生物技术前沿一周纵览（2019年3月07日）

发现乙烯调控种子休眠形成新机制
种子休眠受多种植物激素调节，除广泛报道的脱落酸和赤霉素外，乙烯也在种子休眠调控中发挥着重要作用，对种子休眠的相关分子调控机制进行研究具有重要的理论和现实意义。中国科学院植物研究所刘永秀研究组利用图位克隆技术证实，拟南芥种子休眠突变体rdo3是由乙烯受体ETR1突变功能缺失引起的。研究发现，乙烯响应因子ERF12在rdo3中表达上调；遗传分析则表明，ERF12在ETR1下游负调控种子的休眠。进一步遗传和生化分析揭示，ERF12可以与DOG1的启动子结合，通过招募转录共抑制因子TPL从而实现抑制休眠关键基因DOG1的表达，进而调控种子休眠。该研究揭示了ETR1-ERF12/TPL-DOG1调控种子休眠的新分子通路，将乙烯与DOG1通路紧密联系起来，深化了乙烯信号调控种子休眠的分子机理。该成果不仅对全面解析种子休眠调控机制有重要理论意义，而且对农业的优化育种也具有一定的实践指导作用。（Plant Cell）
论文链接：www.plantcell.org/content/early/2019/03/05/tpc.18.00449


揭示质体磷酸甘油酸激酶在光合碳固定与代谢中的功能
 植物中含有质体PGK（PGKp）和胞质PGK（PGKc），其中PGKp在卡尔文循环和质体糖酵解中均发挥功能。最新研究发现了质体磷酸甘油酸激酶PGKp1与PGKp2共同参与了质体中的碳固定及代谢，而不是此前猜测的存在功能特化。该研究利用Pooled CRISPR/Cas9的策略，得到不同的PGKp突变体组合。结果发现pgkp1 和pgkp2 单突变均没有明显表型，而pgkp1pgkp2 双突变体致死。生物化学及代谢组学证据表明，pgkp1pgkp2 除因光合作用缺失而致死外，其质体糖酵解也有明显缺陷，表现为外源加糖时仍然呈现有机酸含量明显降低；且质体糖脂MGDG和DGDG合成受阻，导致叶绿体发育不良。胞质PGKc酶具有PGKp类似的双向催化活性，然而在质体中异位表达PGKc虽然能恢复质体PGK酶活，却并不能互补pgkp1pgkp2 的表型。因此，PGKp1与PGKp2共同参与了质体中的碳固定及代谢，而不是此前猜测的存在功能特化，而胞质中的PGKc酶虽然可催化一样的生化反应，却已经与PGKp发生体内功能的分化。该研究为理解糖酵解这一保守的初生代谢途径，提供了新的认识。（The Plant Journal）
论文链接：onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14303


揭示植物DNA主动去甲基化新机制
 在人类细胞中，由转运蛋白CRM1介导的组蛋白去乙酰化酶HDAC1的出核转运对于病原诱导的轴突损伤是必须的。新的一项研究利用正向遗传系统筛序抗转基因沉默因子，鉴定到抗沉默因子XPO1A参与DNA去甲基化介导的抗基因沉默过程。在本研究中，研究人员利用35S-SCU2 转基因遗传筛选系统鉴定到两个转基因沉默突变体。在突变体中，转基因启动子区域呈现高甲基化状态。通过图位克隆发现两个突变位点都位于出核转运蛋白XPO1A基因编码区。XPO1A是人CRM1的同源蛋白，能够与目标蛋白的出核序列（NES）互作介导出核转运。通过生化分析，作者发现XPO1A能够与拟南芥组蛋白去甲基化酶HDA6直接互作并介导HDA6的出核转运，从而使细胞核内的HDA6维持在一定的水平。由于HDA6招募DNA甲基转移酶促进基因沉默，因此XPO1A的突变导致HDA6的出核受到抑制，细胞核内的HDA6水平显著增高，造成靶基因的沉默增强。在xpo1a突变体中，与DNA甲基化的升高相一致，转基因35S启动子区域的组蛋白乙酰化水平显著降低。该发现揭示了表观遗传调控的一种全新作用机制，即通过改变表观遗传因子的核质分布影响下游基因的表达。（Wiley Online Library）
论文链接：onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.12787


解析水稻短期干旱提高植物抗旱性的机制
 中国科学院昆明植物研究所功能基因组学与利用团队刘莉课题组首次在水稻（Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Zhonghua 11）中验证了干旱“记忆”的存在，并建立了形成水稻干旱“记忆”的方法。对获得的不同处理时期的干旱“记忆”植物材料，研究人员通过转录组链特异性测序的方法（whole-transcriptome strand-specific RNA sequencing (ssRNA-seq)）得到大量与水稻干旱“记忆”相关的候选差异表达基因。而其中有大量的基因在表达水平上呈现出随处理时间的“记忆”规律，即表现出与第一次干旱胁迫时不同的变化趋势。这一研究不但证明了水稻在合适的反复干旱处理条件下可以形成干旱记忆，还进一步对其机制进行探究，发现lncRNA，DNA甲基化以及内源激素（特别是ABA）均参与到这一短期干旱“记忆”的形成过程中，可能承担了“记忆”因子的使命，进一步激活光合作用、脯氨酸合成等代谢途径中“记忆”转录本的表达，从而提高植物在应对后期干旱胁迫中的能力。（Frontiers in Genetics）
论文链接：www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2019.00055/full


