植物分子生物学研究组 |

Plant Molecular Biology

拟南芥转录因子bHLH34和bHLH104调控铁平衡

星期四 4月 7, 2016

铁作为许多功能蛋白的重要辅助因子,对于植物的生长发育起着极其重要的作用。在人类中,缺铁是引起贫血症的主要原因之一,而植物性食物是人类获得铁的主要来源,因此研究植物体内铁的吸收,转运以及调控的机制是非常重要的。

版纳植物园植物分子生物学研究组的博士研究生李晓丽等在余迪求研究员和梁岗副研究员的指导下发现拟南芥转录因子bHLH34和bHLH104通过介导bHLH38/39/100/101基因的转录从而正调控缺铁响应过程。bhlh34bhlh104bhlh34bhlh104突变体都表现出了典型的缺铁症状,突变体中的缺铁响应过程被破坏,缺铁响应相关基因的表达显著下调。而bHLH34和bHLH104的高表达则激活了植物的缺铁响应并上调了缺铁响应相关基因的表达。瞬时表达实验表明bHLH34和bHLH104可以直接调控bHLH38/39/100/101的表达。bHLH101的高表达可以部分互补bhlh34bhlh104双突变体的表型。进一步分析发现bHLH34,bHLH104和bHLH105任意两者之间都可以形成同源或异源二聚体,而且bhlh34bhlh104bhlh34bhlh105bhlh104bhlh105双突变体的表型比三种单突变体的表型更加严重,说明bHLH34bHLH104bHLH105这三个基因的功能是相互叠加的,而不是冗余的。

该研究结果以Two bHLH Transcription Factors, bHLH34 and bHLH104, Regulate Iron Homeostasis inArabidopsis thaliana为题发表在Plant Physiology上。


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如何设计高效的植物sgRNA进行基因编辑

星期三 4月 6, 2016

  基于CRISPR/Cas9-sgRNA的DNA编辑系统已经发展成基因编辑的一个有效工具。CRISPR/Cas9-sgRNA系统包含两个主要组分—Cas9蛋白和sgRNA。sgRNA决定了基因编辑的位点和基因编辑的效率。研究已经表明,不同的sgRNA有不同的编辑效率。在动物和人类中通过高通量比较分析sgRNA的效率,研究人员已经获得了高效sgRNA的参数。与动物的细胞系转染不同,植物sgRNA介导的编辑效率需要在转基因后代中验证,因此,目前已报道的有效编辑的植物sgRNA仅有几百个。由于无效的植物sgRNA直接浪费科研人员的时间和金钱,因此选择高效率的sgRNA是避免该结果发生的一个有效途径。 

版纳植物园植物分子生物学研究组的梁岗博士等通过分析已有的有效和无效的sgRNA的二级结构,获得了直接控制sgRNA效率的关键参数。同时,针对目前构建多靶点CRISPR/Cas9-sgRNA载体的成功率较低的现状,开发了一个高效的构建多靶点CRISPR/Cas9-sgRNA载体的策略。通过该策略,将符合高效sgRNA参数的20多个sgRNA组装进不同的CRISPR/Cas9-sgRNA载体。在水稻中,对这些sgRNA的编辑效率进行了验证。结果表明,符合规定参数的sgRNA可以有效地对靶基因进行编辑。该研究成果为科研人员选择高效的植物sgRNA提供了参考。相关研究结果,以Selection of highly efficient sgRNAs for CRISPR/Cas9-based plant genome editing为题,发表在Scientific Reports上。


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VQ蛋白家族成员VQ12及VQ29协同调控植物的抗病性

星期五 10月 16, 2015

VQ蛋白家族是一类植物特有的蛋白,其名称源于它们都含有一段保守的VQ-motif。最近研究表明,某些VQ蛋白能跟WRKY转录因子相互作用,暗示它们可能参与调控植物的抗逆反应;然而,VQ蛋白家族成员参与调控植物抗逆反应的具体生物学功能及分子机理仍有待深入研究。

版纳植物园植物分子生物学研究组王后平博士和胡彦如博士在余迪求研究员指导下,系统开展了拟南芥VQ蛋白家族基因功能研究。研究工作发现,拟南芥VQ12及VQ29基因受植物抗病相关激素茉莉酸(JA)及真菌型病原菌灰霉菌(Botrytis cinerea)的强烈诱导表达。VQ29单突变体及VQ12VQ29双突变体对该病原菌的抗性明显增强,而VQ12及VQ29的高表达导致转基因植物对该病原菌非常敏感,表明VQ12及VQ29负调控植物对该病原菌的抗性(图一)。进一步研究表明,VQ12和VQ29蛋白不仅能自身相互作用形成同源二聚体,同时还能与其它VQ蛋白家族成员相互作用形成异源蛋白复合物。综上所述,VQ12和VQ29蛋白协同负调控植物对B.cinerea的抗性。

