生物技术前沿一周纵览（2018年10月26日）
生物技术前沿一周纵览（2018年10月26日）
研究揭示FERONIA 信号传递的膜-浆-核通路
生物体需要主动适应其周围的环境变化。研究人员发现 FERONIA 受体激酶通过响应 RALF1 信号，促进 EBP1 蛋白合成，并直接与 EBP1 相互作用，进而将其磷酸化，使其在细胞核中积累。在细胞核中，EBP1 蛋白可以直接绑定 CML38 等基因的启动子，调节基因表达并最终抑制 FERONIA 信号。EBP1 在动植物细胞均保守存在，在动物细胞中， EBP1 是 EGF-EGFR（表皮生长因子小肽及其激酶受体，多种抗肿瘤药物的重要靶点）复合体的下游调控蛋白。本研究丰富了对动植物如何利用小肽-受体激酶进行细胞信号的传感并调节细胞适应性的机制认识。(PLOS Biology)
植物氮代谢转录调控网络
氮是植物生长和基本代谢过程中必不可少的营养元素。研究人员使用酵母单杂交分析，筛选了调节氮代谢的转录因子，并得到一个包含431个基因，345个转录因子和98个启动子的相互作用网络，即“氮相关代谢的酵母单杂交网络”（YNM，yeast one-hybrid network for nitrogen-associated metabolism）。对YNM网络的进一步分析发现，包括已知的氮调节转录因子等在许多过程中与基因启动子结合，并且YNM富含激素调节基因。该研究表明YNM中心的转录因子可能调节与氮代谢相关的多个过程。研究进一步对YNM中的转录因子进行了功能验证。该研究发现鉴定的17个基因的突变等位基因相对于野生型显示出至少一种RSA（root system architecture）性状的显著变化。该研究还发现13个基因的突变等位基因显示出莲座大小或抽苔和开花时间有关。突变体中枝条生长的变化与每个转录因子在YNM中具有的靶标数量和被推定调节的生物过程数量显著相关。因此，该研究表明YNM网络可以预测给定转录因子对枝条生长的影响。此外，该研究还发现，在限制和足量氮条件下转录因子突变体的发育变化可能通过潜在转录调节网络的扰动来协调。研究对YNM中的代谢物反馈进行了测试。该研究发现，在氮转运、感知和代谢扰动时，YNM中的基因显着富集并差异表达。通过氮调节转录因子对氮代谢的遗传扰动也极大影响了YNM中的基因。除了先前建立的氮调节因子（LBD38，LBD39，TGA1，NLP7和ANR1）外，该研究还表征了几种转录因子（RAV2，ERF107，ARF18和BBX16）的转录调控反馈，进一步强调了这些转录因子作为中心氮调节剂的重要性。（Nature）
叶绿体能量流的认知更新
光合作用是世界上所有生物能量的基本来源。研究人员观测到当植物种子发芽时，叶绿体内的 ATP 浓度与细胞质内的浓度相若。但数天之后，叶绿体内的 ATP 浓度逐渐下降。而在包括根茎叶等成熟植物细胞内，叶绿体内的 ATP 浓度都远少于细胞质。ATP 的转运通过叶绿体包膜上的 NTT 转运器实现，但成年叶细胞内 NTT 的下调阻止了 ATP 从细胞质进出叶绿体。原生质体的实验显示，如果在叶绿体膜上表达 NTT，允许细胞质的 ATP 进入叶绿体，不久细胞质的 ATP 便被叶绿体消耗。光照条件下叶绿体内的 ATP 浓度会因为光合作用而增加，但是关灯后短短半分钟叶绿体的ATP浓度又会降低到原来的状态。这证明了 ATP 在叶绿体的消耗量非常巨大。该发现论证了成年叶细胞降低 NTT 转运器表达的必要性——避免叶绿体在夜晚将于日间所获得的能量消耗殆尽。研究证明，这一现象并没有发生在模式植物拟南芥（Arabidopsis）中：植物并不是通过输入ATP，而是输出过多的还原基以平衡 ATP：NADPH 的供应（LEF）和需求（固碳）。叶绿体的 NADPH 会通过转化成其他形式 (e.g. Malate/OAA shuttle) 被输出并最终在线粒体的电子链 (ETC) 中被消耗。通过使用 pH 荧光感受蛋白的检测，研究组发现光照能显着提高线粒体电子链的活性，当线粒体的活性受到抑制时，叶绿体的 ATP 生产能力也明显降低，这显示了线粒体间接氧化叶绿体 NADPH 再循环 NADP+ 作为光系统电子受体的重要作用。 研究人员提出了一个理论：硅藻是单细胞生物，每个细胞仅负责自己的能量使用。但多细胞的植物的叶细胞则要从整个植株层面负责进行光合作用，把能量以糖分的形式运至植物的其他部分以促进生长，因此叶细胞需要有效减少其夜间能量消耗。在种子发芽过程中，当幼苗的叶绿体仍在发育尚未能进行光合作用时，植物需要线粒体把种子储存的能量转化为 ATP，再透过 NTT 转运器运送入叶绿体。但当叶绿体发育完成能够进行光合作用时，植物便会下调 NTT 转运器以降低叶片内叶绿体夜间的能量损耗，这也是光合作用从单细胞进化到多细胞生物体的一个能量优化过程。（PNAS）
