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[学术文献 ] 华中农业大学油菜遗传育种团队揭示油菜类胡萝卜素和ABA合成调控新机制 进入全文
Cell Reports
2024年4月15日，华中农业大学油菜遗传育种团队在Plant Physiology发表了题为“BnaABF3 and BnaMYB44 regulate the transcription of zeaxanthin epoxidase genes in carotenoid and abscisic acid biosynthesis”的研究论文。该研究解析了甘蓝型油菜类胡萝卜素和脱落酸（ABA）生物合成关键基因BnaZEPs 的复杂调控机制。类胡萝卜素是重要的天然色素，不仅可以赋予植物多个器官丰富的颜色，还在植物光合作用、光保护、抗氧化和ABA等激素合成中占有重要地位。因此，类胡萝卜素的生物合成与调控一直是植物科学领域的研究热点之一。目前，类胡萝卜素生物合成路径已经得到充分阐释，大量结构基因被发现并进行了功能验证，但类胡萝卜素调控路径的研究还十分有限，只有少数转录因子的调控功能被证实。课题组前期在甘蓝型油菜中图位克隆了花瓣中的类胡萝卜素合成关键基因BnaA09.ZEP 和 BnaC09.ZEP（The Plant Journal, 104:932-949），这两个同源拷贝同时突变导致甘蓝型油菜黄花转变成橙花。后续研究发现，BnaZEPs共有四个同源拷贝，除了在花瓣中优势表达的BnaA09.ZEP 和 BnaC09.ZEP，还有两个在叶片中优势表达的BnaA07.ZEP 和 BnaC07.ZEP，说明BnaZEPs存在器官特异的功能分化。为验证该设想，课题组通过敲除实验证实了BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP主要参与花中类胡萝卜素合成，影响甘蓝型油菜的花色，而BnaA07.ZEP和BnaC07.ZEP主要参与叶片中类胡萝卜素和ABA的合成，影响甘蓝型油菜的耐旱性。虽然它们在不同组织中发挥功能，但也存在部分功能冗余。随后，启动子互换的遗传转化实验证明，启动子序列差异是导致BnaZEPs功能分化的决定因素。为发掘BnaZEPs上游调控因子，课题组利用酵母单杂、EMSA和Dual-LUC等技术，结合转基因和RNA-seq技术，筛选并证实了ABA响应因子BnaABF3s以及R2R3 MYB转录因子BnaMYB44s对BnaZEPs的差异调控：BnaABF3s可以直接激活BnaZEPs的四个同源拷贝的表达，在干旱胁迫下促进ABA的合成，从而提高油菜的耐旱性；而BnaMYB44s不靶向BnaA07.ZEP和BnaC07.ZEP，它特异抑制花瓣中BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP的转录，影响甘蓝型油菜花瓣中类胡萝卜素的组分变化，并抑制苯丙烷和类黄酮的生物合成。基于上述结果，本研究提出了一个甘蓝型油菜BnaZEPs的工作模型（图1）。四个BnaZEPs具有相似的蛋白功能，在不同的组织中催化玉米黄质向紫黄质的转化。BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP在花器官中行使功能，影响植株的花色，BnaA07.ZEP和BnaC07.ZEP主要在叶片中表达，影响植株的耐旱性。在花瓣和叶片中，有相同和不同的转录因子参与 BnaZEPs的调控：其中BnaABF3s同时靶向所有拷贝，它不仅是ABA信号转导路径的重要转录因子，也是类胡萝卜素合成路径的重要调控因子，反馈调节ABA响应基因BnaZEPs的表达；BnaMYB44s特异抑制BnaA09.ZEP和BnaC09.ZEP的表达。另外，它们的同源蛋白如BnaABF1、BnaMYB73 和BnaMYB77可能也参与对BnaZEPs的差异调控。该研究结果为甘蓝型油菜多拷贝基因的功能分化提供了明确的证据，并有助于我们进一步揭示类胡萝卜素和 ABA合成路径复杂的调控网络。
[学术文献 ] 西南大学开发CRISPR-Cas单一转录单元代理报告系统 进入全文
Plant Communications
