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[前沿资讯] Biologists have studied enzymes that help wheat to fight fungi 进入全文

AgroPages

俄罗斯Medical University的科学家们研究了小麦对致病真菌引起的破坏做出的响应。他们检测了因感染导致的细胞死亡过程中涉及的酶的活性,发现植物对病原体的抗性大小主要取决于一组编码在DNA中的蛋白酶,这些酶会参与到感染细胞的死亡过程并防止感染进一步扩散。研究结果发表于《International Journal of Molecular Sciences》上。 尽管小麦在农业中占据十分重要的位置,然而小麦对病原体做出的响应只有泛泛的描述,并没有关注特定的蛋白质。由于小麦和大多数其他植物一样,是同源多倍体,即每一个细胞都拥有多组染色体。加之小麦基因组十分复杂,包含了107000个基因,几乎超过人类基因组的五倍,进而导致了研究的复杂性。 小麦暴露在细菌、病毒、真菌、线虫动物门、昆虫等各种各样的病原体中。其中有些有害微生物寄生在活的植物细胞上,减缓细胞的生长速度(生物营养性病原菌),其他则以细胞为食,导致细胞死亡(坏死性病原菌)。 科学家们使用了引起小麦叶锈病的生物营养性病原菌和损害叶片、麦穗、籽粒的坏死性病原菌两种病原菌,研究了其对Khakasskaya和Daria两种小麦品种感染真菌后的响应。他们采用了液相色谱和质谱相结合的特殊方法。液相色谱法是一种用来鉴别液体流中混合物的技术。由于物质被不同程度地吸收,混合物被分成不同的组分。质谱是一种根据中性原子和分子的质量电荷比将其电离成带电离子的技术,甚至可以精确测定复杂的有机化合物。 通过以上方法,科学家们发现了1554种酶,属于丝氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、金属蛋白酶等五种催化型蛋白酶,并确认了不同植物栽培品种中常见的蛋白酶比例比预期的要低。但是,不同类型的蛋白酶之间的差异几乎是均等的,表明这些酶可能相互替代。 蛋白酶的研究有助于预测在结构中的精确位置。这些区域的水解过程可能会在蛋白水解级联的过程中被激活。这一连锁反应能让有机物迅速激活大量酶来帮助自己抵御感染。 最重要的是,在受感染植物中发现的蛋白酶的激活不涉及具有半胱天冬酶样或半胱天冬酶样活性的酶。尽管早先有人认为这种蛋白酶会启动蛋白水解酶级联激活,从而导致植物有机体的细胞死亡。但结论是,其他一些独特的蛋白酶可能参与小麦对生物营养性病原体和坏死性病原体感染的早期反应。当然,这一结果应该通过实验用其他方法加以证实。 对酶进行详尽的研究能够帮助科学家澄清它们的分类,科学家描述了多组酶的同源(最相似的蛋白质),并说明了这些酶在系统发生树(展示蛋白质之间的演化距离)上的位置。例如,科学家们已经确认了不同类型的天冬氨酸蛋白酶的差异很大,可能没有亲缘关系,却各自独立获得了类似的功能。 这项研究也有助于阐明植物细胞凋亡的具体机制。众所周知,动物体内主要的凋亡调节因子之一是半胱天冬酶,这种蛋白水解酶能将细胞破坏成不同的元素。科研人员越来越清晰地意识到存在细胞凋亡现象,但是植物却没有凋亡蛋白酶。研究发现植物还有其他酶会进行凋亡蛋白酶的活动。这些酶很有可能就像在动物体内一样,在植物细胞内执行着同样的细胞死亡过程。不过研究已经证明,在小麦的植物细胞凋亡激活剂中,有些酶不会进行凋亡蛋白酶的活动。这再一次验证了各种真核生物中存在不同的细胞凋亡机制。

