生物技术前沿一周纵览（2019年3月01日）

八倍体草莓基因组公布
八倍体栽培种草莓（Fragaria × ananassa）有八组染色体 (2n=8x =56)，因味美清香而深受广大消费者喜爱。在这项研究中，研究人员对该八倍体草莓的基因组进行了组装和注释，共鉴定出10万多个草莓基因。研究人员对草莓属（Fragaria）二倍体种（拥有两组染色体的草莓品种）的31组RNA分子进行了测序，并将二倍体种的表达基因序列与F. × ananassa 的表达基因序列进行了对比。随后，通过演化分析鉴定出了Fragaria vesca、 Fragaria iinumae 以及此前未知的Fragaria viridis 和 Fragaria nipponica 是F. × ananassa 的四个二倍体祖先种。结合现存种的地理分布分析表明，八倍体草莓起源于北美。此外，研究人员还对八倍体草莓的四个亚基因组开展了演化动力学分析，发现了一个占支配地位的亚基因组，能在很大程度上控制草莓的代谢和抗病性状。该研究所获得的八倍体草莓高质量基因组以及草莓演化和起源信息为栽培种草莓品质和抗病育种奠定了重要基础。（Nature）
论文链接：doi.org/10.1038/s41588-019-0356-4


小麦小花育性的遗传调控机制
小麦的每个小穗都会产生小花附在小穗轴上，小花的育性决定了每个小穗的穗粒数。为了揭示小穗中可育小花数量形成的遗传基础，科学家首先对重组近交系小麦（硬粒小麦品种LDN和DIC-2A株系）的群体特征进行了研究。研究发现LOD（log10 odds，优势对数计分法，遗传连锁的一种计算，定义为连锁基因的可能性数据与非连锁基因的可能性数据之比率的log10）得分最高的单个主要QTL（quantitative trait loci）定位于染色体2AL（占表型变异的61％）。进一步的回交重组系群体结果将小花育性的变化归因于基因Grain Number Increase 1-A (GNI-A1)，其包含26个推定基因，其中一个可以编码HD-Zip I（homeodomain leucine zipper class I）转录因子。研究使用RNA干扰（RNAi）沉默GNI-A1后，发现小麦每小穗产生的小花和谷粒数量显著增加，这表明GNI-A1对小麦小花的发育具有抑制作用。该研究还研究了小麦科植物中GNI1的进化，发现小花育性与倍性水平呈正相关，GNI1是由小麦科植物的基因复制进化而来，而有利于增加谷物产量的突变小麦进化过程中被选择。（Pans）
论文链接：www.pnas.org/content/early/2019/02/20/1815465116


解析植物开花调控新机制
开花是植物生长发育阶段的重要组成部分，直接影响植物生长的世代长短和繁殖速度。研究发现，FTL9不仅在短日照条件促进开花，而且在长日照条件抑制开花。解析其机制发现，在短日照条件FT1不表达时，FTL9形成活性较弱的开花复合物，诱导开花；在长日照条件FT1大量表达时，FTL9通过与FT1竞争，影响了FT1开花复合物对下游基因的激活能力，从而抑制开花，说明FTL9具有双重开花调控功能。同时，该研究还鉴定了FTL9的上游作用因子，即正向调控FT1基因表达的CONSTANTS（CO）同源蛋白CO1，同时可以抑制FTL9表达。因而，CO1对不同FTs的双层调控机制，缩短了二穗短柄草在长日照条件下的开花时间。该研究揭示了植物开花调控新的分子机制，研究结果可为指导麦类作物广适性育种提供参考。（Nature）
论文链接：www.nature.com/articles/s41467-019-08785-y


揭示转录因子NIN在根瘤菌侵染时的关键作用
豆科结瘤固氮的研究对可持续性农业生产的发展具有重要意义，因此根际固氮细菌成功进入豆科植物并启动建立互惠互利的共生器官-根瘤的机理是重要的基础生物学问题。近年来，Jeremy Murray研究组通过根毛转录组的分析（Breakspear et al., 2014; Plant Cell）揭示了根瘤菌侵染细胞呈现活跃的极性生长特征，表现在参与细胞壁修饰、赤霉素生物合成等的基因被激活，同时生长所需的重要营养元素（氮、磷、钾）的吸收和同化基因也被诱导高度表达。该文通过进一步的分析发现侵染细胞里这些生长元件的表达都受NIN的调节，表明了NIN作为的NLPs家族（NIN-Like Proteins,NLPs）的成员，也有其他NLPs家族成员类似的基因调控功能，揭示了NIN在根瘤形成和进化过程中的重要角色。 另外，NIN的表达也影响了茉莉酸的生物合成以及信号传导，揭示出NIN对根瘤菌入侵的防御调控。同时，NIN的表达也分级激活了结瘤关键转录因子NF-YA1及其调控网络，使其成为了根瘤菌侵染的中心调节枢纽。 （plant physiol）
论文链接：www.plantphysiol.org/content/early/2019/02/01/pp.18.01572.long


