《研究揭示拟南芥孤儿基因调节花粉发育的分子机制》

  • 来源专题:生物育种
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2024-07-31
  •     开花植物中,花粉的形成以及随后的花粉管生长和受精在植物的育性中具有关键作用。花粉的适当发育和成熟对种子植物的遗传多样性具有重要影响,对农业作物生产产生重要作用。植物中孤儿基因的出现可能是植物不断适应环境的进化结果,其功能可能促进植物的生存。近年来,拟南芥特异性孤儿基因Qua Quine Starch(QQS)在植物发育和环境适应中的作用备受关注。然而,QQS调控花粉发育的分子机制以及转录激活因子如何在这一过程中促进QQS的转录尚不清楚。

        中国科学院西双版纳热带植物园植物基因组演化与次生代谢研究组发现,ICE1作为关键的转录激活因子,正向调节QQS的表达,以提高花粉的萌发和活力。IDD14通过促进ICE1与QQS启动子的结合辅助促进ICE1的功能,且在这一过程中很大程度上依赖于ICE1。此外,QQS功能受损和异常花药开裂共同影响ice1-2突变体的花粉发育和花粉形态。进一步研究显示,ICE1对花粉活性的促进作用取决于QQS的功能。QQS调节花粉表面的脂质生成,并与长链脂质生物合成的关键酶CUT1相互作用,通过促进CUT1的活性来协同调控花粉的脂质代谢,最终调节花粉的水合作用和育性。该研究揭示了QQS通过ICE1/IDD14-QQS-CUT1途径促进拟南芥花粉萌发和雄性育性方面的新功能。

        相关研究成果以ICE1 interacts with IDD14 to transcriptionally activate QQS to increase pollen germination and viability为题,在线发表在Journal of Integrative Plant Biology上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。

