生物技术前沿一周纵览（2020年6月21日)

揭示叶绿体镁参与光合固碳调控的新机制
镁元素（Mg）是植物生长的必需元素，对光合作用至关重要。近日，科学家研究发现了叶绿体镁的昼夜震荡规律，通过功能分析负责水稻叶绿体镁节律性输入的转运蛋白OsMGT3，进一步解析了叶绿体镁参与光合固碳的调控过程及机制。该研究首先发现了叶绿体中自由态的镁水平具有昼夜节律性，这与固碳酶Rubisco的昼夜节律性高度一致。该研究发现，定位于叶绿体膜上的OsMGT3转运蛋白基因具有明显的昼夜节律性。OsMGT3 的功能缺失突变体中叶绿体镁的节律性震荡显著降低，导致Rubisco酶活以及净光合速率的下降，最终抑制水稻生长。此外，特异性地在叶肉细胞中过量表达OsMGT3 ，可以增强叶绿体镁的输入以及光合固碳的能力，体现出该基因在提高光合作用上的潜能。综上，水稻中叶绿体镁浓度和Rubisco活性具有一致的昼夜节律性，并且节律性震荡部分受到叶绿体膜上镁离子转运蛋白OsMGT3的调控。增强叶绿体镁的输入可显著地提高水稻的光合效率，该研究结果为作物光合作用改良提供了一种新的思路。（Nature Plants）

在拟南芥花粉初生外壁发育调控机理研究中取得新进展
高等开花植物花粉的表面具有物种特异性的花粉外壁纹饰，这些纹饰是由外壁组分孢粉素在花粉表面按照特定方式沉积和聚合形成的。近日，科研人员在拟南芥花粉初生外壁发育调控机理研究中取得新进展。 在该研究中，研究人员揭示了NERD1在初生外壁形成中的重要作用。他们发现nerd1突变体小孢子在四分体时期不能形成初生外壁、包裹在四分体外的胼胝质层变薄，相应地小孢子的细胞膜不能形成波浪状弯曲。初生外壁的缺失使得孢粉素前体不能在小孢子表面正常沉积和聚合，而是堆积在花药腔中。缺少外壁结构的小孢子后期发生降解，导致花粉败育。减数分裂期间NERD1在花药壁最内层的绒毡层细胞中高表达，四分体形成后NERD1移动到花药腔和小孢子表面，研究人员推测NERD1可能参与了初生外壁组分的转运过程。该研究为了解植物花粉外壁纹饰模板的形成机制提供了新的认识。（aBIOTECH）

发现两个泛素连接酶，可调节NLR受体蛋白的降解
NLR受体蛋白通常有三个结构域组成，根据N端结构域的不同，NLR可以进一步分为三种：CNL受体蛋白包含coiled-coil 结构域；TNL受体蛋白包含Toll-like Interleukin-1结构域和包含RESISTANCE TO POWDERY MILDEW 8结构域的RNL蛋白。近日，科学家研究鉴定到了两个可以调节NLR受体蛋白的降解的泛素连接酶。该研究通过反向遗传学鉴定到了两个泛素连接酶（SNIPER1 和SNIPER2）。研究发现，SNIPER1 和SNIPER2可以广泛的抑制TNL和CNL诱导的自免疫突变体的表型。进一步研究发现，SNIPER1的表达量和TNL以及CNL受体蛋白的积累呈现负相关。SNIPER1可以通过NB结构域广泛的识别TNL 以及CNL受体蛋白，但SNIPER1对于RNL并没有影响。体外泛素化实验证明，SNIPER1可以广泛的泛素化TNL以及CNL并介导它们进一步降解。因此，该研究在拟南芥中鉴定到了两个可以广泛介导TNL以及CNL受体蛋白降解的主效泛素连接酶，揭示了一种新的NLR降解调控机制。该机制可以抑制过多的NLR受体蛋白积累而导致的过度免疫，并可能存在于所有的双子叶植物中，研究结果为作物抗病育种提供了新的基因资源。（The EMBO Journal）

