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[前沿资讯 ] 日本冈山大学揭示AMT1负责水稻在低铵条件下对铵的吸收 进入全文
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土壤溶液中有两种主要的无机氮形态：铵 (NH4+) 和硝酸盐 (NO3-)。在好氧土壤中，氮主要以硝酸盐形式存在，而铵是稻田等厌氧土壤中的主要氮形式。一些铵转运蛋白AMT成员已在不同植物物种中被克隆并进行功能表征，包括拟南芥、水稻、番茄、玉米等。相比之下，尽管铵是水稻首选的氮形式，但人们对水稻中的AMT知之甚少。日本冈山大学植物科学与资源研究所2021年在New Phytologist杂志上发表了题为“Three polarly localized ammonium transporter 1 members are cooperatively responsible for ammonium uptake in rice under low ammonium condition”的研究论文。该研究发现低铵条件下，水稻根部吸收铵需要三个OsAMT1成员的合作，并且它们对铵的反应存在独特的调节机制。通过RT-PCR研究了水稻根中三个OsAMT1基因的空间表达模式。三个基因在根尖（距根尖0-1厘米处）的表达均不受铵盐的诱导。然而，OsAMT1;1和OsAMT1;2在根成熟区（1-2厘米）的表达受铵的影响分别上调了2.3倍和3.8倍，而OsAMT1;3的表达则受铵的影响下调。在铵盐供应条件下，成熟根区三个基因的表达量均高于根尖区。研究人员产生了携带OsAMT1-Flag基因的转基因品系，这些基因受其自身启动子控制。用Flag抗体对无氮或低铵（0.1 mM）和高铵（5 mM）培养的植株进行免疫染色，观察它们的定位情况。在无氮或含0.1 mM铵的根尖，OsAMT1;1-Flag（OsAMT1;1）定位在表皮和中心圆柱体，信号较弱，但在冠根和侧根成熟区域的外皮层检测到较强的信号。OsAMT1;2-Flag（OsAMT1;2）显示出与OsAMT1;1相似的组织定位。OsAMT1;3-Flag（OsAMT1;3）在根尖和成熟根区的信号很弱，但也观察到与OsAMT1;1相似的定位。与主根相比，OsAMT1;3在侧根中的信号相对较强。通过Western印迹比较了供铵和不供铵植物微粒体部分中OsAMT1;1和OsAMT1;2蛋白的丰度。有铵盐和无铵盐植物的OsAMT1;1蛋白丰度没有明显差异，这可能是由于铵盐的诱导作用较弱；然而，OsAMT1;2蛋白在低铵盐和高铵盐的作用下明显增强，而在硝酸盐的作用下没有增强。此外，OsAMT1;1和OsAMT1;2的质膜部分也发现了类似的趋势。
[前沿资讯 ] 法国国家科学研究中心发现植物正向自我授粉进化 进入全文
组学大讲堂
数百万年来，植物与传粉昆虫有着密切的关系。植物为昆虫产生花蜜，昆虫则帮助植物完成授粉。然而，法国国家科学研究中心（CNRS）和蒙彼利埃大学的科学家们发现，生长在农田里的开花植物越来越不需要昆虫授粉。随着授粉昆虫逐渐减少，这些开花植物的繁殖变得更加困难，它们正在向自我授粉的方向进化。12月20日，这项研究发表在《新植物学家》杂志上。在这项研究中，作者结合遗传和表型方法，对比了研究区域内100公里范围内四个地点的祖先（收集于20世纪90年代至21世纪初）和当代后代（收集于2021年）。在更新一代（F0）之后，并于2022年在空调温室中测量了第二代（F1）的表型特征。研究小组发现，与20~30年前生长在巴黎地区的三色堇相比，如今生长在同一地区的三色堇花朵小了10%，花蜜产量减少20%，传粉昆虫也更少造访。这种变化被认为是由于欧洲传粉昆虫数量减少导致。事实上，在德国自然保护区的一项研究表明，在过去30年中，超过75%的飞虫生物量已经从保护区消失。事实上，在过去50年里，全球许多地区都在报告昆虫数量在减少。这项研究发现了一个恶性循环，传粉昆虫的减少导致花蜜减产，这反过来又会加剧这些昆虫数量的减少。研究人员强调，应尽快采取措施应对这一现象，以保护存在了数百万年的植物与传粉昆虫之间的互惠关系。
[前沿资讯 ] 以色列魏茨曼研究所成功观察双链DNA断裂后的修复 进入全文
