代表性成果

2017年重要成果简介
来源:本站    发布时间:2019-1-28 10:47:52    点击数量:178
2017年重要成果简介:

1
CRPK1激酶通过磷酸化14-3-3促进其进核精细调控CBF低温信号途径(杨淑华)
植物细胞膜可能是低温信号的初级感受部位,细胞膜流动性变化使植物首先感受到低温信号。但是低温信号感受的精确机制以及信号传递机制尚不清楚。通过蛋白激酶突变体的筛选,我们获得了一个具有抗冻表型的类受体激酶CRPK1(Cold-responsive protein kinase 1)的突变体。CRPK1属于RLCK类类受体蛋白激酶,其功能未知。我们的研究发现,CRPK1定位于细胞膜上,低温或豆蔻酰化位点的突变并不改变其细胞膜定位。低温可以激活CRPK1的激酶活性,使其磷酸化细胞质中的14-3-3蛋白,14-3-3蛋白从细胞质进入细胞核中,促进细胞核中低温关键转录因子CBF1/3蛋白的泛素化降解。与之相一致,crpk1突变体和14-3-3κλ双突变体具有明显的抗冻表型,而14-3-3λ过表达株系则低温敏感。进一步研究表明CRPK1对于14-3-3s入核和发挥功能至关重要。我们的研究不仅揭示了CRPK1-14-3-3模块将低温信号从细胞膜传递到细胞核中,负调控植物低温应答的分子调控机制,也揭示了CBF蛋白翻译后修饰的分子机制。相关研究发表在Mol Cell (Liu et al., 2017)。
该论文发表后,在相关领域产生了重要国际学术影响,Mol Cell杂志在同期发表专文(Preview),高度评述该项成果的重要意义。另外,F1000也对该文进行了推荐和点评。

2
NOG1基因提高水稻产量(孙传清)
亚洲栽培稻(Oryza sativa L.)是从普通野生稻(Oryza rufipogon Griff.)驯化而来。在驯化和改良的过程中,增加穗粒数、提高产量是重要目标之一。为了揭示产量提高的遗传机理,研究人员鉴定出一个影响水稻穗粒数和产量的基因NOG1NUMBER OF GRAINS 1)。该基因位于第1染色体长臂,编码脂肪酸β-氧化途径中烯酰辅酶A水合酶。其启动子区域的一个12-bp转录因子结合位点发生了拷贝数变异,在野生稻和低产品种中存在一个12-bp的功能序列,而在高产品种中存在两个紧密连接的12-bp片段。12-bp的插入能够增加基因的表达水平,降低植物体内脂肪酸和茉莉酸的水平,增加穗粒数,提高产量。将NOG1导入不含此基因的品种“中花17”中可以使产量提高25.8%,在携带该基因的高产品种“特青”中过表达NOG1能够增产近20%,并且不影响株高、抽穗期、穗数、粒重等性状。NOG1的克隆不仅为培育高产水稻品种提供了一个重要新基因,也为揭示水稻产量性状调控的分子机制提供了新线索。相关研究发表在Nat Commun (Huo et al., 2017)。
该项研究鉴定了一个提高水稻产量的重要基因,该基因增加穗粒数而对穗数、粒重、结实率、株高、生育期等性状没有影响,在育种上具有重要的应用前景。

3
PIF3CBF信号途径的负调节因子(杨淑华/李继刚)
光和温度是调控植物生长和发育的两个最重要的环境因子。但是植物如何整合光和温度信号来适应环境的变化尚不清楚。PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS (PIFs)是光形态建成中的重要转录因子,同时也参与调控植物与不同环境信号的应答。我们发现光信号关键转录因子PIF3负调控植物的抗冻性。pif3缺失突变体表现出抗冻表型,而PIF3过表达转基因植株则具有明显的冻敏感表型。研究发现,PIF3能够直接结合在低温关键转录因子CBFs的启动子区,抑制CBFs及其下游冷响应基因表达。进一步研究发现两个E3泛素连接酶EIN3-BINDING F-BOX 1 (EBF1) 和EBF2能够与PIF3互作,并使其通过26S蛋白酶体途径降解。低温和黑暗条件可以促进EBF蛋白降解,从而增加PIF3蛋白稳定性,降低CBFs基因的表达。遗传证据表明EBF1/2是植物冷响应途径的正调控因子,ebf1ebf2单突变体均表现出冻敏感表型,而过表达EBF1EBF2则降低植物的抗冻性;pif3突变体可以回复ebf1突变体表型。该研究通过揭示PIF3在低温响应过程中的新功能和调控机制,说明光和温度在植物冷驯化过程密不可分,共同平衡调控着植物的抗冻性和生长发育过程。相关研究发表在Proc Natl Acad Sci USA (Jiang et al., 2017)。
论文发表后,Nat Plant杂志发表News & Views和Trends Plant Sci 杂志发表Spotlight进行点评。

