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[前沿资讯 ] 麦吉尔大学揭示植物表皮细胞机械结构的生物学功能 进入全文
Ad植物微生物
细胞几何结构是几何学在分子生物学中的一种体现方式，如DNA双螺旋模型、手性结构等。从几何生物学的角度，我们可以发现一些生命过程中的客观规律，掌握规律来解决问题。复旦大学陈力课题组通过对细菌变形的研究发现，细胞形变是基因组重构的先决条件。美国著名华裔病理学家M.D.Anderson癌症研究中心刘劲松教授提出肿瘤发生二元论，其中癌变多倍体大细胞（PGCC）的形变理论也为肿瘤的诊治提供了新方向。植物生长需要器官和功能组织的形态发生。叶片和花瓣的表皮细胞呈现出几何形状，组合形成复杂的图案，这种复杂的表皮模式会对植物本身有什么作用呢？麦吉尔大学麦克唐纳校区植物科学系教授Anja Geitmann团队在nature communications上发表“Cell geometry regulates tissue fracture”采用多学科方法，将微观和宏观断裂实验与计算断裂力学相结合，证明了波浪状表皮细胞可以增强植物的保护层；并发现了一种可调的机械结构，可以从微观角度来保护植物免受表皮细胞裂缝的损害。叶片是维管植物的主要光合器官，其特有的扁平形状可以最大限度地捕获光并优化气体交换。然而，这种光合器官形状的优化是伴随着逆境胁迫(如草食、病原体、冰雹、沙尘暴和大风)损害的代价。这些机械损伤如磨蚀、刺穿或切割作用会在叶片表面产生孔洞，这些孔洞很容易形成裂纹。在表皮完整的情况下，它赋予植物叶片弹性和疏水表面，其唯一的开口是可控制的阀门——气孔。而叶片表面的机械损伤会使病原体可以随时进入内部组织，使光合作用的叶肉处于不受控制的脱水状态。即使是对表面的微小损害也会对植物的健康和生存构成高风险。研究人员认为是在微观层面上，表皮结构对叶子的表面韧性至关重要，可以保护它免受物理损伤的潜在致命后果。研究人员猜测在叶片表皮上的细胞形状增强了组织对微裂缝扩展的抵抗力，这种细胞形状会减轻植物表面生长微裂缝的风险，可能会缩短其重要器官的寿命。
[前沿资讯 ] 国际水稻研究所开发水稻快速育种新策略 进入全文
植物生物技术Pbj
近日，来自国际水稻研究所Vikas Kumar Singh和Pallavi Sinha团队，在《Plant Biotechnology Journal》杂志发表了题为“SpeedFlower: a comprehensive speed breeding protocol for indica and japonica rice”的文章。本文提出了一个优化的“加速开花”的快速育种方案，可以在一年内种植4-5代籼稻或粳稻，大约1.5年完成育种周期。作者通过提早开花，增加水稻分蘖和缩短成熟时间来实现快速育种。光谱比率、光照强度，光周期影响开花时间。与田间或日照光谱相比，高红蓝光谱比和高光强度对减少早熟品种和部分晚熟品种平均开花时间有显著效果。大多数水稻在生长初期（12-15天）给予长日照能够诱导植物生长和提早开花。与已有最优光谱、强度、温度和湿度条件相结合，作者发现早期长日照时间增加会有效增加水稻分蘖数。作者用激素处理提早收获的种子，既保证了种子的发芽率，又极大的缩短了种子成熟到萌发的时间。在对与早期开花和成熟持续时间相关的每个参数进行全面分析后，制定了最终“加速开花”方案。此方案通过提早收获种子来缩短营养期，缩短开花时间并加快成熟期，对所有测试的水稻地方品种、籼稻和粳稻都能够起到加速器世代发展的作用，每年推进4-5代。为了进一步说明此“加速开花”方案的普适性，作者在3000份水稻（3K RGP）材料中，根据分子多样性、不同的开花时间和地理位置选择出一组包括 198 个基因型的子集进行测试，发现快速育种使得这些水稻都在 58-71 天内成功内完成了一代，并可以继续相同的世代。本研究为不同水稻品种的快速育种提供了优化方案和优化方向。在“加速开花”的方案中，强调了光谱比率、光照强度和光周期对于快速育种的重要性。同时，适宜的温度和营养成分的供给也是必不可少。将快速育种与基因组选择整合到水稻育种过程中，极大缩短育种时间，为选育丰富的优良品种提供了支持。