植物科学SCI
近日，来自以色列以色列魏茨曼研究所（The Weizmann Institute of Science）的Aviva Samach等人在The Plant Cell在线发表了题为CRISPR/Cas9-induced DNA breaks trigger crossover, chromosomal loss, and chromothripsis-like rearrangements 的研究论文，使用基于色素的视觉观察来探索植物中双链 DNA断裂的修复。植物育种是聚合亲本基因组所需性状的艺术。这通常发生在减数分裂过程中，通过交叉，即同源染色体之间染色体片段的交换。到目前为止，还无法确定减数分裂时交叉的精确断点。体细胞交叉很少见，但我们之前表明它可以通过 DNA 双链断裂 (DSB) 刺激，并可以遗传给下一代。这在番茄（Solanum lycopersicum）的特定果实颜色位点上得到了体现，但需要一个更通用的系统才能成为精确育种的有用工具。为了更好地了解通过同源重组进行的体细胞 DSB 修复，我们开发了一种检测方法，通过在广泛的基因座上分离转基因紫色标记（甜菜红素色素），可以实现体细胞交叉的可视化。通过这个过程，杂合组织变成纯合组织，在番茄叶、花或果实中形成野生型或深紫色区域。我们证实可以在 CRISPR 介导的 DSB 位点目视检测到体细胞交叉，为作物精确育种开辟了前景。此外，我们发现杂合性的丧失可能是由于 DSB 修复缺陷引发的主要染色体重排所致。发生这种情况的植物含有大量缺失和易位，并且是不育的，在减数分裂时显示出微核以及双着丝粒染色体中的桥，如麦克林托克的转座子触发的断裂-融合-桥循环中所述。这种基因组重排类似于哺乳动物细胞中的染色体碎裂。交叉和染色体碎裂事件都很罕见，但可以通过视觉观察检测到。更好地了解决定 DSB 命运的因素非常重要；何时修复会导致交叉或导致染色体碎裂。新的检测方法还将能够研究定点的体细胞交叉如何在育种应用中变得更有效。
[前沿资讯 ] 蒙库特国王科技大学利用自动化图像处理技术进行植物表型分析 进入全文
植物表型资讯
智慧农业利用人工智能（AI）来改进植物育种和生产，然而这需要大量的数据进行处理，因为表型数据可以让我们表达植物的一些基本特征或对环境条件以及对疾病的响应。植物为适应环境而做出的一系列反应是植物发育中非常重要的信息，收集数据进行分析对未来的育种发展或提高农业生产力至关重要。但目前表型数据仍然很少，可能是因为收集数据的工具稀缺且难以获取。此外，用于收集表型数据的工具也很昂贵。因此，与图像处理系统结合开发的商用设备至关重要。本文设计了一款便宜且易于操作的树莓派系统，用于测量植物叶面积，并收集植株冠幅和归一化差值植被指数（NDVI），通过实验收集表型数据并评估植物的健康状况，本研究使用了简单易懂的OpenCV函数进行测量，使表型测数据更加易于获得。通过采用测试的标准样本，测量植物或叶面积的图像处理系统能够利用现有设备测量，并且误差值在可接受范围内。采用树莓派系统和封闭式外壳作为捕获数据的相机，这个便捷便宜且易于编程的表型检测器可进行基本的图像处理函数。但从实验中发现，如果植物不是绿色或透明，可能无法捕捉到绿色范围，导致处理结果错误。为了提高处理颜色的准确性并更准确地测量植物的面积，将来可以考虑使用机器学习技术，但NDVI指数测量部分还是准确的。实验可测量易感植物和健康植物差异，通过调整图像的颜色分析植物的颜色。这些技术可以扩展到智能农场，使用便宜且易于操作的设备监测植株的生长发育提高植物的生产力。
[前沿资讯 ] 普林斯顿大学在光合作用基因的鉴定和表征方面取得突破 进入全文
Ad植物微生物
