生物技术前沿一周纵览（2021年1月3日)
揭示番茄生长和防御响应转录调控新机制
近年来番茄受到病原菌侵染、高温、干旱等多种生物和非生物胁迫，造成巨大的经济损失。近日，研究人员揭示了番茄生长和防御响应转录调控新机制。该研究通过RNA-seq分析鉴定出一个编码NAC转录因子的基因SlNAP1，可受病原菌侵染等多种胁迫强烈诱导。研究发现，过表达SlNAP1显著增强了番茄植株对根部病害青枯病和细菌性叶斑病这两种农业生产中常见且危害大、防控难的细菌性病害的防御能力，同时也显著增强了番茄耐旱性。此外，过表达S1NAP1植株在营养生长早期较矮，但干物质向生殖生长分配的比例却明显增加，其果实产量增加了10.7%。研究结果表明，过表达S1NAP1植株中生理活性的赤霉素 (GA4) 含量降低，水杨酸 (SA) 和脱落酸 (ABA) 含量升高。进一步研究表明，SlNAP1作为转录因子，直接激活参与赤霉素失活以及水杨酸和脱落酸生物合成的SlGA2ox3，SlPAL3，SlNCED1等多个基因的转录。综上，SlNAP1正向调控番茄对多种胁迫的响应，可能是提高作物产量并显著增强植物广谱抗逆性育种的潜在靶标，对于番茄设计育种提供了一定参考。（Horticulture Research）
开发植物广适性基因编辑工具盒，识别非典型PAM序列
CRISPR/Cas系统作为强大的基因组编辑工具，已经在许多模式植物和农作物中成功应用。近日，科学家在水稻中利用SpCas9变体NRRH、NRTH和NRCH（R为A/G, H为A/C/T），将SpCas9识别PAM序列扩展至NRNH， 利用SpCas9变体SpG，提供高效稳定的NG PAM识别能力，利用SpCas9变体SpRY，实现几乎不受PAM限制的植物基因组靶向编辑。该研究开发了多种识别非典型PAM序列SpCas9变体植物靶向突变工具及单碱基编辑工具，构建了多用途、简单易用的植物广适性基因编辑工具盒，显著提高了CRISPR-SpCas9系统在植物中的编辑能力。该研究在水稻密码子优化的SpCas9基础上引入系列关键氨基酸突变，构建了植物SpCas9-NRRH、SpCas9-NRCH、SpCas9-NRTH、SpG和SpRY基因编辑系统，进而通过稳定转化水稻，在愈伤群体中检测比较了这些新型变体的靶向编辑活性。该研究在植物系统中有效扩展了SpCas9识别的PAM范围，丰富了植物基因编辑系统类型，也为作物品种改良等提供了更广泛、高效、精准的新工具。（Molecular Plant）
揭示低温诱导植物钙信号产生的分子机制
钙离子 (Ca2+) 在植物生长发育以及响应不同环境刺激等方面发挥重要作用，研究曾发现低温引起[Ca2+]cyt 瞬时增加，进而激活低温响应基因表达。近日，科学家不仅研究揭示了低温诱导特异钙信号的产生机理，还发现蛋白激酶OST1通过调控钙离子转运蛋白AtANN1活性从而放大低温诱导的钙信号。研究结果表明，atann1缺失突变体中低温诱导的[Ca2+]cyt显著低于野生型，低温关键转录因子CBFs及其下游靶基因COR的基因表达水平降低，从而导致拟南芥耐受低温的能力下降，说明AtANN1通过影响低温介导的钙信号的内流，调控CBF-COR依赖的低温信号转导通路，从而正调控拟南芥的耐冻性。进一步研究发现，低温信号途径中重要蛋白激酶OST1参与低温诱导钙信号的调控。综上，该研究揭示了低温诱导植物钙信号产生的分子机制。研究结果为揭示植物低温钙信号的产生机制以及钙信号与植物耐冻性之间的关系提供了分子基础。（The EMBO Journal）
揭示不结球白菜维生素C和硫代葡葡糖苷营养物质的代谢调控机制