[前沿资讯] 西北农林科技大学在小麦耐热分子机制研究方面取得进展 进入全文

植物科学最前沿公众号

近日,Plant Journal在线发表了以西北农林科技大学为第一署名单位、农学院小麦非生物胁迫机理研究团队和生命科学学院生物信息学研究团队合作的研究论文“ Hybrid sequencing reveals insight into heat sensing and signaling of bread wheat ”。在小麦耐热分子机制研究方面取得进展随着全球变暖加剧,高温已成为制约小麦生产的主要逆境因子之一。前期研究表明,小麦灌浆籽粒在高温胁迫下的适应性响应有助于维持灌浆速率的稳定(Journal of Experimental Botany,2018,PMID:30476278),但是,小麦是如何感受和传递高温信号,并最终启动高温胁迫适应性响应的,尚不明确。该研究充分利用三代测序和二代测序的技术优势,对连续时间点高温胁迫下,小麦旗叶和灌浆籽粒的时空转录组数据进行了系统研究。结果表明,小麦对高温胁迫的响应速度远高于其它非生物胁迫,并第一次鉴定到了热激转录因子(高温信号传递通路中的末端转录因子)的上游信号。另外,小麦不同组织器官、不同亚基因组和不同调控方式之间,在高温胁迫响应过程中存在明显差异。针对小麦基因组的多倍体特性以及三代测序数据高错误率的问题,该研究开发的二代和三代转录组测序数据整合分析的生物信息学流程,为小麦等多倍体物种的大规模转录组学数据分析提供了新技术和新思路。

[前沿资讯] 研究揭示植物“春化记忆”重置的分子路径 进入全文

中国科学院

4月8日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所上海植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组和杜嘉木(现南方科技大学生物系教授)研究组合作在Nature Plants 发表题为Embryonic resetting of the parental vernalized state by two B3 domain transcription factors in Arabidopsis 的研究长文 (article),报道了植物特有B3转录因子LEC2及FUS3在胚胎发育早期重置(擦除)“春化记忆”的分子机制。   一些越冬植物必须经历一段时间的持续低温(寒冬)才能在春季时开花,这种现象即为春化作用。春化作用受表观遗传调控,在模式植物拟南芥中,长期低温通过染色质修饰(组蛋白H3 第27位赖氨酸三甲基化,H3K27me3)关闭抑制开花的关键基因FLC。何跃辉研究组2016年12月在Nature Genetics 报道了拟南芥营养生长时期(幼苗),B3蛋白VAL1和VAL2识别FLC位点的顺式“冷记忆”元件(cis-regulatory cold memory element, CME),并招募H3K27三甲基转移酶复合体PRC2,介导了长期低温对FLC的沉默;气温回升后(春季回暖),VAL蛋白依然结合FLC,其沉默状态被维持(即“春化记忆”),当日照逐渐变长,植物就能开花结实。春化作用诱导的FLC沉默在当代是稳定的,但下一代需要重新激活FLC表达,以保证每一代都要经历寒冬而被春化,从而防止植物在过冬前或过冬时开花。2017年11月何跃辉研究组发表在Nature 的研究成果表明“春化记忆”重置发生在胚胎发育早期,种子特异的“先驱”(pioneer) 转录因子LEC1在受精后启动了这一重置过程,以重新激活FLC表达。   这项研究发现随着LEC1结合FLC基因的启动子区域,胚胎B3转录因子LEC2和FUS3识别FLC位点的“冷记忆”顺式元件CME,并与抑制FLC表达的B3蛋白VAL1和VAL2竞争,将其从FLC位点剔除;LEC1、LEC2和FUS3协同作用,形成胚胎“春化记忆”重置路径。蛋白-DNA复合物晶体结构显示LEC2、FUS3及VAL1的B3结构域以相同的方式识别CME。此外,LEC2和FUS3招募H3K36三甲基化酶EFS等激活FLC表达的染色质修饰因子,在胚胎发育早期将FLC染色质的沉默状态(携带H3K27me3标记)重置为激活状态(携带H3K36me3等标记),从而消除亲本的“春化记忆”,在子代激活FLC表达。在种子发芽出苗后,种子特异的LEC1、LEC2和FUS3不再表达或表达被抑制,而VAL1和VAL2在幼苗期仍正常表达;当低温来临时,VAL1和VAL2又能结合FLC位点的“冷记忆”元件,再次关闭FLC表达。   这项研究显示越冬植物利用B3结构域蛋白的一个亚家族,在胚胎-植物-胚胎生长发育循环过程中,开启-关闭-再次开启开花调控基因的表达,使植物的生长发育与季节性温度变化同步,揭示了植物适应从冬到春、春又到冬的季节循环,而适时开花的分子与表观遗传机理。   该项研究由何跃辉研究组与杜嘉木研究组合作完成,得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院相关经费的资助;陶增、胡泓淼和罗晓为该论文的共同第一作者,杜嘉木和何跃辉为该论文的通讯作者。

