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[学术文献 ] 北京大学开发了单细胞水平上准确定义表观遗传状态的新工具 进入全文
Nature Methods
2024年10月7日，北京大学汤富酬团队在Nature Methods（IF=36）在线发表题为“scNanoSeq-CUT&Tag: a single-cell long-read CUT&Tag sequencing method for efficient chromatin modification profiling within individual cells”的研究论文，该研究开发了scNanoSeq-CUT&Tag，这是一种简化的单细胞长读切&标签测序方法，用于单个细胞内高效的染色质修饰分析。scNanoSeq-CUT&Tag可以在单细胞分辨率下准确地描述组蛋白标记和转录因子占用模式，并区分不同的细胞类型。scNanoSeq-CUT&Tag有效地绘制等位基因特异性染色质修饰，并允许在单个细胞内分析其邻近区域共占用模式。此外，scNanoSeq-CUT&Tag可以准确地检测人类和小鼠基因组中重复元件的单个拷贝的染色质修饰。总之，该研究证明scNanoSeq-CUT&Tag是一种有价值的单细胞工具，可以有效地分析组蛋白标记和转录因子占用，特别是对于以前研究较少的复杂基因组区域和黑名单基因组区域。在真核细胞中，基因组DNA被包装成染色质，核小体作为其基本亚基。每个核小体包括四种组蛋白(H2A, H2B, H3和H4)，这些组蛋白可以被翻译后修饰以调节核小体的稳定性和染色质相关蛋白的结合。这些组蛋白修饰和染色质结合蛋白共同决定染色质状态，这对发育和许多疾病至关重要。组蛋白修饰的全基因组图谱以及蛋白质-DNA相互作用对于全面了解发育过程和许多疾病背后的转录调控网络至关重要。随着测序技术的发展，染色质免疫沉淀后测序(ChIP-seq)成为组蛋白修饰和DNA结合蛋白全基因组谱分析的“金标准”。然而，传统的ChIP-seq有几个局限性，包括需要大量的输入细胞、高成本、低信噪比和相对较低的读长可映射性。近年来，nano-ChIP、LinDA、iChIP、ULI-NChIP、CUT&RUN、SurfaceChIP-seq、MOWChIP、ACT-seq、ChIL-seq等技术在最小化ChIP-seq输入方面取得了重大突破。scDrop-ChIP是第一个单细胞ChIP-seq技术，于2015年开发，但scDrop-ChIP捕获的信号非常稀疏，每个细胞只有约800个独特的读取，阻碍了其潜在的应用。此外，单细胞多模态染色质修饰方法的出现使得能够同时分析同一细胞中的多个组蛋白修饰，如scMulti-CUT&Tag、MulTI-Tag、nano-CUT&Tag (nano-CT)、NTT-seq和uCoTarget。尽管这些方法性能优异，但它们都是基于下一代测序(NGS)平台，限制了它们在复杂基因组区域的应用，特别是重复元件，这些重复元件占人类基因组的52%。这些基于NGS平台的方法的另一个主要限制是它们无法直接检测同一单个DNA分子上相邻遗传元件上同时存在的相同染色质修饰或DNA结合蛋白，例如附近的启动子和增强子。这些技术只适用于大量样本，限制了它们在异质细胞群体中的应用。为了填补这些空白，作者开发了scNanoSeq-CUT&Tag，这是一种简化的方法，通过将改进的CUT&Tag协议应用于Oxford纳米孔测序平台，用于单个细胞内的全基因组染色质修饰分析。研究人员证明scNanoSeq-CUT&Tag是在单细胞水平上准确定义表观遗传状态(包括组蛋白修饰和转录因子占用)的强大工具。它对于研究以前未被充分开发的重复元件和黑名单基因组区域具有重要价值，具有广阔的应用前景。
[学术文献 ] 华中农大发文揭示根系分泌物调控根际微生物组抗病机制 进入全文
Plant Communications
2024年9月30日，华中农业大学植物科学技术学院的植物线虫病害绿色防控团队在《Plant Communications》杂志上在线发表了题为“Pepper root exudate alleviates cucumber root-knot nematode infection by recruiting a rhizobacterium”的研究文章。这项研究表明，辣椒根系分泌物中的关键成分通过吸引有益微生物来减轻黄瓜根结线虫（Meloidogyne incognita）的侵害，为轮作系统中根系分泌物在减轻植物病害方面提供了理论基础。根结线虫是十大植物寄生线虫之一，其寄主超过三千种，在我国每年导致高达五亿美元的蔬菜损失。随着保护地蔬菜种植面积的增加，特别是日光温室的广泛应用，根结线虫的危害逐年加剧，严重影响蔬菜产量和质量，导致连作障碍。传统化学杀线虫剂容易引起环境污染和抗药性问题，因此，开发绿色安全的防控技术已成为蔬菜生产的当务之急。合理的轮作可以有效地调节土壤微生物群落，从而缓解连作障碍。