不结球白菜俗称青菜、小白菜，原产中国，栽培面积由2005年的800万亩上升到现在的2,100万亩左右。近日，科学家研究揭示了不结球白菜维生素C和硫代葡葡糖苷营养物质的代谢机制，为优良性状分子设计育种奠定了坚实基础。该研究以不结球白菜‘苏州青’为材料，获得了396.83Mb近完整的高质量的染色体级基因组，并对其功能进行注释，其ContigN50为2.83Mb。该研究发现重复序列占全基因组的比例约为53%，并且注释得到了48,158个蛋白质编码基因。比较基因组分析证实，不结球白菜经历了一个与其他十字花科物种共享的全基因组三倍化 (WGT) 事件，这发生在与拟南芥共享的WGD事件之后，为研究芸薹属芸薹种亚种之间分化提供重要的依据。对维生素C和硫代葡萄糖苷(GSLs) 合成和代谢途径相关基因进行了鉴定和比较分析，得到了串联复制导致的基因拷贝数变异，并且GSL基因在白菜基因组中发生了高度扩张。联合转录组分析，对相关基因的表达进行了探究，揭示了不结球白菜维生素C和硫代葡葡糖苷营养物质的代谢调控机制。（Horticulture Research）
揭示生长素稳态调控水稻氮肥利用效率的机理
氮肥是促进作物产量增加的要素之一，近年来氮肥使用量的攀升并未带来农作物产量的大幅提高，经济效益和生态效益反而呈下降趋势。近日，科学家研究揭示了生长素稳态调控水稻氮肥利用效率的机理。研究发现，外界氮源能够通过调控DNR1基因的表达水平来改变水稻体内的生长素含量，从而影响生长素信号途径响应基因OsARFs对下游氮代谢相关基因的激活能力，最终实现对水稻氮肥利用效率的调控。研究还发现，DNR1的启动子序列在籼、粳水稻亚种间存在520 bp的差别，这导致籼稻与粳稻的氮肥吸收速率的显著差异；籼稻中DNR1indica等位基因的低表达导致籼稻中生长素含量升高，使之具有更高的氮肥利用能力。进一步研究表明，DNR1在提高粳稻氮肥利用效率上极具应用潜力和价值。综上，该研究揭示的N-DNR1-Auxin-OsARF分子模块丰富了我们对氮素-生长素-氮肥利用效率的认识，从分子水平上揭示了生长素稳态调控氮肥利用效率的机制。 该研究也为培育高氮肥利用效率的水稻品种提供了重要靶点。（The Plant Cell）
揭示生长素极性运输调控植物母体和子代协同发育的分子机制
良好的雌配子体发育对于植物有性生殖与作物产量具有重要意义。在雌配子体的发育过程中，随雌配子体的膨大，其周围的珠心细胞会有序降解。近日，科学家研究揭示了生长素极性运输调控植物母体和子代协同发育的分子机制。研究发现，珠心细胞的有序降解是由生长素所控制。植物巧妙的利用了生长素极性运输的特点，将母体产生的生长素运送到雌配子体周围的珠心细胞，启动位于极性运输终点的珠心细胞的死亡，从而释放出雌配子体膨大所需要的空间与养分。通过这个机制，实现植物珠心细胞的降解和雌配子体发育的同步进行。值得注意的是在珠心细胞降解过程中，生长素供应和生长素梯度是由母体组织控制的，这意味着距雌配子远处的母体组织可以通过生长素的供应，将其生长状态的信号（包括环境胁迫信息）整合到雌配子体的发育中，以调节成熟雌配子体的数量和营养储备，为母体和子代的协调发育提供信号交流机制。（New Phytologist）
光周期信号和植物激素协同调控茎尖分生组织的形态变化
植物的地上组织都来自茎尖分生组织（SAM），成花诱导是植物生殖生长的开始，涉及SAM的形状和特性的变化，植物激素赤霉素（GA）参与调控多种生物学过程，包括开花诱导。近期，科学家研究揭示了在成花转变过程中光周期和赤霉素对SAM的调控作用。该研究首先检测了光周期诱导的开花过程中SAM的组织学变化，结果表明GA信号也参与调控成花诱导。进一步研究表明，GA2ox4与GA2ox2同样都在分生组织中表达，GA2ox4在开花中是必需的。ChIP-PCR结果表明，MADS-box转录因子SOC1和SVP共同调控GA20ox2和GA2ox4的转录。SVP通过直接结合GA2ox4的5’端正调GA2ox4的表达，而SOC1作为负调控因子减弱了其与靶位点的结合。总之，该研究发现了光周期信号和赤霉素协同调控茎尖分生组织的形态变化。遗传分析表明，两个MADS-box转录因子SOC1和SVP是与成花诱导相关的基因调控网络的组成部分，通过调节SAM中与GA动态平衡相关酶的表达来发挥作用。该研究凸显了在SAM从营养分生向花序分生转变过程中，协同光周期信号和GA信号途径以诱导精确形态变化的重要性。（eLife）
