重磅!華中農業大學一周連發3篇Nature子刊!

更新時間:2022-04-01 11:43:57 所屬欄目:基因組 作者:彭武蘋

摘要:重磅!我校3個研究團隊一周在Nature子刊上連發3項重要研究成果,快一起來看看吧。華農棉花團隊取得重要研究成果《自然?遺傳學》(NatureGenetics)在線發表了我校張獻龍教授領導的棉花團隊的最新研究成果:「棉花馴化過程中的不對稱亞基因組選擇和順式調控分歧」(Asymme

重磅!我校3個研究團隊一周在Nature子刊上連發3項重要研究成果,快一起來看看吧。

華農棉花團隊取得重要研究成果

《自然?遺傳學》(Nature Genetics)在線發表了我校張獻龍教授領導的棉花團隊的最新研究成果:「棉花馴化過程中的不對稱亞基因組選擇和順式調控分歧」(Asymmetric subgenome selection and cis-regulatory divergence during cotton

domestication)。這項研究不僅首次提出了棉花纖維馴化的遺傳學基礎,而且闡述了馴化對基因轉錄調控的影響。該研究是棉花基因組研究領域的又一重大進展,在棉花功能基因組研究和遺傳改良工作中具有重要指導作用。張獻龍教授和英國杜倫大學Keith Lindsey教授為本文共同通訊作者,我校博士生王茂軍為第一作者。

棉花纖維是重要的天然紡織纖維,在國民經濟中占據著重要地位。生產上主要棉花栽培種為異源四倍體陸地棉,其生態適應性廣,纖維產量占據每年棉花總產量95%以上。從古至今,陸地棉馴化和栽培已有5000年以上。棉花野生種含有大量遺傳變異,而長期的人工馴化選擇了一些優異的變異,使陸地棉的主要農藝性狀發生了顯著改變。但是,科學界很少有研究剖析這些性狀改變的遺傳學基礎。

中國的陸地棉栽培始于20世紀初,主要從美國引種。中國的陸地棉遺傳資源狹窄,同質性較高,使得遺傳育種工作遇到了瓶頸。為了揭示人工馴化對基因組的影響,研究者從全世界主要棉區收集了31份陸地棉野生種和321份馴化種進行基因組重測序研究。利用這些數據,研究者構建了陸地棉的首個綜合變異圖譜,包括單鹼基多態性(SNP),插入/缺失(InDel)和結構變異(SV)。通過將野生種與馴化種進行比較,這項研究在全基因組范圍內鑑定了93個馴化選擇區間。這些區間包含大量功能基因,與陸地棉的一些主要農藝性狀的形成有關,例如株高,抗病性和纖維品質等。在今后,通過分子育種手段對這些區間進行整合,可以將野生種質用于改良棉花主要農藝性狀。

長期的馴化過程顯著改變了陸地棉的纖維產量和品質。馴化種產量比野生種高,同時纖維品質比野生種好。馴化種能產生白色纖維,野生種纖維略帶棕黃色。為了分析控制這些性狀改變的遺傳學基礎,該項研究首先利用267份材料對纖維品質相關性狀進行全基因組關聯分析,一共鑑定了19個顯著位點,其中有4個位點位于馴化選擇區間中。該研究進一步從陸地棉A亞基因組鑑定了一些受到馴化選擇的基因,與纖維的長度相關;在D亞基因組鑑定了一些與逆境響應相關基因,這些基因在馴化種中下調表達,可能促進纖維的伸長。另外,研究發現D亞基因組的類黃酮代謝關鍵基因受到馴化選擇,在馴化種中下調表達,可能與白色纖維的發育相關。在了解這些控制纖維品質性狀的重要基因位點之后,研究者可以進一步對棉花纖維品質進行遺傳改良。

對作物的人工馴化常常會改變大量基因的表達水平。為了分析基因差異性表達的原因,研究者巧妙地將DNA酶I酶切測序和三維基因組技術結合起來,鑑定了大量啟動子上的順式調控元件和遠距離作用的增強子元件。這些轉錄調控元件受到了強烈的馴化選擇,與基因的差異表達相關。這項研究是首次在植物中對非編碼區的調控變異進行分析,為在其他物種中挖掘功能變異提供了重要參考。

一箭雙鵰!水稻團隊解碼抗白葉枯病主效基因

病害是影響農作物生產的重要因素之一,白葉枯病是水稻生產中最常見的細菌性病害。利用主效抗病基因改良水稻品種一直是水稻生產中最重要的抗病策略。但是因為病原菌的變異,有些主效抗病基因的抗性容易喪失,利用具有持久抗性的抗病基因改良農作物一直是育種家的育種目標之一。在已經被利用的主效抗白葉枯病基因中,Xa4基因是應用范圍最廣、時間最長的一個。Xa4在很多國家種植的水稻中表現出持久的全生育期抗性,所以早在上世紀70年代便被引入商業化的水稻品種。攜帶Xa4基因的水稻品種在亞洲、非洲和南美洲的至少50多個國家種植,我國雜交稻也多帶有該基因。

