生物技术前沿一周纵览（2019年11月10日）
科学家绘制非生物胁迫对大豆生物钟的 “输入”图谱
大豆是优质蛋白质和植物油的主要来源，由于基因组复杂导致大豆生物钟研究极为滞后，严重阻碍了生物钟在提高大豆环境适应性，进而提高产量中的应用。最新的研究在大豆中建立了一个经济、可靠的称之为“分子时刻表”（molecular timetable）分析方法，同时结合RASL-seq（RNA-mediated oligonucleotide annealing, selection and ligation with next-generation sequencing）手段，精细绘制了一份全面的非生物胁迫对大豆生物钟的 “输入” （inputs）图谱。利用鉴定出的大豆分子时刻表，该研究系统分析了各种非生物胁迫对大豆生物钟基因的影响：1）发现了高温、矿物质营养元素铁的缺失等环境因素对生物钟节律有明显改变，包括首次发现碱胁迫使大豆生物钟周期（period）变长，相位（phase）提前；2）找到了逆境与生物钟相互作用的关键基因，为进一步利用生物钟进行分子设计育种、提高大豆抗逆性提供了关键候选基因，大豆生物钟响应碱胁迫的新发现，为有效利用盐碱滩涂等荒地增加大豆种植面积，提高产量提供了重要途径；3）文中开发的分析方法可用于任何具有基因组信息和可公开获取转录组数据的物种中，为其他物种生物钟与环境互作的研究提供了高效、经济的手段。（PNAS）
揭示兰科植物景天酸代谢途径的进化格局
景天酸代谢途径，又称CAM途径，指一类在夜间打开气孔吸收CO2并通过羧化反应形成苹果酸存于细胞大液泡中的碳素同化途径。具备景天酸代谢途径的植物往往生长于昼夜温差明显的干旱地区，它们为适应干旱的条件而进化出景天酸代谢这一独特的生存策略。近日，科学家以石斛属植物为例，揭示了兰科景天酸代谢在不同洲际地区的进化格局。在该研究中，作者通过分子系统学和古形态重构方法揭示石斛属专性景天酸代谢类群在亚洲和澳洲地区的进化格局了，，发现了石斛属植物的专性景天酸代谢独立起源8次，亚洲和澳洲地区各4次。分子钟分析表明亚洲分支的专性景天酸代谢起源比澳洲分支早，前者起源于中新世中期，而后者在中新世晚期。结合古气候学和多样性分析显示专性景天酸代谢的起源与较冷和干旱的古气候密切相关，也是亚洲地区的专性景天酸代谢物种数量占比远比澳洲地区的低的主要原因。该研究为进一步理解不同地区的景天酸代谢植物起源和演化以及古气候环境的研究提供了新的视角。（Journal of Experimental Botany）
揭示拟南芥内含子中异染色质抑制转录起始的机制
近日，研究发现植物基因组内含子中转座子介导形成的异染色质可以抑制非正常的转录起始从而调控宿主基因的表达，并阐明相应的分子机制。真核生物基因组中的转座子在调控染色质结构、基因表达等方面发挥着重要的作用，但对于基因内含子中的转座子如何调控宿主基因的表达尚不完全清楚。通过正向遗传筛选，孙前文实验室发现当突变拟南芥生态型Ler中的RNA聚合酶（RNA Pol IV和Pol V）后，能引起开花抑制基因FLC 转录起始非正常发生于第一个内含子中的转座子区，导致开花提前。进一步的分析表明，RNA Pol IV和Pol V在FLC第一个内含子中的转座子区建立DNA甲基化及组蛋白H3K9甲基化并形成异染色质区，从而抑制RNA Pol II识别此区域中隐藏的转录起始位点。结合植物全基因组原位延伸转录本测序（pNET-seq, plant native elongating transcript sequencing）结果分析发现，这一现象发生于RNA Pol V所覆盖的50%内含子异染色质中。本研究对理解基因内含子中的异染色质区在调节宿主基因表达以及相关分子机制有重要帮助，拓宽了我们对真核生物基因内部异染色质生物学功能的认识。（The Plant Journal）
科学家综述种子寿命的分子调控网络
