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2017年《科学》和《自然》刊发植物生物学论文盘点
    

《科学》25篇

(1)Root diffusion barrier control by a vasculature-derived peptide binding to the SGN3 receptor. 20 January 2017: 280-284.

(2)A peptide hormone required for Casparian strip diffusion barrier formation in Arabidopsis roots. 20 January 2017: 284-286.

根的初生结构由外至内可分为表皮、皮层和中柱。皮层最内一层细胞为内皮层,在内皮层细胞径向壁和上下横壁上存在木栓化和木质化的带状加厚区域,称为凯氏带(Casparian strip)。由于它的存在使得水分和无机盐只有经过内皮层的原生质体才能进入微管柱,对植物水分和养分吸收具有重要的控制作用。凯氏带的形成需要很多因子的共同作用,其中GASSHO1/SCHENGEN3 (GSO1/SGN3) 受体激酶发挥关键的作用,以前的研究暗示这类激酶可能是多肽激素的受体。来自瑞士(1)和日本(2)的研究人员同时报道了GSO1激酶的配体,它们是两个同源的多肽:CASPARIAN STRIP INTEGRITY FACTOR 1 (CIF1)和(CIF2)。CIF1CIF2在中柱细胞表达,而GSO1基因在内皮层细胞的外表面表达。当内皮层被凯氏带包裹封闭,CIF1和CIF2多肽不能接触到它们的受体;当损伤或发育造成内皮层破坏,这些多肽激素就会与受体结合,从而激活信号,促进木质素沉积,促进凯氏带形成。

 

(3)The receptor kinase FER is a RALF-regulated scaffold controlling plant immune signaling. 20 January 2017: 287-289.

植物对病原菌的感知涉及到受体激酶。研究人员从正向遗传筛选出发,发现拟南芥S1P蛋白酶可以切割体内的RALF小肽从而抑制植物免疫反应。这种抑制作用是由FER受体激酶介导的,FER可以促进免疫受体激酶EFR-FLS2-BAK1复合体的形成,进而启动免疫信号通路。FER的功能相当于RALF23介导的脚手架,在调节受体激酶复合物的组装中起作用。

 

(4)A chemical genetic roadmap to improved tomato flavor. 27 January 2017: 391-394.

首次阐明了番茄风味的遗传基础,揭示了番茄风味调控机制,为番茄风味改良奠定了重要理论基础。

 

(5)A paralogous decoy protects Phytophthora sojae apoplastic effector PsXEG1 from a host inhibitor. 17 February 2017: 710-714.

大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)分泌的木葡聚糖酶XEG1会破坏大豆细胞壁。本研究发现疫霉菌在侵染植物早期向胞外分泌糖基水解酶XEG1攻击植物细胞壁,而植物则利用水解酶抑制子GIP1抑制其活性;在进化的过程中,病原菌又获得了XEG1的失活突变体XLP1,以诱饵“DECOY”的方式,竞争性干扰抑制子GIP1,与XEG1协同攻击植物的抗病性。由于糖基水解酶XEG1在卵菌、真菌和细菌中广泛存在,因此这一发现为开发能诱导植物广谱抗病性的生物农药提供了重要的理论基础。

 

(6)Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance. 3 March 2017: 962-965.

作物育种旨在平衡抗病性与产量之间的关系。研究人员发现了水稻中编码核苷酸结合受体的基因簇Pigm,该基因簇编码的PigmRPigmS之间的拮抗作用可使水稻具备对真菌Magnaporthe oryzae的持久抗性,同时不影响产量,这一系统的发现揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制,有利于培育优良作物品种。

 

(7)Mobile MUTE specifies subsidiary cells to build physiologically improved grass stomata. 17 March 2017: 1215-1218.

植物通过调节气孔孔径来促进碳同化并限制水分流失,气孔由两个哑铃型保卫细胞(GC)组成,而草本植物中与GC相邻的副卫细胞(SC)可以进一步提高气孔变形能力。本研究在二穗短柄草中发现了一种与拟南芥中GC调节因子AtMUTE同源的转录因子BdMUTE,它可以在细胞间移动,而这种移动是SC细胞分化形成的充分必要条件。

 

(8)The preprophase band of microtubules controls the robustness of division orientation in plants. 14 April 2017: 186-189.

