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[学术文献 ] 哈佛医学院揭示USP37防止复制体过早解体中机制 进入全文
Nature Communications
2025年6月18日，来自哈佛医学院Johannes C. Walter和Stephen P. Jackson研究团队在《Nature Communications》期刊发表题为《USP37 prevents premature disassembly of stressed replisomes by TRAIP》的研究论文。该研究深入探讨了去泛素化酶USP37在维持基因组稳定性中的关键作用，特别是在防止复制体在复制压力下过早解体的过程中的功能。真核生物的复制体在DNA复制过程中常会遇到蛋白障碍，这些障碍可能威胁基因组的完整性。E3泛素化酶TRAIP负责移除这些障碍，但必须被精确调控，以避免不适当的泛素化和复制体解体。研究发现，人类细胞中缺乏去泛素化酶USP37会导致对拓扑异构酶毒物和其他复制压力诱导剂的超敏感性。进一步的实验表明，当TRAIP缺失时，USP37敲除细胞对拓扑异构酶抑制剂的超敏感性得以恢复。研究团队通过CRISPR-Cas9基因编辑技术对人类细胞进行基因敲除实验，并利用Xenopus egg extracts模拟细胞环境，观察到在USP37耗尽的情况下，TRAIP会促进CMG的过早泛素化和解体，尤其是在复制体因压力停滞时。研究还发现USP37通过与CMG解旋酶的CDC45亚基结合来响应拓扑压力，并通过AlphaFold-Multimer的结构预测分析支持了这一发现。该研究不仅增进了对DNA复制和基因组稳定性维持机制的理解，还为癌症治疗提供了潜在的新靶点。由于USP37的催化活性对保护细胞免受拓扑异构酶抑制剂和复制压力诱导剂的毒性至关重要，因此USP37抑制剂可能对表现出复制压力升高的癌细胞具有选择性毒性。此外，抑制USP37可能改善因TRAIP突变导致的小头畸形性侏儒症相关表型。研究团队总结道，USP37在防止复制体过早解体中发挥着至关重要的作用，其通过抑制TRAIP的活性，使复制体能够在压力下继续完成DNA复制，而USP37的缺失会导致TRAIP的过度活性，从而引起DNA损伤和细胞死亡。这一发现为开发新型癌症治疗方法提供了理论基础，并可能对相关遗传疾病的治疗提供新的思路
[学术文献 ] 中国农大通过共转移免疫受体实现跨物种抗病 进入全文
Cell
2025年6月17日，中国农业大学植物保护学院郭海龙教授团队在Cell在线发表题为Interfamily co-transfer of sensor and helper NLRs extends immune receptor functionality between angiosperms的研究论文，首次系统证明通过共转移感受型与辅助型NLR免疫受体，可打破NLR免疫受体的“受限的分类学功能”瓶颈，在分类学跨度较大的植物间重建免疫信号通路。这一突破性发现不仅为作物病害的绿色防控提供了可行的新策略，也为未来多物种间的分子设计育种提供了重要理论依据和实践示范。植物胞内核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体蛋白 (Nucleotide-binding domain, Leucine-rich repeat containing Receptors, NLRs) 通过直接或者间接的方式识别病原微生物分泌的效应蛋白激活效应子引发的免疫 (Effector-Triggered Immunity, ETI)，引发细胞坏死进而抵御病原菌的侵染。目前克隆的抗病基因大都编码这类免疫受体蛋白，因此NLRs是抗病育种的重要靶蛋白。NLRs 作为在植物体内快速进化的一类蛋白，表现出一定的植物种属（科属）特异性；而一些效应蛋白广泛分布于同属（种）病原菌乃至不同病原菌中，因此在物种间转移NLR免疫受体是构建作物抗病性的一种潜在策略，如科学家们早期将来源于烟草的N基因转移至番茄，赋予了对烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus, TMV）的抗性。