[前沿资讯 ] 加州大学发现OsBBM1启动胚胎生长素生物合成基因表达 进入全文
林木科学评论
近日，美国加州大学戴维斯分校植物科学系Venkatesan Sundaresan团队在New Phytologist上发表了一篇题为“Somatic embryo initiation by rice BABY BOOM1 involves activation of zygote-expressed auxin biosynthesis genes”的研究论文。该研究表明OsBBM-OsYUC调控模块在水稻体细胞胚和合子胚发育中发挥关键作用。合子胚发育涉及雌雄基因组的协同作用，父本OsBBM1通过这种协同作用激活母本OsYUC基因；在体胚发生过程中，外源生长素触发OsBBM1的表达，从而激活内源性生长素生物合成基因OsYUC。为了解BBM基因启动胚胎发生的基因调控网络，首先获得转基因Ubi::BBM-GR株系并用于后续实验。为控制诱导OsBBM1的表达，用地塞米松 (DEX) 或蛋白合成抑制剂环己酰亚胺 (CHX) 处理，该抑制剂会阻止初级靶标的蛋白质合成，避免次级靶标的激活。通过对DEX处理6小时的样品的RNA-seq分析，在过表达OsBBM1-GR幼苗中检测到298个差异表达 (DE) 基因，其中162个在OsBBM1诱导中上调，136个下调 。并通过RT-qPCR证实了不同功能类别的基因的一些代表性成员在上调和下调基因中的表达。通过RT-qPCR验证了3个OsYUC基因OsYUC6、OsYUC7、OsYUC9和一个生长素响应因子的表达上调。在CHX存在的情况下，DEX处理对这4个基因表达的上调作用也得以维持，表明它们受OsBBM1的直接调控。ChIP-PCR实验分析表明，在OsYUC6的转录起始位点 (TSS) 上游约1.4kb的区域、OsYUC7的直接上游序列和OsYUC9的TSS上游约1.1kb的区域中鉴定到OsBBM1结合位点，ChIP-qPCR进一步证实了这些位点的显著富集。综上，OsBBM1直接调控OsYUC6、7和9生长素生物合成基因的表达。由于OsBBM1的诱导现象与2,4-D诱导种子的SE现象相似，因此探究外源生长素诱导的SE是否通过OsBBM1上调发挥作用。用2,4-D处理pOsBBM1-GFP种子诱导愈伤组织，OsBBM1在愈伤组织细胞和幼叶中高表达。因此，OsBBM1表达本身是响应生长素诱导的。接下来研究了外源施加生长素是否需要BBM基因来启动SE，研究发现bbm纯合突变种子均不能诱导出SE ，因此，生长素介导的SE诱导需要具有功能BBM基因。
[前沿资讯 ] 北京大学发表植物气孔免疫方面综述论文 进入全文
Ad植物微生物
调控气孔运动是植物与病原体相互博弈的重要策略之一，它直接关系宿主植物的抗病性和病原菌的致病性。植物-病原菌互作下的气孔运动是个高度动态和复杂的过程，并且气候因素又加剧了其复杂性，也直接影响了病原菌致病和宿主植物免疫。近年来，植物-病原菌互作调控气孔运动的分子机制取得了重要研究进展。11月30日，侯书国课题组在Molecular Plant期刊发表了题为Small holes, big impact: stomata in plant-pathogen-climate epic trifecta的综述论文。该综述全面总结了近年来气孔免疫分子调控机制的重要研究进展，深入讨论了气孔在植物-病原菌-气候三位一体中的重要作用，重点阐述了由病原相关分子模式、效应因子和宿主植物细胞因子调控的气孔动态变化，以及气候变化如何通过调节气孔行为影响植物与病原菌的相互作用。研究气孔免疫机制，为未来通过调节气孔免疫提高作物抗性，从而提高粮食产量。气孔对气候变化的响应也有助于制定气候控制策略，以应对不断加剧的全球气候变化。4亿多年前，绿色植物开始逐渐从水生逐渐向陆生演化。植物陆地化以后，其叶肉细胞仍然浸泡在充满水的细胞外基质中，并通过防水的角质层保护免受外界环境影响。根部通过吸收土壤中的无机矿物质和水分，并通过维管系统将其运送到地上器官。此外，植物通过叶片表面的微小的开孔吸收大气中的二氧化碳（CO2）以满足其有机碳的需求，这些开孔被称为气孔，由表皮中的一对保卫细胞包围。光合作用介导了将碳同化为有机化物和产生氧气。