生物技术前沿一周纵览（2019年9月6日）
揭示凯氏带在水稻根对矿质元素吸收中的作用
植物的生长发育依赖于根系对水分和养分的吸收，其中，凯氏带在营养吸收中扮演着重要的角色。近期的研究揭示了凯氏带在水稻根对矿质元素吸收中的作用，弥补了单子叶植物凯氏带形成机理和功能研究的匮乏。为了适应不同的生长环境条件，水稻根在外皮层和内皮层分别形成一条凯氏带。该研究对水稻中5个凯氏带结构域蛋白OsCASP (Casparian strip domain protein) 进行了功能分析，结果表明，仅OsCASP1参与水稻内皮层凯氏带的形成。OsCASP1主要在根的伸长区表达，敲除OsCASP1导致内皮层凯氏带形成的缺陷，突变体植株在土培和水培条件下的生长均受到抑制。金属元素分析表明，与野生型相比突变体植株在地上部分积累了较高的Ca，而积累较低的Ge，Mn、Zn、Fe、Cd和As。在高钙生长条件下，突变体的生长受到更严重的抑制。此外，内皮层凯氏带的缺陷也影响转运蛋白在内皮层细胞质膜上的积累。比如，硅转运体Lsi1的蛋白丰度在oscasp1突变体的内皮层细胞质膜上显著降低，导致硅的吸收量显著减少。研究结果表明，OsCASP1是内皮层凯氏带的形成所必需的，在水稻根对矿质元素吸收中起着重要的作用，特别是对钙和硅的吸收。(Plant Cell)
揭示稻瘟病菌致病新机制
蛋白精氨酸甲基转移酶 (Protein arginine methyltransferases，PRMTs) 调节包括细胞自噬在内的多种生物学过程。近日研究发现了蛋白精氨酸甲基转移酶MoHMT1在稻瘟病菌中调节细胞自噬的分子机制。MoHMT1基因敲除突变体菌丝生长受到抑制，且致病性明显降低。GST Pull-down和LC/MS/MS分析揭示了MoHMT1与剪接体重要组分MoSNP1存在相互作用，且MoSNP1的247、251、261和271精氨酸残基为MoHMT1催化位点。RNA-seq分析表明，正常生长条件下，MoHMT1敲除突变体与野生型菌株相比，包括细胞自噬相关基因 (Autohagy-relatedgene, ATG) MoATG4在内的558个基因的pre-mRNAs发生了非正常剪接。在光照或氮饥饿条件下，MoHMT1定位于自噬体，而MoHMT1敲除突变体的细胞自噬体形成明显受到抑制。在氮饥饿条件下，另外6个MoATG基因（MoATG5, MoATG7, MoATG12, MoATG20, MoATG29, MoATG33）的pre-mRNAs也发生了非正常剪接，导致这6个MoATG基因正常剪切的mRNA水平明显降低。研究结果证明了蛋白精氨酸甲基转移酶通过对MoSNP1的甲基化修饰精确调控ATG 基因pre-mRNAs的选择性剪接，进而调节稻瘟病菌中细胞自噬的形成。相关研究结果为稻瘟病的防治提供了重要候选靶点。(New Phytol.)
拟南芥DNA去甲基化调控机制
DNA的胞嘧啶5’甲基化修饰影响基因转录，从而调控细胞分化，转座子沉默及基因印记等生理过程。DNA甲基化由甲基转移酶（methyltransferases）所催化，而去甲基化由DNA 糖苷酶（glycosylases）所介导的碱基切除修复途径所实现。近日科学家发现，DME的C端介导这DME在染色质上的定位和DNA去甲基化活性，而N端则通过招募染色质重塑因子促进异染色质区域的去甲基化过程。研究发现，DME的C端催化中心可以恢复dme-2突变的表型，并介导DME在染色质上的定位。相比于DME，nDMECTD的DMRs同时还出现了大量异常的基因编码区CG甲基化降低的位点。进化分析表明了开花植物N端的DemeN和basic stretch结构域是后期进化的过程中独立获得的，可能与植物的双受精及基因印记现象的出现有关。最后研究者提出了拟南芥DME介导DNA去甲基化的工作模型，DME的C端具有催化去甲基化的活性并帮助DME在染色质上正确的定位，而N端可以与FACT等染色质重塑因子相互作用，DME在染色质重塑因子的帮助下去除异染色质区域的DNA去甲基化，所以nDMECTD的去甲基化主要发生在常染色质，而对异染色质区域的DNA甲基化则影响较小。(PNAS)
揭示植物细胞不对称生长的蛋白质调控机制