对拟南芥突变体研究发现早前期带(PPB)的破坏既不消除根细胞限定皮质分裂区的能力,也不会引起异常的细胞分裂模式,而是影响了细胞分裂取向的精确性,并表明PPB微管阵列的主要输出是限制纺锤体旋转以增加细胞分裂的坚固性,因此,控制细胞分裂平面取向对于植物的形态发生至关重要。

 

(9)RETINOBLASTOMA RELATED1 mediates germline entry in Arabidopsis. 28 April 2017: eaaf6532.

开花植物通过减数分裂产生种子,本研究发现了一条拟南芥减数分裂起始相关的调节通路:KIP相关蛋白(KRP)抑制周期蛋白依赖激酶A(CDKA),解除CDKA对视网膜母细胞瘤相关蛋白1(RBR1)活性的抑制,活性RBR1抑制干细胞因子 WUS,WUS的抑制使大孢子母细胞离开有丝分裂途径,开始减数分裂。RBR1是这一通路的枢纽。该研究揭示了维持WUS激活和失活的微妙平衡的机制。WUS的激活对胚珠原基的形成十分重要,而当大孢子母细胞形成之后WUS的失活对大孢子母细胞进入减数分裂同样十分重要。

 

(10)Holliday junction resolvases mediate chloroplast nucleoid segregation. 12 May 2017: 631-634.

Holliday junction(HJ)是同源重组时形成的四链DNA结构,其由解离酶解离的现象还未在植物细胞中发现。研究人员通过分析莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)突变型确定了单核叶绿体1 (MOC1)就是HJ的解离酶。其与细菌中的解离酶结构相似,可能通过解离HJ来调节叶绿体拟核的分离。该研究一方面揭示了HJ的正常解离对于叶绿体类核分离的至关重要性,另一方面,验证了HJ的解离机制在不同生物中以及不同细胞器中的相似性。

 

(11)Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal and parasitic fungi. 16 June 2017: 1172-1175.

首次揭示了在丛枝菌根真菌与植物的共生过程中,脂肪酸是植物传递给菌根真菌的主要碳源形式,并发现脂肪酸作为碳源营养在植物-白粉病互作中起重要作用。

 

(12)Fatty acids in arbuscular mycorrhizal fungi are synthesized by the host plant. 16 June 2017: 1175-1178.

丛枝菌根真菌帮助植物获取土壤中的养分,同时也从植物中汲取有机碳。转录因子 RAM1 该过程中十分重要。科学家发现植物细胞可合成脂质并转移至脂肪酸缺陷体——菌根真菌,该输出需要 RAM1 的直接靶标即甘油-3-磷酸酰基转移酶 RAM2。该研究表明除了糖类之外,脂质也是输送给真菌的主要有机碳源,这对于真菌脂质的生产至关重要。

 

(13)Emission of volatile organic compounds from petunia flowers is facilitated by an ABC transporter. 30 June 2017: 1386-1388.

植物合成多种挥发性分子来帮助自身繁殖和防卫,同时还可服务于人类, 影响大气化学和气候,但这些分子如何从细胞中释放仍不清楚。本研究通过研究矮牵牛花的 ABC 转运蛋白(PhABCG1)发现挥发性物质通过主动运输跨越细胞膜。这一发现为生物体内挥发性物质的释放机制提供了直接证据。

 

(14)Wild emmer genome architecture and diversity elucidate wheat evolution and domestication. 7 July 2017: 93-97.

小麦是驱动新石器时代向农耕时代转变的基础作物。本研究对小麦野生四倍体祖先二粒小麦的14条染色体进行了基因组组装,并进行了基因成分、基因组结构和遗传多样性分析,从中鉴定出了推进小麦驯化性状发展的关键基因TtBtr。这一基因组组装结果为现代小麦育种优化提供了宝贵资源。

 

(15)Evolution of the wheat blast fungus through functional losses in a host specificity determinant. 7 July 2017: 80-83.