相关研究以Arabidopsis VQ motif-containing proteins VQ12 and VQ29 negatively modulate basal defense against Botrytis cinerea为题在Scientific Reports上发表。该研究得到国家自然科学基金-青年科学基金(31401040)、中国科学院青年创新促进会、中国科学院“西部之光”项目及云南省“创新研究团队”项目(2014HC017)的资助。


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植物miRNA介导了不同营养元素代谢信号之间的交叉调控

星期五 10月 16, 2015

 

为了维持正常的生长发育,植物需要整合碳,氮,硫等营养代谢途径。近来的研究表明植物miRNA在调控植物营养代谢方面起着关键的作用。

版纳植物园余迪求研究员团队梁岗副研究员等系统分析了植物miRNA响应C,N,和S代谢的表达变化,阐述了植物miRNA参与调控植物C,N,和S代谢信号交叉的可能的分子机制。通过分别对拟南芥进行缺N,缺C或缺S处理,利用高通量深度测序技术鉴定了大量特异响应和普遍响应元素缺乏情况的植物miRNA。这些差异表达miRNA的靶基因主要参与转录调控,生长素信号转导,营养稳态和发育调控等。C,N和S缺乏分别特异性地诱导了miR169,miR826和miR395的表达,而这些营养缺乏共同抑制了miR167,miR172,miR397,miR398,miR399,miR408,miR775,miR827,miR841,miR857和miR2111的表达。进一步研究发现,受某一特定元素缺乏诱导的miRNA常常受到其他多种元素缺乏的抑制。转基因植物分析发现,改变元素缺乏诱导的miRNA的表达可以改变植物对多种因素缺乏环境的适应性。该研究表明miRNA在植物调控不同营养代谢之间的信号传导方面起着重要的作用。

该研究成果以Uncovering miRNAs involved in crosstalk between nutrient deficiencies in Arabidopsis为题发表在Scientific Reports杂志上。


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拟南芥BIN2激酶与ABI5转录因子相互作用调控BRs与ABA平衡介导种子萌发

星期五 10月 16, 2015

植物种子萌发和萌发后发育(Seed germination and postgerminative growth)受到植物体内多种信号分子和外界环境因子所调控。例如,植物激素脱落酸(Abscisic acid,ABA)抑制植物种子萌发和萌发后发育,而油菜素内酯(Brassinosteroids,BRs)拮抗ABA的抑制效果,从而促进种子萌发和萌发后发育。但是BRs和ABA在植物种子萌发和萌发后发育过程中的交叉调控信号通路及分子机理仍有待进一步揭示。

最近,版纳植物园余迪求研究员所领导的植物分子生物学组胡彦如副研究员研究发现,植物激素BRs信号转导途径中的关键激酶BIN2正调控ABA信号通路,从而抑制种子萌发和萌发后发育。一系列遗传学和分子生物学分析表明,BIN2正调控ABA信号通路依赖于ABA信号途径中的关键转录因子ABI5蛋白,且通过相互作用方式与之形成蛋白复合体。进一步研究表明,BIN2激酶能磷酸化ABI5转录因子,从而稳定ABI5蛋白水平及其生物学功能。相一致的是,ABI5蛋白磷酸化位点的突变不仅导致其不能被BIN2磷酸化,而且导致其不能发挥正常的生物学功能。此外,BRs和BIN2参与调控内源ABI5蛋白的积累,同时影响ABI5下游基因的表达水平。该研究证实BRs信号转导途径中的关键激酶BIN2能直接激活ABA信号途径中的关键转录因子ABI5,从而介导BRs和ABA激素之间的平衡,进而控制植物种子萌发和萌发后发育。

相关研究以BRASSINOSTEROID INSENSITIVE2 Interacts with ABSCISIC ACID INSENSITIVE5 to Mediate the Antagonism of Brassinosteroids to Abscisic Acid during Seed Germination in Arabidopsis为题在植物学刊物Plant Cell上在线发表。

