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starseacow

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[交流] 植物生理群文献分享（2016年3-4月总第37期）

植物生理群文献分享（2016年3-4月总第37期）

   这是文献分享的第37期，原本应该在3月份就整理上线，不过由于我家中有些事耽搁，只能把3月和4月的文献分享一并总结发出来。再次感谢所有参加文献分享的虫友。
   第37期，也就意味着文献分享做到第四个年头了，从一开始我自己的简单总结评述，再到专门针对Plant Phy期刊的分享（由于我自己的志愿者工作），到目前依靠植物生理群各位虫友的协作，希望这样的文献分享能一直做下去，并给大家提供一些参考与帮助。
   这一期分享中，有虫友作为作者对自己文章的总结评论，同时，在文献分享中，大家也从一流期刊中甄选了自己感兴趣的文章，欢迎虫友跟帖参与讨论。

Large-scale analyses of angiosperm nucleotide-binding site-leucine-rich repeat (NBS-LRR) genes reveal three anciently diverged classes with distinct evolutionary patterns
Zhu-Qing Shao, Jia-Yu Xue, Ping Wu, Yan-Mei Zhang, Yue Wu, Yue-Yu Hang, Bin Wang, Jian-Qun Chen
Plant Physiology  DOI:10.1104/pp.15.01487
大演化尺度分析揭示被子植物中NBS-LRR基因家族3个亚类的不同演化模式

NBS-LRR基因是植物中最大的一类抗病基因，在所有测序的植物基因组中都存在几十到几百个家族成员。然而，目前并不清楚NBS-LRR基因是如何在被子植物演化过程中发生扩张的。该研究在22个已测序的被子植物基因组中鉴定出了6000多条NBS-LRR基因，通过对这些基因的系统演化关系进行分析，构建了被子植物NBS-LRR基因的演化框架。基于这一演化框架，作者认为NBS-LRR基因在被子植物分化之前就已经形成了3个亚类，分别是（TNL，CNL和RNL），并且进一步对内含子位置、相位和基因的序列特征分析都支持这一划分标准。分析发现，TNL、CNL和RNL在被子植物共同祖先中至少分别分化出了7个、14个和2个分支。本研究中22个被子植物中的6000多条NBS-LRR基因均来源于这23个祖先基因的复制。通过追溯NBS-LRR基因在被子植物各个演化节点上的数目，作者发现CNL基因数目在被子植物最初1亿年的演化过程中呈现出缓慢增加的演化过程；而TNL基因在这一阶段的基因数目几乎没有发生变化，一直维持了个位数。TNL基因长期低拷贝的状态可能使得其在后续被子植物的分化过程中，在包括单子叶植物和多个双子叶植物分支中完全丢失。有意思的是，作者发现TNL和CNL基因都在大约6000-7000万年前的白垩纪和第三纪的过渡期发生了剧烈的扩张，数目达到了几十甚至上百。由于这一地质时期地球环境发生了剧烈的变化，并且大量的真菌类病原的数目和多样性都发生了剧烈扩张。作者认为TNL和CNL基因在这一时期恰好发生扩张，可能反映了它们应对病原选择压力的趋同进化（数目扩张）过程。通过比较基因组分析发现，RNL基因的两个分支是由被子植物共同祖先中的一次基因组加倍导致的，与TNL和CNL相比，RNL基因在被子植物的演化过程中并没有扩张。这可能是由于RNL基因并不直接参与针对特定病原的抗性，而是在TNL和CNL基因识别病原之后的信号传导中发挥作用。综上，本研究通过构建被子植物NBS-LRR基因的演化关系框架，为深入揭示NBS-LRR基因的演化模式和演化机制提供了重要支撑。
通过看一下该文章的introduction大家可以了解，这篇文章关注了多个长期以来在NBS-LRR基因演化研究中被忽视，或悬而未决的问题，如：
1） NBS-LRR基因的分类
2）如何通过演化解读不同功能的NBS-LRR基因在植物免疫系统中扮演的角色
3） TNL基因作为NBS-LRR的重要亚类为什么会在一些类群中发生丢失
4） NBS-LRR基因何时开始演化出众多的成员，其动力是什么
5）抗病基因与病原军备竞赛式演化的历史证据
注：文章目前的在线发表版本中有一些数字的错误，但是对结论没有影响，在校样时已经改正。（白开水812分享）

