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[前沿资讯 ] 马普所揭示紫杉醇生物合成最小基因集 进入全文
Ad植物微生物
近日，Molecular Plant在线发表了德国马普分子植物生理所、保加利亚植物系统生物学与生物技术中心Alisdair R. Fernie和Youjun Zhang团队及其合作者题为“Synthetic biology identifies the minimal gene set required for Paclitaxel biosynthesis in a plant chassis”的研究论文。该研究成功鉴定了合成紫杉醇关键中间体浆果赤霉素 III的四个新基因及紫杉醇最后步骤中的PCL，并在本氏烟草中重建了浆果赤霉素 III 和紫杉醇的异源合成；揭示了紫杉醇生物合成的最小基因集。二萜类紫杉醇 (paclitaxel) 是一种化疗药物，被广泛用作多种实体癌的一线治疗药物；但天然来源的紫杉醇的供应非常有限。同时，由于紫杉醇生物合成的几个特定代谢步骤中涉及的基因仍不清楚，设计完整的紫杉醇生物合成途径，仍困难重重。紫杉二烯是一种 C20 萜类化合物，其生物合成是紫杉醇生产中的第一个关键步骤。紫杉二烯可在质体中由紫杉二烯合酶 (TXS)，使用香叶基香叶基焦磷酸 (GGPP) 作为底物来生成。然后，紫杉二烯可能被转运到内质网 (ER)，并被那里的至少19 种酶进行修饰；包括C1、C2、C5、C7、C9、C10 和 C13 位点的羟基化，以及C9 位点的进一步氧化。经过进一步修饰（包括乙酰化和氧杂环丁烷环的形成）后，得到最终修饰的中间体浆果赤霉素 III（baccatin III）。尽管负责其中 12 个步骤的酶已被识别并得到充分的表征，但仍有至少6个反应缺乏分子证据。通过检索分析多个已发布的转录组数据，并结合细胞生物学、代谢组学和途径重建，该研究成功鉴定了紫杉醇所需的四个新基因；包括C4β-C20 环氧化酶、紫杉烷 1β-羟化酶（T1βOH）、紫杉烷 9α-羟化酶（T9αOH）和紫杉烷 9α-双加氧酶，从而确定了当前紫杉醇生物合成途径中的缺失步骤。通过本氏烟草中的异源表达，研究人员进一步证实了这些缺失酶的活性；并显示，这四个基因是烟草中异源生成关键中间体浆果赤霉素 III的最小基因集。值得注意的是，新的 C4β-C20 环氧酶可以克服紫杉醇代谢工程的第一个瓶颈。最后，该研究鉴定了紫杉醇生物合成最后步骤所需的酶类，并发现红豆杉（Taxus）中的β-苯丙氨酸-CoA 连接酶（PCL）TAAE；其中，TAAE16的过表达可在烟草中将浆果赤霉素 III 转化为紫杉醇，从而建立了异源合成紫杉醇的最小途径。
[前沿资讯 ] 塞恩斯伯里实验室揭示植物细胞对病原体的反应各不相同 进入全文
Ad植物微生物
近日，国际权威学术期刊Cell Host & Microbe发表了英国塞恩斯伯里实验室马文勃团队的最新相关研究成果，题为Cell-type-specific responses to fungal infection in plants revealed by single-cell transcriptomics的研究论文。病原体侵染是一个动态过程。在这篇文章中，科研人员利用单细胞转录组学研究植物反应的异质性。通过生成拟南芥叶片图谱，其中包含 95,040 个细胞，在真菌病原体 Colletotrichum higginsianum 的感染过程中，科研人员揭示了细胞类型特异性基因表达，特别是维管束细胞中细胞内免疫受体的富集。轨迹推断确定了与入侵真菌有不同相互作用的细胞。这项分析揭示了赤霉素信号转导的转录重编程，特别是发生在保卫细胞中，这与依赖于与真菌直接接触的气孔关闭是一致的。此外，科研人员还研究了真菌感染部位细胞中参与硫代葡萄糖苷生物合成基因的转录可塑性，强调了表皮表达的 MYB122 对抗病性的贡献。这项工作强调了植物对真菌病原体的空间动态、细胞类型特异性反应，为深入研究植物与病原体的相互作用提供了宝贵的资源。植物已经发展出一套复杂的免疫系统，而且在大多数情况下非常强大。