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[前沿资讯 ] 德克萨斯理工大学发现硝酸盐缺乏时根系变化必须转录因子 进入全文
林木科学评论
美国德克萨斯理工大学2023年在PNAS杂志上发表了题为“The transcription factors, STOP1 and TCP20, are required for root system architecture alterations in response to nitrate deficiency”的研究论文。该研究发现在硝酸盐缺乏情况下，转录因子STOP1和TCP20调节NRT1.1的表达。将在含有5 mM KNO3的1/2MS培养基上生长7天的拟南芥幼苗转移到对照培养基（5 mM KNO3）或不含NO3-的培养基（0 mM KNO3）上再生长 3、5 和 7 d。在不含NO3-的培养基上生长的野生型Col-0 (WT)幼苗的LR密度和长度受到显著抑制，但stop1 EMS突变体和STOP1-KO突变体（STOP1 中有 T-DNA 插入）的抑制作用均明显减弱。stop1突变体（STOP1p::STOP1/stop1）中STOP1的互补恢复了LR生长的强烈抑制作用，表明STOP1在NO3-缺乏条件下 LR生长抑制中起着重要作用。 接下来研究了STOP1是否影响其他硝酸盐转运体基因的表达，发现除了NRT2.2外，NRT1.7和NRT2.5的转录在stop1突变体中被诱导了1.5倍以上，而NRT1.1、NRT1.4和NRT1.5的表达与WT相比被抑制了不到0.67倍（WT 的表达至少比stop1高1.5倍）。在这三个基因中，NRT1.1是低NO3-条件下抑制LR生长的一个关键因素，并被列入STOP1主要靶基因列表，表明STOP1直接调控NO3-缺乏条件下NRT1.1的表达。研究人员对stop1突变体中基因表达受到抑制的潜在STOP1一级靶基因（图2A Venn图中的71个基因）进行了基因共表达网络分析。该网络包括STOP1的几个已知主要靶基因（如 ALMT1、GDH1/2和CIPK23），且NRT1.1与STOP1的已知靶基因属于同一组基因。除了 NRT1.1，硝酸还原酶基因NIA1也在同一个网络中，并且NIA1的表达在stop1突变体中受到抑制。前期发现，在硝酸盐充足的条件下，NRT1.1、NIA1、NIA2和NIR等多个硝酸盐响应基因受转录因子NLP6和NLP7的控制。该研究确定STOP1参与了NO3-缺乏条件下NRT1.1和NIA1的表达，但没有参与NIA2和NIR的表达。
[前沿资讯 ] 南京农业大学找到水稻特殊基因，成就香糯好饭 进入全文
科技日报
徐国华团队利用分子生物学技术，分析水稻在扬花期时，在施加不同量的氮肥条件下，稻谷的花发育器官中基因的变化，结果发现了氮素依赖型水稻抽穗因子Nhd1。“我们发现，Nhd1能调控水稻抽穗和扬花的时间、水稻产量、氮素利用效率以及稻米口味。”徐国华说。如何利用Nhd1，在不影响水稻高产和氮肥利用效率的情况下，让水稻的口感、品质更好呢？“在此次研究中，我们利用Nhd1自身的基因片段，创制了其内源表达丰度得到大幅提高的水稻遗传材料。”徐国华介绍，团队在研究中发现，在不同施氮水平下，与受体亲本品种相比，Nhd1表达丰度高的水稻，稻米的淀粉颗粒排列更松散，稻米中直链淀粉的含量、糊化温度和蛋白质含量也显著降低，稻米的胶稠度增加，蒸煮后更软糯，从而提升了稻米的蒸煮食味品质。同时，Nhd1表达丰度的提高，不会改变水稻的产量、氮素利用效率和生育期。此外，团队在稻米品质已经相对较高的江苏省主栽品种中也发现，Nhd1表达丰度较高的品种，稻米的蒸煮食味品质也较优良。这说明通过增强水稻内源性Nhd1的丰度，能够在保证高产的同时，有效提高稻米的食味品质。徐国华表示，这意味着在不增加氮肥投入，不影响水稻生育期、产量的前提下，该研究为提高稻米品质的分子改良提供了新思路和基因资源。徐国华认为，今后，育种专家在水稻优质食味品种选育时，可以考虑将Nhd1的表达丰度和对氮肥响应的程度，作为高产优质性状的重要筛选标准。同时也可以考虑利用其作为分子标记，定向培育蒸煮食味品质优良的高产稻米品种。
[前沿资讯 ] 萨斯喀彻温大学解析营养抗旱作物根系基础结构 进入全文
植物生物学