  • 原文来源:https://www.cas.cn/../../syky/202407/t20240711_5025049.shtml
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  • 《遗传发育所发现snoRNP在热精胺介导的拟南芥生长发育中的作用》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2022-12-07
    •   多胺(polyamines)广泛存在于细菌、酵母、动物和植物中。多胺的主要存在形式为腐胺(Putrescine,Put)、亚精胺(Spermidine,Spd)和精胺(Spermine,Spm)。多胺曾被认为是潜在的植物激素,调控植物生长发育和环境适应的多个方面,但由于内源含量远高于经典的植物激素,且信号转导途径不明确,近年来被认为仅作为生长调节物质发挥功能。1979年,热精胺(Thermospermine,T-Spm)在嗜热菌(Thermus thermophilus)中得到鉴定,是精胺的同分异构体。拟南芥中热精胺合成缺陷突变体的表型与腐胺、亚精胺和精胺缺陷突变体的表型存在显著差异,说明热精胺在植物体内可能存在特异的功能和信号转导途径。   中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋研究组通过测定拟南芥体内多胺的含量,发现热精胺的内源含量显著低于腐胺、亚精胺和精胺,达到经典植物激素的范围。热精胺合成突变体acl5的株高显著降低,且在靠近根茎连接处的根部出现瘤状结构。为解析热精胺调控植物生长发育的机制,科研团队开展大规模抑制子筛选,获得了50多个acl5瘤状结构的抑制子(Suppressors of acl5 nodule structure,san)。科研人员对其中两个抑制子san1和san2开展深入研究发现,SAN1和SAN2分别编码box H/ACA和box C/D snoRNP复合体的核心蛋白NAP57和NOP56,并分别在保守的TruB N和Nop结构域发生了点突变。细菌、酵母和动物中的过往研究表明,box H/ACA和box C/D snoRNP复合体分别由四个核心蛋白及相应的小分子核仁RNA(snoRNA)组成,分别负责核糖体RNA(rRNA)的假尿嘧啶化修饰和2'-O-甲基化修饰,与核糖体的生物合成、活性以及癌症等疾病的发生密切相关。植物中box H/ACA和C/D snoRNP复合体的核心蛋白与酵母和动物中的核心蛋白高度同源,但目前对snoRNP复合体在植物中的功能研究有限。   通过rRNA假尿嘧啶化修饰的质谱定量分析,研究发现acl5中假尿嘧啶化修饰水平与野生型相比无明显差异,而acl5 san1中假尿嘧啶化修饰水平显著降低,表明SAN1中的点突变导致box H/ACA snoRNP功能的损伤。科研人员利用高通量测序技术检测了5.8S、18S、25S rRNA中的2'-O-甲基化修饰位点及程度发现,acl5的2'-O-甲基化修饰水平与野生型相比无明显差异,而acl5 san2中rRNA的2'-O-甲基化修饰水平出现全局性降低,表明SAN2在rRNA 2'-O-甲基化修饰中发挥重要功能。   在拟南芥中,腐胺、亚精胺、精胺和热精胺是主要类型的多胺,它们的内源含量和生物学功能存在差异。该研究发现热精胺的内源水平约为1 μg/g,接近内源植物激素的范围。研究通过遗传筛选鉴定到acl5的抑制子蛋白SAN1/NAP57和SAN2/NOP56,分别是box H/ACA snoRNP和box C/D snoRNP中的核心组分,在rRNA的假尿嘧啶化修饰和2'-O-甲基化修饰中发挥关键作用。因此,热精胺通过调控snoRNP复合物的功能调节拟南芥的株高和瘤状结构的形成,对snoRNP功能的深入解析有望阐明植物中热精胺的信号转导机制。   该研究将rRNA修饰和热精胺介导的植物生长发育关联起来,为研究热精胺调控植物生长发育的机制提供了重要证据。由于热精胺内源含量较低,可能作为一类新的植物激素发挥功能,未来需开展更多acl5抑制子的分析及snoRNP功能的深入研究,对揭示热精胺在植物中的完整信号转导途径具重要意义。   11月15日,相关研究成果以SnoRNP is essential for thermospermine-mediated development in Arabidopsis thaliana为题,发表在《中国科学:生命科学》(SCIENCE CHINA Life Sciences)上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会和中国科学院关键技术人才计划的支持。
  • 《上海生科院揭示拟南芥DNA主动去甲基化调控新机制》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:dingqian
    • 发布时间:2016-12-23
    • 12月9日,《细胞研究》(Cell Research)杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为A pair of transposon-derived proteins function in a histone acetyltransferase complex for active DNA demethylation 的研究论文。该研究利用模式植物拟南芥揭示了HDP1和HDP2作为组蛋白乙酰转移酶IDM抗沉默复合体的新组件,在DNA主动去甲基化过程中发挥着重要作用,是近年来表观遗传领域的一项重要进展。 DNA甲基化是植物和哺乳动物中最主要的表观遗传修饰之一,它广泛参与转录抑制、转座子沉默、细胞发育与分化调节、基因组印迹、X染色体失活、重编程等过程,对维持物种的基因组稳定性、调控基因表达具有重要作用。DNA的甲基化过程和与之拮抗的去甲基化过程共同决定了基因组甲基化总水平及其分布模式。在植物中,DNA主动去甲基化过程是通过ROS1家族介导的碱基切除修复机制来实现的。朱健康研究组以往的研究发现,组蛋白乙酰化酶IDM1能识别多个表观遗传学标记,并对相应位点的组蛋白进行乙酰化,从而改变该特定区域染色体的结构,使得ROS1对该区域的DNA进行去甲基化(Qian et al., Science,2012)。随后研究又揭示甲基化CpG结合蛋白MBD7通过将IDM2、IDM3、 IDM1三个蛋白招募到甲基化DNA,形成抗沉默蛋白复合体,促使DNA去甲基化酶发挥功能,抑制DNA高度甲基化并阻止转录水平的基因沉默(Lang et al., Molecular Cell,2015)。然而,MBD7单独不能决定IDM1的靶标特异性,因为该复合物并不能指导ROS1去甲基化酶对所有IDM1靶位点进行去甲基化。因此,在IDM复合物中可能存在其他蛋白组分,该蛋白组分与MBD7共同决定着IDM复合物的靶标特异性。 在这项研究中,研究人员发现一对Harbinger转座子衍生蛋白(HDP蛋白)-HDP1和HDP2是IDM复合体的新成员。其中HDP1由Harbinger转座酶进化而来,HDP2是Harbinger转座子来源的DNA结合蛋白。这两个基因的功能缺失突变,不仅增强了外源转基因以及内源转座基因的沉默,同时也使基因组DNA甲基化水平升高。研究表明,HDP1在细胞核中与HDP2相互作用,并且对于IDM1组蛋白乙酰转移酶活性是必需的。此外,HDP2和MBD7靶向的基因组位点大部分重叠。该研究表明,HDP1-HDP作为IDM组蛋白乙酰转移酶复合物的新组分与其他蛋白共同决定了该复合物的靶向特异性,从而在DNA主动去甲基化及防止表观遗传沉默途径中发挥重要作用。