《脑智卓越中心开发新型遗传编码色氨酸探针》

  • 来源专题:脑科学与类脑研究
  • 编译者: 苑亚坤
  • 发布时间:2023-11-08
  • 2023年10月31日,《Cell Discovery》期刊在线发表了题为“A genetically encoded ratiometric indicator for tryptophan”的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)穆宇研究组和杜久林研究组合作完成。该研究开发的新型遗传编码荧光蛋白探针GRIT(Genetically encoded Ratiometric Indicator for Tryptophan)能够特异、定量地在活体动物中检测细胞内的色氨酸浓度。

    色氨酸是食物中含量最少的必需氨基酸,也是神经和免疫系统关键通路的前体,可代谢产生五羟色胺、犬尿氨酸。它协调着多个系统的功能,因此,活体监测色氨酸的动态有助于理解多器官、多系统同步协调的机制。然而,以往的色氨酸检测方法均无法有效实时监测活体动物中的色氨酸浓度,高效液相色谱法(HPLC)存在侵入且耗时的缺陷,响应范围非常有限的遗传编码非侵入式的探针FLIPWs则不够灵敏。

    研究团队将cpsfYFP与细菌色氨酸抑制子TrpR融合,通过迭代优化和筛选,成功获得了比例型色氨酸探针GRIT。与之前的FLIPWs探针相比,GRIT的动态范围增加了30倍,并且能够在不同pH和离子浓度下正常工作,适用于不同的动物样本和细胞类型。

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    • 编译者:季雪婧
    • 小麦白粉病是威胁粮食安全的病害之一。当前,提高小麦的白粉病抗性尤其是广谱抗性,是小麦抗病育种领域的主要任务。野生二粒小麦是普通小麦的野生祖先种,经历了长期而复杂的环境演变,积累了丰富的遗传多样性,是现代小麦抗病遗传改良的宝贵资源。 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员刘志勇与赵玉胜团队采用图位克隆、PacBio长读长基因组重测序、突变体和转基因功能验证等方法,克隆到广谱抗白粉病基因Pm36。Pm36编码一个新型的具有跨膜结构域的串联激酶(WTK7-TM)蛋白。白粉菌多小种鉴定发现,WTK7-TM对我国不同生态区的所有测试的104个白粉菌生理小种均表现出免疫或高抗。研究发现,Pm36位点存在明显的基因组扩张和新基因产生现象。EMS突变体实验发现,WTK7-TM的两个激酶结构域和跨膜结构域对于抗病功能至关重要。体外磷酸化实验初步证实,串联激酶WTK7-TM的两个激酶结构域对于自磷酸化和底物磷酸化的能力均是必需的。进化分析显示,两个激酶结构域可能是通过重复形式产生,属于“丝氨酸/苏氨酸”类型激酶。亚细胞定位发现串联激酶WTK7-TM定位于细胞质膜。基因溯源分析发现,Pm36基因稀有地分布在野生二粒小麦的南部居群,未参与小麦的进化过程,且在现代小麦基因库中缺失。该研究采用分子设计育种,将Pm36基因导入我国小麦主产区主栽品种,创制出高产而抗病的小麦新种质ZKPm36,为培育广谱抗白粉病小麦新品种提供了基因资源、奠定了理论基础。4月10日,相关研究成果以A membrane associated tandem kinase from wild emmer wheat confers broad-spectrum resistance to powdery mildew为题,在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河北省重点研发计划、海南省崖州湾种子实验室“揭榜挂帅”项目等的支持。
  • 《分子植物卓越中心等揭示种子植物崛起的秘密》