近年来，全球气候变化和干旱胁迫进一步加剧，作物的生长和产量都受到了极大影响，实现粮食的可持续发展对全球农业构成了挑战。近年来，根系作为植物与土壤密切接触的器官而广受关注，其与作物的产量、品质和抗逆性密切相关。其中，根系构型（RSA）即植物根系的空间分布，在必需养分（氮、磷、钾）和水的高效吸收过程中起重要作用。根系与土壤密切接触，最先感知和响应土壤水分含量，进一步引发根系形态变化。根系构型是根系形态特征的重要体现之一，它可以根据土壤含水量和养分的变化而发生变化，从而更好地获取水分和养分。因此探究RSA在作物高产、遗传改良等方面的应用，对实现农业的可持续发展具有重要意义。近日，加拿大萨斯喀彻温大学Leon Kochian教授在aBIOTECH发表了题为“Constitutive basis of root system architecture: uncovering a promising trait for breeding nutrient- and drought-resilient crops”的研究论文。作物生长所需的养分与水分在土壤中分布不均一。因此，在培育磷高效品种时，需要同时考虑获取氮和钾等可移动养分，如选育根系更均匀分布在表层和深层土壤剖面的“倒三角形” RSA，高效吸收表层土壤养分磷的同时，兼顾高效吸收更深层土壤中的氮，钾和水等养分资源。因此，为探索RSA与作物产量之间的关系，作者选用美国和巴西地区的代表性高梁品种：磷高效品种（SC103）和磷低效品种（BTx635），对其RSA进行了深入的研究，并进一步明确其根系分布模式，均表现为倒三角形的RSA。进一步，分别在营养充足和营养缺乏条件下对SC103和BTx635进行水培和土培培养，并采用2D根系成像技术对其根体系结构进行测量。结果表明，高粱SC103在充足和缺磷条件下均表现出更发达的根系统。作者根据高梁主胚根的长度，将根系统分为均等的三个区域。在顶部区域，无论是否缺磷，SC103都展现出更长的总根长；在低磷胁迫下，SC103和BTx635在顶部区域总根长均显著增加；缺磷条件下，SC103和BTx635的根系在三个不同区域分布的百分比相似。作者通过开展RSA对缺氮和干旱胁迫的响应试验，发现低氮和干旱胁迫均会抑制两个高梁品种的根和地上部生长，但与BTx635比较，SC103仍然表现出更强的生长能力。
[前沿资讯 ] 荷兰乌得勒支大学在植物根际细菌快速进化方面取得进展 进入全文
Ad植物微生物
虽然有益的植物-微生物相互作用在自然界中很常见，但细菌共生进化的直接证据很少。多细胞宿主与其相关微生物群之间的互利互动对双方的健康状况都很重要。然而，虽然在自然界中经常观察到互利作用，但在表型和基因型水平上证明互利作用进化的直接证据仍然有限。根瘤菌圈是植物与自由生活的微生物之间发生互作作用的热点区域。例如，植物可以优先与土壤中本地物种库中的互生微生物发生作用，并不成比例地增加它们在根瘤层中的相对丰度。虽然这种由植物介导的生态过滤能迅速改变根瘤菌圈中互生与拮抗物种的相对丰度，但植物是否能通过提高新出现的互生基因型的适应性来推动物种内互生关系的进化，目前还不太清楚。例如，即使是最著名的植物互生微生物--固氮根瘤菌和供磷菌根--也可能对植物有害，这表明特定植物与微生物之间的相互作用会自然发生变化。因此，与植物相关的微生物有可能在植物的选择下沿着寄生-互生的连续统一体进化。在这里，我们使用实验进化来因果地表明，最初植物拮抗假单胞菌蛋白原细菌在六个植物生长周期（6个月）内在拟南芥根际进化为共生者。这种进化转变伴随着通过两种机制增加的互助适应性：（i）提高根系分泌物的竞争力和（ii）增强对植物分泌的抗菌东莨菪碱的耐受性，其生产受转录因子MYB72调节。至关重要的是，这些互惠互利的适应与降低的植物毒性、增强的根系中MYB72的转录以及对植物生长的积极影响相结合。在遗传学上，共生性与GacS/GacA双组分调节系统中的多种突变有关，该系统仅在植物存在的情况下才具有很高的适应性益处。总之，我们的研究结果表明，根际细菌可以在与农业相关的进化时间尺度上沿着寄生-共生连续体快速进化。
[前沿资讯 ] 西班牙PBTG中心揭示CBF3调控植物响应冷胁迫分子机制 进入全文
MPlant植物科学