Receptor-mediated sorting of soluble vacuolar proteins ends at the trans-Golgi network/early endosome
Fabian Künzl, Simone Früholz, Florian Fäßler, Beibei Li & Peter Pimpl
Nature Plants 2, Article number: 16017 (2016)
如何将可溶性蛋白进行分类并且在液泡中降解的过程对于植物细胞是非常重要的，这一系列的过程依赖于一种叫VSRs（vacuolar sorting receptors）的受体蛋白。VSRs蛋白是一种被归于第一类的膜蛋白，并且只在植物中被找到。他们通过N-端的LBD（luminal binding domain）区间来结合配体（ligands），从而对特定的蛋白进行识别分类。但是对于VSRs蛋白是在哪些细胞器中对蛋白进行分类的，一直以来没有一个很好的定论。传统的研究方法一般是将LBD与一个细胞器膜蛋白，或是膜结构进行融合，再看是否能够结合目标配体蛋白。限于蛋白在膜上的拓扑结构，LBD只能和一类膜蛋白(Type I membrane markers)结合。但是由于已知的一类膜蛋白的非常有限，特别是对于高尔基和TGN，还没有已知的一类膜蛋白。
为了克服这个困难，该文作者利用了一个非常巧妙的实验设计，利用一个可溶性的LBD与一个GFP特意结合蛋白NB相融合，创造出一个可溶性并且会被分泌的LBD-NB蛋白。由于NB序列能够非常特意的结合GFP，那么在LBD-NB的分泌运输过程中，就会在有表达GFP的细胞器中被滞留下来，这样就可以获得任何一个细胞器特意的LBD的VSR蛋白的感受器。接着利用一个非常经典的配体蛋白Aleu-RFP来研究究竟在哪个细胞器中，VSRs蛋白会对其配体蛋白进行识别分类。同时由于如果Aleu-RFP能与LBD-NB结合，那么就会被拉至与GFP非常靠近的位置，就会发生FRET，通过FRET-FILM就能确认Aleu-RFP是否真正的与LBD-NB结合了。
通过这个新颖的系统，作者在烟草叶肉原生质体细胞内检查了所有可能的VSRs受体蛋白与配体蛋白之间可能的相互作用。他们发现，只有在内质网和高尔基中，VSRs才会结合配体，但在之后的运输中（从TGN/EE到液泡的途径）VSR蛋白不会结合配体，他们认为从TGN/EE到液泡的运输应该是自动默认的。而且通过TGN/EE到液泡的内吞过程也是不需要VSR分类信号的。这种细胞器特意性的VSRs与配体结合，很有可能是由于每个细胞器内的pH或是钙离子浓度的不同所导致的。
这篇文章所使用的系统非常新颖，并且第一次非常明确的建立了一个VSRs蛋白是如果在细胞内对可溶性分泌蛋白进行识别分类的模型。(Sun 分享)

Shoot-to-Root Mobile Transcription Factor HY5 Coordinates Plant Carbon and Nitrogen Acquisition
Xiangbin Chen, Qinfang Yao, Xiuhua Gao, Caifu Jiang, Nicholas P. Harberd, and Xiangdong Fu
Current Biology Volume 26, Issue 5, 7 March 2016, Pages 640–646
植物通过协调C/N的供用以适合外界环境的变化。植物C源由地上部分的源叶提供，而N源则是通过根部吸收。植物是通过何种机制来协调? 本文作者研究发现Arabidopsis ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5)，一类在黑暗条件下能被COP1泛素连接酶降解的转录因子，并能够从shoot中转运到根部与硝酸根转运蛋白NRT2.1的启动子结合调控NRT2.1的表达以促进根对土壤中硝酸根的吸收及根系的伸长，而且HY5能够与根部的pHY5结合实现auto-activity。结合之前的研究，作者发现HY5能够调控与光合作用及蔗糖韧皮部装载相关的基因（PSY, TPS1, SWEET11 and SWEET12）从而促进C源的积累。（lianfeng1107分享）