该研究得到国家自然科学基金-云南省联合基金(U1202264)、国家自然科学基金-青年科学基金(31401040)及中国科学院“西部之光”项目的资助。


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AtWRKY53通过介导气孔运动负调控植株抗旱性

星期五 10月 16, 2015

WRKY家族是一个转录调控因子大家族,在拟南芥中拥有74个成员。WRKY家族各成员参与多种生命活动,在植物的生长发育和耐逆抗病过程中都发挥着极其重要的调控作用。AtWRKY53是拟南芥WRKY基因家族第III组成员。目前已有报道指出AtWRKY53在调控植物衰老和生物胁迫方面起着重要作用。干旱是限制农作物增产的一个重要环境因子之一。尽管如此,植物对干旱耐受性的潜在分子机制却仍不清楚。

版纳植物园余迪求研究员指导的博士研究生孙一丁通过研究发现干旱胁迫能诱导提高拟南芥WRKY53的mRNA水平和蛋白水平。进一步的表型分析发现,与野生型植株相比,高表达植株对干旱胁迫更为敏感,气孔运动测试及ABA含量测定结果表明高表达植株气孔关闭受限与ABA信号无关。进一步分析发现高表达植株气孔保卫细胞中过氧化氢含量减少而苹果酸含量增加,定量PCR结果显示过氧化氢酶CAT2CAT3以及淀粉降解酶QQS基因的表达明显高于野生型植株,染色体免疫共杂交实验结果表明AtWRKY53转录因子可以结合到QQS基因的启动子区域。以上结果表明高表达AtWRKY53通过降低保卫细胞中过氧化氢含量以及提高苹果酸含量来促进气孔开放,从而导致AtWRKY53植株对干旱敏感。

该成果以为Activated expression of AtWRKY53 negatively regulates drought tolerance by mediating stomatal movement题发表在Plant Cell Reports上。


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MYB30调控植物开花时间

星期二 10月 14, 2014

植物的开花时间是营养生长向生殖生长转变的关键节点,它受到内部基因网络及外部光周期和温度等环境因素的协调控制。FT蛋白已被鉴定为开花诱导中成花素的一种,它从叶片的韧皮部长距离转移到茎尖生长点诱导开花。

版纳植物园植物分子生物学研究组中科院-德国马普植物育种研究所联合培养博士研究生刘良玉在Franziska Turck博士和余迪求研究员指导下,通过筛选突变体库获得了SUC2::MYB30早花转基因植株。拟南芥R2R3类转录因子MYB30被报道在抗病反应以及油菜素内脂和脱落酸等激素信号通路中起重要作用,但在开花诱导上的作用还未见报道。研究表明韧皮部高表达MYB30的拟南芥植株在长日照和短日照中表现早花表型,MYB30通过上调成花素FT促进开花,这一过程部分依赖FT上游激活因子CO。作为FT同源基因的TSFSUC2::MYB30中的表达趋势与FT相反。另外,MYB30上调FT表达促进开花不依赖水杨酸SA和FLC。

该研究成果Elevated Levels of MYB30 in the Phloem Accelerate Flowering in Arabidopsis through the Regulation of FLOWERING LOCUS T为题已经在Plos One(doi:10.1371/journal.pone.0089799)上发表。


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MYB82调控表皮毛发育

星期二 10月 14, 2014

表皮毛由植物表皮细胞发育而来,广泛分布于陆生植物,是生长在植物表皮组织的一种特化结构。叶片表皮毛可以起到保护叶片,防止强光灼伤,减小蒸腾的作用。有些植物的表皮毛可以分化成腺毛从而分泌一些次生代谢物质更好地保护植物。

表皮毛的起始和形成受到细胞内基因的程序性调控。目前的研究表明,由三个不同基因家族蛋白形成的WD40/bHLH/MYB调控复合物是调控表皮毛起始和形成的关键因子,其中任何一个蛋白功能的缺失都会导致植物无法形成表皮毛。GL1(GLABROUS 1)和GL3(GLABROUS 3)分别是拟南芥中调控表皮毛形成的一个MYB基因和一个bHLH基因,它们各自的功能缺失都会导致植物产生光滑的叶片。植物分子生物学研究组梁岗副研究员和博士研究生何华、李扬在拟南芥里鉴定了一个GL1的同源基因MYB82,该基因在叶片的新生表皮毛中有较强的表达。通过分析MYB82基因的过表达以及显性抑制转基因植物,我们发现MYB82正调控表皮毛的发育。MYB82突变体并没有影响表皮毛的发育,表明MYB82与其他MYB基因冗余地调控表皮毛的发育。进一步分析发现,MYB82蛋白可以和GL3蛋白形成复合物,表明MYB82是WD40/bHLH/MYB调控复合物中的一个成员蛋白。

该研究成果以MYB82 functions in regulation of trichome development in Arabidopsis为题已经在Journal of Experimental Botany(doi:10.1093/jxb/eru179)上在线发表。该研究由国家青年科学基金资助完成,在此表示感谢。


