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《植物所等揭示多养分添加下基因组大小调控草地群落的新机制》

  • 来源专题：转基因生物新品种培育
  • 编译者： 姜丽华
  • 发布时间：2022-10-31

  •       资源与植物生产力、多样性之间的关系是生态学的核心问题之一，资源的增加通常在提高植物群落生产力的同时降低其植物多样性。草地生态系统是全球最重要的陆地生态系统之一。人类活动导致的元素富集深刻影响草地生态系统结构和功能，而草地生产力和多样性对资源增加的响应机制存在诸多不确定性。

      中国科学院植物研究所韩兴国研究组于2017年起在欧亚草原最东端的呼伦贝尔草甸草原设置了包含17种元素的多养分添加实验平台，并建立了中国草地植物基因组大小数据库。研究发现，养分添加主要提高了较大基因组植物的地上生物量，进而驱动植物群落内光的非对称性竞争，导致小基因组植物物种丢失。研究将最近提出的“基因组大小-养分交互假说”与传统的“光竞争假说”相联系，为草地生态系统资源、生产力与多样性关系的调控机制提出了新的机理解释。研究证实基因组大小是植物重要的内禀性状，将其作为新的衡量指标引入生态学研究模型可以更好地预测植物群落在全球变化多因子影响下的动态。

      9月15日，相关研究成果在线发表在New Phytologist上。英国伦敦玛丽女王大学、中国科学院沈阳应用生态研究所、河北大学、英国皇家植物园、美国明尼苏达大学的科研人员参与研究。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。