将来源于拟南芥的抗白锈病免疫受体WRR4引入至芥菜（Brassica juncea）和欧洲油菜（Brassica napus）赋予了对白锈病菌（Albugocandida）的抗性。将小麦Sr22和Sr33等秆锈病抗病基因转入大麦可赋予对大麦抗秆锈病的能力。纵观目前NLRs的跨界转移赋予抗病性的例子大都发生在彼此亲缘关系较近的科内（intrafamily）物种间，而很多NLRs跨科（interfamily）转入远缘物种后常出现抗病功能丧失，造成跨物种转移应用中受限的分类学功能（Restricted Taxonomic Functionality, RTF），例如由野油菜黄单胞菌辣椒斑点病致病变种（X. campestris pv. vesicatoria, Xcv）引起的辣椒和番茄细菌性疮痂病是普遍发生在茄科植物上的一种细菌性病害，将源于辣椒的抗Xcv的NLR基因Bs2转移至番茄中，转基因番茄表现出对Xcv良好的抗性，这种基因对基因抗性依赖于效应蛋白AvrBs2。但将Bs2转移至亲缘关系较远的拟南芥和木薯中，转基因拟南芥和木薯并未表现出对野油菜黄单胞菌野油菜致病变种(X. campestrispv. campestris, Xcc）和地毯草黄单胞菌木薯萎蔫致病变种(X. axonopodispv.manihotis)的抗性，尽管效应蛋白AvrBs2的在Xcc和Xam中也高度保守。这与细胞质膜上的模式识别受体 (Pattern Recognition Receptors, PRRs) 的跨界转移不同，比如拟南芥模式识别受体EFR虽然只分布在十字花科植物中，但在番茄、水稻、小麦乃至柑橘、香蕉等果树中表达EFR也能赋予这些植物识别细菌延伸因子EF-Tu的能力并增强它们的细菌抗病性，这与PRRs下游信号通路在不同物种中相对保守有关。因此RTF很大程度上限制了NLRs在远缘作物中开展抗病种质创制的应用。水稻细菌性条斑病是由稻生黄单胞菌条斑致病变种(X. oryzaepv.oryzicola, Xoc) 通过伤口或气孔侵入导致，是我国重要的水稻病害之一，每年造成巨大的水稻产量损失。但在水稻种质资源中至今尚未鉴定到编码NLR受体的主效抗病基因，严重制约了对这类病害的防控效果。研究团队基于AvrBs2在黄单胞菌属中高度保守这一现象，发现在烟草中瞬时表达Bs2和Xoc的AvrBs2能诱发细胞坏死，表明Bs2能识别直系同源效应蛋白AvrBs2Xoc，这为在远缘物种水稻中利用辣椒的Bs2防治细菌性条斑病提供了基础，但Bs2转基因水稻并没有赋予对Xoc的抗病性，这与前期发现的Bs2在木薯和拟南芥中呈现出RTF的现象是一致的。近年来研究发现在激活细胞死亡和抗病反应过程中，一类称为辅助型NLRs （Helper NLRs）位于识别病原菌无毒蛋白的感受型NLRs（Sensor NLRs）下游，辅助型NLRs对于感受型NLRs激活后的抗病信号的传递起到关键作用，如拟南芥ADR和NRG1家族以及茄科特有的NRC家族。鉴于前期研究表明Bs2的功能需要依赖这类辅助型NRCs，推测NRCs类辅助型NLRs在其它远缘作物中的缺失是Bs2应用存在RTF的关键原因。鉴于水稻与辣椒分化于大约2亿年前，仅共转移Bs2和NRCs是否就足以在水稻中重构ETI信号通路还是需要额外的茄科特异的蛋白还不清楚。研究团队将辣椒Bs2及烟草NRC2/NRC3/NRC4辅助型免疫受体共同转移至水稻中，接种Xoc而非ΔAvrBs2突变菌株能诱导NRC2和NRC4在转基因水稻里寡聚化，表明在水稻里重构AvrBs2Xoc激活Bs2的ETI信号通路，暗示仅转移茄科植物的感受型和辅助型NLR受体就足以在水稻中重构ETI信号通路。接种Xoc后发现转基因水稻表现出对水稻细菌性条斑病菌的ETI抗病性，而共表达感受型和辅助型NLR免疫受体的转基因水稻重要农艺性状如株高、有效分蘖数、每穗粒数、千粒重无明显差异；转基因水稻的基础抗性也不受影响。