生物技术前沿一周纵览（2014年1月24

辣椒基因组测序阐释辣味演变

来自韩国首尔国立大学（Seoul National University）等机构的研究人员完成了针对辣椒的首次高质量参照基因组测序。研究选用了高抗病性的墨西哥种Capsicum annuum cv. CM334和中国黄灯笼辣椒Capsicum chinense。辣椒的基因组序列图谱帮助深入了解辣椒品种间的辣味演变，以及究辣椒的辛辣味、抗病性、成熟过程背后的遗传因素。将辣椒和其近亲植物番茄的基因组对比，发现在两种植物中都含有可产生刺激性辣椒素的基因。番茄中含有该基因的 4 种无功能副本，辣椒中则有 7 种无功能副本和 1 种可起作用的该基因副本。研究人员认为，辣椒中产生辣椒素的基因出现于 DNA 复制中的 5 次突变之后，最终的一次突变产生了可起作用的基因副本。这种令嘴巴有灼烧感的化学物质也许在几百万年前可以保护基因突变后的辣椒种子不被植食动物吃掉，从而使突变植株产生生殖优势，得以传播。这一发现可能有助于育种者提高辣椒的辣度、营养和药用价值。遗传学家可以激活番茄的其中一个休眠基因，从而优化生产，并产生一种可以制作现成辣调味汁的植物。 (Nature Genetics)

生态学研究指出可能已达到粮食安全的极限

Kenneth Cassman及同事对谷类作物生产量最大国家的谷物、油料、糖类、纤维、豆类、块茎类、块根类、水稻、小麦和玉米的过去产量趋势进行了定性，提供了与所预测的作物产量提高相悖的证据。数据显示，对于包括东亚、欧洲西北和美国在内的世界上粮食作物生产集约化程度最高的地区当中的很多地区，一种或多种主要谷类作物产量提高的速度最近已经降低或停止。他们的结论是，产量提高的停滞影响全球水稻生产的约33%和全球小麦生产的约27%。在中国，2010-2011年时间段与2002-2003年时间段相比，小麦产量的增长保持不变，但玉米产量的增长降低了64%。这种产量降低的情况发生在农业研发、教育和基础设施方面的投入增加的情况，说明在很多地区的产量增长已达到其最大潜力。维持产量进一步提高，可能需要对粮食生产中的很多不同因素进行微调，但这在农业生产中可能难以做到，而且相关的边际成本、劳动力要求、风险和环境影响可能会超过由此所能产生的利益。包括水稻和小麦在内的全球主要谷类作物的30%左右可能已经达到了它们在农田中的最大产量潜力。这些作物的产量最近表现出一次突然降低，或者说达到了一个平台阶段。能够确保全球粮食安全的未来预测工作一般都是基于产量的不断增加，该研究表明这是一个也许不可能出现的趋势。（Nature Communications）

科学家发现植物版ATP受体

三磷酸腺苷（ATP）是在所有活的生物体中普遍存在的一种化合物。ATP是细胞内的主要能量载体，负责为各种生命过程提供动力。来自密苏里大学（University of Missouri）的研究人员首次在植物中发现了与细胞外 ATP 结合的受体 DORN1，在植物抗逆性通路中，该受体是一个关键的组分，可以帮助植物应对害虫侵袭、环境改变和物理创伤。ATP 诱导的钙响应、 MAPK 激活（促分裂原活化蛋白激酶）和基因表达都需要 DORN1 与 ATP 紧密结合。DORN1 的结构，以及它与 ATP 的作用机制有待还进一步的研究。但可以肯定，在植物受到创伤时， ATP 被释放到伤口处诱导相关基因表达，从而对伤口进行修复。ATP 是这类创伤应答的核心，它不仅能帮助植物正常发育，还有助于植物对环境改变和害虫侵袭进行应答。在这一发现的基础上，人们能够鉴定植物抵御严酷环境条件的天然保护通路，例如物理创伤和害虫等等。这些发现将有助于科学家们开发更为高效的除草剂、肥料以及驱虫剂。（Science）