细胞表面定位的类受体激酶（RLKs）或类受体蛋白（RLPs）可识别细胞外的非自身分子特征，它们的激活会引发下游分子事件，包括活性氧（ROS）迸发、Ca2+ 流入、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）激活和转录重编程。另一类免疫受体是细胞内含核苷酸结合域的富亮氨酸重复受体（NLRs），它能检测病原体释放到植物细胞内的细胞质效应蛋白，并激活效应蛋白触发免疫（ETI）。拟南芥中的 NLR 可根据其独特的 N 端结构域进一步分为：卷曲螺旋-NLR（CC-NLR 或 CNL）；Toll/白细胞介素-1 受体/抗性蛋白-NLR（TIR-NLR 或 TNL）；以及包含 CCR 结构域的 RPW8 样辅助 NLR（RNL）。在病原体动态感染过程中，RLKs/RLPs 和 NLRs 在不同类型细胞中的表达和功能如何变化，目前尚未探究。
[前沿资讯 ] 首尔大学发现热胁迫触发自噬调控细胞扩张新机制 进入全文
MPlant植物科学
近日，韩国首尔大学Pil Joon Seo课题组在Plant Communications发表了题为“Heat-induced leaf epidermal cell damage triggers autophagy-mediated mesophyll cell expansion in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现热胁迫触发自噬调控植物叶肉细胞扩张的新机制。该研究首先将拟南芥幼苗暴露在40°C的严重热冲击下70分钟，然后在正常生长条件下恢复7天。结果显示，大约50%的受热胁迫的幼苗在叶表面形成了透明的细胞块。经过仔细观察发现，该细胞块由一个单个的杆状细胞组成，类似于挪威云杉胚胎悬浮细胞，其表面积约为5,000 μm2。进一步观察发现，细胞扩展主要发生在受热损伤表皮下的叶肉细胞中。研究人员利用流式细胞仪和拟南芥突变体测试细胞扩展是否与核内复制、细胞分裂素或生长素有关，发现这些因素都不影响细胞扩张的发生，表明热诱导的细胞扩展是由一种新的机制介导。之前有研究报道胚胎悬索细胞的扩展与程序性细胞死亡（PCD）相关。该研究利用细胞活力检测、转录组分析和透射电镜观察等方法，证实了这些膨胀细胞已经死亡，并且表现出氧化应激、免疫应答和自噬等与PCD相关的信号。研究进一步发现细胞自噬相关基因在高温胁迫下显著上调，且自噬突变体不能产生叶肉细胞扩展的现象，说明自噬在高温诱导的细胞膨胀中起到了重要的作用。虽然细胞自噬如何导致细胞扩展还不清楚，研究人员推测自噬加速了细胞质物质向液泡的转运，从而导致叶肉细胞扩展。进一步实验发现，ERF115响应热胁迫诱导，但PAT1不响应；erf115 pat1-2双突变体细胞自噬减弱，且热诱导的叶肉细胞扩展受到抑制；ChIP-qPCR分析发现ERF115能够直接调控自噬基因ATG1b和ATG2的表达。此外，研究还发现，ERF115过表达植株叶肉细胞扩展并没有增多，表明ERF115对细胞扩展是必要的而非充分的。总之，该研究发现高温胁迫会导致表皮细胞死亡，从而激活邻近的叶肉细胞中的ERF115基因，该基因能够直接调控自噬基因ATG1b和ATG2的表达，进而促进自噬活性和叶肉细胞扩展。该研究结果为热胁迫诱导细胞扩展提供新的见解，至于细胞自噬如何介导叶肉细胞扩展还有待进一步研究。
[前沿资讯 ] 丹麦技术大学发现链霉菌通过次生代谢物质缓解胁迫 进入全文
植物代谢研究
土壤微生物群可以赋予植物适应性优势，并提高作物对干旱和其他非生物胁迫的抵抗力。然而，几乎没有证据表明微生物性状与植物非生物胁迫耐受性相关的机制。近日，Technical University of Denmark的Ling Ding等在Nature Communications在线发表了一篇题为Streptomyces alleviate abiotic stress in plant by producing pteridic acids的研究论文，该研究揭示了链霉菌调控植物抵抗非生物胁迫的潜在机制。在该研究中，研究人员发现链霉菌通过产生聚酮类化合物蝶啶酸H (1) 及其异构体 F (2) 有效缓解干旱和盐度胁迫，这两种物质在浓度为 1.3nM 时均能促进拟南芥在非生物胁迫下的根系生长。转录组学分析显示，蝶啶酸处理后拟南芥幼苗中光合作用和非生物胁迫响应基因的表达增加。研究人员进一步在体内证实了蝶啶酸和抗菌星孢菌素生产的双功能生物合成基因簇。该研究认为它主要通过垂直传播传播，并且在地理上分布在各种环境中。综上，该研究是细菌代谢物介导的植物响应环境胁迫改变的有用例证，研究成果揭示了理解植物与链霉菌相互作用的新视角，并为在农业中利用有益的链霉菌及其次生代谢物来减轻气候变化的有害影响提供了一种有前途的方法。