4
E3泛素连接酶COP1调控微管结合蛋白WDL3蛋白水平介导下胚轴细胞生长    (毛同林/李继刚)
光是影响植物生长发育的重要环境因子之一。E3泛素连接酶COP1是植物光形态建成的核心调控因子。细胞学分析显示黑暗条件下COP1在细胞核和细胞质中均有分布。研究表明暗下COP1在细胞核中通过泛素化一些重要的因子进而调控植物的光形态建成,然而其在细胞质中的功能并不清楚。我们前期的研究发现拟南芥微管结合蛋白WDL3在光下通过稳定微管骨架负调控下胚轴细胞的生长,而在暗中WDL3被26S蛋白酶体途径降解从而解除了其对下胚轴细胞快速伸长生长的抑制作用(Liu et al. 2013, Plant Cell),然而WDL3的降解机理并不清楚。通过酵母双杂交等方法筛选WDL3的互作蛋白,我们发现E3泛素连接酶COP1能够与WDL3发生相互作用,并且该互作受光调控、发生在微管骨架上;生化分析表明WDL3能够直接被COP1泛素化修饰;遗传学和细胞学实验表明,降低WDL3的表达量改变了cop1突变体黄化下胚轴细胞中微管骨架的组织排列和稳定性,部分恢复其黄化下胚轴细胞短的表型。我们的研究不仅揭示了暗下分布于细胞质中的COP1能够泛素化下游底物的新功能,也阐明了微管骨架结合蛋白调控的一种新机制。相关研究发表在Proc Natl Acad Sci USA (Lian et al., 2017)。

5
、拟南芥NRT1.5/NPF7.3蛋白作为H+/K+反向转运体参与K+向木质部装载过程(王毅)
钾和氮是植物生长发育所必需的矿质营养元素。长期的农业生产实践早已证明,按适当比例施用钾肥和氮肥可以显著提高肥料的吸收利用效率。然而, 长久以来植物协同吸收利用钾和氮的分子机制仍不清楚。我们研究发现,拟南芥硝酸转运蛋白NRT1.5/NPF7.3参与调控K+和NO3-由根部向冠部协同运输的生理过程。低钾移苗实验结果显示,nrt1.5突变体表现出冠部提前发黄、根部持续生长的低钾敏感表型。在低钾条件下,nrt1.5冠部的K+含量和NO3-含量都较野生型显著降低,而根部K+含量和NO3-含量则较野生型显著升高。利用非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统分析NRT1.5的离子转运功能,结果显示NRT1.5可以作为一个H+/K+反向转运体向细胞外转运K+。该研究结果表明,拟南芥NRT1.5不仅作为NO3-转运体调节NO3-在根冠的分配,它还作为K+外向转运体介导K+在木质部的装载,并调控K+从根部到冠部的长距离运输。研究结果还提示,NRT1.5及其同源蛋白可能是植物中一类新的K+转运蛋白,并可能参与调控植物体内K+和NO3-的协同运输过程。相关研究结果发表在Plant Cell (Li et al., 2017)。
本论文的研究结果对于认知植物协同吸收利用钾和氮的分子调控机制具有重要意义,也为将来改良作物钾和氮的吸收利用效率提供了理论依据。该论文发表后得到F1000网站的推荐和点评。

6
MPK3/MPK6ABA信号途径相互依赖介导气孔免疫(张舒群)
近几年气孔作为植物先天免疫的重要环节,在限制病原菌入侵方面的主动作用,即气孔免疫,得到业界广泛认识与关注。野生型植株受到病原菌侵染会主动关闭气孔以限制病原菌侵入,而mpk3 mpk6条件双突变体在病原菌侵染时不能关闭气孔,导致其抗病能力显著下降。相反,MPK3/MPK6激活可以促使气孔关闭。重要的是,外源施加苹果酸或柠檬酸能够显著抑制MPK3/MPK6激活以及Pst DC3000诱导的气孔关闭。保卫细胞酶活性原位染色表明MPK3/MPK6激活或病原菌处理均显著提高了有机酸代谢相关酶类的活性,提示该信号通路能通过提高保卫细胞内有机酸代谢来介导气孔免疫。
遗传学证据表明ABA与MPK3/MPK6两条信号途径能够互相独立的介导气孔关闭;但面对病原菌入侵时,二者任何一条途径的缺失都会导致气孔不能有效的关闭。基于以上发现,该研究提出了MPK3/MPK6与ABA信号途径相互依赖介导气孔免疫的新模型。研究者认为这种相互依赖性的作用机制使得气孔免疫更加强劲与高效。此外,之前由于受限于MPK3与MPK6双突变体材料无法获得,其他课题组基于RNAi等突变技术的研究对于两者在气孔免疫中的作用及与ABA的关系存在争议及相互矛盾之处,本研究中利用mpk3 mpk6条件双突变体完美阐明了这些存在争议的科学问题。相关研究结果发表在Plant Cell (Su et al., 2017)。
在传统的被广泛认知的ABA-SLAC1途径之外,本研究发现了气孔免疫中另外一条重要信号途径,即MPK3/MPK6-organic acid metabolism途径,具有重要意义。