本研究探讨了黄瓜（Cucumis sativus）与辣椒（Capsicum annuum）轮作对根际微生物群落抑制黄瓜根结线虫病害的作用。田间试验结果显示，这种轮作系统有效地减轻了黄瓜根结线虫病害，并减少了土壤中对黄瓜有害的自毒物质——对羟基苯甲酸的积累，这种物质会加剧根结线虫病害并抑制黄瓜生长。此外，辣椒轮作改变了黄瓜根际微生物结构，促进了黄瓜根际氧化假节杆菌（Pseudarthrobacter oxydans）的富集。通过GC-MS分析发现，辣椒根系分泌物中的棕榈酸能够吸引P. oxydans在下一季黄瓜的根际中定殖。P. oxydans通过降解土壤中的对羟基苯甲酸，促进黄瓜生长，诱导抗性，并对根结线虫有直接的毒性作用，从而减轻根结线虫病害。这项研究在根分泌物中鉴定出一种新的化学成分，揭示了它在作物轮作减轻病害中的重要作用，为根分泌物在植物抗病机制中的应用提供了理论支持。
[学术文献 ] 华中农业大学系统性梳理了真菌病毒相关研究最新进展 进入全文
Annual Review of Microbiology
2024年9月30日，农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室、植物科学技术学院姜道宏教授领衔的植物病害绿色防控团队，应邀在Annual Review of Microbiology上在线发表题为“Understanding the Diversity, Evolution, Ecology, and Applications of Mycoviruses”的综述论文。该论文系统性梳理了真菌病毒相关研究最新进展，总结了真菌病毒多样性、真菌病毒进化、真菌病毒生态功能的研究现状，重点阐述了低毒相关真菌病毒在真菌病害绿色防控中的应用策略，并就真菌病毒今后重点研究方向进行了展望。
[学术文献 ] 中科院分子植物卓越中心构建具有真核核小体的大肠杆菌 进入全文
Nature Communications
2024年9月27日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李轩研究组在国际学术期刊Nature Communications在线发表了题为“Creating a bacterium that forms eukaryotic nucleosome core particles”的研究论文。这项研究首次成功构建了一个具有真核核小体的原核生命体-具有核小体的大肠杆菌；该研究同时揭示真核核小体与细菌遗传机器之间存在的兼容性为真核生物发生（eukaryogenesis）的细菌-古菌融合事件创造了条件。核小体是真核生物的标志性结构。核小体的核心结构，是由四种组蛋白H2A、H2B、H3和H4组成的八聚体，被大约147个碱基的双螺旋DNA紧密缠绕而成。核小体是支持真核细胞基本功能（包括转录调控、DNA复制和修复、有丝分裂、表观遗传调控）的关键平台，支撑着真核生物的细胞周期、组织分化、个体发育、代谢调控、环境响应等重要功能。核小体复合物的形成和解离处于动态过程中，涉及多个中间状态和不同蛋白亚基的相互作用。真核组蛋白被认为是起源于古细菌的DNA结合蛋白（又称古菌组蛋白），例如嗜热产甲烷古菌的HMfA和HMfB。尽管古菌组蛋白具有与真核组蛋白类似的蛋白折叠构架，但核小体的高级结构，即八聚体-DNA复合物只发现存在于真核生物中。对于真核核小体高级结构的起源和进化，及真核生物发生过程的细菌-古菌共生融合事件中，古菌组蛋白演化成真核核小体结构的过程，一直是科学界关注并亟待回答的重要问题。为了探索这些问题，李轩研究员团队采用合成生物学策略和模式细菌大肠杆菌，成功构建了具有真核核小体结构的原核生命体-具有核小体的大肠杆菌。研究人员首先对大肠杆菌E. coli进行工程化改造，通过梯度表达爪蟾的4种组蛋白第一次在大肠杆菌活细胞内成功组装真核核小体。组装的核小体结构具有真核核小体的特征，并通过染色体DNA的MNase切割保护实验、核小体多聚体分离、原子力显微镜成像分析、三分体互作荧光蛋白等多个实验结果得到验证。研究人员设计实验进一步检测组蛋白表达量和细菌染色体上核小体组装水平的关系。通过不同浓度IPTG的诱导表达实验，发现大肠杆菌内核小体形成的数量与组蛋白表达量成正比关系。同时，对在大肠杆菌基因组上核小体的位置进行了MNase-seq测序实验分析。通过将MNase-seq测序数据映射到大肠杆菌基因组上，分析结果发现大肠杆菌基因组上核小体位点，在不同组蛋白表达水平间保持高度一致性，计算获得的核小体峰数量也基本保持不变，在~22,000个。此研究的一个关键问题是：具有真核核小体的大肠杆菌能否长期存活和传代。预实验研究发现在1 μM IPTG条件下，在大肠杆菌中可以诱导中等组蛋白表达水平并形成稳定核小体结构。研究人员进一步开展了1 μM IPTG 条件下大肠杆菌培养传代和生理生化研究。结果发现，具有核小体的大肠杆菌在1 μM IPTG条件下可以稳定生长和传代至少110代。对不同培养世代的大肠杆菌研究分析发现大肠杆菌的组蛋白合成水平和核小体组装数量保持稳定。