《分子植物卓越中心揭示多倍体杂草适应人类环境的快速进化机制》

  • 来源专题:转基因生物新品种培育
  • 编译者: 姜丽华
  • 发布时间:2023-02-08
  • 杂草影响农业生产,因此探究杂草的起源以及如何适应农田环境对于杂草的科学治理必不可少。Grime提出的CSR生活史对策模型将植物分为竞争型(C)、耐受型(S)和杂草型(R)。为了适应农田、苗圃等低胁迫、高干扰的生活环境,抗干扰型杂草(Ruderal weeds)将能量主要分配给生殖生长,具有生命周期短、种子数量多等典型特征,但背后的遗传学基础目前尚不清楚。同时,“人类-作物-杂草”已成为探讨人类活动对生态系统和物种进化影响的重要系统。杂草快速进化、适应环境的机制的研究可以帮助科学家剖析新物种起源与进化的基本原理。

      1月18日,《自然-通讯》(Nature Communications)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组撰写的题为Common evolutionary trajectory of short life-cycle in Brassicaceae ruderal weeds的研究论文。该研究以十字花科多倍体杂草碎米荠(Cardamine occulta)为研究对象,运用基因组组装、群体进化分析、遗传学和分子生物学等手段,发现转录因子FLC(FLOWERING LOCUS C)的功能缺失以及蓝光受体CRY2(CRYPTOCHROME 2)的持续激活型突变是C.occulta生命周期缩短、适应高干扰环境的遗传学基础,并进一步在另一种杂草蔊菜(Rorippa palustris)中发现CRY2具有类似的突变,提出了以“FLC-CRY2”为核心、进化上保守的十字花科杂草进化路径。

      该研究以非模式物种——十字花科的八倍体杂草C.occulta作为研究对象,对其基因组进行从头组装和注释,并对采集自起源地的87个C.occulta样本进行重测序与群体进化分析,发现其中一个进化分支分布最为广泛,能够适应人类活动的频繁干扰并随人类活动扩散。该分支在分化过程中经历了强烈的瓶颈效应,与近缘分支在开花调控途径上遗传分化显著,无法响应春化途径或光周期途径,在未经春化或者短日照条件下提前开花。研究通过遗传群体的BSA分析以及转基因植株的功能验证,定位并证实了FLC和CRY2是C.occulta无法响应春化途径和光周期途径的遗传学基础。其中,FLC发生了无义突变,翻译提前终止,形成了截短的无功能的蛋白;而CRY2发生了错义突变,形成了持续激活的CRY2蛋白。两者的相继突变使C.occulta开花提前进而生命周期缩短,形成了典型的杂草特征,得以在干扰前将种子散播出去,以此抵御干扰对繁殖后代的影响,适应人类活动频繁的环境。进一步,研究在另一种十字花科杂草R.palustris中发现CRY2也存在同样持续激活的类似突变,说明类似突变在杂草进化中具有保守性。该研究首次建立了抗高干扰型杂草模式物种,发现了FLC和CRY2突变是杂草相关性状演化的遗传学基础,提出了十字花科杂草的共同进化路径。

      研究工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目、创新研究群体项目以及中科院战略性先导科技专项的支持。

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    • 编译者:姜丽华
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    •   我国土壤盐碱化导致耕地不足,影响粮食的有效供给。探究植物对盐胁迫的感应机制、阐明植物适应盐胁迫的策略,将为作物抗逆遗传改良提供新的思路和分子靶点,具有重要理论意义和实际应用价值。10月14日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵杨研究组在Developmental Cell上,在线发表了题为Root twisting drives halotropism via stress-induced microtubule reorientation的研究论文。该研究阐明了ABA激活的SnRK2蛋白激酶磷酸化修饰微管结合蛋白SP2L介导根尖避盐性的作用机制,为培育抗逆稳产作物提供了新的策略和分子靶点。   生命体具有趋利避害的能力。单细胞的草履虫具有趋向有利刺激,而逃避有害刺激的特性;动物通过移动逃避危险和其他不利环境。植物虽然不能像动物一样移动,但可以响应环境刺激而进行定向生长,从而避开不利环境,这一现象被称为向性运动。植物器官生长方向朝向刺激一方的为正向向性生长,背向刺激一方的为负向向性生长。根尖避开土壤中高浓度盐离子区域的负向向性生长称为避盐性(Halotropism)。土壤中的盐分布不均匀,深层土壤盐害较浅层土壤更严重。因此,避盐性是植物应对盐胁迫的重要策略之一。增强植物根部避盐性,从源头上降低土壤高盐环境对植物的损伤,对提高植物耐盐性具有重要作用。然而,植物根尖避盐性的细胞学过程和分子机制尚不清楚。   科研人员构建了一套模拟土壤盐浓度梯度分布的分隔板研究系统,并观察到模式植物拟南芥根尖的避盐生长。研究发现,避盐响应过程中,根尖ABA浓度快速升高;ABA合成突变体nced3/5、ABA受体十二重突变体pyls和ABA信号核心蛋白激酶三重突变体snrk2.2/3/6具有根尖避盐以及根尖转换区细胞延伸方向改变的缺陷,表明植物根部避盐性依赖ABA介导的根尖转换区细胞延伸方向的转变。   通过突变体避盐性表型筛选,研究发现微管结合蛋白突变体sp2l-4避盐性丧失。盐胁迫迅速诱导微管骨架的重排,同时微管解聚剂处理以及微管切割蛋白突变体leu1均导致避盐性缺陷,表明微管的重排控制根尖避盐性。而sp2l-4突变体背景下盐胁迫无法诱导微管重排,表明微管结合蛋白SP2L控制盐诱导的微管重排。ABA信号核心蛋白激酶SnRK2.6与SP2L蛋白互作,并磷酸化修饰SP2L第406位丝氨酸;盐和ABA诱导体内SP2L第406位丝氨酸的磷酸化修饰;模拟该磷酸化位点失活(S406A)无法互补sp2l-4避盐性丧失表型。以上成果在生化水平和遗传水平证实盐诱导体内SP2L第406位丝氨酸的磷酸化修饰介导植物根部避盐性。   微管骨架通过CSI蛋白与纤维素合酶CesA复合体连接,影响细胞壁中纤维素微纤丝的排布,调控细胞生长方向。cesa1、cesa3、cesa6及csi突变体均表现出避盐性缺陷以及盐胁迫介导的细胞各向异性延伸缺陷,表明SP2L介导的微管重排影响纤维素微纤丝的排布,控制细胞各向异性延伸方向,驱动植物避盐生长。   盐胁迫激活ABA依赖的蛋白激酶SnRK2.6,磷酸化修饰微管结合蛋白SP2L,从而调控微管排布重定向,引导纤维素微纤丝的排布,控制根尖转换区的细胞各向异性延伸方向,驱动根部细胞卷曲产生根部避盐性。该研究从生化水平、细胞水平和遗传水平,揭示了植物根部避盐性的作用机制。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、上海市科学技术委员会和中科院上海植物逆境生物学研究中心的资助。丹麦哥本哈根大学、美国普渡大学、南方科技大学的科研人员亦对本研究有重要贡献。
  • 《生物物理所揭示植物的光适应与捕光调节机制》