  • 原文来源：http://www.cas.ac.cn/syky/202209/t20220922_4848463.shtml
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  • 《微生物所叶健团队揭示红光调控植物抗虫媒病毒新机制》
    • 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：2021-01-13
    • 病害三角（disease triangle）是描述疾病流行规律的理论，该理论指出“病害三要素”为致病病原生物、易感宿主和适合的环境条件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超过1480种植物病毒中，近80%由媒介昆虫传播，植物虫传病毒是制约我国农作物高产稳产的主要因素之一。以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主两个方面，而实际上参与病毒传播、病害发生的因子还有传毒媒介昆虫以及光照、温度、气候、生物周期节律等环境因子。作为人类赖以生存的最重要生化反应，植物光合作用主要吸收红光和蓝紫光并存储为化学能，最终为人类和其他动物提供必需的食物和能量。光作为主要的环境因子，不仅调控植物生长发育的每个环节，而且同病害的流行爆发紧密相关。然而光是如何影响植物抗病性，病原微生物又是如何适应宿主抗性机制从而促进自身的传播等问题，尚亟待得到科学解答。 近日，中国科学院微生物所叶健课题组在PLoS Pathogens在线发表了题为Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究论文。该研究发现植物双生病毒卫星DNA编码的βC1蛋白可以通过靶向光信号途径的PIF转录因子家族调控的虫媒病毒抗性，促进虫媒病毒的快速传播，揭示了光调节双生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的新机制。 　　本研究在前期工作的基础上，进一步以双生病毒中国番茄黄化曲叶病毒TYLCCNV与卫星DNA形成的侵染复合物为研究对象，发现双生病毒卫星感病植物和对媒介昆虫烟粉虱的吸引作用只有在光照条件下才会发生，而在黑暗条件下不会发生（图1A和1B）。已有研究表明βC1是病毒编码的关键决定因子，进一步利用单色光LED灯箱进行昆虫双选择实验，发现βC1转基因植物只有在红光和含有红光的白光条件下发生，而在黑暗、远红光和蓝光条件下没有显著差异 (图1C)。烟粉虱等大多数昆虫的视觉系统缺乏红光受体，是“红色色盲”，所以这种光依赖的烟粉虱选择行为改变主要是病毒感染植物后影响了昆虫嗅觉识别植物。 当植物受到昆虫取食后，会产生一系列的化学挥发物来调控昆虫的行为来趋避食草昆虫，其中萜烯类化合物 (Terpenes) 是植物挥发物中最丰富的一类化合物，研究报道部分倍半萜和单萜会趋避昆虫。该研究通过酵母双杂交筛选实验鉴定到光信号中的关键蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以与βC1蛋白互作，进一步Co-IP实验证明PIF3与βC1在光照和黑暗条件下均可以在植物体内互作 (图2A)。PIFs蛋白可以直接结合萜烯合酶 (Terpene synthase，TPS) 基因的启动子促进其转录 (图2B和2C)，因此在PIF过表达的植物中，介体昆虫烟粉虱的产卵量减少、伪蛹发育缓慢 (图2D和2E)，说明PIFs蛋白具有直接的抗虫作用。通过竞争性BiFC和pull-down实验发现βC1蛋白可以通过干扰PIF蛋白二聚体的形成不同程度的抑制其转录激活活性 (图2C)。 植物激素茉莉酸（jasmonic acid, JA）是一种介导植物抗虫的重要激素，转录因子MYCs是JA途径中的关键调控因子。MYC家族转录因子调控下游多种抗虫相关次生代谢物质的合成代谢相关基因，包括TPS基因。该课题组早期研究发现双生病毒βC1可以靶标MYC2, 通过干扰其二聚体的形成抑制MYC2-介导植物抗虫反应，与其媒介昆虫烟粉虱形成的互惠共生关系（Li et al. Plant Cell 2014）。PIF蛋白参与植物多个信号通路以参与发育过程以及不同的胁迫响应，包括光和JA途径。研究报道AtPIF4与AtMYC2相互作用，该研究还发现AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表达，而βC1可以促进AtPIF4-AtMYC2异源二聚体的互作进而进一步抑制TPS的表达，促进昆虫的取食。结合以上研究结果该论文提出以下工作模型：在健康植物中，PIFs和MYC2形成同源二聚体，结合在TPS基因启动子的不同区域，共同调节TPS基因表达，从而趋避烟粉虱；当植物受到双生病毒感染后，βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚体的形成，一方面又可以促进PIF- MYC2异源二聚体的形成，最终抑制了植物对烟粉虱的抗性反应，促进烟粉虱的取食，促进病毒的传播与扩散。本研究解析了光和JA信号共同调节病毒-昆虫-植物三者互作的新机制，为防控虫媒病害提供新的靶点，也为实现利用单色LED灯绿色防控双生病毒病害提供理论依据。 该文章由叶健课题组的副研究员赵平芝、助理研究员张璇和已毕业硕士研究生龚雨晴为共同第一作者，课题组王端、王宁、孙艳伟、高连博为文章的共同作者。值得一提的是，该研究得到了方荣祥院士、北京大学邓兴旺院士、美国加州大学戴维斯分校Daniel J. Kliebenstein教授、中国农业科学院植物保护研究所周雪平教授、南京农业大学教授许冬清、浙江大学刘树生教授的大力支持，也为该文的共同作者，叶健研究员为通讯作者。感谢清华大学陈浩东教授和中国农业大学李继刚教授提供了宝贵的抗体材料。该研究受到国家自然科学基金重点项目、国家重点研究和发展计划生物安全专项、国家相关人才计划等项目的支持。
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  • 《青岛能源所等揭示植物DNA损伤调控新机制》
    • 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
    •   DNA是生物体遗传信息的载体，是正常生长、发育和繁衍所需的遗传模板，对于维持DNA的完整性和稳定性至关重要。紫外线、辐射和环境污染等引起的DNA损伤影响人和动物的衰老，或导致疾病乃至癌症。对植物而言，外界环境因子，如土壤盐碱、重金属、电离辐射、紫外线、洪涝等胁迫，同样会导致DNA损伤，影响植物生长发育甚至对作物生产造成危害。然而，DNA损伤响应及修复的机制在动物和植物中不完全相同，且在植物中的研究较为滞后。调控植物DNA损伤及其修复的机制的研究，对于增强作物抗性、提高生物产量具有重要的生物学意义。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员李胜军带领的能源植物改良与利用研究组，揭示了MAC5A和26S蛋白酶体协同调控植物DNA损伤响应（DDR）进而影响植物生长发育及适应高硼胁迫的新机制。相关研究成果发表在《植物生理》（Plant Physiology）上。   MOS4-associated complex（MAC）复合体参与植物的生长发育、胁迫响应、pre-mRNA可变剪切和miRNA生物合成等生物学过程。MAC5是MAC复合体的一个附属亚基，其功能完全丧失后导致严重的发育缺陷和胚胎致死。此前，研究团队提出，MAC5通过调控pri-miRNA的稳定性影响miRNA的积累（Li et al., PNAS 2020），但MAC5在植物体内的其他生物学功能尚不完全清楚。         研究发现，MAC5A缺失突变体mac5a对甲基磺酸甲酯（MMS，一种DNA损伤诱导剂）的处理更加敏感，表现出主根生长抑制、真叶叶原基发育延缓等表型。RNA-seq分析发现，MAC5A缺失导致DDR相关基因的表达及pre-mRNA的可变剪切发生变化。进一步，研究通过IP-MS质谱分析鉴定到多个26S蛋白酶体亚基与MAC5A互作；通过生化和遗传分析进一步验证了MAC5A与26S蛋白酶体关键亚基RPN1A和RPT2A之间的互作关系。MAC5A调控26S蛋白酶体的活性，同时26S蛋白酶体也影响MAC5A蛋白的降解。此外，土壤中高浓度的硼影响作物的产量和品质，其中主要原因之一是高硼胁迫导致植物DNA损伤。研究表明，MAC复合体的多个核心亚基和26S蛋白酶体均参与高硼诱导的DNA损伤响应过程。该研究揭示了MAC复合体和26S蛋白酶体协同调控植物DDR过程的分子机制。   研究工作得到国家自然科学基金面上项目、山东能源研究院创新基金、山东省、中国科学院、中国博士后科学基金等的支持。美国内布拉斯加大学林肯分校、河南大学、西南大学的科研人员参与研究。   植物的生长发育与环境适应能力受到RNA的转录及转录后调控，故揭示调控植物生长、抗逆的分子基础，有助于作物尤其是能源作物的遗传改良。截至目前，该团队在RNA转录后加工领域取得了系列进展，揭示了MAC复合体附属亚基MAC5（Li et al., PNAS 2020）、MAC复合体核心亚基MAC3（Li et al., Plant Cell 2018）、DEAD-box RNA螺旋酶SMA1（Li et al., Nucleic Acids Research 2018）调控植物生长发育和miRNA合成代谢的生物学机制。
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