AtKC1 and CIPK23 Synergistically Modulate AKT1-Mediated Low-Potassium Stress Responses in Arabidopsis
Xue-Ping Wang, Li-Mei Chen, Wen-Xin Liu, Li-Ke Shen, Feng-Liu Wang, Yuan Zhou, Ziding Zhang, Wei-Hua Wu, and Yi Wang
Plant Physiology, April 2016, Vol. 170, pp. 2264–2277,
AKT1是拟南芥中的一个钾内流离子通道，主要在低环境钾浓度下发挥吸收钾离子的作用。对于AKT1的调控，存在两个机制，第一是通过CBL1/9-CIPK23系统磷酸化AKT1并使之激活；另一个机制是AKT1与另一个钾通道蛋白KC1结合形成杂合离子通道，KC1的存在抑制并调整了AKT1的通道性质，影响钾吸收性能。
这篇文章中，作者通过正向遗传筛选，在CIPK23突变植株iks1中，利用甲磺酸乙酯筛选出了一个表型恢复植株sls1。通过对sls1的分析，作者发现该植株中KC1的第322个氨基酸由甘氨酸（G）突变到天冬氨酸（D）。由于在低钾环境下，影响AKT1功能会产生明显的表型，通过在不同株系间进行表型分析，作者发现KC1G322到D的突变对AKT1的调控与CIPK23途径无关。通过分析钾含量，作者发现KC1G322D相较于野生植株，有较高的钾吸收效率。通过电生理研究，作者发现相较于野生型KC1，KC1G322D对AKT1的抑制作用更强，但在低钾环境下，这种抑制作用有效避免了从AKT1通道中的钾外向泄露，从而在整体上提高了这个钾通道系统的吸收效率。同时，由于只有在同时影响KC1和CIPK23的前提下，才能获得和AKT1突变植株相同的表型，作者提出KC1与CIPK23协同作用参与AKT1通道调控。
由于G322位于KC1通道S6穿模结构域中，这个结构域参与形成核心钾通道，对于这个位点突变对通道性能的研究，这篇文章在分子结构水平给出了关于钾通道调控的一些信息。同时，对于双突变株系的分析，提示KC1途径与CIPK23途径存在协同作用。
不过从我个人角度看，虽说文章涉及KC1与CIPK23协同的表型研究，同时KC1G322D也是从CIPK23突变株系中遗传筛选出来，但文章的标题定为研究KC1与CIPK23的协同作用，有一点点偏离主旨。个人观点，欢迎大家讨论。（starseacow分享）

2,4-D resistance in wild radish: reduced herbicide translocation via inhibition of cellular transport
Danica E. Goggin, Gregory R. Cawthray and Stephen B. Powles
Journal of Experimental Botany doi:10.1093/jxb/erw120
分享一篇来自JXB的文章，主要关注了双子叶杂草对2,4-D的抗性机制。
2，4-D是一种人工合成的植物生长素，很多年以来被用作一种重要的双子叶杂草除草剂，目前已经有很多双子叶杂草表现对2,4-D的抗性，这篇文章关注了背后的机制。作者选择野萝卜（Raphanus raphanistrum L.）作为研究对象，并从野外采集了对2,4-D敏感与抗性的不同植物，通过碳14同位素标记2,4-D处理，作者观察了2,4-D在植物内的转运。作者发现，在叶片喷施2,4-D之后，敏感与抗性植株对该激素吸收水平及代谢一致，但抗性植株不会将2,4-D转运到植物其他组织部位，从而限制了该激素的除草剂作用。同时，使用生长素转运抑制剂，可以使敏感植株表现出类似抗性植株的2,4-D不转运特性，进一步证明双子叶杂草对2,4-D的抗性与其阻止激素在体内转运有关。（starseacow分享）