此外，英国赛恩斯伯里实验室 (The Sainsbury Laboratory) 的Jonathan Jones研究团队也发现转基因拟南芥共表达源于光果龙葵 (Solanum americanum) 晚疫病抗病基因Rpi-amr3和光果龙葵或烟草的NRC2在用细菌投递致病疫霉 (Phytophthora infestans) 效应蛋白AvrAmr3后能诱发细胞坏死，共表达Bs2及Rpi-amr1和光果龙葵的NRC2/NRC3/NRC4在大豆中可以引起AvrBs2及AvrAmr1诱发的细胞坏死，表明通过共转移辅助型NLR可将感受型NLR受体的功能拓展到其它多个植物中。该成果克服了Bs2这类免疫受体跨远缘物种利用障碍这长期悬而未决的难题，在国际上首次阐明共转移感受型和辅助型NLR受体可以打破NLR的RTF，实现NLR受体在不同作物中抗病育种的广泛应用。基于此策略，在水稻里重建针对细菌性条斑病菌的免疫通路创制了对细菌性条斑病菌抗病性的水稻新种质资源。这为在种质资源中缺乏内源抗病基因，利用其它物种NLRs的生物育种应用提供了很好的范例。例如一些致病疫霉的效应蛋白在其它疫霉菌种中是保守的，一些早期克隆的能识别致病疫霉效应蛋白的茄属NLRs也能够识别其它疫霉菌中的直系同源效应蛋白。如果将这些茄属NLRs与NRCs共同转移至大豆、可可和草莓等作物也能提供对侵染这些作物疫霉菌的抗性。因此该研究为病害绿色防控和生物育种提供了重要理论基础和育种策略。
[学术文献 ] 华中农业大学探索异源表达动物基因影响农艺性状潜力机制 进入全文
Plant Biotechnology Journal
2025年6月9日，华中农业大学油菜团队研究成果以“Cell death-Inducing DNA Fragmentation Factor Alpha (DFFA)-like Effectors (CIDEs) improve lipid droplets formation and oil accumulation in plant tissues”为题在Plant Biotechnology Journal发表。研究揭示了动物脂滴蛋白CIDE在植物脂滴形成与油脂积累中的作用，并探索了CIDE影响油菜种子油脂积累的潜在机制。为油菜籽油增产提供了全新生物技术策略。油菜（Brassica napus）是全球第三大油料作物，其种子油不仅用于食品加工，也是生物柴油的重要原料。然而，种子含油量是典型的数量性状，提升油菜种子含油量相对困难。脂滴（Lipid Droplets, LDs）是细胞内储存油脂的关键结构，其形态与数量直接影响油脂积累效率。动物中研究显示，CIDEs基因家族（CIDEA、CIDEB、CIDEC）能调控脂滴融合与扩张，但植物中尚未发现其同源基因。为探究CIDEs在甘蓝型油菜中的功能，在油菜种子中特异表达CIDE。近红外光谱分析显示，CIDEs过表达株系种子含油量较野生型（WT）提高7.4%-11.3%，其中油酸（C18:1）为主要增加的脂肪酸。CIDEs过表达株系种子的蛋白质含量与WT无差别，但可溶性糖含量显著降低。透射电镜（TEM）观察发现，转基因种子中脂滴体积显著增大。ImageJ定量分析表明，CIDEs过表达株系种子中脂滴数量减少20.9-34.7%，但单个脂滴面积增加76.2-104.7%，单位面积内脂滴总覆盖面积提升30.3-36.6%。对种子进行萌发试验，发现种子脂滴形态变化不影响种子萌发率。同时，CIDE不影响植物的农艺性状。进一步的研究表明，CIDEs的表达可以促进种子的糖酵解、TCA循环及能量代谢，最终促进种子油脂的积累。
[学术文献 ] 华南农业大学发布全球首个火龙果T2T级别基因组 进入全文
Journal of Integrative Plant Biology