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拟南芥WRKY57转录因子是植物激素茉莉酸和生长素所介导的叶片衰老信号通路之间的调控交点

星期六 3月 1, 2014

植物叶片衰老受到多种发育因子和环境因子所调控。外源植物激素茉莉酸(JA)处理可以诱导叶片细胞迅速进入衰老程序,而生长素(Auxin)却可以有效地抑制该过程发生。众所周知,植物激素JA和auixn介导的信号途径之间存在着交叉调控通路,并在植物发育和抵抗病原菌侵染等生理过程中发挥着重要调控功能。但是JA和auixn在植物叶片衰老过程中的交叉调控机制及其信号通路,目前尚不了解。

版纳植物园植物分子生物学组组长余迪求研究员指导的青年研究骨干姜艳娟博士研究发现,拟南芥WRKY57转录因子参与调控了植物激素JA和auixn所介导的植物叶片衰老信号途径之间的交叉调控通路,并发挥重要的调控功能。WRKY57基因的表达分析表明,WRKY57基因显著受JA诱导表达,并在衰老叶片中具有较高的表达水平。JA处理3天和5天后,两个wrky57基因突变体表现出典型的衰老表型,即叶片严重黄化、叶片内叶绿素含量减低和叶片具有更高的细胞死亡速率。进一步研究表明,一些衰老相关基因(特别是SAG12SEN4基因)的表达量在wrky57基因突变体内显著增强。染色质免疫共沉淀实验证实WRKY57蛋白可以直接结合到SAG12SEN4基因启动子上,并抑制了它们的转录水平。此外,体外和体内实验均证明,WRKY57蛋白能有效地与JA信号途径中的抑制子JAZ4/JAZ8和auxin信号途径中的抑制子IAA29之间发生相互作用。与植物激素JA和auxin在分别调控植物叶片衰老的相反功能一致,JAZ4/8和IAA29在JA诱导的叶片衰老过程中也表现出相反的表型,而且JAZ4/8和IAA29蛋白是通过竞争性方式与WRKY57蛋白发生相互作用。

综上所述,我们的研究结果说明了植物激素生长素(Auxin)所介导的信号途径可以通过WRKY57蛋白而拮抗调控茉莉酸(JA)诱导的叶片衰老过程。相关研究以Arabidopsis WRKY57 functions as a node of convergence for Jasmonic acid- and auxin-mediated signaling in Jasmonic acid-induced leaf senescence为题在线发表于国际知名学术期刊Plant Cell上。该课题得到了国家自然科学基金-青年科学基金项目的资助。


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两个miRNA通过调节芥子油苷的合成来适应低氮环境

星期六 3月 1, 2014

氮是植物生长发育的必需元素,有许多基因响应缺氮环境,但是大多数响应缺氮环境基因的功能和机制还不是很清楚。

版纳植物园植物分子生物学组组长余迪求研究员指导的博士研究生何华和梁岗副研究员的研究发现,在拟南芥中存在着许多响应氮饥饿的miRNA,其中miR826是响应缺氮比较明显的一个,同时我们还发现了一个新的miRNA–miR5090,来源于miR826基因的反义链编码的转录本。miR826和miR5090都来源于其共同靶基因–AOP2的反向重复。在缺氮时,两个miRNA的表达受到诱导,而靶基因AOP2的表达受到抑制,二者的表达表现为负相关,暗示二者时空表达一致性。通过AOP2融合GUS表达,我们确定两个miRNA在转录后水平上调控AOP2。在miR826和miR5090高表达植物中,AOP2的表达受到抑制,同时抑制了合成芥子油苷相关基因的表达,使脂肪族芥子油苷的含量减少。miR826和miR5090高表达植物在低氮环境时,表现出对低氮具备更强的耐受能力。比如,相对于野生型,miR826和miR5090高表达植物生长更快,积累更高生物量,更多侧根,更高叶绿素含量和更低的花色素苷含量;同时上调了氮饥饿响应基因的表达,暗示着其具有更强的氮吸收的能力。

综上所述,我们的研究表明,miR826和miR5090可以通过调节拟南芥体内芥子油苷的合成来适应低氮环境。相关研究以Two young miRNAs originating from target duplication 36 mediate nitrogen starvation adaptation via regulation of glucosinolate synthesis in Arabidopsis thaliana为题在植物学知名期刊Plant Physiology上发表。

该研究得到国家自然科学基金(31100186)、中国科学院西部之光及中科院“135”工程(the CAS 135 program XTBG-F04)的资助,特此感谢!


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