[前沿资讯] 袁隆平:第三代杂交稻将成为杂交水稻育种发展方向 进入全文

科学网

中国工程院院士袁隆平表示,第三代杂交水稻育种技术兼具配组自由度高和育性稳定的优点,将成为我国杂交水稻育种技术的发展方向。 在此间召开的第三届中国(三亚)国际水稻论坛上,袁隆平指出,第一代中国杂交水稻是以细胞质雄性不育系为遗传工具的三系法杂交稻,目前推广面积约1亿亩,但选育到优良组合的难度较大。第二代则是以光温敏核不育系为遗传工具的两系法杂交稻,育性受气温高低决定,若遇异常天气易出现制种和繁殖失败。 “第三代杂交水稻是今后发展的方向。”他说,第三代杂交水稻是以遗传工程不育系为遗传工具的两系法杂交稻,克服了三系杂交稻配组难度大和两系杂交稻育性不稳定的弱点,双季晚稻亩产超1000公斤,是今后的发展方向。 此外,第四代C4型杂交稻具有光合效率高的优势,预计2022年C4型水稻样株可基本研究成功。第五代一系法杂交水稻,即通过无融合生殖固定杂种一代的杂种优势,最新进展是通过基因编辑技术在杂交稻中引入无融合生殖特性。预计第五代杂交水稻将在2050年左右研制成功。

[前沿资讯] 周口师院:从水稻中克隆出提高水稻抗旱抗盐能力的基因 进入全文

科学网

近日,周口师范学院唐跃辉博士带领该校的河南省作物分子育种与生物反应器重点实验室植物逆境研究课题组,从水稻中克隆获得了响应干旱和盐胁迫的基因,该基因能够提高水稻抗旱抗盐的能力。该研究成果在线发表于国际知名期刊《植物科学前沿》。 据悉,中国占到全球盐渍化总面积的1/10,且呈现上升的趋势。近年来,不合理的耕作及工业加重了土壤次生盐渍化,成为限制植物栽培的重要因素之一。因此,研究植物的干旱和盐胁迫调控机制,选育抗盐和抗干旱植物,有利于农业的生产、增产,有助于干旱和盐碱地的治理、改良。水稻是我国主要粮食作物之一,与其他农作物相比,更容易遭受干旱和盐胁迫的危害。所以,进行干旱和盐胁迫响应水稻基因挖掘并进行其分子机理研究尤为必要,且亟需进行。 同时,干旱和盐胁迫非生物胁迫严重影响植物的生长、发育和作物的产量,为此,植物演化出错综复杂的调控网络,通过转录因子直接抑制或者激活下游基因的表达,实现植物抵抗非生物胁迫抗性。MYB蛋白是植物最重要的转录因子之一,但是水稻MYB家族响应干旱和盐胁迫的基因仍然罕见报道。 唐跃辉课题组从水稻中克隆获得了一个MYB家族基因,命名为OsMYB6,拟南芥原生质体瞬时表达结果表明该基因编码蛋白定位于细胞核中。实时荧光定量PCR结果分析表明: OsMYB6主要在水稻叶片中表达并受干旱和盐胁迫诱导。过表达OsMYB6的水稻植株表现出更强的抗旱抗盐的表型。此外,非生物胁迫相关基因在过表达OsMYB6的水稻植物中表达量显著性增加。这些结果表明OsMYB6不影响水稻生长发育,但是参与水稻对干旱和盐胁迫的代谢调控。 该研究结果为植物耐逆分子模块设计育种提供了理论依据,同时为植物遗传改良提供了新的基因资源。