小麦瘟病最早在巴西出现,后成为严重损害亚洲作物的小麦疫病。本研究鉴定出了小麦瘟病菌中的无毒基因PWT3PWT4,二者的翻译产物可以分别激活小麦抗性基因Rwt3Rwt4以抵御小麦瘟病菌。对巴西小麦种植历史的数据分析显示,rwt3缺陷小麦的广泛培育引发了小麦瘟病菌PWT3基因功能的缺失,从而引发了小麦瘟病的广泛传播。

 

(16)Genomic estimation of complex traits reveals ancient maize adaptation to temperate North America. 4 August 2017: 512-515.

4000年前,玉米被引入美国西南部,很快成为西南部低地的主要农作物,但直到 2000后才年才进入温带高地。科研人员对1900年前该地区玉米基因组进行测序,发现其已为适应环境在花期、发芽和分枝上发生改变。对温度的适应驱动了当代种群分化。这有利于加深我们对古代表型和环境适应动态变化的理解。

 

(17)Structure and assembly mechanism of plant C2S2M2-type PSII-LHCII supercomplex. 25 August 2017: 815-820.

植物光合作用的捕光系统(PSII)与各种不同的捕光复合物(LHCIIs)结合成超级复合物用来适应弱光条件。本研究报道了豌豆(Pisum sativum)两种C2S2M2型PSII-LHCII超级复合物的冷冻电镜结构。揭示了LHCII结合外围天线复合物CP24-CP29建立色素网络高效捕光并完成能量转换的分子机制,为进一步理解植物捕光系统提供新思路。

 

(18)DNA replication-coupled histone modification maintains Polycomb gene silencing in plants. 15 September 2017: 1146-1149.

细胞周期中DNA复制后如何恢复被稀释的表观遗传标记,机制尚不清楚。本研究发现转录抑制的H3K27me3标记在处于分裂的植物细胞中,通过DNA复制耦合的组蛋白变体修饰H3.1来恢复,从而将沉默记忆从母细胞传递给子代细胞,这一机制在植物开花的发育转变中起到重要作用。

 

(19)Distinct phases of Polycomb silencing to hold epigenetic memory of cold in Arabidopsis. 15 September 2017: 1142-1145.

由多梳蛋白介导的基因沉默对真核生物的发育十分重要,本研究通过对由寒冷引起的拟南芥FLC位点的表观遗传抑制机制进行研究,发现多梳蛋白介导的基因沉默分为多个阶段,由最初的小范围H3K27me3亚稳态记忆转化为范围较大的稳定记忆,这一过程由不同多梳蛋白分子发挥作用。

 

(20)Evolution of flower color pattern through selection on regulatory small RNAs. 17 November 2017: 925-928.

发现金鱼草中不同的花色模式是由其基因组中一段可编码小RNA的DNA是否发生倒转重复而决定的。该小RNA可抑制色素合成基因,从而使金鱼草花朵的传粉昆虫入口处形成高亮黄色。分析显示此倒转重复是miRNA进化的中间产物,而基因频率分析表明此小RNA多态性受到自然选择的影响。

 

(21)The structural basis of flagellin detection by NAIP5: A strategy to limit pathogen immune evasion. 17 November 2017: 888-893.

动植物细胞中的NLR家族凋亡抑制蛋白5(NAIP5)可与入侵细菌的鞭毛蛋白结合并被激活,以开启免疫反应。本文解析了该复合物(1.4 MDa)的冷冻电镜结构,发现NAIP5中6个不同的结构域可与鞭毛蛋白的多个保守区域相互接触,使NAIP5改变构型并激活。说明对病原体表面多个位点的识别是一种有效限制病原体进化和免疫逃逸的固有免疫策略。

 

(22)Plant RuBisCo assembly in E. coli with five chloroplast chaperones including BSD2. 8 December 2017: 1272-1278.

植物RuBisCo在光合作用中催化CO2固定,但遗传操作受其在细菌宿主中表达失败的阻碍。本研究通过共同表达包括BSD2在内的多个叶绿体伴侣蛋白,实现拟南芥RuBisCo在大肠杆菌中的功能表达。其中BSD2可稳定RuBisCo的8个大亚基终态组装中间体。该成果有助于通过诱变改进RuBisCo酶的功能。

 

(23)Eudicot plant-specific sphingolipids determine host selectivity of microbial NLP cytolysins. 15 December 2017: 1431-1434.

