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《植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用》

  • 来源专题：气象农业
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2018-04-11

  • 随着我国农田土壤重金属污染问题日益严重,导致农产品重金属超标时常发生。如何阻控重金属在作物可食部位的积累,保证农产品安全和重金属中低污染农田的安全利用,已成为我国农业生产急需解决的问题。培育重金属低积累作物品种,实现作物可食部位重金属含量达标,是解决重金属中低污染农田安全利用的经济而有效的手段之一。培育作物重金属低积累品种需要克隆控制重金属积累的相关基因,并阐明其分子遗传机理。本文将通过OsNRAMP5、OsHMA3和CAL1等三个控制水稻镉吸收、转运和分配的基因为实例,介绍植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用,包括基于正向遗传学和反向遗传学的方法,克隆控制镉在作物中积累的基因,并阐述这些功能基因在控制重金属积累的分子遗传机理,同时展望这些基因在培育重金属低积累品种中应用前景。

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相关报告

  • 《武汉植物园报道桃果实糖积累的机制和候选基因》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-01-12
    • 　　果实糖分积累是园艺作物尤其果树的重要农艺性状。糖分决定果实的风味口感和营养品质；另外还可以作为调控信号促进花青素等次生代谢物的合成。桃作为我国的重要经济果树，大部分栽培品种果实以积累蔗糖为主（可达总可溶性糖的80%）。栽培种的果实糖表型分离不足（可溶性固形物在11%~14%之间），限制了正向遗传学方法分离到的糖候选基因数量。为揭示这一重要农艺性状的机制，中国科学院武汉植物园果树分子育种科研团队选择和栽培种表型差异大的野生近缘种作对照，采用转录组和糖组分含量偶联分析方法，发掘了糖积累的关键候选基因。 　　采用高效液相色谱方法测定桃品种（‘美国晚油’、‘丽格兰特’、‘霞晖6号’、‘霞脆’和山桃等）不同发育时期果实糖组分含量（图1）；同时选取这些品种的三个果实发育时期进行转录组测序，结合糖组分含量差异进行针对性的基因表达量差异对比，获得和总糖正负相关的差异基因集（图2）。 　　与总糖正相关的424个差异基因中，前人报道过5号染色体顶端的PpTST1液泡膜糖转运体基因，本研究发现了两个SPS（蔗糖-磷酸合酶）基因和SuSy1（蔗糖合成酶）基因，并通过桃果实瞬时转化方法验证相关基因的功能。与桃果实总糖含量正负相关的基因中，各发现了一个INH糖酸性转化酶抑制肽基因，即PpINH3（总糖正相关）和PpINHa（总糖负相关）基因。瞬时转化证明这两个INH对总糖的积累正好起相反效果，将前人报道的INH作用底物酸性转化酶PpVIN2进行瞬时转化，所起的效果与PpINHa完全相同（图3）。但本研究用酵母双杂无法鉴定INH和PpVIN2之间存在分子互作。INH的作用机制尚待进一步研究。 　　另外，本研究还发现与总糖负相关的候选基因中存在另一个蔗糖合成酶SuSy2。此外正相关基因还有两个单糖转运体PpERD6-Like1和PpERD6-Like2，它们的瞬时过表达可能会引起PpTST1的表达量发生变化。综合上述发现得出了桃的果实糖分积累的模式图（图4），发现桃的果实糖分积累既源自代谢又来自体内的源-库运输，同时还受到多种因子调节。本项研究发表于国际研究期刊Frontiers in Plant Science，受到国家自然科学基金等项目资助，论文并列第一作者为孟加拉留学生Md Dulal Ali Mollah和张娴，王鲁副研究员和韩月彭研究员为论文通讯作者。本研究揭示了桃果实糖分积累中的重要基因及其机制，为实现水果糖组分的精细化调控提供了研究实例和技术元件，在功能健康型水果开发方面开辟了新的思路。
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  • 《武汉植物园在植物异型花柱分子遗传调控机制研究中取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-09-25
    • 　　异型花柱是被子植物中一种特殊的花多态现象和雌雄异位形式，并且具有异型花柱的物种通常同时具有自交不亲和机制。这一性状在防止自交的同时可以促进异交。异型花柱在被子植物中广泛分布，已在28个科中被报道，据估计这是至少20次独立起源并趋同演化的结果。异型花柱在遗传上是由S位点决定的，S位点是一个超基因，由多个紧密连锁的基因组成，这些基因分别控制花柱长度或雄蕊高度等特征。虽然异型花柱已经得到了广泛的研究，但对其分子机制的理解一直局限于少数物种。因此研究不同物种中的异型花柱的分子机制对于探究其趋同演化的过程有着非常重要的意义。 　　中国科学院武汉植物园王青锋/陈进明研究团队联合多伦多大学Spencer C. H. Barrett团队以异型花柱水生植物金银莲花（Nymphoides indica）为研究对象（图1），通过构建高质量的单倍型基因组，鉴定并解析了金银莲花中S位点超基因的演化和功能（图2）。 　　该研究通过群体基于测序数据覆盖度的全基因组关联分析（read-coverage-based GWAS）方法发现金银莲花短型（S-型）花柱存在一个178 kb的半合子区域，其中包含了三个S位点候选基因 - NinBAS1、NinKHZ2、NinS1，其中NinBAS1只在花柱中表达，NinS1只在雄蕊中表达，NinKHZ2在花柱和雄蕊中均表达（图3）。  　　该研究还探讨了S位点基因及其调控网络的潜在功能，以及转座元件和逐步基因复制对异型花柱超基因演化可能起到的作用。研究结果表明，金银莲花的S位点的转座元件密度显著高于基因组其余部分， 这些转座元件在S位点演化的过程中积累，可能进一步抑制了基因重组，进而导致基因丢失。同时，研究发现油菜素内酯在金银莲花异型花柱的发育过程中具有重要的作用，并且PIF （phytochrome-interacting factor，光敏色素互作因子）分子调控网络在雄蕊中显著富集，为分子层面上异型花柱的趋同演化提供了进一步的证据（图4）。 　　该研究揭示了水生植物金银莲花中异型花柱的遗传基础，拓宽了我们对植物性状多样性及其演化的认识。此外，高质量的基因组资源也为未来研究植物适应性演化的分子机制提供了宝贵的材料。 　　相关研究成果以"Haplotype-resolved genome assembly provides insights into the evolution of S-locus supergene in distylous Nymphoides indica"为题在线发表于国际著名学术期刊New Phytologist上。 武汉植物园博士生杨京珊和加拿大多伦多大学薛浩然博士为论文共同第一作者，加拿大多伦多大学Spencer C. H. Barrett及武汉植物园王青锋和陈进明研究员为共同通讯作者，武汉植物园石涛研究员、李治中和张越助理研究员等参与该工作。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB31010000）、国家自然科学基金（31270278）、中国科学院青年创新促进会项目（2019335）等项目的资助。
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