研究揭示大豆感病机制
组蛋白乙酰化修饰是生物生长发育过程中调控基因表达的一种重要方式。研究发现，GmTAP1 作为调控作物生长发育过程的重要基因，与疫霉菌致病因子 Avh52 结合后，从细胞质进入细胞核，发挥感病因子的作用，从而促进病原菌的侵染。这表明，病原菌致病因子首先能“精确制导”，快速识别出作物防御体系中的“薄弱环节”，然后利用类似“挟持人质”的方式攻击植物免疫系统。在病原菌与植物的“攻、守”互作研究中，之前大多围绕作物的抗病基因展开，从“守”的一方入手，找寻并鉴定出作物抗病基因，即防守“盾牌”。病原菌致病因子会不断变异，所以也要鉴定病原菌致病因子、探寻作物感病机制、找到感病基因，从而“加固”或者“改造”感病基因，改良作物抗病性。该研究成果不但为认识植物的免疫机制提供了新的知识，也为改良植物的持久抗病性提供重要的新分子靶标。（eLife）
研究揭示调控iNKT细胞分化终末成熟的分子机制
iNKT细胞是一类特殊的T细胞亚群，表达特定的T细胞受体（TCR）和NK细胞表面受体（NK1.1）。研究人员揭示，在小鼠T细胞中特异敲除转录中介体亚基Med23后，iNKT细胞的分化完全停滞在阶段2，这为研究iNKT细胞终末分化成熟提供全新模型。对野生型阶段2和阶段3的iNKT细胞转录组进行比较，发现阶段2和阶段3的iNKT细胞具有不同的转录调控以及免疫功能相关基因的表达。进一步的功能分析表明，相较于阶段2的细胞，阶段3的iNKT细胞不仅可以上调一系列NK细胞相关的表面受体；在受到抗原刺激后，还具有快速分泌细胞因子和趋化因子的能力。然而，Med23缺失的iNKT细胞功能受损，甚至不能达到野生型阶段2的iNKT细胞的功能水平，表现出抗原应答不敏感，丧失免疫细胞招募能力，最终导致iNKT细胞清除肿瘤的能力受损。他们的研究还进一步揭示，在Med23缺失的iNKT细胞中过表达AP-1家族转录因子c-Jun能够部分拯救iNKT细胞的分化缺陷。该研究深入探讨了iNKT细胞从阶段2到阶段3过程中免疫功能建立的机理，揭示了Med23调控iNKT细胞分化终末成熟的作用与机制。（Nature Communications）
研究发现PRC2复合体能够缓冲ABA诱导的植物凋亡
植物激素脱落酸（Abscisic Acid, ABA）对于提高植物对干旱等非生物胁迫的耐受性具有关键作用，最近的研究表明ABA能够通过诱导叶片凋亡促进植物对于营养的再利用，从而提高植物的耐受性。通过用外源ABA处理核心PRC2组分突变体CLF和SWN，研究人员发现双突变体对ABA处理更加敏感(B)。对突变体转录组变化的分析发现大量ABA诱导表达的基因在双突变体中上调表达(C)，并主要参与凋亡过程(D)。而且，在双突变体中，ABA对凋亡相关基因的诱导表达更加剧烈(E)。进一步表观组数据比较揭示尽管ABA响应过程中相关转录因子能够迅速结合并激活凋亡基因表达(F)，但这些基因附近的H3K27me3修饰并没有发生显著变化(F)，从而限制了凋亡基因的上调幅度。综上，PRC2核心催化酶CLF和SWN冗余介导的H3K27me3修饰与ABA相关转录因子共同调控ABA诱导衰老基因的表达，使植物对逆境胁迫做出迅速而适度的反应，以便更好地适应环境(G)。（The Plant Journal）
研究揭示超富集植物伴矿景天叶绿体对镉解毒的分子机制
镉（Cd）是一种具有高毒性的重金属，对动植物均有极强毒害作用。研究人员从伴矿景天中克隆到一个重金属转运蛋白基因SpHMA1。研究发现，SpHMA1蛋白定位于叶绿体膜上，对镉元素具有转运功能；该基因在伴矿景天叶片中呈现高丰度表达，相比于非超积累生态型的东南景天（S. alfredii）的同源基因SaHMA1n，其表达高200倍以上。研究人员利用研究组建立的伴矿景天稳定遗传转化系统，构建了基因干扰（SpHMA1-RNAi）和CRISPR/Cas9敲除突变植株，发现SpHMA1基因沉默和突变植株的叶绿体中镉积累显著增加，光系统II的活性受镉胁迫抑制更显著，表明SpHMA1参与叶绿体对镉元素的外排解毒，从而防止叶绿体发生镉积累而保护光合作用的正常进行。该研究进一步揭示伴矿景天对镉高抗性的分子机制及其生理功能，对了解重金属超富集植物高抗性的分子进化和环境适应性具有重要意义。（Plant）