2024年4月13日，西南大学生命科学学院张勇教授团队联合西南大学园艺园林学院宋洪元教授团队、马里兰大学Yiping Qi教授在Plant Communications上发表了题为Boosting genome editing in plants with single transcript unit surrogate reporter systems的研究论文。该研究工作基于前期构建的单一转录单元CRISPR-Cas（STU-CRISPR）基因组编辑系统(Tang et al., 2016; Tang et al., 2019)，构建了基于代理报告系统的STU-SR植物基因组编辑系统，实现了对Cas9敲除编辑、C to T及A to G碱基编辑事件的高效富集，有效拓展了植物基因组编辑工具箱，为精准植物遗传改良提供了强有力的技术支持。研究者在STU-CRISPR系统基础上，结合包含内源基因编辑位点的筛选标记报告基因，构建了STU-SR-SSA系统。通过使用相同的sgRNA同时针对报告基因和内源基因进行编辑，建立了报告基因编辑与目标基因编辑的直接联系。当报告基因被sgRNA切割后，可通过SSA被修复为有功能的筛选标记基因，从而筛选得到的抗性植株中发生编辑的概率大幅提升。水稻中的实验结果显示，STU-SR-SSA系统在测试的内源基因位点上均达到了100%的编辑效率，与传统系统相比，编辑效率显著提升。此外，双等位基因编辑效率也得到了提高，OsPDS-sgRNA02和OsDEP1-sgRNA01两个位点的双等位编辑效率均达到100%。为实现碱基编辑事件的有效富集，研究者构建了STU-SR-BE系统。通过去除标记基因起始密码子并添加内源基因位点序列得到报告基因，报告基因被C to T或A to G编辑后形成新的起始密码子，恢复标记基因的正常功能。水稻中的结果表明：与传统CRISPR-Cas9系统相比，STU-SR-BE系统在多个内源基因位点上显著提高了编辑效率，与SpRY结合有效拓展了STU-SR-BE系统的应用范围。最后，研究者选取双子叶植物甘蓝来测试STU-SR系统的适用性。实验结果表明，与传统的CRISPR-Cas9系统相比，STU-SR-SSA系统在所有测试的内源基因位点上都实现了更高的编辑效率，BoPDS-sgRNA01位点的编辑效率从0%提高到了35%，BoPDS-sgRNA02位点的编辑效率从5%提高到了16.7%，BoBIK-sgRNA01位点的编辑效率显著提高了48.4%。这表明STU-SR系统能够有效地富集基因编辑事件，并在不同植物物种中具有广泛的应用潜力。
[学术文献 ] 安徽农业大学通过调控大豆miR396基因增加籽粒大小提高大豆产量 进入全文
JIPB
2024年4月10日，安徽农业大学朱建华团队在JIPB发表了题为“Knockout of miR396 genes increases seed size and yield in soybean”的研究论文。大豆是当今世界上最主要的粮油作物之一，如何在有限的耕地上提高大豆的产量是大豆育种的首要目标。长期以来，提高产量一直是大豆育种的一项重要任务，以满足对食品和动物饲料日益增长的需求。作物的籽粒大小和籽粒数量是影响产量的重要因素。miR396是植物中的一个相对保守的非编码内源性单链结构小RNA，其对靶基因GRF的表达具有重要调控作用。miR396基因已被证明能够调控植物的分蘖、粒型和穗型等特征，从而直接影响作物的产量。但miR396家族成员是否可能以类似的方式在大豆中发挥作用尚不清楚。该研究通过CRISPR/Cas对高产大豆品种“中黄302” (ZH302) 的6个miR396基因进行编辑，创制了8种类型的多基因突变体，这些突变体具有不同的基因突变组合，包括4个三重突变体 (mir396aci、mir396acd、mir396adf和mir396cdf)、2个四重突变体 (mir396abcd和mir396acfi) 和2个五重突变体 (mir396abcdf和mir396bcdfi)。研究发现，与ZH302相比，所有mir396突变体都产生了更大的种子。田间试验表明，mir396adf和mir396cdf植株在“中黄302”品种的适应生长区籽粒显著增大、果荚数显著增多、产量显著提高。
[学术文献 ] 四川大学基于多组织转录组研究紫锥菊中菊苣酸生物合成 进入全文
The Plant Journal