[前沿资讯] Solving the mystery of fertilizer loss from Midwest cropland 进入全文

EurekAlert

农民们无法准确预测他们每年的玉米收成,但在密歇根州立大学(Michigan State University)一项新研究的帮助下,他们现在可以精确地定位出他们农田中持续产出好收成或坏收成的特定区域。这不仅会节省他们的时间和金钱,它也将解决作物生产区面临的最普遍的环境问题之一——氮肥流失。 密歇根州立大学生态系统科学教授、该研究的主要作者Bruno Basso表示,“这是第一次有人能够量化美国玉米带的小规模产量变异性,我们的研究结果让农民们能够准确地知道他们农田的哪些部分有稳定的产量——这使他们能够更好地管理他们的可变田地以节省资金,减少肥料损失并降低温室气体排放。” Basso和他的密歇根州立大学的共著者 - Guanyuan Shuai, Jinshui Zhang和Phil Robertson发现,几乎所有的田地都有特定的区域,这些区域的产量始终保持在低或高水平,这意味着在低产量地区添加的大部分肥料将被闲置,并被浪费在环境中;与此同时,未使用的氮会流失到环境中,而不是被作物吸收。这项研究显示,美国中西部10个州流失的氮肥每年造成将近10亿美元的肥料浪费和680万吨的温室气体排放。 这项发表在《Scientific Reports》上的研究,首次量化了各个低产量地区的氮损失。Basso的团队使用卫星图像测量了中西部地区7000万英亩农田8年的次产量田的价值。Basso表示,这项分析为研究人员提供了一幅精确分辨整个中西部玉米产量的图像。为了验证卫星图像,研究小组将卫星数据与安装在在1000多个农场的联合收割机上的传感器收集的10年高分辨率产量数据进行了比较。Basso说:“我们对图像中的像素进行了彩色编码,以查看作物在哪些地方是稳定高产的,在哪些地方是稳定低产的,以及在哪些地方是不稳定的。总的来说,我们分析的大约50%的子区域是稳定高产的。表现不佳和不稳定区域各占整个农田的25%左右。”通过评估玉米带农民在未使用的肥料上的花费了多少,作者得出结论,对农民和环境来说,最好的结果是避免给每一块表现不佳的土地施肥。事实上,Basso说,从经济的角度来看,让这些地区不耕种,种植保存的禾本科植物,或者在未来种植多年生生物能源作物,可能会更好。Basso表示,时间和资源应该集中在高产或不稳定地区的耕作上——有些年份高产,有些年份低产;他说,只要氮肥的季节管理得当,不稳定地区仍然可以得到很好的管理。 Basso表示:“通过将大数据服务于可持续发展,我们现在能够为农民提供农田氮肥处方图(Rx),这可以彻底改变他们的工作方式和重点。农民希望成为良好的环境管理者,而这些发现为他们提供了另一种方式来做到这一点——避免农田的过度施肥,因为这会使大量的氮肥流失到地下水、河流和小溪中。当肥料被浪费在不能生产的地区时,没有人会赢。一旦农民确定了这些地区,他们既可以省钱,又可以保护环境。”这项工作是在不同的地理尺度上进行的,从Kellogg生物站长期生态研究站点的小规模研究扩展到该地区的单个农场,最终扩展到整个中西部。 “这项研究表明,持续低产量农田的过度施肥对农业来说是非常昂贵的,并为实现农业精确氮肥管理的目标提供了一种有价值的方法。重要的是,对农民最好的同时也对环境最好,”国家科学基金会长期生态研究项目主任Colette St. Mary说。美国农业部国家水资源项目负责人Jim Dobrowolski表示:“这些发现基于令人信服的完整数据集和遥感技术,提出了切实可行的建议,以说服农民从稳定的低产量地区匹配低产量作物可以消除季节性反应氮过剩。通过这项研究,密歇根州立大学的团队在帮助农民提高收入的同时,还减少了温室气体排放,保持了水质。这是一个‘三赢’的解决方案。”

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