揭示乙烯信号途径参与调节大豆低磷胁迫响应的机制
大豆是喜磷作物，我国大面积土壤缺磷，尤其是土壤磷素利用率低严重限制了大豆的生产发展。近日，科学家研究发现乙烯信号途径是参与大豆响应低磷胁迫的重要调节机制，证明了GmETO1基因能够通过调节乙烯合成，进而调控大豆的根系构型，并最终影响大豆对低磷胁迫的耐受性。该研究发现低磷胁迫诱导大量乙烯信号通路中相关基因的表达，进一步研究发现，过表达GmETO1可抑制根系乙烯的合成，从而促进毛状根的增多和增长，增加磷的吸收和利用效率，进而提高大豆对低磷胁迫的耐受性。该研究揭示了乙烯信号途径在大豆响应耐低磷胁迫过程中发挥重要作用。GmETO1通过调节乙烯合成影响大豆的根系发育，并且影响下游相关基因的表达来促进植株对磷的吸收和转运，进而调控大豆对低磷胁迫的适应性。该研究拓宽了人们对植物响应低磷胁迫复杂调控机制的认识。（Plant Cell and Environment）

低蓝光增强拟南芥向光性生长的作用机制
自然环境下的光照是高度动态且异质的，为感知周围光照的变化，植物已进化出复杂的光感应系统。近日，科学家在拟南芥中揭示了低蓝光通过隐花色素调控植物向光性反应的机制。该研究表明低蓝光是冠层阴影增强植物向光性生长的重要条件， cry1是在该过程中发挥主要作用的蓝光受体。在正常光条件下，cry1会抑制植物的向光性而低蓝光会降低cry1的活性从而去除对向光性反应的抑制作用。进一步研究表明phot1是cry1介导的向光性的增强所必需的。此外，低蓝光导致下胚轴中的生长素信号增强，并且促进了下胚轴上的生长素信号梯度分布，这可能是造成向光性反应的原因并与生长素的合成、转运和信号转导有关。总之，该研究表明降低的蓝光强度会导致cry1活性降低并提高PIF表达水平，从而使植物在感知到蓝光梯度时改变下胚轴中的生长素分布并促进向光性反应。该研究结果加深了我们对cry1-PIF4分子模块在向光性调控中的理解。（Plant Physiology）

揭示植物新生RNA的剪切动力学
内含子剪切是真核生物mRNA成熟的关键步骤。这一过程通常被认为主要是伴随着转录发生的。近日，科学家基于Nanopore技术开发了一套针对染色质结合的新生RNA进行全基因组水平全长测序的方法，发现模式植物拟南芥中超过一半的内含子在Pol-II转录到其下游1 kb后尚未被剪切，这比酵母的剪切速度要慢很多。该研究开发了一种染色质结合的新生RNA全长测序方法，能捕获包括Pol-II延伸过程中的转录本、已转录过polyA位点的 read through转录本、以及已完成或正在进行加A的转录本在内的多种RNA转录、剪切和加工中间体，并同时对每个RNA分子上的内含子剪切状态、Pol-II转录位置、polyA位置以及polyA长度等信息进行检测。这为研究人员追踪并研究mRNA转录、剪切和加工的动态过程提供了重要的新工具。（Nature Plants）

在植物中建立了病原细菌基因调控网络
细菌致病因子的表达和植物免疫成分的变化形成了植物与微生物相互作用过程中的复杂关系。近日，研究人员利用植物体内原位细菌转录组及蛋白质组学技术，建立了病原细菌基因调控网络，报道了被寄主免疫系统攻击的病原细菌主要调控途径，并发现了植物免疫系统能够靶标病原菌的三型分泌系统元件，进而抑制病原细菌生长。研究表明这些早期基因表达模式的变化对侵染植物过程至关重要，此外研究还表明，受水杨酸 (SA) 调控的植物免疫参与了对细菌致病相关mRNA和蛋白质的抑制过程。研究发现SA介导的植物免疫对细菌基因和蛋白质表达的抑制具有高度的一致性。该研究进一步验证了这些转录因子确实参与了相关基因的表达调控和与病原菌的致病性。该研究对分析植物与病原细菌互作的过程中，细菌遗传信息如何转化为功能蛋白提供了证据，为深入了解植物免疫抑制病原菌侵染的分子机制奠定了基础。（Nature Plants）