Tip-localized receptors control pollen tube growth and LURE sensing in Arabidopsis
Hidenori Takeuchi & Tetsuya Higashiyama
Nature 2016 531:245
在开花植物的有性生殖过程中，花粉管会被雌性性素引导，进行定向的极性生长，来到达胚珠内，完成受精。已近有数种多肽被鉴定出来能够作为雌性性素来引导花粉管生长，但是究竟花粉管是如何接受这些多肽，来开始极性生长的确还是未知。
为了回答这个问题，本文作者关注于一类受体蛋白，RLKs（receptor-like kinases）蛋白。他们用一个半体外的花粉管引导实验，从23个候选基因的T-DNA突变体中，筛选对于LURE1多肽（一个信号多肽）诱导失去反应的突变体。他们发现3个不同的PRK6基因的T-DNA突变体都没法对LURE1多肽的诱导发生反应，就怀疑PRK6蛋白是一个对LURE1多肽诱导发生应激反应的一个非常重要的蛋白。进一步的实验发现，PRK6与PRK3和PRK1共同协作，但又有不同的职责。PRK6对于信号接收非常重要，而PRK3和PRK1对于信号接收之后的传递以及后续的促进花粉管极性生长非常重要。
并且，他们发现PRK6蛋白会与ROPGEFs蛋白和LIP1、LIP2蛋白互作，由BiFC与Co-IP确认。ROPGEFs是来调控ROPs蛋白开关，对于细胞极性生长非常重要。LIP1与LIP2在与LURE1多肽相关的极性生长中也是非常重要的。以此，他们发现了PRK6的下游信号调控蛋白途径。
有意思的是，他们把PRK6表达到Capsella rubella中之后，能够使Capsella rubella的花粉管对于拟南芥的信号多肽LURE1发生反应，也就是打破了种属之间的生殖隔离。
最后他们发现，在经过LURE1应激后，PRK6在细胞膜上的定位就会随着LURE1所在方向改变，从而诱导花粉管朝着LURE1多肽方向生长。
这个文章发现了一个很好的花粉管是如何对于来自雌性生殖细胞的信号多肽进行应激反应，从而发生定向生长的一个机制。并且可以为打破生殖隔离，或是雄性不育提供一个非常好的理论基础。（Sun分享）

PAG1, a cotton brassinosteroid catabolism gene, modulates fiber elongation
棉花油菜素类固醇代谢基因PAG1调控纤维伸长
Zuoren Yang, …, and Fuguang Li
New Phytologist (2014) 203: 437–448
摘要：植物激素油菜素类固醇BR调控棉花纤维伸长，但分子机制不明确。pagoda1 (pag1) 基因的分离是通过遗传标记的筛选（activation tagging genetic screen），及利用染色体步移和芸苔素内酯brassinolide (BL) supplementation进行特性鉴定。基因来源背景强硬~RNA-Seq 分析用于阐明PAG1在调控纤维伸长中的分子机制。
pag1 棉花突变体表现为矮化和减小的纤维长度，由于细胞伸长和膨胀的抑制。芸苔素内酯BL处理能恢复突变体的缺陷表型。PAG1编码蛋白类似于拟南芥CYP734A1，CYP734A1通过C-26羟基化使BR失活。RNA-Seq 分析发现组成型表达的PAG1会下调一系列基因的表达，包括超长链脂肪酸very-long-chain fatty acids (VLCFA)合成基因、乙烯调控信号、镉响应基因、细胞壁发育、细胞骨架组建、细胞生长基因。文章提出PAG1在调控纤维伸长中发挥重要作用，通过控制内源活性BR，BR又能通过VLCFA影响乙烯级联信号。BR可能为调控纤维伸长的关键因子，影响VLCFA合成、乙烯、镉信号、细胞壁、细胞骨架相关基因表达。
感觉实验的顺序应该是从具有目标表型的突变体入手（很难得的材料），通过染色体步移确定TDNA插入位点（35S增强子元件插入到了P450-like基因的上游）， RNA-Seq分析机制。
BR为多羟基化的甾族的植物激素polyhydroxylated steroidal phytohormones，干扰BR合成会使植物表现为矮化等。BR的合成或失活具有反馈调节。实验中用的试剂为BL，而不是BR。BR biosynthesis inhibitor brassinazole (BRZ)。CYP734A1/BAS1为钝化BR的基因（即负调控BR水平）。BR不能长距离运输，过量的BR通过被失活来降低毒性。pag1 棉花突变体矮化表型为BR缺陷引起。专业词汇：bolls棉铃, locules浆瓣 and seeds棉籽。pag1突变表型是由于激活了一个CYP734A亚家族基因。(Mirror分享)