2025年6月5日，华南农业大学园艺学院胡桂兵教授和秦永华教授团队在国际知名学术刊物Journal of Integrative Plant Biology上发表了题为“Gap-free genome and efficient transcript purification system reveals the genomes diversity and chlorophyll degradation mechanism in pitaya”的研究论文。该研究发布了火龙果首个端粒到端粒（T2T）级别的基因组和火龙果病毒污染的转录本纯化系统，揭示了叶绿素降解通路在不同果皮颜色火龙果中调控差异的分子机制。该研究用ONT、PacBio SMRT、Illumina和Hi-C四种测序技术对‘双色一号’火龙果进行了全基因组测序和组装，获得了T2T水平上具有高完整性、连续性和组装质量的火龙果基因组，同时获得了‘红花青龙’（青皮白肉）和‘大红’（红皮红肉）两个高质量火龙果基因组。基于参考基因组的比对，发现火龙果转录组中广泛存在Cactus virus X、Pitaya virus X、Schlumbergera virus X、Zygocactus virus X和Guangxi alphaflexivirus五种病毒。为了解决这一问题，我们设计了一种特异性消化火龙果中病毒转录本的寡核苷酸池，开发了一种高效、新颖和普适性强的火龙果转录本纯化系统。基于火龙果基因组中的结构变异和纯化后的高质量转录组数据，鉴定出一个与火龙果果皮叶绿素积累水平显著正相关的转录因子HuERF72，HuERF72与HuSGR1启动子之间发生相互作用，抑制HuSGR1的表达，从而使火龙果果皮叶绿素降解受阻。该研究解析了HuERF72-HuSGR1转录调控导致火龙果滞绿的调控网络，为火龙果果实颜色调控提供了重要的参考依据。
[学术文献 ] 克莱姆森大学揭示转座子活动是甜橙无性驯化重要驱动力 进入全文
Plant Communications
2025年6月5日，克莱姆森大学计算学院罗峰教授团队联合佛罗里达大学、美国农业部及广东省农业科学院的科研人员，在Plant Communications上发表了题为“Comprehensive transposon insertion profiling unravels the asexual breeding history of sweet orange cultivars”的研究论文。该研究揭示了转座子（TEs）的爆发性活动是驱动甜橙品种多样化的重要遗传动力。研究不仅鉴定出六个“超级活跃”的转座子家族，其产生的海量插入突变还能作为分子“指纹”精确区分几乎所有甜橙品种，更成功重构了甜橙近500年的驯化和全球传播历史，阐明了转座子在人工选择压力下充当“突变加速器”的关键作用。研究团队开发了一套高精度的转座子插入检测流程，对全球127份甜橙核心种质资源进行了分析。研究发现，在34个活跃的TE家族中，有六个家族（五个DNA转座子和一个LTR逆转录转座子）在甜橙中的活性相较于其亲本（宽皮橘和柚）发生了“爆炸性”增长，活性最高的可增强近9000倍。这六个‘超级活跃’的家族贡献了甜橙中超过97.3%的新增TE插入事件。这些海量的、具有高度特异性的TE插入位点（ILs）如同独一无二的分子‘指纹’。一项关键突破是，研究人员为所有主栽品种群（如脐橙、瓦伦西亚橙、血橙、锦橙、冰糖橙等）都找到了标志性TE插入（tag-ILs）——即仅在特定品种群所有成员中稳定存在的‘标签式’突变。基于这些发现，不仅能将所有主要栽培群清晰分开，还能精确区分超过99%的单个品种。这些珍贵的TE分子标记如同记录历史的“活化石”，帮助研究人员构建了首个有根的甜橙系统发育树，清晰地还原了其近500年的三大历史传播事件。研究推断：1. 起源事件：原始甜橙起源于中国，与始祖在TE插入上最接近的品种（UKXC）来自湖南省。2. 中国境内扩散：约在公元1470-1533年间，现代甜橙的共同祖先在中国境内迅速传播，分化出锦橙、冰糖橙、大红等多个地方栽培群。3. 全球传播：一个独特的甜橙祖先（可能与1635年引入葡萄牙的“葡萄牙橙”有关）被传播至海外，随后在不同地区独立演化，形成了当今世界流行的脐橙、瓦伦西亚橙和血橙等非中国起源的品种群。