与此同时，由于植物叶片和周围大气之间的蒸汽压差异，植物组织中的水分通过气孔向外界蒸腾。植物通过调节气孔运动以维持水蒸腾和碳吸收的平衡，从而实现最佳生长状态。在理想的环境条件下，气孔运动主要受到光的节律性调节。白天气孔在光的刺激下打开，吸收CO2进行光合作用；在夜晚光合作用停止，气孔关闭以最小化水分损失。然而，植物周围的环境复杂多变，比如光强、温度、土壤湿度（如干旱和洪涝）、土壤盐碱化、空气湿度以及温室气体浓度的持续变化，以及病原微生物和食草昆虫的侵袭。这些环境压力显著影响植物的生长、发育和生殖。因此，植物演化出了多种机制来应对和适应这些环境挑战，而调节气孔运动是其中的关键机制之一。此外，气孔的发育模式也对塑造植物响应不断变化的环境条件起着至关重要的作用。比如，适当的气孔密度对植物有效平衡水分维持和高效光合作用至关重要。并且气孔发育模式还影响植物抵御微生物和昆虫的攻击。
[前沿资讯 ] 浙江大学发现提高TOR信号可以减轻水稻生长与压力平衡 进入全文
Science Art
水稻生产约占农业淡水资源的一半，导致被淹没的稻田产生甲烷（CH4）等温室气体排放。为了应对这一挑战，环境友好和具有成本效益的节水技术已被广泛用于水稻种植。然而，在水稻中实施节水处理（WST）会导致高达50%的产量损失以及氮利用效率的降低。在这项研究中，我们发现雷帕霉素（TOR）信号通路的靶标在节水技术条件下在水稻中受到损害。通过多组分分析结合转录组测序（polysome-seq）分析，我们观察到与TOR活性下调相关的节水技术反应的整体翻译显著减少。分子、生化和遗传学分析揭示了TOR-S6K-RPS6模块正向和TOR-MAF1模块负向调控对节水技术下翻译抑制。有趣的是，铵在节水技术下表现出更大的能力，通过增强TOR信号来缓解生长限制，同时促进铵的吸收和利用以及氮的分配。我们进一步证明TOR调节铵转运蛋白AMT1；1，以及通过5’非翻译区（5’UTR）在翻译水平上的氨基酸渗透酶APP1和二肽转运蛋白NPF7.3。总之，这些发现表明，增强TOR信号传导可以通过调节蛋白质合成和NUE过程来减轻节水技术对水稻产量的影响。我们的研究将有助于培育提高水肥利用效率的水稻新品种。
[前沿资讯 ] 伯克利大学揭示传播方式决定叶际微生物组的宿主特异性 进入全文
Ad植物微生物
微生物扩散到叶际的主要来源是附近的植被，并且周围植被的物种特性、大小和环境背景已被证明会影响微生物组的组装。在低多样性植物群落中，相关植物之间的传播比不相关植物之间的传播更有可能，并且这种一致的植物驱动的选择压力（称为生态/植物过滤效应）可以促进微生物组的宿主专一性。相比之下，不同植物物种之间的频繁传播（这可能是多样性较高的植物群落中的常态）可能会破坏微生物组的专一性，而是选择能够通过多组宿主过滤效应持续存在的类群，从而推动微生物组的普遍性。更好地理解特异化或遍化产生的方式可以为可持续农业、保护和微生物组工程的新战略提供信息。这种传播差异的长期后果也可以揭示在进化过程中形成或维持共生关系的机制。近日，美国伯克利大学团队研究了植物宿主同种传播与异种传播对叶际微生物群落的影响，研究成果以‘Conspecific versus heterospecific transmission shapes host specialization of the phyllosphere microbiome’为题在线发表在国际著名学术期刊Cell Host & Microbe上。在病害生态学中，已知病原体在同种宿主与异种宿主之间的传播会影响病原菌的特化和毒力，但我们还不知道微生物组水平是否会产生类似的影响。本研究通过实验将叶片相关微生物组在同种或异种植物宿主间传递来验证这一观点。虽然同种传递会产生持续的宿主过滤效应和更多的微生物组内部网络连接，但异种传递会导致较弱的宿主过滤效应和更高水平的相互连接。与同种系相比，异种系移植到新植物上时，异种品系因宿主物种而产生的差异小于同种品系，这表明微生物组向普遍性转变。最后，来自番茄的同源品系在番茄宿主上与在豆类或辣椒上传递的品系相比表现出竞争优势，这表明微生物组水平的宿主专一性。总之，本研究发现传播方式和以前的宿主历史决定了微生物组的多样性，重复的同种传播推动了微生物组的专一性，而重复的异种传播则促进了微生物组的普遍性。