进一步将MNase-seq测序数据映射到大肠杆菌基因组上，发现大肠杆菌基因组核小体位置在传代过程中同样保持高度稳定。一个有意思的发现：在大肠杆菌基因转录区的核小体，形成与真核细胞基因转录区核小体相似的结构分布，即紧临转录起始位点（TSS）形成一个核小体空白区（NFR），在NFR上下游区域形成两个核小体结合的矩阵区域，核小体的定位相位随着远离NFR而逐渐减弱。研究人员对具有核小体的大肠杆菌进行了传代过程中的转录组和全基因组测序分析，发现基因表达基本保持稳定，有~70个差异表达基因（包括应激反应相关蛋白），但未检测出基因组的遗传变异。对其表型和生理研究发现，尽管具有核小体的大肠杆菌在细胞形态和生长速率上没有明显变化，其竞争生长和逆境适应能力有所下降。综上，此研究成功在模式细菌大肠杆菌中实现了真核核小体的体内组装，并证明细菌染色体DNA和真核组蛋白组装的核小体，具有与真核细胞的核小体非常相似的特性。通过诱导中等水平的组蛋白表达，研究人员创造出了一株具有稳定核小体组装的大肠杆菌，该菌能在长期培养实验中保持生长和传代。构建具有核小体的大肠杆菌为研究真核核小体起源和进化提供了一个新的平台和独特机会，而真核核小体与细菌遗传机器之间兼容性的发现，对于理解核小体的起源和真核生物发生过程具有重要意义。
[学术文献 ] 洛阳师范学院破译同源四倍体毛叶枣基因组 进入全文
Plant Physiology
2024年年9月26日，洛阳师范学院赵旭升教授/郭明欣副教授课题组联合中国农科院深圳农业基因组研究所闫建斌课题组在植物学领域知名期刊Plant Physiology 发表了题为“Genomes of autotetraploid wild and cultivated Ziziphus mauritiana reveal polyploid evolution and crop domestication”的研究论文。该研究整合多种测序技术，同时组装了一个野生种毛叶枣‘西双野生’和一个栽培种毛叶枣‘蜜丝’的同源四倍体的单倍型T2T基因组，并揭示了毛叶枣多倍体的进化历史及驯化历程。在进行基因组测序之前，研究团队通过FISH技术对野生种‘西双野生’进行了核型分析，显示其核型为2n = 4x = 48。k-mer 分析进一步表明野生和栽培毛叶枣均为4倍体。随后整合PacBio CLR, PacBio CCS, Hi-C 等多种测序技术，采用两步组装策略和Graph-Based Gap Filling策略将野生和栽培毛叶枣基因组均组装到单倍型的T2T水平。这是植物同源多倍体领域第一个haplotype-resolved T2T 基因组。基于毛叶枣基因组，研究团队分析了同源四倍体毛叶枣的进化历史，即现在的毛叶枣由远古时期的二倍体祖先种经过分化、杂交、加倍而成。基于野生和栽培的8个单倍型基因组，团队构建了一个图基因组，并发掘了结构变异的热点。为了揭示毛叶枣的驯化历史，研究人员对73份野生和栽培毛叶枣种质进行了重测序，并分析了群体结构及重要园艺性状变异的遗传基础。在驯化过程中，毛叶枣的果实风味发生了明显的改变，野生种口感酸涩，而经过驯化后的栽培种则明显失去了涩味。为了揭示这种风味变异的原因，研究人员对部分野生和栽培毛叶枣成熟期的果实进行了转录组和代谢组分析，结果表明在驯化过程中原花青素和绿原酸的减少是果实失去涩味的主要原因。
[学术文献 ] 德国耶拿大学揭示叶部微生物的代谢网络招募机制 进入全文
Nature Communications
2024年10月1日，国际权威学术期刊Nature Communications发表了德国耶拿大学Matthew Agler团队的最新相关研究成果，题为Glucosinolate structural diversity shapes recruitment of a metabolic network of leaf-associated bacteria的研究论文。宿主防御机制可以在更广泛的生态角色中发挥作用，但它们如何塑造自然微生物组的招募却知之甚少。脂肪族硫代葡萄糖苷（GLSs）是十字花科植物叶片中的次级防御代谢物。它们在拟南芥叶片中与害虫的相互作用由其基因定义的结构所塑造，科研人员在此发现它也影响了细菌的招募。在模式基因型Col-0中，GLSs（主要是4-甲基亚磺酰基丁基-GLS）对自然叶片细菌的招募没有明显的影响。然而，在一个野生种群的基因型中，GLSs（主要是烯丙基-GLS）富集了特定的分类群，主要是Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）和Oxalobacteraceae（草酸杆菌科）。一致地，在野生拟南芥中也观察到了Comamonadaceae的富集，并且从以烯丙基-GLS作为碳源的野生植物中观察到了Oxalobacteraceae的富集，而以4-甲基亚磺酰基丁基-GLS为碳源则没有这种现象。不同GLS结构之间的招募差异很可能源于细菌黑芥子硫苷酶的特异性。随后的群落招募由细菌间的代谢互养定义。遗传定义的代谢物与招募之间的联系可能导致塑造植物微生物组平衡的新策略。