研究表明，这些TE插入并非随机的“垃圾DNA”，其分布显著富集在影响植物发育和激素信号通路等关键基因的功能区域，为性状变异提供了丰富的素材和潜在的调控机制。例如，一个血橙品种群特有的标志性CiMULE1转座子，插入到了与花青素（果实红色来源）合成相关的关键基因CsUFGT的3'-UTR区域。这导致其源于柚的等位基因在血橙果肉中的表达量显著升高，为血橙的着色机理提供了新的解释。类似地，一个瓦伦西亚橙特有的标志性TE插入，也显著提升了其品系中油菜素内酯信号通路关键基因CsSERK2源于橘的等位基因的表达水平。本研究系统性地揭示了转座子活动是驱动甜橙这类重要无性繁殖作物多样化和快速演化的重要引擎。研究成果不仅为解决长期困扰学界的甜橙品种起源和亲缘关系难题提供了全新视角和有力工具，也阐明了在人工驯化过程中，TEs如何作为一种内源性“突变加速器”，通过加速基因变异来响应人类的选择压力。本研究鉴定出的大量品种特异性TE标记，将为全球柑橘产业的品种权保护、种质资源管理和遗传改良提供关键技术支撑。
[学术文献 ] 美国密歇根州立大学揭示近期全基因组复制事件及二萜代谢的大型生物合成基因簇 进入全文
Plant Communications
2025年6月3日，美国密歇根州立大学Bjӧrn Hamberger团队于Plant Communications杂志在线发表了题为A high-quality genome assembly of the tetraploid Teucrium chamaedrys unveils a recent whole genome duplication and a large biosynthetic gene cluster for diterpenoid metabolism的研究论文。本研究揭示了墙生石蚕（Teucrium chamaedrys）基因组中存在大量二萜合成酶基因，并发现这些基因在基因组中显著聚集，形成了一个大型生物合成基因簇（BGC）。通过比较基因组学分析，研究进一步阐释了生物合成基因簇在特化代谢复杂途径的动态进化和增殖中的关键作用。研究团队首先采用牛津纳米孔长读长（265 Gbp）和Illumina短读长（95 Gbp）测序技术，成功组装了墙生石蚕（Teucrium chamaedrys）的高质量基因组（2.9 Gbp）。基因组特征分析显示，其大小约1.7 Gbp，杂合率极低（0.14%），注释获得128,111个高置信度蛋白编码基因。随后，研究者通过多维度分析（BUSCO评估、k-mer分析、OrthoFinder比对及细胞遗传学观察）一致表明该物种为近期形成的四倍体（2n=62），其全基因组复制事件约发生在400万年前。接下来，研究者发现三种石蚕属植物（黄石蚕、马鞭草石蚕和加拿大石蚕）中存在大规模的二萜合酶（diTPS）基因簇，其中黄石蚕的四个基因组区域和马鞭草石蚕的一个区域集中了大部分diTPS基因，这些基因在系统发育上高度相似并显示出显著的共线性关系。这些基因簇同时包含I类和II类催化机制的酶，构成一个可能参与弥罗松二烯合成的生物合成基因簇（BGC），且该BGC还含有多个与二萜代谢相关的CYP71家族细胞色素P450酶。黄石蚕中diTPS基因的显著扩增（呈现1:4的复制比例）可能源于全基因组复制（WGD）事件，这与其作为唇形科中二萜多样性最丰富的属之一的特性相符，而基因冗余和后续的功能分化可能促进了该属特化代谢途径的多样化。最后，本研究系统的解析了石蚕属植物中克罗烷类化合物的代谢机制，通过农杆菌介导的本氏烟草表达系统对T. chamaedrys的四个预测克罗烷合酶进行了功能鉴定。实验证实这些活性酶均特异性催化生成异-KDP，其衍生物异-柯拉瓦醇（11.5分钟）和异-柯拉瓦烯醇（13.5分钟）经质谱确证，与该物种已知的4,18位修饰克罗烷结构特征相符。虽然未检测到(-)-KDP合酶活性，但通过比较基因组学提出了三种可能的进化机制：基因丢失、关键氨基酸突变或趋同进化。