    • 来源专题:中科院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-06-22
    • 6月8日,《科学》(Science)期刊发表了中国科学院生物物理研究所常文瑞/李梅研究组、章新政研究组的合作研究成果,题为Structure of the maize photosystem I supercomplex with light-harvesting complexes I and II。该项工作首次报道了玉米光系统I-捕光复合物I-捕光复合物II(PSI-LHCI-LHCII)超级复合物的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了植物适应自然界多变光照条件,对两个光系统的捕光进行调节,从而平衡能量分配的分子基础。   光合作用为世界上几乎所有的生命体提供赖以生存的物质和能量,放氧光合作用还维持着地球的大气环境。放氧光合生物中的光系统I(PSI)和光系统II(PSII)吸收光能,共同完成光驱动的电子传递,其能量传递和转化效率高达90%以上。由于植物所处的自然环境是不断变化的,植物进化出非常精巧的调节机制,从而最大限度地优化光合作用效率并避免光损伤。对光合作用调节机制的研究不仅具有重要的理论意义,还有着广泛的应用价值,能够为农业上作物的增产抗逆等研究提供结构基础和思路。   状态转换是植物和绿藻中一种重要的光合作用调节机制,由于植物的PSI和PSII的捕光系统色素组成不同,导致对不同能量光的吸收能力不同,从而在自然环境下,受光照条件变化的影响,能量在两个光系统间的分配不均衡。状态转换是植物适应光环境变化、平衡激发能在两个光系统间分配的一种快速响应机制。这个过程是通过PSII上主要捕光天线LHCII的可逆磷酸化,并进而在PSII和PSI间迁移来实现的。当PSII被过度激发时,一部分LHCII会被磷酸化,从PSII上解离下来并结合到PSI上,形成PSI-LHCI-LHCII超级复合物。这部分LHCII作为PSI的外周天线,增加了传递到PSI 反应中心的能量,从而实现了激发能在PSII和PSI之间的平衡分配。解析高分辨率PSI-LHCI-LHCII复合体的结构能够从分子水平上揭示复合物中各个蛋白亚基的排列、PSI和LHCII的相互作用方式以及可能的能量传递途径,进而揭示植物状态转换的分子机理。   生物物理所的联合研究团队通过密切合作,协同攻关,以最高的效率取得了突破性进展,完成了PSI-LHCI-LHCII超级复合体3.3埃分辨率冷冻电镜结构解析。该复合体是一个约700kDa的膜蛋白-色素复合体,结构精确指认了其中的21个蛋白亚基,定位了202个叶绿素分子,47个类胡萝卜素分子以及众多的其它辅因子(如图)。该工作首次解析了LHCII的N末端磷酸化位点,揭示了LHCII和PSI的相互作用方式,构建了PSI中的全部亚基,包括以往PSI晶体结构中缺失的两个亚基PsaO和PsaN,并发现这两个亚基分别介导了LHCI和LHCII向PSI核心的能量传递。该复合体结构弥补了过去发表的PSI晶体结构中缺失的结构信息及潜在能量传递途径,并为深入研究植物状态转换的分子机理提供了重要基础。该项工作所提供的数据有望启发并促进人工光合作用体系的设计优化等应用研究。   生物物理所研究员李梅和章新政为论文的共同通讯作者,副研究员潘晓伟、马军和苏小东为该项工作的共同第一作者,中科院院士、生物物理所研究员常文瑞以及研究员柳振峰参与了该项研究工作,这也是该团队继过去两年在植物光系统II超级复合物结构研究工作(Nature 2016;Science 2017)发表之后的又一重要突破。该研究工作得到了科技部重点研发计划、中科院B类先导专项、中科院前沿科学重点研究项目、自然科学基金和国家“青年***”的共同资助。数据收集和样品分析等工作得到了生物物理所“生物成像中心”、生物物理所蛋白质科学研究平台等有关工作人员的大力支持和帮助。