Environmental Nitrate Stimulates Abscisic Acid Accumulation in Arabidopsis Root Tips by Releasing It from Inactive Stores
Christine A. Ondzighi-Assoume, Sanhita Chakraborty and Jeanne M. Harris
Plant Cell TPC2015-00771-RA; Advance Publication February 17, 2016; doi:10.1105/tpc.15.00771
分享一篇来自Plant Cell的文章。
ABA作为一种重要的植物激素，参与调节硝酸盐，干旱以及温度影响下植物的生理反应。这篇文章揭示了其中硝酸盐对植物根尖生长的调节机制。
在植物体内，ABA以活性及非活性形态存在，其中后者为ABA-葡萄糖酯（ABA-GE），主要存在于液泡中。在拟南芥中，b-葡萄糖苷酶1（BG1）可以将ABA-GE快速转化为ABA以发挥效力。
在这篇文章中，作者使用一种改良免疫细胞化学技术直接观察ABA在植物组织细胞中的分布，他们使用EDC处理使ABA分布固定，并通过anti-ABA/荧光蛋白观测ABA。作者发现在拟南芥根尖中，ABA主要分布在根尖中心部位的一圈细胞中。通过添加ABA合成抑制剂与外源ABA，他们确认这种特殊分布与ABA合成无关。在亚细胞水平，ABA主要积累在质体，细胞核区域，ER附近的细胞骨架而非ER中。外源施加硝酸盐，作者观察到在根尖中心细胞中ABA大量积累，甚至在抑制ABA生物合成以后这种强积累信号仍然存在，提示硝酸盐调节ABA在根尖中心部位细胞中非合成依赖的积累。进一步研究发现，硝酸盐通过影响BG1表达水平，从而将ABA从ABA-GE形态中释放出来，发挥活性。同时，作者也发现ABA处理可以调节硝酸根反应相关基因如NIA1，NIR1的水平，提示硝酸盐处理诱导非活性ABA转为活性ABA，而活性ABA反过来同时参与NO信号系统，两者共同协作参与对根尖生长的调控。
这篇文章主要亮点在于通过免疫化学技术直接观察ABA，在组织水平与亚细胞水平揭示了ABA的特殊分布，同时发现硝酸根通过影响BG1水平转变非活性ABA已达到生理调节目的。（starseacow分享）

Phloem-Specific Methionine Recycling Fuels Polyamine Biosynthesis in a Sulfur-Dependent Manner and Promotes Flower and Seed Development
韧皮部特异性甲硫氨酸循环以依赖于硫的方式供给多胺合成、促进开花和种子发育
Wolfgang Zierer, Mohammad R. Hajirezaei, Kai Eggert, Norbert Sauer, Nicolaus von Wirén, and
Benjamin Pommerrenig
Plant Physiology, February 2016, Vol. 170, pp. 790-806

The Yang or Met Cycle 催化含S的5’-methylthioadenosine MTA 5’甲硫腺苷生成甲硫氨酸Met，MTA是乙烯、烟草胺、多胺合成的副产物，（Met甲硫氨酸为乙烯、烟草胺、多胺合成所必需的上游物质）。本文利用拟南芥Met Cycle缺陷突变体MTI1、DEP1研究不同S条件下Met Cycle对以上3个途径S再生的贡献；mti1、 dep1突变体都不能循环MTA，并表现出依赖于S的繁殖障碍，伴随花序中的腐胺、亚精胺、精胺含量的降低；外源添加3个多胺中的精胺能特异性的恢复S依赖的繁殖缺陷。另外，MTI1 and DEP1主要在植物的维管组织中表达。mti1、dep1突变体中，韧皮部特异重建Met Cycle活性能补偿依赖于S的突变表型。
感觉全文研究的范围跨度还是挺大的，工作量很大，做的也很细致，不过这篇文章有一个容易让人提问的地方，外源添加精胺能恢复突变体的缺陷表型（Fig 8 A-D），但前人研究已提出与株高直接关联的是热精胺（精胺的同型异构物）而不是精胺，全文涉及精胺作用的地方用热精胺替换也能进行假设，多胺检测方法选取的也是能检测热精胺的乙腈体系。（Mirror分享）

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