众所周知，种子寿命是农业生产中的关键性状，它直接影响种子休眠与萌发、萌发后幼苗建成等；并在人工生态系统中直接影响生产成本和作物产量，在自然系统中还影响着植物物种的地理分布与繁殖。近日，科学家从分子遗传、生理以及环境等多方面系统的总结了影响种子寿命的因素，并提出了该领域未来的研究方向和面临的挑战。大量研究表明，不同物种的种子寿命差异显著，其由多种因素协调构成精确复杂的交叉调控网络，其中包括环境因素、种皮结构、遗传因素、植物激素、活性氧以及能量物质的储备、转化与利用等。本论文系统阐述了不同因素介导调控种子寿命的生理及分子机制，并进一步讨论了未来的研究方向及面临的挑战。这对于延长种子寿命，提高农业比较效益，进一步理解自然生态系统中植物物种的地理分布等具有重要的科学和经济意义。（Plant Cell & Environment）
科学家在玉米抗倒伏性研究中取得重要进展
玉米倒伏是造成玉米减产的一个关键的因素，近日，科学家研究揭示了玉米茎秆强度的分子机制。为了加速玉米茎秆强度的研究，林中伟课题组首先开发一套玉米茎秆强度的表型测量方法，该方法操作简单，可大规模进行测定。在此基础上，该课题组结合精细定位和关联分析将位于玉米第6染色体上的一个主效的玉米茎秆强度QTL-stiff1鉴定出来。stiff1基因编码一个F-box蛋白。过表达该基因导致玉米茎秆变软，后期出现倒伏，而该基因被编辑后，玉米的茎秆强度增强。序列分析发现，位于启动子区的一个近30 kb的转座子插入使得该基因的表达量下调，从而导致茎秆的纤维素和木质素含量提高，玉米茎秆强度增加。玉米85%的基因组是由转座子组成，转座子是玉米基因组进化过程中的一个最活跃的因素。在该研究中，这个基因近30 kb的转座子插入说明了转座子可能在玉米驯化与改良的过程中发挥了关键的作用。进一步的进化分析表明，这个基因受到了强烈的人工选择。研究发现，仅有15%中国玉米自交系含有这个转座插入。因此，这个基因可用于大规模精准改良我国玉米的茎秆强度。（The Plant Cell）
揭示大麦耐盐性调控新机制
禾谷类作物种间耐盐性差异显著，大麦（Hordeum vulgare）的耐盐性显著强于水稻（Oryza sativa）和普通小麦（Triticum aestivum）。近年来水稻和小麦耐盐分子机制研究已取得重要突破。高亲和K+转运蛋白（HKT）是一个超蛋白家族，分为两种类型；其中类型I中第一个P-loop中含有丝氨酸，是Na+特异性载体；已报道的水稻OsHKT1;5、小麦TaHKT1;5-D和TmHKT1;5-A均属于该亚家族，被认为正向调控耐盐性，而HvHKT1;5的分子功能尚不清楚。
近日，科学家研究发现了一个Na离子转运蛋白HvHKT1;5参与负向调控大麦耐盐性的新机制。该研究发现，HvHKT1;5主要在根部表达且受盐胁迫诱导，其编码一个定位于根部中柱细胞的膜蛋白。通过爪哇蟾卵母细胞体外电生理实验证明，HvHKT1;5具有Na+特异的转运亲和性。进一步分析HvHKT1;5-RNAi突变株系生理表型，结果表明HvHKT1;5调控Na+从根部运输至地上部，并间接影响K+/Na+的离子平衡，从而负向调控大麦的耐盐性，与水稻OsHKT1;5和小麦TaHKT1;5的功能存在物种间分化。通过基因操纵降低HvHKT1;5基因的表达可增强大麦耐盐性，对大麦耐盐性遗传改良与新品种培育具有重要参考价值。（Plant Physiology）
解析高温胁迫下DNA甲基化调控棉花育性的潜在机制
棉花是一种重要的经济作物，利用杂种优势可以大幅度提高棉花产量、改进纤维品质及增强抗逆性。近日，科学家研究发布了棉花花药的单碱基分辨率甲基化图谱，并初步探究了高温胁迫下DNA甲基化调控棉花育性的潜在机制。该研究对进一步揭示高温胁迫导致棉花花药不育的表观调控机制以及创制耐高温棉花恢复系具有重要意义。该研究利用全基因组甲基化测序技术，绘制了棉花花药的单碱基分辨率甲基化图谱，并全面地分析了棉花花药发育过程中响应高温胁迫的DNA甲基化变异与基因表达变化之间的潜在联系。研究发现，高温诱导的DNA去甲基化可通过上调线粒体呼吸链中相关基因的表达来维持三磷酸腺苷（ATP）合成和活性氧（ROS）产生的动态平衡，从而保证高温胁迫下棉花花药的正常发育。该研究结果为深入揭示棉花细胞质雄性不育以及育性恢复的分子机理奠定了基础，同时对生产上利用表观遗传工程技术选育耐高温恢复系和“三系”杂交种具有重要的实践意义。（Journal of Experimental Botany）