    • 来源专题:生物育种
    • 编译者:季雪婧
    • 发布时间:2023-11-10
    •     11月6日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究组联合湖北大学生命科学学院吕世友研究组,在《自然-植物》(Nature Plants)上,在线发表了题为The evolutionary innovation of root suberin lamellae contributed to the rise of seed plants的研究论文。该研究首次从特化细胞壁进化的角度揭示了种子植物崛起的奥秘。     种子植物是植物界最高等的类群,也是当前地球生物圈最主要的生命群体,占据所有植物物种的2/3,塑造了我们当今世界的主貌。最早的种子植物出现在3.6亿年前的泥盆纪,而直到数千万年之后的石炭纪末期,种子植物才开始崛起,并逐渐在二叠纪末期取代蕨类植物成为地球的霸主。地球因此进入中生代,也就是传说中的“恐龙时代”。然而,种子植物为什么在古生代晚期开始崛起是未解之谜。     根系是植物吸收和运输水分与矿质营养的关键器官,而内皮层则是根部控制水分和矿物质运输的核心。内皮层细胞壁具有疏水木质素组成的环状凯氏带,与内皮层细胞质膜紧密连接,形成防止物质自由扩散的屏障。内皮层细胞壁还存在另一种包裹整个内皮层细胞表面的特化细胞壁结构即木栓质片层。研究表明,凯氏带和木栓质片层在植物营养平衡和水分运输方面均扮演着重要角色,但分工却明显不同。近两月以来,晁代印研究组在凯氏带的形成和锚定方面取得了突破性进展。相关成果分别发表在《科学》(Science)和《自然-植物》上。然而,关于木栓层片层的进化机制及其在植物进化中的作用仍然未知。     该工作通过对18个不同进化节点中的代表性植物物种的研究发现,凯氏带存在于包括石松类、蕨类、裸子植物以及被子植物在内的所有维管植物,而木栓质片层则仅存在于裸子植物和被子植物(两者统称为种子植物)。这表明凯氏带和木栓质片层并非同时起源——前者起源于所有维管植物的共同祖先,后者则起源于种子植物的共同祖先。这刷新了植物学界对木栓质片层长期以来的认识,并为研究木栓质片层的进化提供了新视界。该团队对参与木栓层形成的相关基因进行分子进化分析,发现它们中的大部分均在种子植物的共同祖先中出现大规模扩张,暗示基因扩张导致的基因功能创新促使木栓质合成系统的出现。进一步,该团队探讨了不同植物中木栓质形成核心转录因子MYB类蛋白的功能,证实了MYB转录因子启动木栓质合成的功能确实是在种子植物基因扩张的基础上获得的。     在蕨类植物开始衰落、种子植物开始崛起的石炭纪末期,地球气候物突然变得干旱,而木栓质具有防水功能。研究猜测,木栓层的产生可能有助于种子植物的干旱适应性,促进种子植物在石炭纪之后兴起。研究利用两种木栓质缺失的拟南芥遗传材料证实了这一猜想,发现缺失木栓质的拟南芥对于干旱更为敏感。进而,研究利用拉曼光谱和核磁共振,揭示了木栓质片层对于植物维管水分的运输效率具有重要意义。结果表明,由于水分子较小,具有一定的跨膜自由扩散,没有木栓质片层的植物如石松和蕨类植物,遭受渗透胁迫时,根尖吸收的水分在运输的过程中会从上部内皮层细胞质膜中通过自由扩散泄露出去,导致运输效率很低。而具有木栓质片层的种子植物,由于木栓质片层完全包裹着整个内皮层细胞,使得水分自由扩散的途径几乎被完全阻断,因此它们在遭受渗透胁迫时水分泄漏比率只有蕨类植物和石松植物的1%-2%。这种防水效果提高了干旱情况下种子植物维管组织的水分运输效率,增强了耐旱能力。该研究提出了种子植物崛起的模型:石炭纪湿润的气候下没有木栓质片层的蕨类植物水分和营养吸收效率更高,更能适应当时的环境,因而更为繁荣;而在石炭纪晚期开始的干旱气候下,进化出木栓质片层的种子植物具备更高效的水分运输效率,具有更强的干旱适应能力,从而能够逐渐取代蕨类植物,成为地球表面的霸主。     该研究不仅揭示了凯氏带和木栓层的起源之谜,而且从崭新的角度首次证实了木栓层的出现成为促进种子植物的崛起驱动力。该研究发现木栓质片层在植物应对干旱等逆境胁迫中的重要作用。上述成果对提高植物的抗旱性、解析植物耐盐耐旱机制以及研发抗旱新品种等方面具有重要意义。