坏疽和乙烯诱导多肽(NLP)是一种由细菌、真菌和卵菌分泌的植物毒素,许多NLP只对双子叶植物有毒。本文报导,双子叶植物的GIPC鞘脂是NLP作用的受体。X射线晶体结构显示,NLP可与GIPC末端的己糖单体结合,引起自身构象改变;而单子叶植物GIPC头部己糖基团的长度不同,因此具有NLP抗性。本研究揭示了NLP溶细胞素作用的早期阶段决定了其宿主特异性。

 

(24)Arabidopsis pollen tube integrity and sperm release are regulated by RALF-mediated signaling. 22 December 2017: 1596-1600.

有花植物的受精过程需要花粉管与雌性生殖器官间的相互作用。本文发现拟南芥花粉管表达的细胞外肽类配体RALF4和RALF19可以和花粉管表面BUPS-ANXUR受体结合,并维持花粉管完整性。而雌源配体RALF34可竞争性取代RALF4、RALF19与上述受体结合,在极低浓度下诱发花粉管破裂和精子释放,使受精发生。

 

(25)RALF4/19 peptides interact with LRX proteins to control pollen tube growth in Arabidopsis. 22 December 2017: 1600-1603.

快速碱化因子(RALF)家族是一种细胞外肽,作用于CrTLK1L等激酶。其准确作用机制尚不明确。本研究发现拟南芥中RALF4和RALF19调节花粉管的生长和完整性,而它们的功能依赖于富亮氨酸重复序列伸展蛋白(LRX)家族 。与RALFs结合后,LRX蛋白可监控细胞壁变化,并将信号传导至花粉管细胞内部的CrRLK1L通路,以维持花粉管的正常生长。

 

《自然》12篇

 

(1)Reducing phosphorus accumulation in rice grains with an impaired transporter in the node. 5 January 2017: 92-95.

发现敲除水稻节中的转运蛋白可以降低籽粒中的磷元素积累。

 

(2)MATRILINEAL, a sperm-specific phospholipase, triggers maize haploid induction. 2 February 2017: 105-109.

现代植物育种利用加倍的单倍体个体(doubled haploid individual)缩短育种年限。本研究通过基因组测序等手段,确定玉米(Zea mays)的单倍体诱导是由花粉特异性磷脂酶MATRILINEAL(MTL)诱发的,或能帮助发展体内单倍体诱导系统并加速育种。

 

(3)Root microbiota drive direct integration of phosphate stress and immunity. 23 March 2017: 513-518.

该研究揭示了植物磷酸盐饥饿响应与植物免疫间的遗传整合机制,表明在低磷环境中,植物抑制免疫反应而优先吸收营养元素。研究结果有助于更好地了解对植物生长有利的微生物种群并加以利用。

 

(4)A chromosome conformation capture ordered sequence of the barley genome. 26 April 2017: 427-433.

小麦类禾本植物是重要的食物来源,其基因组规模大、富含重复序列且着丝粒区域大。研究人员利用染色体构象捕获绘图技术得到了大麦着丝粒附近序列的线性次序以及在兆碱基分辨率上核染色质的空间组装,并对基因家族在基因组中的分布进行了分析。这一参考性大麦序列的取得对育种和遗传多样性研究具有重要意义。

 

(5)Discovery of nitrate-CPK-NLP signalling in central nutrient-growth networks. 18 May 2017: 311-316.

营养信号与生命体的基因表达、代谢和生长息息相关。研究人员发现拟南芥通过硝酸盐-CPK-NLP信号通路对硝酸盐营养信号作出反应,硝酸盐会引发独特的Ca2+信号,并激活Ca2+感应蛋白激酶(CPK);CPK信号将转录因子NLP磷酸化,进而重编程下游多种基因的表达,使植物的枝条和根可以依据营养信号进行生长。

 

(6)uORF-mediated translation allows engineered plant disease resistance without fitness costs. 25 May 2017: 491-494.