2024年4月10日，四川大学生命科学学院付饶/张阳团队在The Plant Journal在线发表了一篇题为EpMYB2 positively regulates chicoric acid biosynthesis by activating both primary and specialized metabolic genes in purple coneflower的研究论文，在菊苣酸合成的转录调节机制研究中取得新进展。该研究首先基于多组织转录组，通过共表达和系统发育分析，发现EpMYB2是一种响应茉莉酸甲酯（MeJA）处理的典型R2R3型MYB转录因子（TF），是菊苣酸生物合成的正调节因子。除了直接调节菊苣酸生物合成基因外，EpMYB2 还正向调节上游莽草酸途径的基因。该研究还发现，EpMYC2可以通过结合其G-box位点来激活EpMYB2的表达，并且EpMYC2-EpMYB2模块参与MeJA诱导的菊苣酸生物合成。综上，该研究发现了一种MYB TF，EpMYB2，其通过激活初级和次级代谢相关基因表达进而正向调节菊苣酸的生物合成，并且EpMYC2-EpMYB2模块的鉴定连接 JA 信号通路和菊苣酸生物合成之间的桥梁。该研究结果为通过工程涉及具有更高要用品质的紫锥菊开辟了新的方向。
[学术文献 ] 福建农林大学揭示番茄闭花授粉结构形成调控机制 进入全文
Science
2024年4月4日，福建农林大学吴双教授团队在Science期刊在线发表了题为“HD-Zip proteins modify floral structures for self-pollination in tomato（番茄通过调控HD-Zip蛋白的表达促进闭花授粉结构的形成）”的研究论文，在番茄上首次解析植物通过形成特殊表皮毛，改变花的结构，进而改变授粉方式的分子机制。本研究首先发现现代栽培番茄的花药边缘形成了一类特殊的表皮毛结构，通过相互铰链，形成一个类似拉链的结构，将相邻的花药紧紧锁住，形成密闭的花药桶结构。通过遗传筛选，研究人员发现，当控制番茄表皮毛的关键调控因子发生负显性突变时，番茄闭花授粉结构被破坏，花药散开的现象。研究人员进一步鉴定到此负显性突变影响的多个关键基因。这些关键基因同属于一类可以激活下游基因表达的HD-Zip IV转录因子。它们不但在番茄花药锁扣表皮毛起始细胞中高表达，并且通过蛋白浓度剂量效应调控锁扣表皮毛的起始和核内复制。有趣的是，这些HD-Zip IV转录因子同时也在花柱的顶部区域高表达，同样通过浓度剂量调控花柱细胞的核内复制，进而促进花柱的极性伸长。在还未真正变成番茄的近缘茄科植物类番茄中，花药边缘的锁扣表皮毛还未进化，完全缺失。当进化到野生番茄（潘那利番茄）时，其花药边缘开始形成早期的锁扣表皮毛，但这类简单的早期锁扣表皮毛不足以促进花药闭合。通过驯化，锁扣表皮毛在现代番茄中逐渐成熟和复杂化，最终促进形成闭合的花药桶结构。而这一过程与HD-Zip IV转录因子的表达量紧密关联。在番茄花柱中，研究人员发现HD-Zip IV转录因子调控花柱长度决定因子Style 2.1的空间表达。因此推测在番茄进化早期，HD-Zip IV转录因子时空表达的改变促进番茄花药形成闭合结构，但同时也促进花柱伸长外露。在这个阶段，由于野生番茄中的自交不亲和尚未解除，自花授粉难以发生，这样的花结构使得野生番茄仍然能够通过昆虫传粉完成受精和繁殖。当自交不亲和性状突变缺失后，人为驯化倾向于筛选具有Style 2.1突变的后代，形成花柱内缩,以及花药桶紧闭的完全闭花授粉结构。该研究解析了植物通过调控表皮毛的发育改变花器官的结构，这可为未来改造植物授粉方式，增加结实率和提高植物的逆境适应力，以及未来转基因作物的安全控制提供重要参考。
[学术文献 ] 谢布鲁克大学综述了气候变化影响植物-病原体相互作用机制 进入全文
Trends in Plant Science
2024年4月4日，谢布鲁克大学Peter Moffett团队于 Trends in Plant Science 上发表了题为The plant disease triangle facing climate change: a molecular perspective的综述论文。研究综述了气候变化如何影响植物-病原体相互作用，重点关注调控植物免疫和微生物毒力策略的机制。研究强调了非生物和生物胁迫之间的复杂相互作用，旨在识别作为遗传工程有希望的目标组分和/或途径，以增强在动态变化的环境中的适应性。1960年，Russell B. Stevens提出了“植物病害三角模型”的概念，该模型认为植物病害的发展需要三个条件：易感宿主植物、有毒力的病原体和有利的环境条件。鉴于气候变化预测指出全球环境条件将在未来几十年经历重大变化，包括极端天气事件的频率和严重程度增加。这些变化，如温度升高、降水模式改变、大气CO2含量和土壤盐分水平增加，将对植物生长和生产力产生显著影响。研究已经证实非生物胁迫与植物对病原性感染易感性之间的相关性。综述探讨了在未来气候预计增加的非生物胁迫如何重塑对植物病害三角模型概念的理解，特别强调它们对植物免疫系统和微生物毒力策略的影响。全面理解气候变化如何从机制上影响植物免疫、微生物致病性和环境之间的相互作用，可以帮助设计和实施急需的减轻和适应策略，以减少植物对气候变化的脆弱性。