土壤中向上生长的植物幼苗极易受到土壤颗粒的机械损伤，为了保护幼嫩的子叶和顶端分生组织，双子叶植物幼苗在下胚轴顶端发生细胞不对称生长，形成弯钩状的结构以避免子叶受到土壤颗粒的直接冲击。幼苗出土后，顶端弯钩附近的不对称生长被迅速消除，使得子叶能够充分伸展，获得更多光照，快速实现光合自养。之前研究人员利用遗传诱变筛选到了一个基因HOOKLESS1 （HLS1），其对顶端弯钩的发育有着决定性作用，hls1突变体在暗下不能形成顶端弯钩结构。最新研究发现，植物通过HLS1蛋白的多聚和光控解多聚，实现对幼苗顶端弯钩形成与打开的精确调控，是植物应对环境变化调整其生长发育的新颖分子模型。该研究分析了HLS1蛋白质的氨基酸特点，发现HLS1蛋白倾向于多聚。遗传分析显示，HLS1位于红光受体phytochrome B（phyB）下游调控顶端弯钩的形成。生化实验发现，phyB在见光进入细胞核后，可以通过与HLS1蛋白的直接相互作用，将HLS1蛋白从多聚形式裂解为单体形式，从而迅速抑制HLS1的活性，促进顶端弯钩的打开。(Dev. Cell)
中科院发表花多样化发育机制综述文章
花是被子植物特有的繁殖结构，也是其关键创新性状。花的起源和多样化导致了被子植物的起源和繁盛，从而深刻地改变了陆地生态系统的格局。长期以来，对花起源和多样化机制的研究一直是植物学和进化生物学领域的热点。中国科学院植物研究所孔宏智研究组长期从事花起源和多样化的分子机制研究。近日，该团队发表综述文章，系统总结和阐述了相关方面的最新研究进展，并提出了自己的观点。结合自己研究组的前期工作，该文首先对花发育所需经历的主要过程（如花托的发育及花器官的起始、身份决定、形态建成和成熟等）及其分子机制进行了总结，并首次从发育程序改变的角度探讨了花多样化的原因和机制。此外，该文还展望了该领域未来研究的方向和思路，建议开发更多有代表性的模式植物、从调控网络的层面研究花多样化的过程和模式以及将更先进的研究方法（如计算机模拟和组学研究）与进化发育生物学研究相结合。 (Nature Plants)
豌豆基因组被破解，为豆科植物基因组进化提供新见解
豌豆是重要的豆科植物，也是揭示生物遗传学规律的科学实验材料然而，贡献如此之大的豌豆，其基因组却一直未能被破解。一个重要的原因是豌豆基因组非常大 (~ 4.45 Gb)。但近年来，随着相关技术的发展，大型基因组的测序和组装已成为可能。近期科学家们完成了豌豆(Pisum sativum L., 2n = 14) 的首个参考基因组，为豆科植物的基因组进化提供了新见解。这项最新的研究以豌豆品种‘Caméor’为材料，首次完成了豌豆的基因组草图。通过对不同豆科植物进行系统遗传学和古基因组学分析，发现了豆科植物的基因组重排，并揭示了重复序列在豌豆基因组进化中的重要作用。与其他已测序的豆科基因组相比，豌豆基因组具有强烈的动态化，可能与从其它豆科分化时的基因组扩张有关。在豌豆进化过程中，易位和转座在不同的谱系间发生差异。总的来说，豌豆的参考基因组序列为豆科植物基因组进化提供了新的见解。该参考序列也将加深对豆科作物重要农艺性状的分子基础的理解，研究结果对相关作物的遗传改良也具有重要的参考意义。(Nature Genetics)
揭示植物进化和水生环境适应新机制
浮萍为世界上最小的单子叶开花植物，它生活于水体中，具有适应性强，分布广，淀粉含量丰富等特点，是一种优良的生物能源植物，同时可以高效吸收富营养和重金属污染水体中的氮、磷及铜、砷等元素，是一种有应用前景的生物清洁植物。近日，研究利用三代PacBio单分子测序技术拼装出高质量的浮萍基因组，并揭示了浮萍根系功能和水生植物适应环境的新机制。该研究重新利用三代PacBio单分子长读长的测序优势，拼装出的序列连续性比上一版基因组提升了44倍，填补了上一版95.4%的序列丢失区域，鉴定到了更多的完整LTR序列和嵌套LTR区间，为浮萍的生物学研究提供了更优质的参考基因组。异于陆生植物的免疫系统，编码抗微生物肽等抗病基因串联重复扩增且组成型表达，与浮萍中24nt siRNA低水平表达相一致，从而增强了浮萍对病原体和微生物的抗性，增强了其对水生环境的适应性，间接佐证了浮萍可以全球分布的优良特性。(PNAS)