钙调控草坪草抗冷机理研究取得新进展

狗牙根(Cynodon dactylon (L). Pers.)作为一种抗性较强的草坪草，其应用前景广泛。然而狗牙根是一种暖季型草坪草，对冷冻害比较敏感。如何提高狗牙根对冷冻害胁迫的抗性，以使其四季长青，对草坪草研究具有重要的现实意义。钙在植物生理活动中起重要作用，各种外界和内在的信号因子所导致的植物反应大多与钙信号转导有关。钙作为信号分子，介导了许多信号反应，并参与了众多生理过程。中国科学院武汉植物园植物水分胁迫生物学学科组利用植物生理学、蛋白质组学和代谢组学等研究方法，对钙调控草坪草狗牙根抗冷机理展开了一系列研究。研究发现，冷胁迫处理快速诱导了钙离子的含量；外源钙离子处理提高可以显著提高狗牙根对冻害胁迫抗性，而钙离子的螯合剂EGTA处理降低了狗牙根对冻害胁迫抗性；同时外源钙离子和EGTA处理均可以改变冷胁迫时的活性氧积累和抗氧化酶活性；进一步的蛋白质组学和代谢组学研究鉴定了一系列在正常和冷胁迫处理情况下被外源钙离子调控的差异表达蛋白和代谢物，并将部分蛋白和代谢物整合在一条代谢途径中。这些结果综合解析了钙调控草坪草狗牙根抗冷胁迫的机理。（JIPB）

成功获得第一代“人参酵母”细胞工厂

中科院天津工业生物技术研究所研究员张学礼课题组与中国中医科学院中药资源中心研究员黄璐琦课题组合作，获得能同时合成齐墩果酸、原人参二醇和原人参三醇三种人参基本皂苷元的第一代“人参酵母”细胞工厂。人参皂苷（Ginsenosides）是人参（Panax ginseng）和西洋参（Panax quinquefolium）等珍稀药用植物中提取的药效成分。由于人参资源短缺，人参皂苷类化合物产量已经不能满足社会的需求，严重影响了人参的临床应用和人参皂苷类制药原料中间体的开发和应用。科研人员在前期构建出生产人参二醇型皂苷元的酵母人工细胞。在本研究中，通过在酿酒酵母中整合了带有强启动子的tHMG1，ERG9，ERG1和bAS等关键基因，获得产齐墩果酸型三萜化合物重要前体β-香树脂的底盘菌，β-香树脂产量达107mg/L。在此底盘菌基础上，整合了齐墩果酸的功能模块（OA Module）和原人参二醇-原人参三醇的功能模块（PPD/PPT module），获得第一代“人参酵母”细胞工厂GY-1。该细胞工厂能同时合成齐墩果酸，原人参二醇和原人参三醇三种人参基本皂苷元，产量分别达21.4、17.2和15.9 mg/L，占总人参皂苷元的比例分别为39.3%、31.5%和29.2%。该研究为最终获得生产人参皂苷的酵母细胞工厂奠定了基础。（Scientific Reports）

糖诱导可推动生物燃料发展

据一项新的研究报告，得益于一种将糖从干的植物性物质中诱导出来的新技术，可能有助于生物燃料取代日益减少的以石油为基础的燃料来源。由于油价的上涨，像生物燃料这样的替代能源已经变得日益流行。生物燃料是通过将稳定植物细胞壁的纤维素中的糖进行发酵而制备的，但这些糖首先必须进行释放，而这是非常困难的。特定的酶可对这一过程有帮助，但科学家们需要想出更多的方法将纤维素分解为糖。Jeremy Luterbacher及其同事报告了可从在玉米秸秆、硬木和软木的纤维素和半纤维素中高效地产出葡萄糖的方法。他们将来自以上这些来源的干性植物物质放入到了GVL中，加入适量的水与酸，最终将这些化合物分解成为葡萄糖。至关重要的是，这些葡萄糖并没有被降解，而是为发酵过程完整地保留下来。该小组的经济模型表明，整个过程就其成本而言可与当前的从生物质中生产乙醇的方法竞争。（Science）

