能够调控局部突变率。DNA固有曲率降低10%时，突变率可以上升70%。针对酵母突变积累株系的实验数据、人类孟德尔遗传疾病相关基因的突变数据以及癌症和肿瘤基因图谱（The Cancer Genome Atlas）数据的分析显示，突变倾向发生在DNA固有曲率较小的区域。进一步研究发现，DNA固有曲率并不影响周围序列的错配修复效率，而与诱变剂的敏感性显著相关。因此，DNA固有曲率可能通过促进DNA序列与蛋白质结合，使得DNA更少地暴露于环境诱变中，从而降低了突变率（图）。该研究结果不仅为理解顺式因子调控局部突变率建立了新的理论框架，而且为基因组进化和肿瘤的生成提供了新的见解。（Genome Biology）