[前沿资讯 ] 华盛顿大学揭示古老植物与固氮细菌共生避免灭绝 进入全文
Ad植物微生物
2023年11月16日，Nature Ecology & Evolution发表了美国华盛顿大学、NASA空间生物学研究所、加州理工学院的Michael Kipp（即将入职杜克大学担任Assistant Professor）领衔完成的论文“Nitrogen isotopes reveal independent origins of N2-fixing symbiosis in extant cycad lineages”。这是一篇酝酿了近10年的新论文，通过用氮同位素追踪的方法检测现存的以及已灭绝的苏铁化石样本的方法，讲述了一群古老的苏铁植物的固氮、以及它们如何在许多同类植物灭绝的情况下生存到今天，提出一部分苏铁与固氮细菌形成固氮共生体从而避免了灭绝。苏铁起源于大约 3 亿年前，在恐龙繁盛的中生代时期数量非常丰富。这个时代甚至被称为“苏铁时代”。在恐龙栖息地的重建图中，类似棕榈的植物通常是苏铁科植物（在那时棕榈还没有出现！）。从中生代到今天，大多数古老的苏铁谱系的植物都灭绝了。这被视为系统发育树中现存物种最近起源之前的长分支。幸存的苏铁有时被称为“活化石”，因为它们是过去生态系统的遗迹。作者开发了一个新方法，用于重新审视苏铁的进化，重点关注到一个独特的特征：所有活着的苏铁的根部（珊瑚根）都有共生的固氮细菌（蓝细菌），使它们能够生活在营养贫乏的土壤中。因此，可以通过其独特的氮同位素指纹（δ15N）来追踪植物中的氮固定。几年前，作者发表了一项关于现代苏铁植物中 N 同位素的研究。在所有环境中，苏铁叶子的氮同位素比率与大气成分相匹配，与共生细菌对大气氮的供应一致。作者然后开发了一种分析植物叶子化石中氮同位素比率的方法。作者与古植物学家和博物馆馆长合作，分析了来自12 个化石单元的 178 个化石标本，年龄从约 250 到约 2000 万年。
[前沿资讯 ] 浙江工业大学建立抗生素耐药基因风险评估新框架 进入全文
iMeta
近日，浙江工业大学的钱海丰教授课题组联合浙江省微生物技术与生物信息研究重点实验室、浙江天科高新技术发展有限公司王庭璋研究员团队于Nature Communications发表了题为“Assessment of global health risk of antibiotic resistance genes”的文章。抗生素耐药性正日益威胁着全球人类健康和疾病的临床治疗。如果不积极应对，到2050年全球每年死于抗生素耐药性感染的将有1000万人，超过癌症死亡率。抗生素耐药基因（antibiotic resistance genes，ARGs）在过去的十年中已经在自然、工程和临床等多个环境中被广泛检测到。人类活动，尤其是抗生素的临床使用，被广泛认为是ARGs传播的主要驱动因素。然而，ARGs并不完全是抗生素时代的产物，科学家在3万年前的永久冻土和古人类的粪便中均检测到其存在。某些ARGs具有一系列特殊的环境功能，比如从磷酸盐中释放磷。这一现象暗示着，不同ARGs所表现出的人类健康风险截然不同，在评估过程中应该分门别类、“区别对待”。但是，目前环境耐药风险研究都聚集在单一的丰度检测上，如何全面完善地从多角度评估ARGs的健康风险对遏制耐药细菌的进化至关重要。该文章提出了全面完善的环境耐药风险评估新框架。作者分析了土壤、水体、城市建筑以及人体等多个生境中耐药基因的丰度及相关宿主菌株，并综合人类可接触性、移动性、致病性和临床有效性全面定量每个ARG的人类健康风险。研究结果表明，23.78%的ARGs具有健康风险，能够干扰临床治疗。结合机器学习，研究团队首次成功绘制了全球海洋中抗生素耐药风险形势，预测准确率超过75%。