发现油菜素内酯受体BRI1运输的新机制
油菜素内酯 (brassinosteroids, BRs) 是一类重要的植物激素，调控植物生长、发育、抗逆和抗病等重要生物学途径。受体蛋白Brassinosteroid insensitive 1 (BRI1) 识别BRs激活下游信号。BRI1可从细胞膜内吞到细胞内并在细胞内循环，而且越来越多的证据证实BRI1在细胞膜定位才能激活BR信号，但BRI1细胞内运输机制有待深入研究。最新研究研究发现过表达SNARE蛋白SYP22和VAMP727结合并运输内吞的BRI1到细胞膜激活BR信号。前期研究中发现，Soluble N-ethylmaleimide sensitive factor attachment protein receptors (SNAREs) 蛋白SYP22和VAMP727与BRI1互作。 本研究延续了前期工作进一步证实，syp22/vamp727+/-和过表达SYP22 negative dominant (ND) 结构抑制植物对BR的反应。杂交bzr1-D 和SYP22ND 突变体，持续激活BR信号部分恢复SYP22ND 矮小的表型。利用VA-TIRFM技术观察BRI1-GFP细胞膜定位发现，定位于细胞膜的BRI1-GFP在SYP22ND突变体中显著少于野生型植物，而且生化实验进一步地证实了此结果。通过BFA处理发现，SYP22ND 突变体细胞内BRI1-GFP的积累量要高于野生型对照组，揭示SYP22和VAMP727调控细胞内BRI1循环到细胞膜的机制。（New Phytologist）
论文链接：nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.1575


解析玉米耐盐遗传基础
 玉米的总产量和平均单产均居世界首位，而过量施肥、不合理灌溉及环境恶化等多种因素导致耕地土壤盐碱化日益严重，解析玉米耐盐遗传基础、定位耐盐主效基因并培育耐盐品种的需求十分迫切。新的研究对玉米关联群体自交系进行了苗期盐胁迫下存活率与高通量SNP数据的全基因组关联分析（GWAS），解析了玉米耐盐遗传机制、定位到一系列耐盐候选基因，为玉米耐盐遗传改良提供了遗传材料和标记资源。研究人员调查了445份玉米关联群体自交系的苗期盐处理的存活率表型，并利用覆盖全基因组的1.25M SNP标记进行了GWAS分析，检测到57个与耐盐性状显著相关的遗传位点，并根据这些位点定位到了49个候选基因。这些候选基因中有10%能够与以发表的QTL共定位，且有44%的基因已被发现参与到了植物胁迫应答、气孔分裂、DNA结合与转录、ABA信号转导和生长素信号转导等与逆境应答有关的过程中。为进一步证明GWAS结果的可靠性，研究人员在拟南芥中进行了转基因功能验证，证明了候选基因SAG4 (SEC23G) 和SAG6 (MRE11) 在植物盐胁迫应答中的正调控作用，随后的研究进一步分析了它们的耐盐单倍型。（Journal of Integrative Plant Biology）
论文链接：onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.12797


首次绘制TOR激酶蛋白调控网络
 TOR（target of rapamycin）是一类保守的丝苏氨酸激酶，对维持细胞生长及能量供应的平衡起到重要的调节作用。最新的研究整合植物不同生长时期的磷酸化组学筛选数据与互作蛋白分析数据，鉴定了一系列 TOR 激酶的磷酸化底物，从蛋白水平解析 TOR 信号途径作用的分子机制，绘制了TOR激酶蛋白调控网络，填补了拟南芥 TOR 信号网络的空白。研究人员利用细胞培养方法来减少植物生长过程的复杂性，重点关注植物细胞生长和增殖过程。实验结果表明，细胞培养过程中，糖依赖的 TOR 信号可被成功激活，证明该系统可用于鉴定 TOR 在糖信号过程中的调节因子。通过糖与 TOR 抑制剂不同处理的磷酸化组数据进行整合分析，可鉴定多种 TOR 依赖的磷酸化作用模式，得到全面的 TOR 磷酸化蛋白谱图。论文描述的 TOR 调控网络提供了丰富的数据集，为解决关于 TOR 如何参与植物关键过程诸如自噬、生长素信号传递、叶绿体发育、脂质代谢、核苷酸合成、蛋白质翻译及衰老等提供更多参考信息。下一步研究可以在磷酸化的时空模式及互作的分子机制方面做进一步探索。（Nature Plants）
论文链接：www.nature.com/articles/s41477-019-0378-z

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