解码钩虫基因组

来自华盛顿大学医学院的研究人员破译了美洲钩虫（Necator americanus）的基因组，找到了关于它如何感染人体并在人体中生存的一些信息，将帮助开发出对抗钩虫病的新疗法。美洲钩虫导致了85%的人类钩虫感染，这类钩虫感染通常不致命。然而，在妊娠妇女体内这种寄生虫会造成贫血，导致孕产妇死亡以及低出生体重促使新生儿死亡。驱虫药阿苯达唑（albendazole）通常作为集体治疗程序的一个组成部分被施予流行性感染地区，但重复及过度使用阿苯达唑正导致某些地区出现治疗失败和耐药。尽管在发展中国家造成了严重的疾病，在美国和其他的工业化国家钩虫却是以在自身免疫性疾病，例如炎性肠病、多发性硬化症、哮喘和过敏中所表现出的治疗潜力正赢得广泛的关注。因此，更全面地了解了这种寄生虫是如何侵入人体，开始以血液为食并成功逃避宿主免疫防御的，将加速开发出对抗钩虫感染的新诊断工具和疫苗。通过破译钩虫的基因组，研究人员发现了数组协调这些过程的基因，鉴别出了有可能易受疫苗或新药物疗法影响的特异靶点。同时，该研究还鉴别出了一组分子，它们似乎保护钩虫避免了宿主免疫系统检测。钩虫通过抑制一些促进炎症的分子逃避了宿主免疫系统的注意，相同的方法有可能在治疗自身免疫性疾病中证实其价值。研究人员希望新研究可以作为一个跳板，不仅能够控制钩虫感染，还能鉴别出有潜力推进自身免疫和过敏疾病新疗法的抗炎分子。（Nature Genetics）

利用体内RNAi揭示与癌症发展相关的未知基因

科学家们利用RNAi技术发现了以前未知的遗传基因缺失与癌变肿瘤的相关性。研究人员利用体内RNA干扰（RNAi ）方法对胚胎基因修饰，但本身不造成胚胎损害或改变胚胎，通过隔离基因来确定与小鼠头颈部肿瘤生长（鳞状细胞癌）相关的基因。在开始体内RNAi前，研究人员要修改遗传元件，然后将他们移植到胚胎中。这个新方法是非侵入性的，允许更精确改变遗传物质。利用这一技术来切断不同基因，更多地了解老鼠成长到成熟的时候会发生什么，以及他们没有这些基因时，是否会发生肿瘤。（Science）

血液中的生物标记或可快速检测胰腺癌

胰腺癌是西方世界第四最常见的癌症死亡原因，其预后不良，1年及5年存活率只有20%和6%。胰腺癌的早期诊断是困难的，需要有早期诊断胰腺癌患者的生物标记以改善其预后。从被怀疑患有胰腺癌的病人体内获取有用的组织活检非常困难，开发对胰腺癌敏感而且特异的非创伤血液诊断检查将会很有价值。目前已有研究将数种特定的微RNA谱与胰腺癌组织联系起来。哥本哈根大学医院Herlev医院的研究人员在全血中发现了诊断性的微RNA检测指标组，尽管用这些检测指标组结合血清癌症抗原CA19-9有产生假阳性测试结果的风险，但该测试可让更多的具有特征性或非特征性症状的人转去做电脑断层成像、核磁共振或超声波成像检查，在一定程度上具有对病人是否患有胰腺癌进行甄别的能力。目前这些发现只是初步的，有必要进行进一步的研究以了解这些微RNAs是否针对早期发现胰腺癌具有筛检测试的临床意义。（JAMA）