揭示OsmiR396调控水稻对褐飞虱的抗性机制
越来越多的研究发现microRNA（miRNA）参与植物和病原体的互作。在植物与昆虫的互作中，miRNA的作用也渐渐凸显。为揭示参与水稻和褐飞虱互作的miRNA，研究人员进行了miRNA测序，并鉴定出BPH响应的OsmiR396。通过在三个不同遗传背景的水稻品种中超表达靶基因类似物（MIM396）以封闭OsmiR396，揭示出OsmiR396负调控水稻对褐飞虱的抗性。过表达一个BPH响应的OsmiR396的靶基因，OsGRF8，表现出对BPH的抗性。此外，MIM396和GRF8OE植株中类黄酮的含量均增加。通过对39份天然水稻品种进行分析，发现水稻材料中类黄酮含量的增加和褐飞虱抗性呈现正相关的趋势。人工施加类黄酮能够增加野生型水稻对褐飞虱的抗性。类黄酮生物合成途径中的BPH响应基因，黄烷酮3-羟化酶（OsF3H）基因受OsGRF8的直接调控。OsF3H的遗传功能分析显示其正调控水稻类黄酮含量和BPH抗性。OsmiR396和OsF3H之间的遗传相关性分析表明，OsF3H的功能下调（通过RNAi）回复了MIM396植株对BPH的抗性，同时也降低了MIM396植株中的类黄酮含量。 （Plant Biotechnology Journal）
论文链接：onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13091


首次在个体水平上发现单碱基编辑系统存在脱靶效应
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组在植物中对BE3(基于融合rAPOBEC1胞嘧啶脱氨酶的CBE系统)、HF1-BE3（高保真版本BE3）与ABE单碱基编辑系统的特异性进行了全基因组水平评估，首次在体内利用全基因组测序技术全面分析和比较了这三种单碱基编辑系统在基因组水平上的脱靶效应。该研究对经过不同单碱基编辑系统转化的56棵T0代水稻植株与21株对照植株进行全基因组测序。研究发现，与CBE系统相反，ABE系统表现出非常高的特异性。ABE处理的植株与对照植株在全基因组范围内的SNVs数量基本一致。该研究表明现有BE3和HF1-BE3系统，而非ABE系统，可在植物体内造成难以预测的脱靶突变，因此，需要进一步优化提高其特异性。该工作创新性地利用相似遗传背景的克隆植物及全基因组重测序解决了以前大量异质细胞序列分析的复杂性。（Science）
论文链接：science.sciencemag.org/content/early/2019/02/27/science.aaw7166


植物所等破译构树基因组
构树雌雄异株，种子数量多，易繁殖，生长快，表型性状和遗传多样性丰富，基因组紧凑，可作木本植物研究的模式材料。近日，中国科学院植物研究所沈世华研究组与多家单位合作，利用二代Illumina和三代PacBio单分子测序技术，结合mate-pair大片段文库、光学图谱、遗传图谱以及Hi-C等辅助组装策略，报告了一个高质量的、染色体级别的构树基因组（2n = 2x = 26）。该基因组序列386.83Mb，覆盖度接近100%，其中99.25%的序列挂载到了13条染色体上，注释了30512个蛋白编码基因。研究人员对基因组数据进行了分析，结果表明构树叶片蛋白含量高的特性可能与黄酮合成的增强有着密切关系。该研究揭示了构树用于造纸、饲料养殖、入药和适应性强的遗传基础，为蛋白木本饲用资源植物的研究和开发提供了重要的理论依据，为构树药物分子合成、纤维木质结构和抗逆性状形成的分子遗传机制研究，以及构树分子设计育种和高产、优质、多抗新品种培育提供强有力的支撑。（Molecular Plant）
链接：www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30052-8