我校水稻團隊王石平課題組早在2003年就精細定位了Xa4基因,為通過分子標記輔助選擇的方法利用Xa4基因奠定了基礎。最新研究發現,Xa4基因編碼細胞壁相關激酶(cell wall–associated

kinase),可以促進纖維素的合成,抑制細胞壁松弛,從而增加細胞壁強度。Xa4基因的這種功能使水稻抗白葉枯病菌入侵,同時還增強了莖稈的機械強度,植株高度有所降低,有利于抗倒伏,不降低產量。

植物的細胞壁是抵抗病原菌侵害的第一道屏障,是被稱之為「基礎抗性」的一部分,廣泛存在于植物中。雖然「基礎抗性」通??共∧芰θ?,但其抗性不容易喪失。而該研究揭示Xa4基因調控的抗病反應與細胞壁的強度提高有關,且抗性強,從而解釋了為什么該基因具有持久抗性。另外,Xa4基因可以同時增加莖稈強度、降低株高,改良了多種農藝性狀,也可以解釋為什么該基因被廣泛長期地用于全球水稻改良。

3月3日,NaturePlants以封面故事的形式發表了我校生科院/作物遺傳改良國家重點實驗室水稻團隊關于水稻抗白葉枯病主效基因Xa4克隆和機理研究的最新進展。文章標題為「Improvement of multiple agronomic traitsby a disease resistance gene via cell wall

reinforcement」。該團隊分離克隆了在全世界水稻生產中廣泛應用的主效抗白葉枯病基因Xa4,揭示Xa4基因除調控對白葉枯病菌小種特異性的持久抗性外,還調控莖稈強度和株高等重要農藝性狀。NaturePlants同時以新聞和點評(News& Views)形式配發兩位瑞士科學家撰寫的「Resistance: Double gain with one gene」的新聞點評。

該研究的第一作者是生科院已畢業博士研究生胡珂鳴,通訊作者是王石平教授。該研究受到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和863項目的資助。

水稻團隊發現「搗蛋鬼」轉座子有新功能

在基因組中,有一種到處亂跑的「搗蛋鬼」DNA序列,可以從基因組的一個位置「跳躍」到另一個位置,被稱為「轉座子」。曾被認為是「垃圾DNA」的轉座子,近年來被發現其實是基因組的巧妙設計。近日,我校水稻團隊熊立仲課題組研究表明,水稻中的一類DNA轉座子能抑制內源蛋白Ghd2的翻譯,從而調控水稻開花時間、株高和每穗粒數,具有顯著的生物學功能。

3月3日,相關研究成果以「Translational repression by a miniature inverted-repeat transposable element in the 3′ untranslated region」在《Nature Communications》上在線發表。生科院沈建強博士生為論文的第一作者,熊立仲教授為通訊作者。

水稻作為全世界最重要的糧食作物和模式植物之一,其基因組中含有大量的轉座子,尤其是微小反向重復轉座元件(MITE),這使水稻成為研究轉座子起源、轉座和功能的最佳模式植物之一。曾被認為是「垃圾DNA」的轉座子是真核生物基因組中重要的組成成分,在基因組進化過程中發揮著巨大作用。轉座子一般可分為反轉錄轉座子和DNA轉座子。之前的研究顯示,反轉錄轉座子可以轉錄為mRNA一部分,調控mRNA的選擇性剪接,選擇性加尾,穩定和翻譯。本研究表明,DNA轉座子能抑制內源蛋白Ghd2的翻譯,從而調控水稻開花時間、株高和每穗粒數。這個發現對進一步了解MITE的生物學功能具有重要意義。

該研究發現存在于基因3′非翻譯區中的微小反向重復轉座元件(MITE)可以被植物內源DCL蛋白識別并切割,從而形成不完整的mRNA。這種mRNA可能會進一步影響自身的翻譯,而抑制翻譯產物的積累。人為切除該基因非翻譯區的MITE,則會上調此基因的翻譯產物。這些結果證實,DNA轉座子具有抑制mRNA翻譯的功能。

基因組中重復序列的功能探究,一直是生命科學中最前沿的領域之一。近來,越來越多的功能基因組研究發現,微小反向重復轉座元件(MITE)在基因組中的插入或缺失,是單子葉植物獲得新性狀的來源。本研究揭示了微小反向重復轉座元件的新功能,對研究其他重復序列的功能提供了借鑑意義,同時也拓寬了學界對于轉座子的認識。

文字來源|南湖新聞網記者 王茂軍 卓重 涵旗

編輯|張綺文

策劃&監制|丁玲

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