植物的抗病性与生长发育往往是两个不可调和的性状,即植株抗病能力强,其生长发育往往受阻;而生长旺盛,一般抗病能力弱。针对植物由防御基因异位转录获得抗性而适应性降低的问题,本研究基于关键免疫调节子开发了“TBF1盒”,包含免疫诱导启动子和TBF1基因中两个响应病原体的上游开放阅读框,后者介导的翻译控制可使拟南芥和水稻在不损失适应性的前提下获得广谱抗性。

 

(7)The sunflower genome provides insights into oil metabolism, flowering and Asterid evolution. 1 June 2017: 148-152.

向日葵是一种全球性的油料作物。能在包括干旱在内的各种环境条件下保持稳定的产量。然而直到此前,研究者都难以完成向日葵基因组的组装,因为它主要是由高度相似的相关序列组成的。该研究通过测序获得了高质量的向日葵参考基因组,这在此前是非常难以完成的。这一资源将为未来的研究提供帮助,有助于人们在考虑到农业限制因素和人类营养需求的前提下,利用遗传多样性改善向日葵的抗逆性和产油量。

 

(8)Improved maize reference genome with single-molecule technologies. 22 June 2017: 524-527.

完整而准确的参考基因组和注释是描述遗传和功能变化的基本工具。 本研究利用单分子实时测序和高分辨率光学映像技术获得玉米基因组的新参考序列,重叠群的长度增加了52倍,基因间隔和着丝粒的组装技术也有了显著提升。更多可转录片段的出现使我们对玉米的独特性有了新的认识。

 

(9)In vivo FRET-FLIM reveals cell-type-specific protein interactions in Arabidopsis roots. 3 August 2017: 97-102.

发育过程中,相同的转录因子会在不同细胞中形成不同的蛋白质复合体,从而实现对基因表达的差异性调控,并决定细胞命运。作者使用体内FRET-FLIM,对拟南芥根中三种细胞命运调节子相互作用的空间分布进行了表征,发现其细胞特异性的相互作用方式和高级复合物构象,可以差异化调节靶基因并决定细胞命运。

 

(10)GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE channels are essential for chemotaxis and reproduction in mosses. 7 September 2017: 91-95.

谷氨酸受体在动物神经传导中是细胞-细胞信息交流的重要通道,然而,它们的功能在无神经系统的其它生物中并不清楚。植物的谷氨酸类受体(GLUTAMATE RECEPTOR-LIKE,GLR)家族基因在病原菌防御、生殖生长、气孔开闭、光信号转导等过程发挥作用,但是,被子植物的GLR基因数量较多(20-70个),功能冗余,难以在缺失突变体中观察到显著的表型。为了克服高等被子植物的缺点,本研究发现小立碗藓(Physcomitrella patens)中的GLR通道对精细胞对雌性生殖器官的趋化性识别,以及受精卵的发育至关重要。该研究说明在植物进化中保守的GLR,在植物有性繁殖过程中介导了细胞间的信息交换。

 

(11)Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants. 2 November 2017: 124-128.

在动植物中,表观遗传修饰的建立和传递对基因的特异表达以及维持细胞命运非常重要。拟南芥暴露在寒冷中可诱发FLC基因出现有丝分裂稳定的表观遗传沉默,这一春化作用使植物在春季才能开花,但这一沉默每代需要重新设定。本研究发现种子特异的转录因子LEC1可以逆转配子中的沉默状态,促进FLC所处染色质进入激活状态,并在原胚中出现该基因的表达。继而从原胚传递到后胚胎时期,使其保留FLC的激活记忆。因此,组蛋白标记在细胞分裂中的传递得以维持,形成了苗期的“胚胎FLC表达记忆”。从而防止植物在过冬前或过冬时开花。

 

(12)Genome sequence of the progenitor of the wheat D genome Aegilops tauschii. 23 November 2017: 498-502.

粗山羊草(Aegilops tauschii)是D基因组六倍体小麦(Triticum aestivum)的二倍体祖先和遗传物质的重要来源。本研究利用包括顺序克隆基因组测序,全基因组鸟枪测序以及BioNano光学基因组测序等先进手段,获得高质量粗山羊草AL8/78参考基因组序列,发现相较其他植物基因组,粗山羊草含有大量近似重复序列。其序列特点可能造成重组时频繁发生错误,导致基因重复和染色体结构改变,进而加速基因组进化。

 

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