7
MPK3/MPK6激酶通过抑制ICE1蛋白稳定性调控植物的抗冻性(杨淑华)
低温影响植物的生长和发育、作物的产量和植被的分布。低温关键转录因子ICE1是CBFs基因的主要正调节因子,但ICE1基因表达不受低温调控,暗示其蛋白翻译后修饰对于其功能的发挥至关重要,以前的研究表明ICE1蛋白受磷酸化、泛素化和SUMO化等翻译后的修饰。为了深入研究ICE1蛋白的调控机制,我们通过酵母双杂交技术,筛选获得其互作蛋白MPK3和MPK6。遗传证据表明,MPK3MPK6基因的单突变和双突变体均表现出明显的抗冻性,MPK3/MPK6位于ICE1的上游。进一步研究发现,低温激活MPK3/6的激酶活性,激活状态的MPK3/MPK6通过磷酸化ICE1蛋白6个保守的MAPK磷酸化位点,抑制ICE1在低温下的蛋白稳定性和转录活性,从而抑制ICE1下游CBFs基因的表达。以上证据表明MPK3/6通过磷酸化ICE1调控其稳定性,从而负调控拟南芥对低温的耐受能力。该研究揭示了MPK3/6蛋白激酶在低温应答中的分子机制,其介导的负调控途径精细调控植物冷响应的强度,能够使植物更好地协调逆境应答和生长发育之间的平衡。相关研究发表在 Dev Cell (Li et al., 2017)。该论文发表后,Dev Cell杂志在同期发表Preview和Trends Plant Sci 杂志发表Spotlight,对该项成果给予高度评述。F1000也对该文进行了推荐和点评。

8
agriGO v2.0: 用于农业物种的新的agriGO分析平台, 2017升级版(苏震)
以Gene Ontology(GO)为基础的基因功能分类分析工具,可以快速便捷地对大规模基因组学或功能基因组学实验结果进行功能分类分析。我们实验室一直致力于针对农业物种的GO分析工具研发,从agriGO的旧版EasyGO开始已有十余年的积累,目前这一平台在国内外的影响正逐步扩大,agriGO/EasyGO文章的SCI引用合计已超过800次。2017年应Nucleic Acids Research杂志的邀请,我们对目前的agriGO做了升级,agriGO v2.0版本的文章已发表于今年的web server专刊上。
agriGO的升级主要专注于分析平台的支持范围,目前已涵盖和农业相关的394个物种,包括865种数据类型,我们对平台结构做了一定的优化,以方便使用者查找相应的物种及数据类型。同时,我们根据十多年来数据平台维护经验,并总结使用者的各项要求,研发了一些方便使用的工具,如batch analysis、SEACOMPARE、PVD等等,特别还对用户自定义类型的分析也做了优化。希望我们新的agriGO分析平台能更有助于农业物种的功能基因组学研究和功能基因挖掘。
agriGOv2.0数据库自2016年12月上线以来,已经有来自67个国家和地区的10203次访问,完成31882次分析任务。

9
PCSD: 一个植物基因组的染色质状态数据库(苏震)
随着近些年来植物表观遗传学的发展,植物表观基因组数据也呈大幅增长的趋势,进而对这些数据的整合、挖掘也是一个新的挑战。我们根据自有的植物表观基因组数据分析挖掘经验,利用Hidden Markov Model定义植物基因组的染色质状态(chromatin states),并采用self-organization mapping (SOM) 方法和UCSC Genome Browser平台作为可视化工具,构建了一个植物染色质状态数据库-PCSD。这里,我们整合了216组拟南芥、100组水稻和95组玉米的表观基因组数据,构建了36个拟南芥染色质状态(包含290,553片段),38个水稻的染色质状态(包含831,235片段)和26个玉米的染色质状态(包含3,936,844片段)。数据库里包含基本的查询和浏览功能,支持对这些表观基因组数据之间的比较分析,并能与其它功能分析工具如agriGO、motif等相对接。同时也提供了自定义分析工具以方便使用者利用PCSD平台分析自行产生的数据。希望PCSD平台能对植物表观基因组数据分析以及植物表观遗传学的研究起到一定的支持作用。
植物染色质状态数据库 (PCSD)相关的论文研究发表在Nucleic Acids Research杂志的database专刊上(2018年1月正式发表)。PCSD自2017年6月上线以来,已有来自29个国家的2,767个IP地址访问。
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