在光合作用的真核生物中，叶绿体类囊体膜上的一系列蛋白质复合物构成了光合作用装置，它们能够利用光能产生NADPH、ATP以及其他细胞能量物质。这些NADPH和ATP进一步驱动许多生物途径，特别是通过卡尔文-本森-巴沙姆代谢循环将CO2转化为糖的代谢途径。光合复合物的组装和活性调节需要通过细胞核来进行控制，涉及到细胞核和叶绿体编码的数百个基因。在植物和绿藻中，这种协调通常包括不同的调节机制。其中包括核编码蛋白质对叶绿体表达基因的转录后调控，叶绿体表达亚基的转录调控，以及蛋白酶介导的未组装亚基的降解。尽管对光合作用及其调控已经进行了70年的研究，但系统发生学研究显示仍有数百个参与光合作用的基因有待鉴定和表征。实际上，关于GreenCut2基因约有一半的基因功能尚未被了解。2023年12月7日，来自美国普林斯顿大学分子生物系的Martin C. Jonikas团队在Cell期刊发表题为Systematic identification and characterization of genes in the regulation and biogenesis of photosynthetic machinery的文章。研究人员以模式真核藻类莱茵衣藻作为研究对象，利用高通量遗传学的方法鉴定了与光合作用相关的70个基因，并通过研究基因缺失突变株对这些基因的功能进行了表征。结果发现，至少有7种蛋白质在光合作用的生物合成和调控中起着重要作用。这项研究为我们更加系统地理解光合作用提供了基础。莱茵衣藻是一种模式真核藻类，具有高通量和生理优势，有利于鉴定和表征光合作用的必需基因。在过去的十年中，通过对莱茵衣藻突变体库进行筛选，已经发现了数百个与光合作用相关的候选基因，但其中有很多是假阳性。该领域目前的挑战是鉴定真正与光合作用相关的候选基因，并确定已验证的光合作用基因的功能。综上所述，该研究使用遗传筛选方法鉴定了70个以前未知的基因，这些基因在模式藻类莱茵衣藻的光合作用中起关键作用。研究人员通过突变体蛋白质组学分析将这些基因归类到不同的生物途径，揭示了与光合作用生物合成和调控有关的因子，包括主要调控因子PMR1，它通过核编码因子调控叶绿体基因。这项研究为我们认识光合作用调控机制打开了新的大门。
[前沿资讯 ] 斯坦福大学发现ABA和CO2触发特异性染色质重塑响应胁迫 进入全文
植物生物技术Pbj
染色质结构重塑后允许转录因子结合靶DNA被认为是基因调控的关键步骤，受环境刺激和植物激素信号调控。ABA作为一种主要的植物应激激素，在受非生物胁迫的细胞和组织中积累，触发了拟南芥基因组中数千个基因的差异表达，然而，目前还不清楚ABA是否重塑了染色质结构，以及ABA调节的转录因子在染色质背景下可能如何发挥作用。近日，来自斯坦福大学的Julian I. Schroeder团队在PNAS发表研究成果“Distinct guard cell–specific remodeling of chromatin accessibility during abscisic acid– and CO2-dependent stomatal regulation”，该研究从拟南芥植株中分离出保卫细胞细胞核，发现ABA在保卫细胞、根和叶肉细胞中触发广泛和动态的染色质重塑，具有明确的细胞类型特异性模式。同时证明ABA和CO2诱导了不同的染色质重塑程序，启动了基因组的非生物抗性。为了测量染色质结构的变化，作者将荧光激活核分选(FANS)与利用转座酶研究染色质可进入性的测序技术 (ATAC-seq)相结合，用ABA处理整个幼苗，并在4小时后绘制染色质可及性图谱。差异分析显示，数百个区域在ABA的作用下显着增加或减少染色质可及性。为了捕捉ABA诱导的染色质重塑的动力学，作者重点研究了能够迅速从周围环境中吸收ABA的根，发现ABA触发的根中染色质可及性随时间发生变化，同时ABA调节的可及染色质区域(ACRs)往往比静态区域距离转录起始位点(TSS)(>1kb)更远。此外，ABF/AREB转录因子识别的基序在ABA诱导的ACRs中高度富含。由于ABA能诱导幼苗及根全基因组快速重塑染色质，作者决定研究ABA对成熟保卫细胞染色质的影响。首先开发了一种荧光激活细胞分选(FACS)的策略纯化保卫细胞核，并使用GFP标记细胞核，获得了清晰分离的GFP阳性群体。为了测定保卫细胞染色质结构，使用该方法分离的细胞核用于生成ATAC-seq文库。为了评估富含保卫细胞的染色质可及性与基因表达之间的关系，作者对整个叶片和富含保卫细胞的样本进行了RNA-seq。结果表明，保卫细胞中具有多染色质可及性的区域与邻近下游基因的转录水平升高相关。对保卫细胞富含的ACRs进行转录因子结合基序分析，得到的新基序与已知气孔谱系转录调控因子识别的基序高度相似。总之，作者开发了一种方案来分离保卫细胞核的纯群体，使其能够找到在成熟保卫细胞中活跃的顺式调控区域。