近日，Plant Communications在线发表了西班牙植物生物技术和基因中心Miguel A. Moreno-Risueno和Pablo Perez-Garcia团队题为“THE COLD-INDUCED FACTOR CBF3 MEDIATES ROOT STEM CELL ACTIVITY, REGENERATION AND DEVELOPMENTAL RESPONSES TO COLD”的研究论文。该研究发现冷诱导转录因子CBF3具有移动性，可从根内皮层移动到静止中心，并与SHR形成反馈环路调控WOX5的表达，从而调节根的发育和再生以适应环境温度变化；揭示了低温下，CBF3调节根干细胞活性和根发育的分子机制。植物的生长发育与干细胞生态位（SCN）的规范和再生密切相关。CBFs（C-repeat binding factors）是植物适应寒冷的关键调控因子；当植物暴露在寒冷环境中时，CBF1-3的表达可在几分钟内瞬间上调，并负责激活植物适应寒冷的早期步骤。CBF1-3的功能缺乏，直接影响了植物抵抗寒冷的能力。然而，当植物暴露在寒冷条件下时，CBF是如何影响发育程序并调控干细胞的，尚不清楚。根干细胞位于静止中心 (QC) 周围的SCN分生组织中，以保持其干细胞活性。该研究发现，CBF3在根内皮层（endodermis）中受到转录因子SHR的调控，表达被上调，从而影响根系统结构（RSA）。有意思的是，CBF3蛋白具有移动性，可从内皮层进入QC并反过来调控并维持SHR的表达水平，从而影响根的发育；表明了CBF3对SHR的正反馈调控。通过比较野生型 CBF3 基因和移动性降低的CBF3 融合体（CBF3-3X mCherry）对 cbf3突变体的互补实验，该研究发现CBF3的移动能力是根SCN模式形成和调节根生长发育所必需的。WOX5是参与维持QC功能和活性的关键因子；和预想的一致，WOX5的表达在cbf3突变体中被显著下调了；表明CBF3可调节并维持 QC 中的 SHR 水平以激活WOX5 ，从而维持QC模式并调控根损伤后的QC重建。进一步研究发现，寒冷会通过诱导CBF3来影响 QC 活性。10-12℃左右的中度寒冷会诱导SCN主要调控因子SHR和WOX5的表达，从而促进QC模式的规范。此外，在恢复期间，中度寒冷可促进根系再生和QC的重新规范。这些调控都需要以CBF3依赖性的方式进行。相比之下，CBF3 似乎并不调节干细胞的存活。总而言之，该研究通过遗传学和共聚焦显微成像追踪了根关键转录因子SHR、WOX5基因表达和CBF3的关联，发现CBF3蛋白具有移动性，可从根内皮层移动到QC，并形成维持 SHR 表达的反馈环路；从而调节根发育、干细胞活性和损伤后再生。中度寒冷通过诱导CBF3 ，可促进QC模式的规范和根系再生；揭示了CBF3通过调节根干细胞活性和根发育响应冷胁迫的分子机制。
[前沿资讯 ] 图宾根大学利用病原菌蛋白创制抗青枯病植物材料 进入全文
植物生物技术Pbj
近日，Thomas Lahaye研究组联合湖南中烟/北京生命科技研究院、湖南大学在植物学知名学术期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为An ancient cis-element targeted by Ralstonia solanacearum TALE-like effectors facilitates the development of a promoter trap that could confer broad-spectrum wilt resistance的研究论文。该论文证明了来自青枯菌不同演化型的Brg11同源基因（RipTALs）能保守地靶向植物的ADC基因，并巧妙地将截短的SlADC1启动子用于驱动抗病基因Bs4C的表达，创制了不影响植物生长、但能显著提高青枯病抗性的植物材料。该研究首先克隆了青枯菌不同演化型中的RipTAL基因，并利用GUS报告系统和qRT-PCR，证明了来自演化型I、III和IV-1的RipTALs能保守地激活ADC启动子及植物中ADC基因的转录表达，进一步的研究发现RipTALs能诱导具有更短5’UTR的ADC新转录本，从而逃避翻译调控，引起腐胺的大量积累，最后，本研究巧妙地利用截短的SlADC1启动子，用于驱动Bs4C抗病基因的表达，并以烟草作为模式植物，创制了SlADC1:Bs4C转基因植物，该转基因植物以RipTAL依赖的方式调控抗病基因Bs4C的表达，即在没有青枯菌侵染的情况下，Bs4C基因不表达，不影响植物的生长发育，而当青枯菌侵染时，青枯菌中的RipTAL基因会分泌到植物细胞内，特异性地激活Bs4C基因的表达，从而介导对青枯病的抗性。综上，该研究中建立的以病原菌效应蛋白依赖的方式来调控植物抗病基因的表达，将为植物的抗病育种提供新的策略，以兼顾植物生长和免疫的平衡。
